CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6 khí bảo vệ là phổ biến và thông dụng nhất cho ứng dụng hàn tự động trên cánh tay robot công nghiệp.2 Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ là quá trình hàn nóng chảy trong đó nguồn hàn được cung cấp bởi hồ quang tạo ra giữa điện cực nóng chảy (dây hàn) và vật hàn; hồ quang và kim loại nóng chảy được bảo vệ khỏi tác dụng của ôxi và nitơ trong môi trường xung quanh bởi khí bảo vệ. Khí bảo vệ có thể là khí trơ (Ar, He hoặc hỗn hợp Ar + He) không tác dụng với kim loại lỏng trong khi hàn, còn được gọi là phương pháp hàn MIG (Metal Inert Gas) hoặc là các loại khí hoạt tính (CO2; CO2 + O2; CO2 + Ar…) có tác dụng chiếm chỗ và đẩy không khí ra khỏi vùng hàn để hạn chế tác động xấu của nó đến cơ tính của mối hàn, còn được gọi là phương pháp hàn MAG (Metal Active Gas). Vì các loại khí trơ có giá thành cao nên không được ứng dụng rộng rãi, chỉ dùng để hàn kim loại màu và thép hợp kim. Phương pháp hàn MAG sử dụng khí bảo vệ CO2 được ứng dụng rộng rãi dó có rất nhiều ưu điểm: - CO2 là loại khí dễ kiếm, dễ sản xuất và giá thành thấp.
- Năng suất hàn trong CO2 cao gấp 2.5 lần so với hàn hồ quang tay. - Tính công nghệ của hàn trong CO2 cao hơn so với hàn hồ quang dưới lớp thuốc vì có thể tiến hành ở mọi vị trí không gian khác nhau. - Chất lượng hàn cao. Sản phẩm hàn ít bị cong vênh do tốc độ cao, nguồn nhiệt tập trung, hiệu suất sử dụng nhiệt lớn, vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp.
- Điều kiện lao động tốt hơn so với hàn hồ quang tay. Phạm vi ứng dụng: - Hàn được các loại thép kết cấu thông thường, thép không gỉ, thép chịu nhiệt, thép bền nóng, các hợp kim đặc biệt, các hợp kim nhôm, kẽm, đồng, các hợp kim có ái lực hóa học mạnh với oxi. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7 - Phương pháp hàn này có thể sử dụng được ở mọi vị trí trong không gian. Chiều dày vật hàn từ 0.8 mm thì chỉ cần hàn một lớp mà không cần vát mép, từ 1.6 ÷ 10 mm – hàn một lớp có vát mép, còn từ 3.2 ÷ 25 mm thì hàn nhiều lớp.
Công nghệ hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ: - Dây hàn: khi hàn MAG thường sử dụng dây hàn có đường kính từ 0. - Khí bảo vệ: + Khí Ar tinh khiết (~100%) thường được dùng để hàn kim loại màu. + Khí He tinh khiết (~100%) thường được dùng để hàn các liên kết có kích thước lớn với các vật liệu có tính dẫn nhiệt cao như Al, Mg, Cu,… + CO2 được dùng rộng rãi để hàn thép cacbon và thép hợp kim thấp, do giá thành thấp, mối hàn ổn định, cơ tính của liên kết hàn đạt yêu cầu, tốc độ hàn cao và độ ngấu sâu. Nhược điểm của hàn trong khí bảo vệ CO2 là gây bắn tóe kim loại lỏng.
- Chế độ hàn: + Dòng điện hàn: được chọn phụ thuộc vào kích thước điện cực (dây hàn) dạng truyền kim loại lỏng và chiều dày của liên kết hàn. + Điệp áp hàn: đây là thông số rất quan trọng trong hàn GMAW, quyết định dạng truyền kim loại lỏng. Điện áp hàn sử dụng phụ thuộc vào chiều dày chi tiết hàn, kiểu liên kết, kích cỡ và thành phần điện cực, thành phần khí bảo vệ, vị trí hàn… Để có được giá trị điện áp hàn hợp lý, có thể phải hàn thử vài lần, bắt đầu bằng giá trị điện áp hồ quang theo tính toán hay tra bảng, sau đó tăng hoặc giảm theo quan sát trên đường hàn để điều chỉnh giá trị điện áp thích hợp. + Tốc độ hàn: tốc độ hàn quyết định chiều sâu ngấu của mối hàn.
