Công nghệ lắp ráp ô tô pot

CÔNG NGHỆ LẮP RÁP ÔTÔ
1. Giới thiệu :
Việc sản xuất ôtô là một quá trình lắp ráp các tấm kim loại phức tạp
theo kết cấu phức hợp của ôtô. Một thân xe trung bình được tạo nên từ 150
-250 tấm kim loại và được lắp ráp trong khoảng 60-1700 trạm làm việc với
1700 đến 2100 các kiểu khác nhau của locator (trụ gá, chốt gá, kềm kẹp) theo
[3-3]. Việc thiết kế chính xác đồ gá sẽ giảm được sai số kích thước trong quá
trình lắp ráp.
2. Quy tắc đònh vò trong đồ gá lắp ráp và sự khác biệt với đồ gá gia công trong
chế tạo máy :
2.1. Nhận dạng một số khác biệt
Quy tắc đònh vò và kẹp chặt trong đồ gá lắp ráp có một số khác biệt so với
quy tắc đònh vò đồ gá trong chế tạo máy ở các đặc điểm :
(1) Các phần cần liên kết gá đặt lên phải chính xác về vò trí tương quan
kích thước không chỉ với đồ gá mà còn tương quan với nhau.
(2) Các phần gá đặt lên nhau tuỳ theo dạng mối ghép sẽ khống chế bậc tự
do theo yêu cầu và chúng khống chế bậc tự do lẫn nhau (lap-to-lap,
butt-to-butt, butt-to-lap joins) phân tích ở phần 6.2
(3) Điểm đặc biệt là quy tắc đònh vò N-2-1 là một sự mở rộng thêm cho
quy tắc đònh vò 3-2-1 trong chế tạo máy và trong lắp ráp.
(4) Đònh vò tại điểm nào, kẹp chặt tại điểm đó bao gồm trong NC blocks
2.2. Quy tắc đònh vò N-2-1 cho các tấm kim loại dễ biến dạng:
Quy tắc đònh vò N-2-1 được giáo sư Wayne Cai đưa ra trong tập san khoa
học với tựa đề “Deformable Sheet Metal Fixturing : Principles, Algorithms,
and Simulation” vào năm 1996. Đối với một sản phẩm được lắp ráp, các nhà
thiết kế dụng cụ quyết đònh số lượng, vò trí các khối Nc block và các chốt đònh
vò, nói chung đều dựa trên nguyên tắc đònh vò 3-2-1 để đònh vò một vật thể dạng
lăng trụ hay một vật thể cứng như hình 1.
Hình 1 mô tả đònh vò 6 bậc tự do trong không gian
Hay để làm rõ hơn khi ta đònh vò một tấm như hình 2. Với 3 clamp là 3
kềm kẹp khống chế 3 bậc tự do ở mặt đầu tiên, hole là một chốt trụ khống chế

2 bậc tự do ở mặt phẳng thứ hai và slot là chốt trám đònh vò vào lỗ khống chế
một bậc tự do ở mặt phẳng thứ ba, tạo cho vật thể bò khống chế 6 bậc tự do
hoành chỉnh
Hình 2 sơ đồ đònh vò một tấm theo quy tắc 3-2-1
Theo [15-6] do sự thiếu cứng vững của nhiều bộ phận được dập tấm và
trong lắp ráp, thường các nhà sản xuất đã vi phạm quy tắc 3-2-1 bằng cách
dùng thêm các locator đối với vò trí các phần không ổn đònh, từ đó một phát
triển thêm của quy tắc đònh vò dùng trong thép tấm là N-2-1 để giảm sự biến
dạng cho các bề mặt. N thể hiện cho số locator từ 3 đến N đònh vò cho bề mặt
đầu tiên. Sự ràng buộc thêm này thì khác nhau giữa các nhà sản xuất ví dụ như
hình 3 trình bày một mảng được thiết kế giống nhau bởi hai nhà sản xuất, công
ty C (company C) dùng đến 10 locator để khống chế, trong khi công ty E dùng
đến 20 locators.
Hình 3 sự khác nhau về phương pháp đònh vò của cả hai công ty C và E
Để tối ưu hoá vấn đề này, trong thực tế sản xuất người ta dùng máy
CMM hay OCMM để kiểm tra sai số và có biện pháp điều chỉnh thích hợp.
Còn trong phòng thí nghiệm ta có thể dùng máy Scan 3D với đầu dò vẽ lại hình
dạng vật thể dạng 3D để có được một tập tin . IGE chứa dữ liệu sau đó đưa vào
phần mềm Mechanical Desktop R6 của công ty Autodesk và mô phỏng lại các
phương pháp tác dụng lực kẹp, các gối đỡ và dùng phương pháp phần tử hữu
hạn cho phần tử dạng tấm để xác đònh độ dòch chuyển tại vò trí các điểm đònh
vò của locator và quan sát xem các điểm đó có tiếp xúc tốt không và từ đó đưa
ra các biện pháp thêm bớt hoặc điều chỉnh vò trí các locator sao cho tối ưu.
Để nhận xét sâu hơn trong quá trình lắp ráp sẽ được nói đến ở phần kế
3. Các thành phần của đồ gá (locators) :
Theo [1-83] quá trình lắp ráp thân xe yêu cầu việc đònh vò và kẹp chặt ở
mỗi giai đoạn. Đònh vò và kẹp chặt một phần được thực hiện bởi các chốt đònh
vò (pins), các khối đònh vò (blocks), và các kềm kẹp chặt (clamps).
Các khối đònh vò được chế tạo chính xác bởi các máy CNC nên được gọi là
các khối đònh vò NC (NC blocks hay NC locators), hình 4 trình bày một đồ gá

