Bài giảng Tự động hóa robot hàn - Phạm Văn Tuân

BỘ CễNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CễNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG
BÀI GIẢNG HỌC PHẦN
TỰ ĐỘNG HểA ROBOT HÀN
 (Lưu hành nội bộ)
Người biờn soạn: Phạm Văn Tuõn
Ụng Bớ, năm 2010
1Mục lục
 Chơng I:Giới thiệu chung về robot hàn Trang
1.1. Lịch sử phát triển robot 2
1.2. Đặc điểm và lĩnh vực ứng dụng robot 4
1.3. Xu thế phát triển robot trên thế giới 6
1.4. Tình hình tiếp cận và nghiên cứu robot ở Việt Nam 7
Chơng II:Cấu trúc và phân loại robot 8
2.1. Các bộ phận cấu thành robot 8
2.2. Bậc tự do và các toạ độ suy rộng 11
2.2.1. Bậc tự do 11
2.2.2. Toạ độ suy rộng 12
2.3. Hệ toạ độ và vùng làm việc 13
2.3.1. Hệ toạ độ 13
2.3.2. Vùng làm việc (Working Envelope) 17
2.3.3. Các giới hạn, phạm vi làm việc của các trục robot 17
2.3.4. Vùng giao thoa (Interfernce area) 18
2.3.5. Vùng thao tác đặc biệt 18
2.3.6. Vùng cho phép robot bắt đầu thao tác tự động 18
2.4. Các chỉ tiêu kỹ thuật của robot 19
2.4.1. Tay máy 19
2.4.2. Bộ phận điều khiển 19
 Chơng III:Các bài toán động học về robot 20
3.1. Khái niệm 20
3.2. Bài toán động học thuận 21
3.3. Bài toán động học ngợc 27
 Chơng IV:Hệ thống điều khiển 29
4.1. Các bộ phận của hệ thống điều khiển 29
4.1.1. Bộ phận chơng trình 29
4.1.2. Bộ phận điều khiển 29
4.1.3. Bộ phận phản hồi 33
4.1.4. Bộ phận chấp hành 33
4.2. Công nghệ điền khiển 33
 Chơng V:Hệ thống truyền động 34
5.1. Truyền động cơ khí 34
5.1.1. Bộ phận bánh răng sóng 34
5.1.2. Truyền động vít (trục vít), đai ốc, bi 34
5.2. Truyền động điện 34
5.2.1. Động cơ bớc (Step motor) 35
5.2.3. Động cơ trợ động xoay chiều (ar servo motor) 36
5.3. Truyền động khí nén 38
 Chơng VI:Robot hàn hồ quang 40
6.1. Cấu trúc của hệ thống robot hàn hồ quang 40
26.1.1. Tay máy 40
6.1.2. Bộ phận điều khiển 40
6.1.3. Bảng dạy (Teaching Penbut) 41
6.1.4. Hộp thao tác (Operating box) 41
6.2. Đồ gá hàn 41
6.2.1. Đồ gá quay một trục (one axis positioner) 42
6.2.2. Đồ gá quay hai trục (two axis positioner) 42
6.2.3. Đồ gá trợt (slider) 43
6.3. Nguồn hàn và các thiết bị phụ trợ 43
6.3.1. Nguồn hàn 43
6.3.2. Mỏ hàn 43
6.3.3. Thiết bị cấp dây hàn 44
6.4. Lập trình, điều khiển robot hàn hồ quang 44
6.4.1. Các dạng chuyển động của robot 44
6.4.2. Các chế độ hoạt động của robot 46
6.5. Các lệnh điều khiển quá trình hàn 47
 Chơng VII:Giới thiệu một số loại robot hàn hồ quang 49
7.1. Robot hàn hồ quang 49
7.2. Robot hàn điểm 53
Tài liệu tham khảo 56
3Lời nói đầu
Trong thời đại ngày nay robot đã thay con ngời làm nhng việc đơn giản nh
quét dọn, chăm sóc ngời già,... đến những việc mà con ngời không thể làm đợc
nh làm việc trong môi trờng độc hại, nhiễm phóng xạ cao, lên sao hoả,... Việc
nghiên cứu và ứng dụng robot vào cuộc sống là việc rất cần thiết, đăc biệt là lĩnh
vực kinh tế. Robot sẽ làm nâng cao hiệu quả làm việc và chất lợng sản phẩm lên
rất nhiều.
Trong các nganh cơ khí thì robot hàn hiện nay đang áp dụng vào thực tế sản
xuất ở nớc ta. Bởi vậy việc đào tạo những ngời thợ kỹ thuật , có tay nghề cao,
nắm bắt đợc các công nghệ tiên tiến ở nớc ta là rất cần thiết. Có rất ít các tài liệu
nói về robot hàn hồ quang nên tôi đã mạnh dạng biên soạn cuốn tài liệu này để
giúp các bạn đọc hiểu thêm về robot hàn hồ quang.
Cuốn tài liệu này giúp ngời đọc hiểu một cách hệ thống đơn giản nhất về robot hàn
hồ quang, ngoài ra nó còn là tài liệu tham khảo bổ ích cho các thày cô giáo. Để
hoàn thành cuốn tài liệu này tôi xin chân thành cám ơn Tiến sỹ. Bùi Văn Hạnh,
phó trởng bộ môn hàn và công nghệ kim loại trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội.