Nếu tốc độ hàn thấp, kích thước vũng hàn sẽ lớn và ngấu sâu. Khi tăng tốc độ hàn, tốc độ cấp nhiệt của hồ quang sẽ giảm, làm giảm độ ngấu và thu hẹp đường hàn. + Góc nghiêng: thường nghiêng khoảng 10 ÷ 200 so với chiều thẳng đứng [1]. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 8 Bảng 1.1 Chế độ hàn hồ quang điện cực nóng chảy, khí bảo vệ CO2 Thông số hàn Đường kính dây hàn (mm) 0.5 Dòng hàn (A) 30 - 50 - 60 - 90 - 100 - 120 - 200 - 250 - 100 150 180 140 500 550 600 700 Điện áp hồ 18 - 18 - 18 - 18 - 18 - 19 - 23 - 24 - quang (V) 20 22 24 42 45 46 40 42 Bảng 1.2 Chế độ hàn tự động liên kết hàn góc, khí bảo vệ CO2 Chiều Đường Cạnh mối Số Dòng điện Điện áp Tốc độ dày tấm kính dây góc hàn lớp hàn (A) hàn (V) hàn (m/h) (mm) hàn (mm) hàn (mm) (mm) 1 – 1.0 2 320 – 380 30 – 38 24 – 28 cạnh mối hàn 2.3 Chế độ hàn tự động liên kết hàn giáp mối, khí bảo vệ CO2 Chiều dày Đường Khe hở Số lớp Dòng điện Điện áp Tốc độ tấm (mm) kính dây hàn hàn hàn (A) hàn (V) hàn (m/h) hàn (mm) (mm) (mm) 0.2 2–3 280 – 450 27 – 35 16 – 30 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 9 Trong nền công nghiệp hiện đại, hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ chiếm một vị trí rất quan trọng.
Nó không những có thể hàn các loại thép kết cấu thông thường, mà còn có thể hàn các loại thép không gỉ, thép chịu nhiệt, thép bền nóng, các hợp kim đặc biệt, các hợp kim nhôm, niken, đồng. Phương pháp hàn này có thể sử dụng được ở mọi vị trí trong không gian. Chiều dày vật hàn từ 0.8 mm thì chỉ cần hàn một lớp mà không phải vát mép, từ 1.6 ÷ 10 mm – hàn một lớp có vát mép, còn từ 3.2 ÷ 25 mm thì hàn nhiều lớp.3 Ứng dụng cánh tay robot thông minh vào nguyên công hàn Ngày nay, các robot thương mại và robot công nghiệp được sử dụng phổ biến để thực hiện các công việc chính xác và đáng tin cậy hơn con người. Các robot cũng được sử dụng thay thế cho con người làm việc trong các môi trường ô nhiễm, nguy hiểm hoặc các công việc có tính lặp đi lặp lại – đơn điệu.
Trong công nghiệp, robot sử dụng phổ biến cho các ứng dụng lắp ráp, đóng gói sản phẩm hay vận chuyển hàng hóa trong các dây chuyền sản xuất hàng loạt. Đối với quá trình gia công sản xuất nói chung và nguyên công hàn nói riêng thì dạng robot được sử dụng nhiều nhất là cánh tay robot công nghiệp, bởi vì cánh tay robot có khả năng di chuyển linh hoạt, tốc độ di chuyển nhanh, độ chính xác cao nên phổ biến hơn cả. Hơn nữa hiện nay, tất cả các hãng cánh tay robot công nghiệp lớn trên thế giới như ABB, Motoman, Kuka, Fanuc, OTC Daihen… đều có các dòng sản phẩm robot chuyên dùng cho chức năng hàn. Điều đó tạo nên sự tiện lợi và dễ dàng cho người vận hành robot.