mẫu. Số lượng NC locators và pins thì khác nhau trong mỗi đồ gá.
Nơi đònh vò của các NC locators phải chính xác và giúp cho việc dùng máy
đo kinh vó độ để đo kiểm tra. Trên mỗi NC locator có đặt một điểm tam diện ở
một góc của nó. Hệ tọa độ của điểm này có thể được tính toán từ một bộ phận
được lắp ráp và các kích thước của NC blocks. Hệ tọa độ này thể hiện cho vò trí
của NC blocks nên được dập nổi lên thân NC blocks trong quá trình chế tạo đồ
gá .
Hình 4 : một đồ gá mẫu
Do việc đònh vò trí sai của một yếu tố đồ gá ảnh hưởng đến độ chính xác về
hình dạng của các mảng thân xe được lắp ráp, do đó sai số tiêu chuẩn cho NC
blocks là ± 0.13 mm và của pins là ± 0.15 mm được qui đònh bởi một công ty
sản xuất ôtô.
3.1. Vật liệu của đồ gá :
Theo [7-14] do việc ảnh hưởng lớn đến quá trình hàn và yêu cầu tiết
kiệm trong yêu cầu sản xuất nên đặt ra những yêu cầu sau :
- Không dùng vật liệu như nhôm, bạc, đồng để đònh vò, vì các vật liệu
này dẫn nhiệt khá tốt nên làm giảm nhiệt độ tại các mối hàn
- Các vật liệu đó cũng dẫn điện lớn nên sẽ gây ra dòng điện rẽ qua các
phần khác do đó không thể điều khiển dòng điện hàn theo ý muốn
- Vật liệu tốt nhất nên dùng là plastic chòu nhiệt cao mà có thành phần
vật liệu ổn đònh về cơ học.
Upper electrode : điện cực hàn
trên
Aluminum Fixture : đồ gá bằng
nhôm
Multiple weld current paths : nhiều dòng điện rẽ
Hình 5 : mô tả dòng điện rẽ
Plastic fixture : đồ gá bằng plastic
Single weld current path : dòng điện hàn đơn.
Copper electrode : điện cực hàn đồng

Hình 6 : mô tả dòng điện khi dùng đồ gá bằng plastics
3.2. Phân loại các locator trong đồ gá dùng trong lắp ráp
Theo [3-2] các nhà chế tạo đồ gá ngày nay chia các locators thành các
dạng sau:
(1) Chốt đònh vò 2 hướng (2-way pins) : khống chế 1 bậc tự do trong mặt phẳng
thứ
(2) Chốt đònh vò 4 hướng (4-way pins): khống chế 2 bậc tự do trong mặt phẳng
thứ
(3) Chốt có vai (Cross-section of grip locator) : khống chế 3 bậc tự do ở hình 7
Hình 7 Chốt có vai
(4) Các Nc locator với kềm kẹp (NC locator with clamp) : khống chế 1 bậc tự
do thường dùng trong mặt phẳng đầu tiên.
(5) Các Nc locator không có kềm (NC locator without clamp): tương tự
Hình 8 : mô tả các kiểu locators
Và phần tiếp theo ta sẽ đi vào phân tích tổng hợp các tài liệu trong việc
thiết kế đồ gá lắp ráp trước tiên ta phải hiểu biết về các dạng mối hàn lắp ráp
trong xe rồi mới xác đònh các phương pháp thiết kế đồ gá.
4. Các dạng mối hàn trong lắp ráp :
Theo [3-2] trong việc lắp ráp thân xe, mỗi phần được lắp ráp cấu tạo từ
3 kiểu mối hàn khác nhau như : (1) lap-to-lap joints (hai tấm phẳng đặt lên
nhau), (2) butt-to-butt joints (hai phần mép gờ của hai tấm đặt lên nhau), (3)
lap-to-butt joints (một phần mép gờ của một tấm đặt lên một tấm phẳng theo
hình 9. Và các mối ghép hàn trên một bộ phận của thân xe thực tế như hình 10.
Hình 9 : các dạng mối ghép hàn
Hình 10 : các mối hàn trên một bộ phận được lắp ráp
Mỗi kiểu mối hàn mang một đặc điểm khác nhau và tính chất khác nhau.
Lap-to-lap joints có xu hướng cho phép các tấm liên kết trượt lên nhau. Butt-to-
butt joints có xu hướng ràng buộc sự di chuyển của hai tấm kim loại. Lap-to-
butt joint có xu hướng tổng hợp các đặc điểm trên của hai dạng mối ghép.
Theo tài liệu [9] với tựa đề “ A PARAMETRIC STUDY OF JOINT