Việc biên soạn cuốn tài liệu này không tránh khỏi các thiếu sót bởi vậy tôi rất
cần sự góp ý kiến của các bạn đọc gần xa.
Moi ý kiến xin gửi về địa chỉ sau:
 Điện thoại :0168 6325 566
 Email :phamtuanxd2009@gmail.com
4Chơng I
Giới thiệu chung về robot hàn
1.1 . Lịch sử phát triển robot
Năm 1921 xuất hiện ý tởng.
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công
việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm
1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc
máy gần giống với con ngời để phục vụ con ngời. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho
các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chớc các hoạt động cơ bắp
của con ngời.
Năm 1922 xuất hiện trong văn học.
Trớc triến tranh thế giới lần thứ II xuất hiện tay máy làm trong môi trờng phóng xạ.
Từ thập niên 50, nẩy sinh ý tởng kết hợp điều khiển NC với các cơ cấu điều khiển từ
xa.
Năm 1961 Robot công nghiệp đầu tiên ra đời ở Mỹ.
Năm 1968 ở Liên Xô nghiên cứu thiết bị robot làm việc ở dới nớc.
Năm 1969 Nhật Bản đầu t 6,3 triệu đô la cho công nghiệp robot.
Năm 1971 ở Liên Xô xuất hiện loại robot YH-1,YK-1,yhuhepacal-1 ứng dụng
trong công nghiệp.
Năm 1972 ở Mỹsản suất 20  25 robot / tháng.
Từ những năm 80 do kỹ thuật vi sử lý phát triển dẫn tới số lơng robot tăng, giá
thành hạ, tính năng cũng phong phú hơn.
Cho đến nay ở trên thế giới có hơn 200 công ty sản xuất robot (chủ yếu tập trung ở
Nhật Bản).
 Các hãng sản xuất robot: FANDC, ABB, KVKA, OCT – DAIHEN, PANSONIC,
YWASKAWA.
 Sự phát triển về tính năng của robot :
Đầu năm 1960: robot điều khiển theo chu kỳ đơn giản cha có khả năng nhận
biết.
Năm 1967: ở trờng Đại Học Tổng Hợp STANFOR (Mỹ) đã chế tạo đợc loại robot
có khả năng nhận biết và định hớng bàn tay kẹp.
Vào những năm19 70: việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý
đặt thêm các cảm biến để hỗ trợ làm việc. Lúc đó công ty ABM đã chễ tạo đợc
robot có cảm biến xuc giác và cảm biến lực đợc điều khiển bằng máy tính.
Vào những năm 1980: nhờ có sự phát triển của vi sử lý dữ liệu, nên robot có khả
năng nghe nhìn, thấy đợc.
1.2. Đặc điểm và lĩnh vực ứng dụng Robot
 Đặc điểm và ứng dụng robot
Đơn giản hoá các chơng trình làm việc có chuyển động phức tạp của cơ cấu
chấp hành theo quy định phẳng đặc biệt là quỹ đạo không gian, kể cả khi làm việc
phải thay đổi vận tốc, gia tốc, tải trọng, dụng cụ.
5Robot có thể thực hiện đợc một thao tác qui trình hợp lý, bằng hoặc hơn một
ngời thợ lành nghề, một cách ổn định trong quá trình làm việc. Do đó chất lợng sản
phẩm đợc nâng cao rõ rệt, đặc biệt là chất lợng đó rất ổn định. Đó là một điều mà
ngời thợ lành nghề không làm đợc.
Dễ dàng thay đổi chơng trình làm việc, đẽ dàng thích nghi khi mẫu mã sản
phẩm thay đổi, dễ dàng chuyển sang công việc mới mà không cần phải trang bị lại.
Giảm thời gian chuẩn bị kỹ thuật khi thiết kế đây chuyền sản xuất tự động, thiết
kế mẫu sản phẩm và quy trình công nghệ chế tạo, ở cácđâychuyền sản xuất tự động
khác do thời gian thiết kế qua dài cho nên khi thiết kế xong có thể quy trình đó đã
bị lạc hậu.
Giảm giá thành sản phẩm tạo điều kiện cạnh tranh doviệc ứng dụng robot nên
giảm đợc chi phí cho ngời lao động. Nhất là những nớc có phụ cấp và bảo hiểm xã
hội cao.
Năng suất lao động của dây chuyền tăng lên rất cao (gấp khoảng 3 lần so với
dây chuyền không có robot).
Cải thiện môi trờng lao động vì robot thay thế con ngời làm những viẹc trong
môi trờng độc hại, nặng nhọc.
 Các lĩnh vực ứng dụng robot có hiệu quả
Phục vụ sản xuất
- Hàn và phun phủ:chiếm 32,7 %.
- Đúc:chiếm 18,3 %
- Cấp phát phôi:chiếm 9,5 %
- Lắp ráp:chiếm 9,5 %
- Nghiên cứu và đào tạo:chiếm 5,5 %
- Nâng chuyển và sắp xếp:chiếm 3,9 %
- Các việc khác:chiếm 20,3 %
Lĩnh vực khác
- Thay thế công việc thợ lặn, an toàn hơn, hiêu quả va rẻ hơn.
