i ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO NGHIỆM THU
(Đã chỉnh sửa theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu) NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢM BIẾN HÀN HỒ QUANG
QUAY PHỤC VỤ DÒ ĐƯỜNG HÀN
tƣợng biến đổi cƣờng độ dòng điện hàn khi đầu hàn vừa quay vƣa di chuyển bám theo
rãnh hàn. Khi đầu hàn quay trong mối hàn rãnh chữ “V”, dựa vào giá trị cƣờng độ
dòng điện hồ quang theo từng chu kỳ ta xác định đƣợc hƣớng lệch và độ lệch của đầu
hàn đối với đƣờng hàn theo thời gian thực. Đây là cơ sở cho bài toán điều khiển đầu
hàn bám theo rãnh hàn.
Có nhiều giải thuật điều khiển có thể áp dụng để điều chỉnh đầu hàn bám theo
rãnh hàn áp dụng cảm biến hàn hồ quang quay nhƣ điều khiển mờ, điều khiển neural
network, hệ điều khiển thích nghi, hệ lai giữa neural network và fuzzy….Đề tài này
tập trung nghiên cứu áp dụng điều khiển fuzzy - PID vào bài toán bám đƣờng hàn sử
dụng cảm biến hồ quang quay. iii 1 TỔNG QUAN 0
1.1 KHÁI NIỆM 0
1.1.1 Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ 1
1.1.2 Các loại cảm biến hàn 2
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI 7
2 9
2.1 9
2.1.1 9
2.1.2 11
2.2 12
3 MÔ HÌNH HÓA VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 13
3.1 13
3.2 16
3.3 ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 18
3.3.1 Xác định độ lệch cƣờng độ dòng và hƣớng lệch của đầu hàn 18

5.2.4 ỨNG DỤNG LỌC FFT VÀO XỬ LÝ TÍN HIỆU HÀN 59
6 62
6.1 CHƢƠNG TRÌNH CHÍNH 62
6.2 CÁC CHƢƠNG TRÌNH CON 62
6.3 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC HÀN (PID VẬN TỐC) 66 v

7 70
7.1 THỰC NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC33F256MC710 70
7.2 THỰC NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN TMS320F28335 72
7.3 SAI SỐ MỐI HÀN 76
7.3.1 PHƢƠNG PHÁP ĐO SAI SỐ MỐI HÀN 77
7.3.2 KẾT QUẢ ĐO RÃNH 1 77
7.3.3 KẾT QUẢ ĐO RÃNH 2 81
7.3.4 ĐƢỜNG HÀN THỨ BA 84
7.3.5 ĐƢỜNG HÀN THỨ TƢ 87
7.4 KẾT QUẢ KIỂM ĐỊNH MỐI HÀN 90
7.4.1 MẪU 1 90
7.4.2 MẪU 2 91
7.4.3 MẪU 3 92
7.4.4 MẪU 4 93
7.4.5 MẪU 5 94
8 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95
PHỤ LỤC 97
98

Hình 3-10 Hàm liên thuộc của đầu ra distance 24
- . 27
Hì - 28
- 28
- (s – mm/s) 29
- (s – mm) 29
Hình 4-1Cảm biến Hall đo dòng điện hàn 31
Hình 4-2 Mô hình tổng thể cơ cấu quay đầu hàn 32
Hình 4-3 Kết cấu truyền động cơ cấu quay đầu hàn 34
Hình 4-4 Mô hình tổng quan bàn máy 2D 35
Hình 4-5 Cơ cấu kẹp phôi 41
Hình 4-6 Mô hình cơ khí hoàn chỉnh cho phôi thẳng 41
Hình 4-7 Mô hình cơ khí hoàn chỉnh cho phôi cong 42
Hình 4-8 Tổng quan mô hình điều khiển 44
Hình 4-9 Mạch điều khiển trung tâm 44
Hình 4-10 Mạch Slave điều khiển động cơ 45
Hình 4-11 Sơ đồ khối chức năng của TMS320F28335 47
Hình 4-12 Sơ đồ khối hoạt động của mạch điện dùng TMS320F28335 48
Hình 4-13 Khối ổn áp nguồn logic 49
Hình 4-14 Khối nguồn cho lõi TMS320F28335 50
Hình 4-15 Khối Driver điều khiển động cơ dùng LMD18201 50
Hình 4-16 Khối truyền thông nối tiếp với máy tính dùng PL2303HX 51
Hình 4-17 Mạch nối nguồn cho Hall sensor và bộ lọc thông thấp (Theo
SLOA024B-Texas Instrument-9/2002) 52 viii

