Luận văn: Nghiên cứu và điều khiển robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy

Luận văn nghiên cứu thiết kế, điều khiển robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy, gồm động học, xây dựng quỹ đạo và thiết kế bộ điều khiển.

• Tác giả: Trần Việt Tiến
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Đức Trung
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu, Điều Khiển Robot Hàn Di Động Trong Chế Tạo Vỏ Tàu Thủy
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về robot hàn di động trong công nghiệp đóng tàu

Robot hàn di động đã trở thành một giải pháp quan trọng trong chế tạo vỏ tàu thủy hiện đại. Những thiết bị này được thiết kế để hoạt động trên các ray dẫn, cung cấp độ chính xác cao và hiệu suất làm việc vượt trội so với hàn thủ công. Ứng dụng robot hàn tự hành giúp giảm chi phí nhân công, nâng cao chất lượng đường hàn, và đảm bảo an toàn cho công nhân. Ngành công nghiệp đóng tàu hiện nay cấp thiết cần những giải pháp hàn tự động với giá thành hợp lý, đặc biệt cho các vị trí khó tiếp cận như mạn tàu hay các môi hàn ngang có kích thước lớn. Đây là lý do chính tại sao nghiên cứu và phát triển robot hàn di động chuyên dùng cho ngành đóng tàu trở nên vô cùng cần thiết.

1.1. Các loại robot hàn tự hành trên ray dẫn

Trong ngành đóng tàu, có ba loại robot hàn tự hành chính: loại bán tự động, loại tự động hoàn toàn, và loại đạy học. Robot bán tự động chạy trên ray dẫn cần sự can thiệp của con người để điều chỉnh quỹ đạo. Robot tự động hoàn toàn có khả năng tự nhận dạng quỹ đạo hàn thông qua cảm biến và điều khiển độc lập. Robot loại đạy học cho phép lập trình các động tác hàn để tái sử dụng trên các công việc tương tự.

1.2. Lợi ích của điều khiển robot hàn tự động

Điều khiển robot hàn tự động mang lại nhiều lợi ích: nâng cao độ chính xác của đường hàn, giảm khuyết tật, tiết kiệm thời gian sản xuất, và giảm chi phí nhân công. Các robot này có thể hoạt động liên tục trong các điều kiện khắc nghiệt, đặc biệt là trong các vị trí nguy hiểm hoặc khó tiếp cận trên tàu.

II. Thiết kế và cơ cấu robot hàn di động

Thiết kế robot hàn di động yêu cầu sự kết hợp giữa các thành phần cơ khí, điện và điều khiển tự động. Cấu trúc cơ bản bao gồm khung chính, hệ thống truyền động, cơ cấu nhận dạng quỹ đạo, và bộ điều khiển. Ray trượt đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ chuyển động của robot. Động cơ bước được sử dụng để điều khiển chuyển động trục đứng và trục ngang với độ chính xác cao. Bài toán động học và động lực học được áp dụng để xác định quỹ đạo chuyển động và lực cần thiết. Cảm biến khoảng cách laser được tích hợp để nhận dạng quỹ đạo hàn tự động, cho phép robot thích ứng với các biến thể hình học của vỏ tàu.

2.1. Hệ thống ray trượt và truyền động

Ray trượt là thành phần chính hỗ trợ chuyển động của robot trên các bề mặt tàu. Hệ thống truyền động bao gồm các động cơ bước có độ chính xác cao để đảm bảo điều khiển chính xác chuyển động. Tính chọn sơ bộ công suất động cơ trục đứng và trục ngang là bước quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của robot.

2.2. Phân tích động học robot hàn

Phân tích động học bao gồm bài toán động học thuận và ngược, giúp xác định vị trí và hướng của đầu hàn. Biểu thức động năng và thế năng được thiết lập để tính toán động lực học của robot. Phương pháp Lagrange loại hai được sử dụng để lập phương trình vi phân chuyển động, cung cấp cơ sở toán học cho điều khiển robot.