Ví dụ: ngời thợ lặn sâu 3  120 m mất 100  500 USD.
Robot lặn sâu 180  3000 m mất 100  400 USD.
- Lắp đặt các công trình ngầm dới biển.
- Thay thế con ngời làm những công việc nguy hiểm nh vớt bom và tàu ngầm
nguyên tử.
 Nghiên cứu vũ trụ
- Xe tự hành trên mặt trăng và sao hoả.
- Robot nghiên cứu vũ trụ có điều khiển từ xa.
Văn phòng, y tế, tạp dịch
- Lau nhà, rửa bát, chông nhà, chông trẻ, chông già.
- ứ dụng trong lĩnh vực phục vụ bệnh nhân.
- Trong sinh hoạt: chụp ảnh, bán bia, chữa cháy, bảo vệ.
1.3. Xu thế phát triển robot trên thế giới
6Từ khi mới ra đời robot đợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực dới góc độ thay thế
sức ngời. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất đợc tổ chức lại, năng suất và hiệu quả
sản xuất tăng lên rõ rệt.
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây
chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lợng và khả năng cạnh tranh của
sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt đợc các mục tiêu trên là nhờ
vào những khả năng to lớn của robot nh : làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàng
chuyển nghề một cách thành thạo, chịu đợc phóng xạ và các môi trờng làm việc độc
hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” đợc cả từ trờng và “nghe” đợc cả siêu âm ... Robot đợc
dùng thay thế con ngời trong các trờng hợp trên hoặc thực hiện các công việc tuy
không nặng nhọc nhng đơn điệu, dễ gây mệt mõi, nhầm lẫn.
- Robot ngày càng trở nên chuyên dụng.
- Robot ngày càng đảm nhiệm đợc công việc lắp giáp.
- Robot di động ngày càng trở nên phổ biến.
- Robot ngày càng trở nên tinh khôn hơn.
Các robot đợc trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trờng
chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã
tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt, Số lợng robot ngày càng gia
tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot đã có vị trí quan trọng trong các
dây chuyền sản xuất hiện đại.
Trong ngành cơ khí, robot đợc sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ
hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản
phẩm . . .
Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC
với Robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá cao, mức độ linh
hoạt cao . . ., ở đây các máy và robot đợc điều khiển bằng cùng một hệ thống chơng
trình.
Ngòai các phân xởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng đợc sử dụng trong việc khai
thác thềm lục địa và đại dơng, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh
phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội . . .
Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vợt hơn khả năng
của con ngời; do đó nó là phơng tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao năng suất
lao động, giảm nhẹ cho con ngời những công việc nặng nhọc và độc hại. Nhợc điểm
lớn nhất của robot là cha linh hoạt nh con ngời, trong dây chuyền tự động, nếu có
một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot
vẫn luôn hoạt động dới sự giám sát của con ngời.
Có thể nói, robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều
khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo
chơng trình số cũng nh kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các
phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia ...
1.4. Tình hình tiếp cận và nghiên cứu robot ở Việt nam
7- Những năm 1978, 1979 khái niệm robot đa vào Việt Nam qua các luận án
phó tiến sĩ tốt nghiệp ở Liên Xô, ở Đức.
- Nhứng năm 1980 nghiên cứu ứng dụng các tay máy làm việc trong môi trờng
độc hại ở viện bảo hộ lao động. Cũng năm 1980 ở trờng Đại Học Bach Khoa
thành lập trung tâm tự động hoá, nghiên cứu khởi thảo robot, đọc các chuyên
đề và đào tạo một số sinh viên về robot sau đó thiêt kế các tay máy có 3  5
bậc tự do.
- Từ sau năm 1990 bắt đầu ứng dụng nhiều, năm 1998 ở Hải Phòng thành lập
nhà máy lắp ráp robot ở khu công nghiệp NUMURA.
 Những nơi đã sử dụng robot :
- Công ty HONDA Việt Nam: có 8 robot hàn hồ quang.
- Công ty YAMAHA: có 10 robot hàn hồ quang.
- Công ty VPIC: có 8 robot hàn hồ quang.
- Công ty GOSI Thang Long: có 8 robot hàn hồ quang.
- Công ty TAKAMCHI: có 1 robot hàn hồ quang.
- Công ty KYOEI Việt Nam: có 16 robot hàn hồ quang.
- Công ty SAVARA Việt Nam: có 7 robot hàn hồ quang.
- Trờng Việt Xô: có 2 robot hàn hồ quang.
- Trờng CĐSPKT Nam Định: có 2 robot hàn hồ quang.
- Trờng CĐCN Hà Nội: có 1 robot hàn hồ quang.
- Viện nghiên cứu cơ khí: có 2 robot hàn hồ quang.
