Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành xây dựng hiện đại, việc sử dụng cọc bê tông làm móng công trình ngày càng phổ biến nhằm đảm bảo độ bền vững và an toàn cho các công trình lớn. Mũi cọc chữ X là một chi tiết thép được hàn từ bốn tấm thép, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc cọc bê tông. Theo ước tính, sản lượng cọc bê tông sử dụng mũi cọc chữ X tăng trưởng mạnh trong những năm gần đây, kéo theo nhu cầu nâng cao chất lượng và hiệu quả sản xuất. Tuy nhiên, quy trình hàn thủ công hoặc bán tự động hiện nay còn nhiều hạn chế như yêu cầu cao về tay nghề, chi phí sản xuất lớn và chất lượng mối hàn không đồng đều.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng một quy trình hàn tự động cho mũi cọc chữ X bằng robot hàn, kết hợp hệ thống cảm biến đo khoảng cách và động cơ xoay cảm biến để nhận diện chính xác đường hàn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế hệ thống bàn gá hàn, phát triển giải thuật nhận diện đường hàn và giao tiếp điều khiển robot hàn tại một mô hình thử nghiệm kích thước 150x150x66 mm, thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong năm 2023.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tự động hóa quy trình hàn, giảm thiểu chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng mối hàn và bảo vệ sức khỏe người lao động khỏi môi trường hàn độc hại. Đồng thời, giải pháp này có thể mở rộng ứng dụng cho các sản phẩm hàn tương tự trong ngành cơ khí và xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết robot hàn công nghiệp: Robot hàn được lập trình để thực hiện các thao tác hàn tự động với 6 bậc tự do, giúp tăng độ chính xác và linh hoạt trong quá trình hàn các chi tiết phức tạp như mũi cọc chữ X.
  • Cơ sở toán học nhận diện đường hàn: Sử dụng lượng giác trong tam giác để tính toán tọa độ điểm hàn dựa trên dữ liệu đo khoảng cách và góc quét của cảm biến laser, từ đó xác định chính xác quỹ đạo đường hàn.
  • Mô hình hệ thống cảm biến đo khoảng cách và động cơ xoay: Hệ thống cảm biến laser TW10S kết hợp với động cơ bước điều khiển góc quét, được gắn trên bàn trượt tịnh tiến theo phương ngang và phương đứng để quét toàn bộ bề mặt mũi cọc.
  • Khái niệm về tự động hóa quy trình hàn: Giao tiếp giữa vi điều khiển, máy tính và robot hàn qua giao thức RS232 để truyền dữ liệu quỹ đạo hàn, đảm bảo quá trình hàn diễn ra liên tục và chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu chuyên ngành về robot hàn, cảm biến đo khoảng cách, kỹ thuật hàn MAG và các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước.
  • Phương pháp phân tích: Thiết kế mô hình 3D bằng phần mềm Inventor, tính toán chọn lựa động cơ, hộp số và truyền động dựa trên các thông số kỹ thuật. Phát triển giải thuật nhận diện đường hàn dựa trên dữ liệu cảm biến đo khoảng cách và góc quét.
  • Thí nghiệm kiểm chứng: Chế tạo mô hình thực tế hệ thống bàn gá và cảm biến, tiến hành đo đạc, nhận diện đường hàn trên mũi cọc chữ X kích thước 150x150x66 mm, khối lượng 1,7 kg. So sánh kết quả nhận diện với phương pháp chạm điểm truyền thống để đánh giá độ chính xác.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 2/2023, hoàn thành thiết kế và thí nghiệm trong vòng 5 tháng, kết thúc vào tháng 6/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế hệ thống bàn gá hàn hiệu quả: Bàn gá có kích thước 500x460x500 mm, sử dụng thép hộp vuông 30x30x1.2 mm, kết hợp hộp số bước 4 bước 90 độ và động cơ bước 57CM23 Leadshine với moment xoắn 2.283 Nm, đảm bảo quay chính xác từng góc 90 độ để hàn 4 mặt mũi cọc. Khối lượng tổng thể bàn gá và mũi cọc khoảng 3 kg, thời gian quay 90 độ là 0.4 giây.

  2. Lựa chọn cảm biến đo khoảng cách TW10S Laser phù hợp: Qua đánh giá về độ chính xác, phạm vi đo, độ ổn định và chi phí, cảm biến TW10S được chọn với sai số 1 mm + 5% khoảng cách đo, phạm vi đo rộng, giao tiếp UART và chi phí khoảng 2 triệu đồng, phù hợp với yêu cầu nhận diện đường hàn trên mũi cọc chữ X.

  3. Giải thuật nhận diện đường hàn dựa trên giá trị lớn nhất của khoảng cách đo được: Thuật toán xác định tọa độ điểm hàn bằng cách lấy giá trị lớn nhất trong tập dữ liệu đo khoảng cách quét theo góc, kết hợp với vị trí tịnh tiến của cảm biến. Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số quỹ đạo đường hàn sau khi cải tiến giải thuật giảm xuống dưới 2 mm, tăng độ chính xác lên hơn 85% so với phương pháp chạm điểm truyền thống.

  4. Giao tiếp và điều khiển robot hàn qua giao thức RS232 ổn định: Việc truyền dữ liệu quỹ đạo đường hàn từ máy tính đến bộ điều khiển robot MOTOMAN UP6 – XRC được thực hiện thành công, đảm bảo robot thực hiện hàn tự động theo đúng quỹ đạo đã nhận diện, giảm thiểu sai lệch do công vênh hoặc sai số gá đặt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp nâng cao chất lượng mối hàn là do hệ thống cảm biến đo khoảng cách TW10S có độ chính xác cao và khả năng chống nhiễu tốt trong môi trường hàn MAG, kết hợp với động cơ bước và hộp số bước cho phép định vị chính xác từng góc phần tư của mũi cọc chữ X. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng cảm biến cơ khí hoặc camera, giải pháp này giảm thiểu ảnh hưởng của ánh sáng hồ quang và nhiệt độ cao, đồng thời giảm chi phí đầu tư.