III. Xây dựng quỹ đạo chuyển động và nhận dạng quỹ đạo hàn

Quỹ đạo chuyển động của robot hàn di động phải được xác định chính xác để đảm bảo chất lượng hàn. Cảm biến khoảng cách laser là công cụ chính để nhận dạng quỹ đạo hàn tự động bằng cách quét profile mặt cắt ngang của đường hàn. Tín hiệu laser được số hóa và xử lý để loại bỏ nhiễu, sau đó tìm ra ma trận điểm chốt xác định hình dạng đường hàn. Phương pháp này cho phép robot tự động điều chỉnh quỹ đạo của mình để theo dõi chính xác đường hàn, ngay cả khi hình dạng hoặc vị trí của nó thay đổi. Quá trình nhận dạng quỹ đạo này là yếu tố then chốt giúp robot hoạt động độc lập và có thể thích ứng với các điều kiện công việc khác nhau.

3.1. Cảm biến laser và phương pháp quét

Cảm biến khoảng cách dùng tia laser cho phép đo chính xác khoảng cách từ robot đến bề mặt hàn. Phương pháp quét tạo ra các profile cắt ngang đường hàn, cung cấp thông tin hình học chi tiết. Công nghệ laser giúp robot hàn hoạt động trong các điều kiện ánh sáng khác nhau và có độ chính xác cao.

3.2. Xử lý tín hiệu và lọc nhiễu

Tín hiệu thu được từ cảm biến laser được số hóa để xử lý bằng máy tính. Các thuật toán lọc nhiễu được áp dụng để loại bỏ dữ liệu sai và cải thiện độ chính xác. Ma trận điểm chốt được tìm ra từ dữ liệu đã lọc, xác định chính xác vị trí của đường hàn.

IV. Thiết kế bộ điều khiển robot hàn và hệ thống điều khiển động cơ

Bộ điều khiển robot hàn là trung tâm của hệ thống tự động, chịu trách nhiệm điều khiển tất cả chuyển động của robot. Động cơ bước là lựa chọn tối ưu do tính chất chính xác cao và khả năng điều khiển dễ dàng. Có ba phương pháp điều khiển động cơ bước chính: phương pháp băm xung duy trì tần số không đổi, phương pháp băm xung duy trì thời gian nghỉ không đổi, và phương pháp băm xung tần số tự do. Phương pháp đầu tiên cung cấp tốc độ ổn định, phương pháp thứ hai tối ưu hóa năng lượng, còn phương pháp thứ ba cho phép điều khiển linh hoạt theo nhu cầu. Bộ điều khiển tích hợp các tín hiệu từ cảm biến, xử lý thông tin, và phát ra lệnh điều khiển đến các động cơ để điều chỉnh quỹ đạo robot trong thời gian thực.

4.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước độ chính xác cao

Động cơ bước hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường xoay quanh cuộn dây. Mỗi xung điện gửi đến động cơ làm nó quay một góc nhất định, cho phép điều khiển vị trí chính xác mà không cần phản hồi. Độ chính xác cao của động cơ bước làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho robot hàn di động.

4.2. Các phương pháp điều khiển xung động cơ

Phương pháp băm xung duy trì tần số không đổi giữ tốc độ ổn định bằng cách điều chỉnh độ rộng xung. Phương pháp băm xung duy trì thời gian nghỉ không đổi giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách thay đổi chu kỳ công tác. Phương pháp băm xung tần số tự do cho phép linh hoạt nhất trong điều khiển tốc độ và là nền tảng cho các hệ thống điều khiển robot tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 : Tổng quan vẻ robot hản trong công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy. Chương 2 _ : Xây dựng phương án thiết kế robot Chương 3 _ : Xây dựng quỹ đạo chuyên động cho robot Chương 4 : Thiết kể bộ điều khiển robot Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thây giáo PGS. Trần Đức Trung, viên Cơ khí - trưởng Đại học Bách Khoa Hả Nội đã hưởng dẫn giúp đỡ tôi hoản thành luận văn này. Do thời gian ngắn vả năng lực bản thân còn hạn chế nên kết quả của tôi chắc chắn còn nhiều thiểu sót, tôi rắt mong nhận được sự dong góp ý kiển của các thấy cô giáo.