- Đại học Bách Khoa Hà Nội: có 1 robot hàn hồ quang và 4 robot thao tác nâng
chuyển sắp xếp
8Chơng II
Cấu trúc và phân loại Robot
2.1. Các bộ phận cấu thành robot
 Định nghĩa :
Robot là một thiết bị tự động làm việc theo chơng trình đợc lập sẵn bởi con
ngời nhằm thực hiện đợc một số công việc mà không cần tham gia của con ngời.
Một robot thờng bao gồm các thành phần chính nh : cánh tay robot, nguồn
động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển , thiết
bị dạy học, máy tính ... các phần mềm lập trình cũng nên đợc coi là một thành phần
của hệ thống robot. Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot
Hình 1. 1 . Các thành phần chính của robot.
Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau
bằng các khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot.
Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bớc), các hệ thống xy
lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động.
Dụng cụ thao tác đợc gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot có thể
có nhiều kiểu khác nhau nh : dạng bàn tay để nắm bắt đối tợng hoặc các công cụ
lμm việc nh mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn ...
Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần
thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã đợc
dạy để làm việc (phơng pháp lập trình kiểu dạy học).
Các phần mềm để lập trình và các chơng trình điều khiển robot đợc cμi đặt
trên máy tính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Controller). Bộ điều
khiển còn đợc gọi là Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thờng đợc kết nối với
máy tính. Một mođun điều khiển có thể còn có các cổng Vào - Ra (I/O port) để làm
9việc với nhiều thiết bị khác nhau nh các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái
của bản thân, xác định vị trí của đối tợng làm việc hoặc các dò tìm khác; điều khiển
các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot ...
2.1.1. Tay máy (Manapulator)
- Gồm: đế, thân, tay trên.
Hình 1. 2 . Cấu tạo tay máy của robot 3 bậc tự do.
Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của
robot. Các kết cấu của nhiều tay máy đợc phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay
ngời; tuy nhiên ngày nay, tay máy đợc thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có
hình dáng rất khác xa cánh tay ngời. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta
cần quan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến
khả năng làm việc của robot nh: tầm với (hay trờng công tác), số bậc tự do (thể hiện
sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp.
Tay trên
Thân
Đế tay máy
10
Hình 1. 3 . Mô phỏng theo cấu tạo và chức năng theo tay
ngời.
Các khâu của robot thờng thực hiện hai chuyển động cơ bản :
• Chuyển động tịnh tiến theo hớng x,y,z trong không gian Descarde, thông
thờng tạo nên các hình khối, các chuyển động nầy thờng ký hiệu là T
(Translation) hoặc P (Prismatic).
• Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation).
Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các
kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thờng gặp của là Robot
là robot kiểu to ... nh cho từng trạm.
ở hãng HONDA :
Trạm chơng trình
1 1
2 2
 Hình 6.12 .Chơng trình cho từng trạm ở hãng HONDA.
6.5. Các lệnh điều khiển quá trình hàn
- Lệnh gây hồ quang (arcon, as) :
 Có thể đa các thông số hàn trực tiếp vào lệnh này hoặc đa gian tiếp thông
qua file (file này tạo từ trớc).
- Lệnh ngắt hồ quang (arcoff, ae) :
 Có thể đa các thông số hàn trực tiếp vào lệnh này hoặc đa gian tiếp thông
qua file (file này tạo từ trớc).
CT1
ST1
ST1
CT2
OB ST1 ST2 ST3
48
- Lệnh bặt tắt cho dao động dích dắc đầu hàn:
. Khi sử dụng lệnh này ta phải cài dặt thông số dao động:biên độ dao
động, kiểu dao động.
. Lệnh bật dao động phải ngay sau lệnh gây hồ quang.
. Lệnh tắt dao động phải ngay trớc lệnh gây hồ quang.
- Lệnh đùn dây:Inching
- Lệnh thu bớt dây lại:Retract
- Chức năng gây lại hồ quang:Retry (sử dụng khi chi tiết hàn bị bẩn làm
cho robot không gây đơc hồ quang. Thời gian giữa các lần gây lại hồ
quang do ngời sử dụng cài đặt. thông thơng là 0,25 s, số lần gây lại hồ
quang thờng là 3 lần).
- Lệnh Restart (lệnh khởi động lại robot):Khi ấn lệnh Restart thì robot phải
lùi lại (do ngời điều khiển cài đặt) và bớc khởi động lại (do ngời điều
khiển cài đặt), phải khởi động đúng bớc mà robot bị lỗi.
Hình 6.13. Lệnh Restart.
- Chức năng chống dính dây Anty – Stick:Khi bật chức năng này lên
đến cuối đờng hàn thì nó tự nhẩy lên để chống dính dây.
- Chức năng tự loại bỏ dính dây Automatic stick re lease:Khi bật chức
năng này lên thì nó tự loại bỏ lúc bị dính dây (tự tăng điện áp,...).
Lùi về một đoạn 10 - 20 mm
Vh lỗi
49
 Hỡnh 7.1. Robot hàn hồ quang
Chơng VII
Giới thiệu một số loại robot hàn hồ quang
7.1. Robot hàn hồ quang
7.1.1. Một hệ thống hàn hồ quang tự động gồm cỏc thành phần điển hỡnh:
ãRobot hàn hồ quang
ãNguồn điện (mỏy hàn)
ãSỳng hàn: để truyền dũng điện hàn từ cỏp
hàn tới điện cực. Nú phải cú cơ chế cỏch
ly vựng hàn khỏi khụng khớ.