Kết quả thực nghiệm được minh họa qua biểu đồ sai số quỹ đạo đường hàn trước và sau khi cải tiến giải thuật, cho thấy sự giảm đáng kể sai số từ khoảng 5 mm xuống dưới 2 mm. Bảng so sánh hiệu suất giữa phương pháp lập trình huấn luyện và phương pháp tự động nhận diện cũng cho thấy sự vượt trội về độ chính xác và tính ổn định.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu không chỉ giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm mũi cọc chữ X mà còn mở rộng khả năng ứng dụng cho các sản phẩm hàn có cấu trúc tương tự trong ngành cơ khí và xây dựng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống bàn gá và cảm biến đo khoảng cách TW10S trong dây chuyền sản xuất thực tế: Đề xuất các nhà máy sản xuất cọc bê tông áp dụng hệ thống tự động hóa này nhằm giảm thiểu chi phí nhân công và tăng năng suất, với mục tiêu giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi xuống dưới 3% trong vòng 12 tháng.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển và giải thuật nhận diện đường hàn nâng cao: Tối ưu hóa thuật toán xử lý dữ liệu cảm biến để giảm thời gian quét và tăng độ chính xác, hướng đến khả năng nhận diện đường hàn phức tạp hơn, dự kiến hoàn thành trong 6 tháng tiếp theo, do bộ phận nghiên cứu và phát triển thực hiện.

  3. Mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các phương pháp hàn khác như hàn laser hoặc hàn TIG: Nghiên cứu ảnh hưởng của các loại nhiễu đặc thù và điều chỉnh hệ thống cảm biến phù hợp, nhằm đa dạng hóa ứng dụng robot hàn tự động, thời gian thực hiện dự kiến 1 năm.

  4. Đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì hệ thống tự động hóa: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho công nhân và kỹ sư vận hành robot hàn, đảm bảo vận hành ổn định và xử lý sự cố kịp thời, với kế hoạch đào tạo định kỳ hàng quý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và nhà quản lý trong ngành sản xuất cơ khí và xây dựng: Nghiên cứu giúp họ hiểu rõ về ứng dụng robot hàn tự động, từ đó áp dụng vào quy trình sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật cơ điện tử, tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế hệ thống cảm biến, giải thuật nhận diện đường hàn và giao tiếp điều khiển robot, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  3. Các doanh nghiệp sản xuất cọc bê tông và chi tiết hàn tương tự: Tham khảo để cải tiến quy trình sản xuất, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  4. Nhà cung cấp thiết bị robot và cảm biến công nghiệp: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và ứng dụng thực tế để phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu tự động hóa trong ngành xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot hàn tự động có thể áp dụng cho các loại mối hàn khác ngoài mũi cọc chữ X không?
    Có thể. Hệ thống cảm biến và giải thuật nhận diện đường hàn có thể được điều chỉnh để phù hợp với các loại mối hàn có cấu trúc tương tự, tuy nhiên cần hiệu chỉnh lại các tham số và thiết kế bàn gá phù hợp.

  2. Độ chính xác của hệ thống nhận diện đường hàn là bao nhiêu?
    Sau khi cải tiến giải thuật, sai số quỹ đạo đường hàn được giảm xuống dưới 2 mm, tương đương với độ chính xác trên 85%, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất.

  3. Chi phí đầu tư cho hệ thống tự động hóa này có cao không?
    Chi phí chủ yếu tập trung vào cảm biến laser TW10S (~2 triệu đồng), động cơ bước và hộp số bước. So với chi phí nhân công và phế phẩm do hàn thủ công, đầu tư này được đánh giá là hợp lý và có khả năng hoàn vốn nhanh.

  4. Hệ thống có thể hoạt động ổn định trong môi trường hàn có nhiều nhiễu không?
    Cảm biến laser TW10S có khả năng chống nhiễu ánh sáng hồ quang và nhiệt độ cao tốt, kết hợp với giải thuật lọc nhiễu giúp hệ thống hoạt động ổn định trong môi trường hàn MAG.

  5. Quy trình giao tiếp giữa máy tính và robot hàn được thực hiện như thế nào?
    Giao tiếp sử dụng giao thức RS232 với chuẩn truyền nhận dữ liệu đã được thiết kế và kiểm thử, đảm bảo truyền tải chính xác quỹ đạo đường hàn từ máy tính đến bộ điều khiển robot MOTOMAN UP6 – XRC.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công hệ thống bàn gá hàn tự động cho mũi cọc chữ X với khả năng quay chính xác từng góc 90 độ, phù hợp với cấu trúc sản phẩm.
  • Lựa chọn và ứng dụng cảm biến đo khoảng cách laser TW10S kết hợp động cơ bước để nhận diện chính xác đường hàn trên mũi cọc.
  • Phát triển giải thuật nhận diện đường hàn dựa trên giá trị lớn nhất của khoảng cách đo được, giảm sai số quỹ đạo xuống dưới 2 mm.
  • Xây dựng thành công giao tiếp điều khiển robot hàn qua giao thức RS232, đảm bảo quá trình hàn tự động diễn ra chính xác và ổn định.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo nhằm mở rộng ứng dụng và nâng cao hiệu quả sản xuất trong ngành cơ khí và xây dựng.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào tối ưu hóa giải thuật nhận diện, mở rộng ứng dụng cho các phương pháp hàn khác và triển khai thực tế trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên nền tảng nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả sản xuất và tự động hóa trong ngành.