Hình 4-18 Mạch điều khiển và Mạch nạp 53
Hình 4-19 Mạch driver điều khiển động cơ 53

Hình 7-13 Đồ thị Mối hàn và Đƣờng Tham Chiếu 80
Hình 7-14 Đồ thị sai số Đƣờng hàn thứ nhất 80
Hình 7-15 Đồ thị Mối hàn và Đƣờng Tham Chiếu 83
Hình 7-16 Đồ thị sai số Đƣờng hàn thứ hai 84
Hình 7-17 Đồ thị Mối hàn và Đƣờng Tham Chiếu 86
Hình 7-18 Đồ thị sai số Đƣờng hàn thứ ba 87
Hình 7-19 Đồ thị Mối hàn và Đƣờng Tham Chiếu 89
Hình 7-20 Đồ thị sai số Đƣờng hàn thứ tƣ 89
Hình 7-21 Ảnh mẫu sau khi tẩm thực 90
Hình 7-22 Ảnh tế vi tại mối hàn 90
Hình 7-23 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 91
Hình 7-24 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 91
Hình 7-25 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 92
Hình 7-26 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 92
Hình 7-27 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 93
Hình 7-28 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 93
Hình 7-29 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 94
Hình 7-30 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 94

x Bả - 2
Bảng 3-1 Các luật suy diễn mờ 25
Bảng 4-1Thông số cảm biến Hall 31
Bảng 4-2 Thông số đặc tính cơ cấu quay đầu hàn 33
Bảng 4-3 Thông số thiết kế bàn máy 35

Kinh phí quyết toán trong năm
200,000
200,000

o
Công chất xám
6,000
6,000

o
Công thuê khoán
110,930
110,930

o
Nguyên, nhiên, vật liệu, dụng cụ,
phụ tùng, văn phòng phẩm
75,300
75,300

o
Thiết bị
o
Xét duyệt, giám định, nghiệm thu
4,770
4,770 xii

PHẦN MỞ ĐẦU
TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
CẢM BIẾN HÀN HỒ QUANG QUAY
ỨNG DỤNG TRONG VIỆC DÒ ĐƢỜNG HÀN
Tổ chức chủ trì thực hiện đề tài: Trƣờng Đại học Bách Khoa TpHCM
Chủ nhiệm đề tài:Nguyễn Tấn Tiến
Thời gian thực hiện: 12 tháng từ 12/2010 đến 12/2011
Tổng kinh phí thực hiện: 320 triệu đồng
Kinh phí hỗ trợ từ NSNN: 320 triệu đồng
NỘI DUNG ĐỀ TÀI
o Nghiên cứu thiết kế cảm biến hàn hồ quang quay để ứng dụng trong việc
dò đƣờng hàn đối với phƣơng pháp tự động hóa hàn hồ quang trong môi
trƣờng khí bảo vệ.
o Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống hàn thực nghiệm ứng dụng cảm
biến hàn hồ quang quay.
o Nghiên cứu đề xuất giải thuật xử lý tín hiệu và giải thuật điều khiển đầu
hàn dò theo đƣờng hàn
o Thực nghiệm kiểm chứng tính khả thi của cảm biến và giải thuật điều
khiển.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
o Xác định độ lệch đầu hàn trong rãnh hàn chữ V
o
YÊU CẦU TỪ HỘI ĐỒNG