ãBộ làm sạch sỳng hàn: đầu sỳng hàn gần
hồ quang và dần dần dớnh vẩy hàn, cần
phải làm sạch.
ãBộ cấp điện cực: để bự lại dõy điện cực
tự tiờu khi hàn.
ãKhung hàn và tay hàn giữ và định vị cỏc
chi tiết để đảm bảo mối hàn sẽ được robot
thực hiện chớnh xỏc.
ãBộ định tõm: để đảm bảo que hàn và
khung hàn biết vị trớ của nhau, cần phải
liờn tục hiệu chỉnh trọng tõm của hệ
thống. Qỳa trỡnh này được thực hiện nhờ
một thiết bị định tõm tự động.
Cỏc robot hàn chủ yếu cú dạng cỏnh tay cú khớp hoặc xoay. Loại robot trục Đề-cỏc
chỉ được dựng cho cỏc robot rất lớn hoặc rất nhỏ. Cỏnh tay robot được sử dụng
nhiều do nú cho phộp sỳng hàn chuyển động như cỏch con người thao tỏc. Gúc
sỳng hàn và gúc di chuyển cú thể thay đổi để hàn ở mọi vị trớ, nhất là ở những vị trớ
khú tiếp cận. Cỏnh tay robot cũng gọn nhẹ nhất và cú tầm với lớn nhất. Thường cỏc
robot hàn cú 5-6 trục tự do, lập trỡnh được.
a. Nguồn hàn
Nguồn hàn phải cung cấp dũng điện điều khiển được với điện ỏp thớch hợp cho
quỏ trỡnh hàn. Thường là 10-35V và 5-100A.
Cỏc mỏy hàn hồ quang tự động cần nguồn điện phức tạp hơn hàn bỏn tự động. Mỏy
hàn tự động cần giao tiếp với nguồn điện để điều khiển nguồn hàn nhằm mang lại
hiệu năng tối ưu.
50
Cú 3 loại nguồn hàn hồ quang:
ãNguồn cụng suất khụng đổi
ãNguồn ỏp khụng đổi
ãNguồn dũng khụng đổi
b. Sỳng hàn hồ quang
Sựng hàn dựng để đưa điện cực đến mối hàn, truyền dũng điện hàn vào điện
cực và tạo ra lớp cỏch ly quanh mối hàn. Cú nhiều kiểu sựng hàn khỏc nhau, tựy
theo quỏ trỡnh hàn, dũng hàn, kớch thước điện cực và chất cỏch ly.
Sỳng hàn cú thể được làm nguội bằng nước luõn chuyển hoặc khụng khớ. Qỳa trỡnh
hàn dựng điện cực tự tiờu như hàn hồ quang kim loại khớ hoặc hàn hồ quang lừi
thuốc, cú thể dựng hoặc khụng dựng khớ cỏch ly. Cỏc sỳng hàn cú thể ở dạng thẳng
hoặc cong. Sỳng hàn cong để tiếp cận mối hàn dễ dàng hơn.
Chức năng chớnh của sỳng hàn là truyền dũng điện tới điện cực. Đối với quỏ trỡnh
hàn dựng điện cưc tự tiờu, dũng hàn được truyền tới điện cực khi nú chuyển động
qua sỳng. Chức năng thứ hai của sỳng hàn là cấp khớ cỏch ly tới vựng hàn (nếu cú).
Hàn hồ quang kim loại khớ dựng khớ hoạt động như cỏc-bon đi-ụxớt hoặc hỗn hợp
khớ trơ, thường là argon với CO2 hoặc ụ-xy.
Sỳng hàn được mắc vào thõn robot bằng một cỏch tay thớch hợp. Thường là một ly
hợp chống va đập, phũng khi điện cực bị dớnh hoặc va chạm khi lắp đặt, khởi động.
c. Bộ cấp dõy
Bộ cấp dõy dựng để bổ sung kim loại điền đầy trong qỳa trỡnh hàn tự động.
Điều này cho phộp linh hoạt trong việc thiết lập nhiều tốc độ cấp dõy khỏc nhau để
phự hợp với những yờu cầu cụ thể của từng dõy chuyền. Bỡnh thường, bộ cấp dõy
được mắc trờn cỏnh tay robot, độc lập với nguồn hàn. Với hàn tự động, cần cú một
giao diện điều khiển giữa bộ điều khiển robot, nguồn và bộ cấp dõy. Hệ thống cấp
dõy hàn phải phự hợp với quỏ trỡnh hàn và kiểu nguồn điện được sử dụng.
Cú hai kiểu cơ bản. Kiểu thứ nhất dựng cho hàn dựng dõy điện cực tự tiờu, gọi là bộ
cấp dõy điện cực. Điện cực là một phần của mạch hàn, và kim loại núng chảy từ
điện cực lấp đầy vào mối hàn. Cú hai loại cấp dõy điện cực khỏc nhau. Nguồn cụng
suất khụng đổi cần một bộ cấp dõy cảm ỏp, trong đú tốc độ cấp dõy thay đổi liờn
tục. Cũn nguồn điện ỏp khụng đổi cần tốc độ cấp dõy khụng đổi trong suốt quỏ
trỡnh hàn.