Cánh tay robot hàn mang lại rất nhiều lợi ích như tăng năng suất; nâng cao độ chính xác, chất lượng mối hàn; ứng dụng linh hoạt về sản phẩm hàn, biên dạng hàn, hạn chế con người làm việc trong môi trường độc hại. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 10 Hình 1.5 Ứng dụng cánh tay robot công nghiệp vào nguyên công hàn Tuy nhiên, cánh tay robot vẫn còn một số hạn chế nhất định: để cho robot công nghiệp thực hiện nguyên công hàn, người vận hành phải tốn nhiều thời gian cho việc lập trình chương trình quỹ đạo đường hàn và mỗi chương trình như vậy chỉ đúng cho một dạng đường hàn nhất định. Hơn nữa, tuy là cánh tay robot hoạt động ổn định và có sai số vị trí nhỏ nhưng sai số của đường hàn vẫn còn lớn. Bởi vì, sai số và chất lượng mối hàn còn phụ thuộc vào sai số của việc gá đặt, sai số của các quá trình nguyên công phía trước đó và sự dãn nở vật liệu trong quá trình hàn.
Thông thường, các nguyên công phía trước nguyên công hàn là dập, đột, cắt,… đều có sai số lớn hơn ± 1mm; bên cạnh đó nhiệt độ ở đầu hàn rất cao sẽ gây ra dãn nở vì nhiệt, điều đó làm thay đổi vị trí của đường so với ban đầu.6 Người công nhân lập trình chương trình cho robot hàn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11 Trước sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật những năm gần đây, đặc biệt là trong lĩnh vực thị giác máy tính, từ các thiết bị phần cứng như camera, các bộ xử lý chuyên biệt cho hệ thống xử lý ảnh…, cho đến các thuật toán xử lý ảnh đều được phát triển mạnh mẽ. Tạo nên xu hướng ứng dụng hệ thống vision vào cánh tay robot, điều đó được ví như gắn thêm “con mắt” vào robot đã có “tay”, hình thành nên hệ thống “robot thông minh”, cùng với đó là các thuật toán machine learning, artificial intelligence được xem như là “bộ não” để xử lý khối lượng thông tin lớn, phức tạp càng giúp robot trở nên thông minh hơn. Điều này giúp con người có thể giải quyết các bài toán, vấn đề phức tạp hơn mà cánh tay robot đơn thuần không giải quyết được. Quay lại bài toán cải thiện sai số đường hàn của cánh tay robot, qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu tác giả xin đề xuất giải pháp thiết kế một hệ thống thị giác tích hợp trên cánh tay robot có thể đáp ứng nhu cầu tự động hóa nguyên công hàn và cải thiện sai số đường hàn [2].4 Các thiết bị dò đường hàn công nghiệp trên thị trường 1.1 Thiết bị dò đường hàn tích hợp trên robot hãng Yaskawa Hãng Yaskawa đã phát triển các phần mềm MotoEye™ LT laser seam-tracking và MotoEye SF seam-finding dựa trên hệ thống phần cứng laser camera của hãng Servo-Robot chuyên dùng cho các ứng dụng hàn hồ quang.
Thông số kỹ thuật hệ thống laser camera hãng Servo-Robot: - Field of view: 27 ÷ 80 mm - Depth of field: 140 mm - Average range of resolution: 0.10 mm - Dimention (WxDxH): 33 x 58 x 94 mm - Weight: 0.5 kg Hệ thống cảm biến trên tương thích với bộ điều khiển robot dòng Motoman XRC và NX100, giao tiếp thông qua giao diện high-speed Ethernet. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 12 Hình 1.7 Cảm biến laser camera hãng Servo-Robot tích hợp trên robot Yaskawa Ngoài ra, hãng Yaskawa đã phát triển hệ thống cảm biến MotoSense Vision tích hợp với bộ điều khiển của robot DX200.