HVTH: Tran Liệt Tiến GVHD: PGS. Tran Ditc Trung —————————— DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÒ THỊ Hình 1.1 ~ May han bản tự động.2 — Robot hản tự động đỏ quỹ đạo hàn chuyên dụng.3 — Câu trúc hệ thống nhận đang vả sử lý quỹ đạo đường hàn dùng cảm biển khoảng cách laser và camera CMOS .4~ Một loại robot hàn tự động chẻ tạo trong nước.1 — Ray trượt. _— se nie Seo.2 — Kết cầu tổng quan.3 ~ Sơ đồ cơ câu nhận đạng quỹ đạo.4 — Câu trúc động học.5 Quỹ đạo chuyển động của mũi súng hản.6: Đô thị vận tốc và gia tốc các khâu trong bài toán động học thuận.7: Mô hình cơ hệ có n bậc tự đo.8: Đô thị lực tại các khâu trong bải toán động lực học ngược.9: Đỗ thị vận tốc và gia tốc các khâu trong bai toán động học ngược cho chuyển động thẳng.1: Cảm biến khoảng cách laser CP24MHT§0.2: Sử dụng cảm biển laser tim profile biên dạng han.3: Tập hợp điểm thu được sau quá trinh quét bề mat vat han khoảng cách.4: Tin hiệu thu được khi chưa lọc a sơn 47 Hình 3.5: Tin hiệu thu được khi lọc qua bộ lọc thông thấp điện tử.48 Hình 3,6: Tin hiệu thu được khi lọc qua bộ lọc số.7: Tin hiệu thu được khi lọc qua b6 106 $6.1: Cầu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu.2: Cầu tạo động co bude tir tré thay dOi ee) Hình 4.3: Cầu tạo động cơ bước rạng stator nhiều tẳng.4: Đỗ thi dòng điện trong các phương pháp điều khiển động cơ bước.5: Phương pháp băm xung tằn số không đổi. c0 cccccccỐ7 HVTH: Tran Liệt Tiến GVHD: PGS.

Tran Ditc Trung —————————— DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÒ THỊ Hình 1.1 ~ May han bản tự động.2 — Robot hản tự động đỏ quỹ đạo hàn chuyên dụng.3 — Câu trúc hệ thống nhận đang vả sử lý quỹ đạo đường hàn dùng cảm biển khoảng cách laser và camera CMOS .4~ Một loại robot hàn tự động chẻ tạo trong nước.1 — Ray trượt. _— se nie Seo.2 — Kết cầu tổng quan.3 ~ Sơ đồ cơ câu nhận đạng quỹ đạo.4 — Câu trúc động học.5 Quỹ đạo chuyển động của mũi súng hản.6: Đô thị vận tốc và gia tốc các khâu trong bài toán động học thuận.7: Mô hình cơ hệ có n bậc tự đo.8: Đô thị lực tại các khâu trong bải toán động lực học ngược.9: Đỗ thị vận tốc và gia tốc các khâu trong bai toán động học ngược cho chuyển động thẳng.1: Cảm biến khoảng cách laser CP24MHT§0.2: Sử dụng cảm biển laser tim profile biên dạng han.3: Tập hợp điểm thu được sau quá trinh quét bề mat vat han khoảng cách.4: Tin hiệu thu được khi chưa lọc a sơn 47 Hình 3.5: Tin hiệu thu được khi lọc qua bộ lọc thông thấp điện tử.48 Hình 3,6: Tin hiệu thu được khi lọc qua bộ lọc số.7: Tin hiệu thu được khi lọc qua b6 106 $6.1: Cầu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu.2: Cầu tạo động co bude tir tré thay dOi ee) Hình 4.3: Cầu tạo động cơ bước rạng stator nhiều tẳng.4: Đỗ thi dòng điện trong các phương pháp điều khiển động cơ bước.5: Phương pháp băm xung tằn số không đổi. c0 cccccccỐ7 HVTH: Tran Viét Tién GVHD: PGS. Tran Die Trung —————————— 4.

Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước. Giới thiệu IC điều khiển động cơ bước chuyên dụng A3896. Mạch điều khiển động cơ bước thực tế. Thiết kế bộ điều trung tâm.

Vi điều khiển DsPic 30F4011. Thiết kế mạch điều khiễn. KET LUAN TÀI LIỆU THAM KHẢO. HVTH: Tran Viét Tién GVHD: PGS.

Tran Die Trung —————————— 4. Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước. Giới thiệu IC điều khiển động cơ bước chuyên dụng A3896. Mạch điều khiển động cơ bước thực tế.

Thiết kế bộ điều trung tâm. Vi điều khiển DsPic 30F4011. Thiết kế mạch điều khiễn. KET LUAN TÀI LIỆU THAM KHẢO.

HVTH: Tran Liệt Tiến GVHD: PGS. Tran Ditc Trung —— MO DAU Lịch sử phát triển của ngành công nghiệp đóng tảu gắn liên với lịch sử phát triển của công nghệ hàn. Tử những năm cuối bốn mươi, các phương pháp hản trong khi bảo vệ được nghiên cửu và đưa vào sản xuất. Hàn trong khí bảo vệ lảm tăng vọt chất lượng mỗi hản vả hiện nay là một trong những phương pháp hàn được sử dụng rộng rãi nhất tại các nhà máy đóng tàu với những ưu điểm về chất lượng môi hàn và đặc biệt là khả năng sử dụng để đàng ở nhiều tư thể hàn khác nhau.

Tuy nhiên cho đến khi robot được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong ngành hàn nói chung và công nghiệp đóng tàu nói riêng thì các thao tác hàn chủ yêu được thực hiện bởi con người và các máy bản tự động đơn giản. Trong khi đó một thực tế là môi trường làm việc của các thợ hản là rất khắc nghiệt: luôn phải tiếp xúc với ánh sáng hỗ quang giảu tử ngoại ảnh hưởng lớn đến sức khỏe, địa điểm làm việc cũng. rất nguy liểm khi họ luôn phải treo mình trên các cần trục để hàn phản mạn tàu rất cao và chênh vênh, thêm vào đó chất lượng các mỗi han không được đồng đều do yếu tô con người và để tuyển dụng được một đối ngũ thợ hản bậc cao không phải lả dé. Lúc này, các máy hàn bán tự động ra đời với mục đích giảm gánh năng cho con người, nâng cao năng suất và chất lượng mỗi han.

Tuy nhiên phân lớn các may han bản tự động vẫn còn thô sơ vả vẫn phải mật nhiều công lao động đo việc hạn chế trong kết câu cũng như điều khiển nên đa phân chúng hoat động theo phương pháp day — học. Chính vì vậy năng suất đóng mới vả sửa chữa không thể cao như mong. muốn cũng như chất lượng gia công không được thật sự đảm bảo. Bên cạnh đỏ nhu cầu đóng mới các tàu lớn và siêu lớn ngảy cảng tăng cao trên thể giới điều này đòi hỏi một năng lực sản xuất rất lớn cũng như các tiểu chuân kèm theo rất khắt khe.

Nhận thấy điều này các công ty tại các nước có ngành đóng tảu phát triển mạnh trên thể giới đã nhanh chỏng áp dụng công nghệ robot vảo lĩnh vực đóng tảu đặc biệt là sử dụng trong công nghệ hản vó tàu với ưu điểm vượt trội do tính linh hoạt trong công nghệ gia công nên các robot hản chuyên dụng cũng như đa năng trong. ngành đóng tàu đã xuất hiện rất nhiều và đang ngảy một nâng cao năng suất của ngành. Nước ta cũng là một nước đóng tàu ( chủ yếu lả vỏ tảu ) có tiếng tại khu vực HVTH: Tran Liệt Tiến GVHD: PGS. Tran Ditc Trung —— Hình 4.6: Dòng điện trong phương pháp điều khiến bằng chopper xung.7: Dạng sóng trong chế độ băm xung pha vả inhibit băm xung.8: Phương pháp hạn chế nhiều ảnh hưởng đền thời gian mở các bản dẫn công suất.9: Hiện tương mắtbrag đồng bộ.10: Phương pháp băm xung thời gian off không đôi.11: Phương pháp băm xung tần số tự do.12: So dé nguyén lý tổng quát bộ điều khiển dùng IC A3986.14: Các mức dòng điên trong chế độ vi bước 1/16.