Kiểu cấp dõy thứ hai gọi là cấp dõy nguội và được dựng cho hàn hồ quang tăng-
xtan khớ. Điện cực khụng phải là một phần của mạch hàn, và kim loại điền đầy lấy
từ vật hàn.
d. Định vị và giữ cố định vật hàn
Để nối cỏc vật hàn, mỗi vật hàn phải được căn chỉnh chớnh xỏc và giữ chắc
chắn tại chỗ trong quỏ trỡnh hàn. Một điều quan trọng là cỏch thiết kế một khung
giữ cỏc vật hàn tại vị trớ thớch hợp. Bộ phận này phải thao tỏc nhanh và dễ dàng, giữ
chắc cỏc vật hàn cho tới khi chỳng dớnh vào nhau và phải cho phộp sỳng hàn tự do
tiếp cận mối hàn. Bộ định vị cú thể được thiết kế giống như trong hàn bằng tay,
hoặc chuyờn biệt để tăng tớnh linh hoạt và tầm hoạt động của cỏc hệ thống hàn tự
51
động. Độ chớnh xỏc cũng phải cao hơn. Ngoài ra, cỏc điều khiển định vị robot phải
tương thớch và tuõn thủ theo bộ điều khiển robot trung tõm để đạt được chuyển
động phối hợp tức thỡ của nhiều trục trong khi hàn.
Tuy nhiờn, thao tỏc nõng hạ cỏc bộ phận tĩnh của hệ robot rất tốn thời gian và cú
thể phi thực tế. Sẽ hiệu quả hơn nếu cú hai hay nhiều khung giữ trờn một bộ định vị
vật hàn quay, mặc dự chi phớ ban đầu cao hơn.
e. Bộ làm sạch sỳng hàn
Để làm việc chớnh xỏc và tin cậy, sỳng hàn hồ quang phải được làm sạch liờn
tục.
 Chu kỳ làm việc cao độ của hàn tự động nờn quỏ trỡnh làm sạch sỳng hàn cũng
phải được tự động húa. Chất tỏch vẩy hàn được phun vào mũi sỳng hàn. Ngoài ra,
bộ làm sạch cũn cú thể trà sỏt mũi sỳng hàn để loại bỏ vẩy hàn bỏm vào và cắt dõy
hàn. Hệ thống làm sạch phải được tự động kớch hoạt tại cỏc thời điểm mà hệ điều
khiển yờu cầu.
f. Bộ định tõm
Cảm biến cuối tay và quỏ trỡnh căn chỉnh trọng tõm là những yếu tố cơ bản để
thực hiện thành cụng hệ thống hàn tự động. Cảm biến cuối tay dựng để phỏt hiện vị
trớ thực tế của cạnh vật hàn so với khung robot, từ đú tớnh ra chớnh xỏc trọng tõm
cụng cụ so với vật hàn.
g. Bộ bọc đầu điện cực
Chức năng của điện cực là truyền dũng hàn và chịu lực nộn lớn để duy trỡ một
vựng tiếp xỳc đồng bộ và đảm bảo tương quan hợp lý, liờn tục giữa dũng hàn và lực
hàn. Chất lượng mối hàn phụ thuộc nhiều vào tớnh đồng bộ của tiếp diện điện cực.
Tiếp diện này thường bị biến dạng sau mỗi lần hàn, nguyờn nhõn cú thể do vật liệu
điện cực quỏ mềm, lực nộn quỏ lớn, tiếp diện quỏ nhỏ, và quan trọng nhất, do dũng
hàn quỏ cao. Những yếu tố này gõy ra quỏ nhiệt và làm mềm đầu điện cực. Ngoài
ra khi hàn cỏc vật liệu được sơn sẽ làm bẩn bề mặt điện cực.
Khi điện cực biến dạng, điều khiển hàn phải tăng dũng hàn để bự đắp lại sự
biến dạng. Cuối cựng, thỡ cú thể phải tắt dõy chuyền sản xuất để thay thế cỏc điện
cực. Qỳa trỡnh này cải thiện chu kỳ hàn, nhưng đồng thời tốn kộm thời gian và phải
dừng dõy chuyền. Ngoài ra điện cực bị biến dạng gõy hao phớ năng lượng khụng
cần thiết.
Bộ bọc đầu điện cực được lắp vào dõy chuyền sao cho robot hàn cú thể tiếp cận
nú. Robot được lập trỡnh để bọc điện cực tại những khoảng thời gian đều đặn, sau
một, hai chu kỳ hàn. Tựy thuộc vào số điểm hàn phải thực hiện trong mỗi chu kỳ.
Thớ dụ khi hàn cỏc tấm được mạ điện, cứ sau 25 mối hàn điểm lại bọc đầu một lần.
