Robot hàn là một hệ thống tự động hóa tiên tiến, kết hợp cánh tay robot công nghiệp với các thiết bị hàn chuyên dụng. Được lập trình sẵn, robot thực hiện nhiệm vụ hàn một cách chính xác, góp phần nâng cao năng suất trong dây chuyền sản xuất công nghiệp. Hệ thống truyền động của robot hàn rất phức tạp, bao gồm các thành phần điện cơ và điều khiển tinh vi như khớp nối, bánh răng, cảm biến, dây đai, và hộp số, tất cả được liên kết chặt chẽ và điều khiển bởi động cơ điện.

Trong quá trình vận hành, hệ thống truyền động điện của robot hàn công nghiệp phải đối mặt với nhiều yếu tố phi tuyến bất định như liên kết chéo, ma sát và đàn hồi của khớp. Điều này đòi hỏi sự tính toán và kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo độ chính xác cao. Trong các ngành sản xuất cơ khí chế tạo, phụ tùng ô tô, xe máy, hay đồ gia dụng, việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm để giảm giá thành là yếu tố quyết định. Do đó, việc cải thiện chất lượng điều khiển và độ chính xác của robot trong dây chuyền sản xuất trở nên cực kỳ quan trọng.

Trên cơ sở đó, nhằm làm chủ công nghệ điều khiển chính xác cho robot hàn tự động có tính đến các yếu tố bất định và ứng dụng trong sản xuất công nghiệp, TS. Trần Đức Chuyển cùng các cộng sự tại Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật công nghiệp đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển chính xác cho rô bốt hàn tự động có kể đến yếu tố phi tuyến bất định ứng dụng trong sản xuất công nghiệp”.

Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển chính xác cho robot hàn tự động là vấn đề cấp thiết trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp tại Việt Nam như sản xuất phụ tùng ô tô, xe máy, khuôn mẫu và thiết bị cơ khí chế tạo. Thực tế sản xuất cho thấy, các lỗi trong hệ thống điều khiển chuyển động của robot hàn công nghiệp, bao gồm sự làm việc chưa chính xác của bộ biến đổi, bộ điều khiển, van bán dẫn công suất, thuật toán điều khiển, các cơ cấu khớp chuyển động, bánh răng, hộp số, động cơ, và dây đai, dẫn đến các sản phẩm hàn bị lỗi như: vết hàn có sai số cao (≥ 0,5 mm), đường hàn không đều, điểm đầu và điểm cuối gồ ghề, vết hàn bị thủng, nứt, rỗ, xốp, hoặc đường hàn mỏng không lấp đầy.Để khắc phục những vấn đề này, cần phải phát triển các thuật toán nhằm nâng cao chất lượng điều khiển robot hàn, đặc biệt là khi xem xét đến các yếu tố phi tuyến bất định có thể ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển. Nội dung nghiên cứu tập trung phân tích ảnh hưởng của ma sát và đàn hồi của khớp – những yếu tố phi tuyến bất định – đến quá trình động học và điều khiển của robot. Từ đó, đề tài đã xây dựng và tổng hợp bộ điều khiển (BĐK) cho hệ thống truyền động có tính đến các yếu tố phi tuyến này.

Nghiên cứu đi sâu vào động lực học của tay máy robot hàn 6 bậc tự do, xây dựng bảng tham số động lực học D-H và thiết lập các phương trình động học trên hệ tọa độ XYZ với ma trận tham số từ khớp 1 đến khớp 6. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã viết phương trình động học bài toán ngược cho tay máy robot hàn, phân tích động lực học và xác định mô-men lực gây ra trong quá trình chuyển động của các khớp, cũng như các yếu tố đặc trưng phụ tải của hệ truyền động robot hàn.

Trên cơ sở đó, đề tài đã nghiên cứu thuật toán điều khiển thích nghi trượt có tính đến bộ quan sát trạng thái, sử dụng mạng nơ-ron RBF để xấp xỉ các hàm bất định, nhằm đảm bảo tính chặt chẽ về toán học cho hệ thống truyền động điện này. Thuật toán điều khiển thích nghi trượt được tính toán và thiết kế kết hợp với việc xấp xỉ hàm bất định bằng mạng nơ-ron RBF và có tính đến bộ quan sát trạng thái. Đồng thời, nghiên cứu cũng xem xét yếu tố phi tuyến ma sát của hệ thống truyền động, sử dụng bộ quan sát trạng thái trượt để ước lượng thành phần mô-men cản gây ra. Hệ thống được tổng hợp với bộ điều khiển tốc độ và vị trí của hệ truyền động sử dụng động cơ Servo đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu – loại động cơ được sử dụng ở các khớp (từ khớp 1 đến khớp 6) của robot hàn AW 005 Panasonic, phục vụ cho cả mô phỏng và thực nghiệm. Từ đó, nhóm nghiên cứu đã đánh giá thuật toán điều khiển với yếu tố phi tuyến ma sát và đàn hồi của khớp để minh chứng và nâng cao chất lượng làm việc cho hệ thống truyền động robot hàn công nghiệp.

Từ việc xây dựng thuật toán điều khiển, nhóm nghiên cứu đã lập trình và thực hiện các mô phỏng nhằm minh chứng cho thuật toán điều khiển thích nghi trượt có tính đến yếu tố ma sát và đàn hồi của khớp trong hệ thống truyền động điện (TĐĐ) của robot hàn. Một số kết quả nổi bật bao gồm:

Nghiên cứu mô phỏng bộ điều khiển vị trí (khớp đế) theo BĐK tốc độ thích nghi trượt có tính đến yếu tố phi tuyến là ma sát. Khi vị trí góc đặt vào thay đổi theo quy luật hàm Xv​=V⋅t (với V=1rad/s) và mô-men tải không đổi bằng 5Nm, hệ thống đã cho thấy phản ứng đáp ứng yêu cầu.

Nghiên cứu mô phỏng bộ điều khiển thích nghi trượt với mạng nơ-ron xấp xỉ yếu tố phi tuyến bất định là đàn hồi, tập trung vào khớp thứ năm và thứ sáu của robot. Các tham số tay máy robot được chọn cho mô phỏng là: l5=l6=0.2(m); lc5 = lc6 = 0.1(m); m5 = 3.2 (kg), m6 = 2.7(kg), g = 9.81 (m/s2) và tham số Ke5 = Ke6 = 100 + 30cos(0.5t)(Nm/rad), Mt = 0.

Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống robot hàn 6 bậc có tính đến yếu tố phi tuyến. Robot hàn đã được thử nghiệm tại nhà máy sản xuất với nhiều sản phẩm gia công cơ khí như khung xe ô tô, phụ tùng xe máy, đồ dân dụng, v.v., và được doanh nghiệp đánh giá cao về khả năng nâng cao chất lượng điều khiển chính xác trong sản xuất công nghiệp.

Ứng dụng vào giảng dạy: Đề tài đã đóng góp vào lĩnh vực đào tạo với 10 bài tập thực hành về điều khiển lập trình robot, mang lại hiệu quả cao cho các trường có đào tạo chuyên ngành này.

Đề tài đã tập trung giải quyết thành công bài toán nghiên cứu tổng hợp BĐK cho hệ thống robot công nghiệp. Trên cơ sở phương pháp tổng hợp BĐK thích nghi trượt có sử dụng bộ quan sát và mạng nơ-ron nhân tạo để xấp xỉ hàm phi tuyến bất định, đề tài đã đạt được nhiều kết quả cao, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong cả công nghiệp và giảng dạy.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 20970/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

P.T.T (NASTIS)