xăiaauaoa[Bff Hình 4.15: Mạch nguyên lý thiết kế cho một đông cơ bước.17: Mạch hoàn chỉnh thiết kế cho 33 động cơ bước~ có thê betsy độc lập kết nổi máy tính hoặc thông qua mạch điều khiển trung tâm.18: Dạng sóng đòng điện pha trong chế độ vi bước 1/16 trên oscilocope.19: So dé chan chip DsPic30F4011 dang Dịp.20: Sơ đỏ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm .21: Sơ đồ layout mạch điều khiến trung tâm đ n 73 HVTH: Tran Viét Tién GVHD: PGS. Tran Die Trung —————————— 4. Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước. Giới thiệu IC điều khiển động cơ bước chuyên dụng A3896.

Mạch điều khiển động cơ bước thực tế. Thiết kế bộ điều trung tâm. Vi điều khiển DsPic 30F4011. Thiết kế mạch điều khiễn.

KET LUAN TÀI LIỆU THAM KHẢO. HVTH: Trin Viét Tiến GVHD: PGS. Tran Ditc Trung LOI CAM DOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn đề tải: “ Nghién cứu, điều khiển robot han di động trong chế tạo vỏ tàu thủy * do tôi tự thực hiện dưới sự hưởng dẫn của thầy giảo PGS. Trần Đức Trung.

Các số liệu và kết quả hoản toản trung thực. Ngoài các tai liệu tham khảo đã đẫn ra 6 cudi sách tôi đảm bảo rằng không sao chép các công trình của người khác. Nếu phát hiện có sư sai phạm với điều cam. đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Học viên thực hiện Trần Việt Tiền HVTH: Tran Liệt Tiến GVHD: PGS. Tran Ditc Trung —————————— niên vấn đề ứng dụng robot hàn trong ngành cảng trở nên bức thiết hơn bao giờ hết, Tuy nhiên, hiện tại chí phí của các robot hàn chuyên dụng cũng như đa năng còn rất cao nên chủ yếu các nhả máy hay công ty đóng tàu lớn mới cỏ khả năng tiếp cận được những thiết bị tiên tiến này. Chính vỉ vậy nhu cầu về một loại robot hản cho ngành đóng tàu với giá thành hợp lý và đáp ứng được yêu cầu gia công của ngảnh thật sự lá một vấn đề thời sư cần giải quyết Từ những phân tích trên công với những kiển thức chuyên ngành cơ điện tử có được tác giả đã chọn đề tài cho luận văn thạc sỹ là: * nghiên cứu, điều khiển robot hàn di động trong công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy ”. Mục tiêu của đè tải lả nghiên cứu thiết kế và xây dựng chiến lược điều khiển cho một robot hản đi đông dạng tự hảnh chuyên dùng cho các môi hàn đứng ở mạn tàu nơi thường rất khó thao tác với các thợ hản cũng như các máy hàn ban tự đông, hoặc các mỗi hản ngang với chiều đải lớn vả môi ghép không đồng đều trên boong tàu.

Để cương gồm những nội dung sau: Chương 1 : Tổng quan vẻ robot hản trong công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy. Chương 2 _ : Xây dựng phương án thiết kế robot Chương 3 _ : Xây dựng quỹ đạo chuyên động cho robot Chương 4 : Thiết kể bộ điều khiển robot Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thây giáo PGS.