Qỳa trỡnh bọc mất khoảng 1-2 giõy và được thực hiện trong khi cỏc vật hàn được
nõng, hạ và vận chuyển. Việc duy trỡ hỡnh dạng chớnh xỏc của điện cực giảm thiểu
thời gian trễ sản xuất, chi phớ cũng như tăng hiệu quả hàn.
h. An toàn hàn
Hàn là một quỏ trỡnh chế tạo đó cú từ lõu và được biết cú nhiều nguy hại tiềm
ẩn: bức xạ hồ quang, ụ nhiễm khụng khớ, điện giật, chỏy nổ, khớ nộn,Cỏc robot
52
hàn làm thay việc cho con người, chỳng giải phúng con người khỏi những mệt nhọc
do cỏc thao tỏc lặp lại đơn điệu, nhàm chỏn, tốn sức và cũng giải phúng họ khỏi
mụi trường làm việc độc hại. Về khớa cạnh này, robot hàn mang lại lợi ớch lớn lao
vỡ loại trừ cỏc tai nạn nghề nghiệp. Mặt khỏc, robot hàn cũng cú thể gõy ra cỏc tai
nạn chết người. Việc sử dụng robot trong dõy chuyền sản xuất đũi hỏi những quy
tắc an toàn hợp lý để bảo vệ những người làm việc trực tiếp với robot và những
người khỏc trong nhà mỏy do khụng ý thức được nguy hiểm tiềm ẩn.
Một giải phỏp an toàn nhất là mua toàn bộ bệ hàn từ một hóng tớch hợp robot. Một
bệ hàn hoàn chỉnh gồm cỏc thanh chắn, cỏc thiết bị an toàn cần cú và phương thức
nõng, hạ vật thao tỏc.
Mỗi lắp đặt robot phải được tớnh toỏn kỹ lưỡng về tớnh an toàn. Khi robot đang
hoạt động, người khụng được đứng trong vựng làm việc của nú. Quanh robot phải
cú rào chắn. Cỏc cỏnh cửa phải được bảo vệ bằng khúa an toàn, và vựng hàn phải
được bảo vệ sao cho nguồn hàn được tỏch khỏi robot tức thỡ khi cửa mở. Cỏc nỳt
dừng khẩn cấp phải được bố trớ trờn cỏc bảng điều khiển, cabin robot và bảng lập
trỡnh robot. Rào chắn phải võy kớn robot và khụng cho người trốo hay chui qua. Cỏc
đốn tớn hiệu phải được bố trớ trờn robot hoặc trong vựng làm việc của nú để bỏo
hiệu robot đang cú điện.
7.1.2. Giới thiệu Rụbốt hàn TAWERS - TA1400
Hỡnh 7.2. Rụbốt hàn TAWERS - TA1400
Mụ tả về Rụbốt hàn TAWERS - TA1400:
53
 Hỡnh 7.3. Robot hàn điểm
- Bao gồm tay mỏy ứng dụng hàn hồ quang TA-1400, nguồn hàn CO2/MAG, SP-
MAG, stainess steel mig.
- Tốc độ truyền dữ liệu và xử lý dữ liệu cực nhanh, TAWER với cụng nghệ điều
khiển mạch thứ cấp SP-MAG cho phộp giảm thiểu sự bắn toộ xỉ hàn: khi bắt đầu
hàn, dõy hàn đi xuống chạm vật hàn khỏc với hệ thống rụbốt thường TAWERS
nhấc hồ quang khỏi tấm vật liệu, khi đú điện ỏp hàn tăng, vật hàn được nung núng
nhưng khụng bắn toộ xỉ hàn. Sự kết hợp hoàn hảo giữa rụbốt và nguồn hàn lỳc gõy
hồ quang cũng như lỳc ngắt hồ quang kết thỳc quỏ trỡnh hàn, bộ ra dõy chậm lại,
điện ỏp giảm và rụbốt dịch chuyển. Do vậy tuổi thọ của bộp hàn cú thể tăng gấp 2
lần.
- Chế độ hàn SP-MAG của TAWERS thay thế cho chế độ hàn ngắn mạch thụng
thường, sử dụng thớch hợp cho hàn cả vật liệu dày và mỏng. SP-MAG cú điện ỏp
hàn gấp 1.5 - 2V so với hàn CO2/MAG thụng thường cho phộp điều khiển được
lượng nhiệt ở vũng hàn chớnh xỏc hơn, chất lượng hàn ổn định hơn ngay cả khi mối
hàn cú khe hở, khắc phục được yếu điểm của hàn CO2/MAG thụng thường.
- Cỏp nguồn được chạy bờn trong thõn mỏy, số lượng cỏp bao gồm phụ kiện và cỏc
điểm nối cỏp ớt hơn, nờn lắp đặt dễ dàng hơn, tay mỏy rụbốt gọn và thanh hơn trong
quỏ trỡnh vận hàn tốc độ cao.
- Dũng rụbốt TAWERS chuyển động nhanh hơn, hệ thống cơ khớ, tay mỏy ổn định
hơn,trao đổi dữ liệu giữa tay mỏy, nguồn hàn, bộ ra dõy được kết hợp hoàn hảo
thống nhất
7.2. Robot hàn điểm
7.2.1. Một hệ thống hàn Robot hàn điểm gồm cỏc thành phần điển hỡnh:
Robot hàn điểm là thành phần quan trọng nhất trong một hệ thống hàn điểm tự
động. Cỏc robot hàn cú kớch thước khỏc nhau, xếp loại theo tải trọng và tầm với.