1.1 KHÁI NIỆM
Hàn là một phƣơng pháp nối các chi tiết thành một khối không tháo rời đƣợc
bằng cách nung nóng chúng đến trạng thái chảy hay dẻo, sau đó có thể dùng hay
không dùng áp lực để ép chi tiết hàn dính chặt với nhau. Khi hàn ở trạng thái chảy,
kim loại bị nóng chảy, sau đó kết tinh thành mối hàn. Có trƣờng hợp không cần nung
nóng mà chỉ dùng áp lực làm kim loại đạt đến trạng thái dẻo và dính chặt lại với nhau.
Hàn đƣợc dùng rất rộng rãi trong mọi ngành sản xuất bởi các đặc điểm: chính
xác, tin cậy và hiệu quả (kinh tế). Trong một số ngành công nghiệp, ví dụ ngành đóng
tàu thủy, công việc hàn chiếm tỉ trọng rất lớn.Môi trƣờng hàn là một môi trƣờng độc
hại.Ngƣời công nhân phải làm việc trong môi trƣờng ngột ngạt, chật hẹp, ô nhiễm
tiếng ồn và khói hàn trong thời gian dài. Do đó chất lƣợng mối hàn phụ thuộc vào trình
độ tay nghề và sức khỏe của công nhân rất nhiều. Đến nay, nhiều công trình nghiên
cứu về vấn đề ứng dụng robot hàn thay cho ngƣời công nhân đã đƣợc thực hiện nhằm:
o Thực hiện một quá trình thao tác hợp lý và ổn định.
o Cải thiện điều kiện làm việc của công nhân.
o Tăng năng suất.
o Nâng cao chất lƣợng mối hàn.
o Giảm giá thành.
Có rất nhiều phƣơng pháp hàn kim loại, tuy nhiên chỉ có một số phƣơng pháp
hàn có khả năng tự động hóa nhƣ hàn plasma, hàn bằng siêu âm, bằng tia điện từ, bằng
tia laser và hàn hồ quang. Trong đó phƣơng pháp hàn hồ quang đƣợc sử dụng rộng rãi
hơn cả trong công nghiệp do tính đơn giản và giá thành thấp. Hàn hồ quang bao gồm
hàn hồ quang khí bảo vệ và hàn hồ quang que. Trong đó, chỉ có phƣơng pháp hàn hồ
quang trong môi trƣờng khí bảo vệ là có khả năng đáp ứng yêu cầu tự động hóa. 1

1.1.1 Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ
Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ là quá trình hàn nóng

khiển.Việc chọn lựa cảm biến sẽ quyết định bài toán điều khiển.Tất nhiên điều này ảnh
hƣởng đến năng suất và chất lƣợng của cả quá trình hàn.
Có nhiều loại cảm biến hàn khác nhau, tuy nhiên để có thể sử dụng đƣợc cho tự
động hóa quá trình hàn, cảm biến hàn phải đảm bảo các yêu cầu sau (Hirokazu
Nomura, John E. Middle, and Isao Masumoto, Sensors and Control Systems in Arc
Welding, Chapma & Hall Inc., 1994):
o Kích thƣớc nhỏ gọn, không làm gián đoạn quá trình hàn.
o Độ tin cậy cao và hoạt động trong thời gian thực.
o Không bị ảnh hƣởng bởi môi trƣờng hàn nhƣ: nhiệt độ hàn, khói hàn, …
o Tính chống nhiễu trong môi trƣờng công nghiệp cao.
o Giá thành hạ.
Sau đây là một số loại cảm biến hàn đƣợc sử dụng
Bảng 1-1
Loại cảm biến hàn
Cấu hình cảm biến
CB tiếp xúc
Đầu dò tiếp xúc (contact
probes)
microswitch, potentiometers, differential
transformers
Tiếp xúc điện cực (electrode
contact)
voltage and current for contact detection 3

Cảm biến nhiệt độ
(temperature)
thermocouples and thermistors

liệu kim loại bởi sự kích thích của cuộn dây điện bao xung quanh một lõi sắt đƣợc đặt
vào nguồn điện áp AC và 2 cuộn dây khác lắp ghép vi sai nhƣHình 1-3.

Hình 1-3Cảm biến 5

1.1.2.3 Cảm biến quang
Hình 1-4là một ví dụ điển hình cảm biến laser , đây là một hệ thống cảm biến
mà ánh sáng từ diode lazer bán dẫn đƣợc quét xuyên qua bề mặt của mối nối. Ánh
sáng phản xạ đƣợc thu nhận bởi đầu kiểm tra vị trí (PSD) để xác định chiều cao của
cảm biến từ bề mặt, từ đó tính toán góc mối nối, chiều dày bề mặt khe hở rãnh hàn,
diện tích mặt cắt ngang của rãnh hàn, và vị trí trung tâm của rãnh hàn. Khi quét toàn
bộ mối hàn chiều cao của xỉ hàn và biên dạng mối hàn có thể đƣợc xác định.

Hình 1-4Cảm biến lazer quang học
1.1.2.4 Cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm nhƣHình 1-5có khả năng đo lƣờng khoảng cách giữa cảm
biến với nền vật liệu kim loại thông qua việc xác định khoảng thời gian từ thời điểm
xung đƣợc phát ra đến thời điểm xung phản xạ đƣợc thu hồi. Cảm biến này có thể
kiểm tra đƣợc vị trí của rãnh hàn cũng nhƣ dò lần theo đƣờng hàn nhờ sự dao động của
bộ phận này. 6 Hình 1-5Cảm biến siêu âm
1.1.2.5 Cảm biến dựa vào hiện tượng hồ quang

Các nghiên cứu [14] và [18] tập trung vào việc điều khiển robot hàn theo quỹ
đạo đƣờng hàn biết trƣớc. Các loại robot kể trên có dạng cánh tay mang đầu hàn di
chuyển theo quĩ đạo đƣợc dạy trƣớc hoặc biết trƣớc tọa độ đƣờng cần hàn. Phạm vi
hàn còn giới hạn vì cánh tay không vƣơn xa đƣợc, nên robot dạng này chỉ thích hợp
trong việc hàn theo mẫu và trong sản xuất hàng loạt.
Các nghiên cứu [8]÷[13] tập trung vào điều khiển robot hàn di động với cảm
biến tiếp xúc đơn giản. Mặc dù đã ứng dụng thành công trong điều kiện trong phòng
thí nghiệm và tại xƣởng đóng tàu của Công ty đóng tàu Sài gòn, kết quả nghiên cứu
này chỉ áp dụng cho dạng đƣờng hàn thẳng hay đƣờng thẳng có độ sai lệch trong phạm
vi nhất định. Trong trƣờng hợp hàn đƣờng cong 2D trong mặt phẳng, cảm biến tiếp
xúc đã đƣợc sử dụng với kết quả rất tốt. Tuy nhiên, để có thể áp dụng rộng rãi trong 8

sản xuất, nhu cầu về việc thiết kế một loại cảm biến có giá thành hạ, độ tin cậy cao, có
kích thƣớc nhỏ gọn, vấn đề bảo trì đơn giản, … là cấp thiết. 9

2
2.1
2.1.1
Nguyên lý cảm biến hồ quang

Hình 2-1Mối quan hệ giữa cƣờng độ dòng điện hàn và chiều cao cột hồ quang
Nhƣ ta đã biết cƣờng độ dòng điện hàn phụ thuộc mật thiết với chiều cao cột hồ
quang hay khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn.Khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn
càng nhỏ thì cƣờng độ dòng điện hàn càng lớn, ngƣợc lại cƣờng độ dòng điện hàn

kỳ trái (khi đầu hàn ở nửa bên trái rãnh hàn) và nửa chu kỳ phải (khi đầu hàn ở nửa
bên phải rãnh hàn) bằng nhau. Cƣờng độ dòng điện hàn trong trƣờng hợp này đƣợc mô
tả nhƣ đƣờng nét liền trên Hình 2-2c, cực trái (L-left) và cực phải (R-right) bằng nhau.
Ở đây có sự khác biệt cƣờng độ dòng hàn ở phía trƣớc (Cf-Center front) và phía sau
(Cr-Center rear), đó là do khi đầu hàn qua cực điểm phía sau, kim loại hàn chảy ra đã
bồi lên kim loại hàn của chu kỳ trƣớc đó. Đây cũng là đặc điểm nhận dạng phía trƣớc
và phía sau, vì vậy khi quay đầu hàn theo một chiều cố định, ta luôn xác định đƣợc cực
trái, phải, trƣớc và sau của một chu kỳ tín hiệu.
Trƣờng hợp tâm quay đầu hàn bị lệch về một phía bất kỳ so với tâm rãnh hàn,
khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn bên phải và bên trái không bằng nhau, dẫn đến
cƣờng độ dòng hàn bên cực trái và cực phải cũng khác nhau. Đƣờng mảnh nét đứt ở
Hình 2-2c thể hiện cƣờng độ dòng điện hàn khi đầu hàn lệch về bên phải so với đƣờng
tâm rãnh hàn, dẫn đến cƣờng độ dòng điện hàn bên cực phải(R) lớn hơn bên cực 11

trái(L). Từ độ lệch cƣờng độ dòng điện hàn này ta sẽ điều khiển vị trí đầu hàn trong
rãnh hàn để bù trừ độ lệch vị trí đầu hàn cho đến khi độ lệch cƣờng độ về không thì
đầu hàn cũng đƣợc đƣa về giữa rãnh hàn.
Tip gap ed
b)

Hình 2-2Mô hình lý thuyết hàn và dòng điện hàn.(a):Mô hình hàn; (b):Độ lệch đầu hàn;
(c):Cƣờng độ dòng điện mô phỏng quá trình hàn
2.1.2
Điều khiển quá trình hàn là bài toán điều khiển dựa vào các thông tin thu nhận
đƣợc từ cảm biến trong quá trình hàn. Bài toán điều khiển ở đây có thể phân loại nhƣ
sau:
o Dò đƣờng hàn (seam tracking control of a welding line).