Cỏc robot được phõn loại theo số trục. Một sỳng hàn điểm ỏp dụng lực và dũng
điện thớch hợp vào cỏc tấm hàn. Cú nhiều
loại sỳng khỏc nhau. Một bộ định thời tự
động khởi động và định thời lượng dũng
hàn.
Trong quỏ trỡnh hàn đối khỏng, cỏc điện
cực hàn phải chịu sức núng và ỏp lực khắc
nghiệt. Theo thời gian, những yếu tố này
gấy biến dạng điện cực. Để khụi phục hỡnh
dạng điện cực, cần một bộ bọc đầu tự động.
Một vấn đề khi hàn bằng robot là cỏc
cỏp cấp điện và họng phun khớ cú xu hướng
54
hạn chế khả năng chuyển động của cổ tay robot. Giải phỏp cho vấn đề này là khớp
xoay, nú cho phộp truyền tải luồng khớ nộn, nước làm mỏt, dũng điện và tớn hiệu
trong một bộ phận xoay duy nhất. Khớp xoay cú thể lập trỡnh trước do cỏc cỏp và
đường ống được dẫn hướng theo những đường đi định trước của cỏnh tay robot.
Cỏc bộ phận điển hỡnh của một bệ robot hàn điểm gồm:
ã Robot hàn điểm
ã Sỳng hàn điểm
ã Bộ định thời
ã Bộ bọc đầu điện cực
ã Khớp xoay
a. Robot hàn điểm
Một robot cú thể liờn tục di chuyển sỳng hàn tới mỗi vị trớ hàn và định vị nú
vuụng gúc với tấm hàn. Nú cũng cú thể “tua lại” lịch trỡnh hàn đó được lập trỡnh.
Con người khú cú thể thao tỏc tốt bằng do khối lượng của sỳng hàn và tớnh đơn
điệu của cụng việc.
Cỏc robot hàn điểm cú 6 trục hoặc nhiều hơn, cú khả năng tiếp cận cỏc điểm trong
miền làm việc từ gúc độ nào. Điều này cho phộp robot linh hoạt trong việc định vị
sỳng hàn để hàn một chi tiết lắp rỏp. Một số chuyển động mà con người khú làm
được thỡ lại rất dễ dàng với robot, thớ dụ như lật ngược sỳng hàn.
b. Sỳng hàn điểm
Cỏc sỳng hàn điểm được thiết kế sao cho phự hợp với dõy chuyền lắp rỏp. Cú
hai loại phổ biến là sỳng chữ C và sỳng chữ X (sỳng hỡnh kộo, kẹp). Cỏc sỳng chữ
C rẻ và phổ biến nhất. Mỗi loại cú nhiều biến thể khỏc nhau, tựy theo hỡnh dạng và
kiểu cỏch của khung, cỏnh tay, và cụng việc (lực hàn, dũng hàn).
Cỏc sỳng khớ nộn thường được ưa chuộng hơn do nhanh hơn và cho lực tỏc
dụng đồng bộ. Sỳng thủy lực thường dựng khi khụng gian cú hạn hoặc cần lực điện
cực lớn.
c. Bộ định thời hàn
Một bệ hàn điểm tự động cần thiết bị điều khiển để khởi động và định thời lượng
dũng hàn. Bộ định thời (bộ điều khiển hàn) làm nhiệm vụ này. Nú cũng điều khiển
cường độ dũng hàn và trỡnh tự, thời gian của cỏc bộ phận khỏc trong chu kỳ hàn.
d. Khớp xoay hàn điểm
Một cải tiến trong hàn điểm đối khỏng là khớp xoay. Bộ phận này cho phộp dẫn khớ
nộn, nước làm mỏt, dũng hàn và cỏc tớn hiệu theo cỏc kờnh khỏc nhau trong một cơ
cấu xoay duy nhất. Phỏt minh này cải thiện lớn hiệu quả tổng thể của cỏc hệ thống
hàn điểm tự động.
Những lợi ớch cơ bản gồm:
ãGiảm khụng gian làm việc – Khụng cũn mớ dõy rợ, đường ống từ cỏnh tay robot
ãTăng khả năng tiếp cận – Do cổ tay robot khụng bị hạn chế bởi cỏc cỏp và đường
ống.
ãTăng độ an toàn – Do giảm lượng khớ, cỏc đường điện và nước, mà chỉ cũn cỏc
đường ống nối nhanh trong cỏnh tay robot
55
ãHiện thực húa việc lập trỡnh sẵn (offline).
Khớp xoay được lắp trực tiếp trờn giỏ đỡ sỳng-mối hàn mà khụng cần ống hay cỏp
nào, đảm bảo điều kiện làm việc tốt nhất cho hàn điểm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TT TấN TÁC GIẢ
NĂM
XUẤT
BẢN
TấN SÁCH NHÀ SUẤT BẢN
1 Nguyễn Thiện Phúc 2006 Robot Cụng nghệp Khoa học và kỹ thuật
56