PERFORMANCE IN SHEET METAL ASSEMBLY” của 2 giáo sư S. Jack Hu
và S. Charles Liu vào tháng 7 năm 1995 cho ta thấy rõ tác dụng thực tế dựa
trên tính toán và phân tích sâu về đặc điểm của các kiểu mối ghép này dẫn đến
việc sai số trong lắp ráp cuối cùng có sự đóng góp sai số của các thành phần
như hình 11 : (1) hình dạng và vật liệu các tấm, (2) các đònh dạng của đồ gá,
(3) sơ đồ lắp ghép, (4) nguồn gốc của sai số, từ sai số trước hay từ sai số dụng
cụ
Hình 11 mô tả sai số của quá trình lắp ráp
Dựa vào phân tích trong tài liệu [9] và hình 11 ta có thể tóm lại như sau :
- Lap-to-lap joints thì nhạy với sai số của dụng cụ lắp ghép (máy hàn
và đồ gá) khi hai phần có độ dày so với nhau. Sai số của việc điều
chỉnh dụng cụ (máy hàn) thì ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước
cao trong lắp ráp với mối ghép này. Khi hai phần có độ dày khác
nhau thì sai số của phần dày hơn chiếm tỷ lệ lớn hơn trong sai số lắp
ráp.
- Butt-to-butt joints không nhạy với sai số dụng cụ. Nói cách khác, sai
số của các phần, đặc biệt là kích thước các mép gờ thì ảnh hưởng
nhất đến sai số lắp ráp với butts joins.
- Sai số của mép gờ thì ảnh hưởng đến việc duy trì sự chính xác kích
thước cao trong lắp ráp với butt-to-lap joints khi tấm có mép gờ dày
hơn tấm phẳng. Tuy nhiên, sai số của dụng cụ (súng hàn) thì ảnh
hưởng khi tấm phẳng có kích thước dày hơn.
Lắp ráp với lap-to-lap joints
Lắp ráp với butt-to-butt joints
Lắp ráp với butt-to-lap joint
Hình 12 mô tả công việc lắp ghép với các kiểu mối hàn
Từ đặc tính của các dạng mối hàn ta đề đưa ra các quy tắc và nhận xét
trong việc đònh vò và kẹp chặt trong thiết kế đồ gá lắp ghép.
5. Phân tích thiết kế công việc đònh vò và kẹp chặt các tấm cho lắp ráp :
5.1. Yêu cầu về việc đònh vò và kẹp chặt trong lắp ráp :

• Nói chung việc đònh vò và kẹp chặt trong thiết kế đồ gá lắp ráp đều tuân
theo nguyên tắc 3-2-1 cho việc đònh vò vật thể cứng theo nhận xét của tài
liệu [13-794-phần 2]. Việc ứng dụng nguyên tắc đònh vò N-2-1 chỉ cho vật
thể mà nó 0không ở tình trạng cứng trong một mặt phẳng tọa độ nào đó, để
làm cho tình trạng của tấm trở nên cứng ta phải bổ sung thêm N số NC
locators, các mặt phẳng toạ độ còn lại của vật thể thì vẫn theo nguyên tắc
2-1 nếu nó ở tình trạng cứng.
• Đònh vò NC locator tại đâu thì kẹp chặt ngay tại điểm đó
• Thường phải kẹp chặt ngay mép ngoài của mảng nhỏ hơn
• Do thẩm mỹ và yêu cầu sự chính xác về hình dáng của bề mặt ngoài nên ta
phải đònh vò mặt ngoài lên các locators và kẹp chặt mặt trong.
• Chỉ đặt lực kẹp và đònh vò ờ các vò trí có độ cứng vững cao (các phần kết
cấu của thân xe) như các khung đặc dày và những chỗ có từ 3 lớp liên kết
trở lên) và kẹp hai bên đầu đường cần hàn để giảm khe hở.
• Theo tài liệu [10-171] của thầy Nguyễn Văn Siêm năm 1970, giá trò khe hở
cho phép tuỳ thuộc vào tính cứng vững cho phép của kết cấu (độ dày và
hình dáng) chiều dài phần có khe hở và phương pháp hàn, khe hở thường
khoảng 0.1- 2 mm. Chi tiết càng dày, phần chiều dài càng ngắn thì khe hở
cho phép càng phải nhỏ. Ví dụ khi hàn điểm thép hợp kim dày 1mm, khe hở
nhỏ hơn 0.4mm trên 100mm chiều dài và 1.2mm trên 300mm chiều dài; còn
khi chiều dày còn 3mm khe hở đó giảm đến 0.3 và 0.9mm.
• Khoảng cách giữa các vò trí kẹp tùy thuộc vào kim loại, chiều dày và tính
cứng vững của chi tiết, chất lượng yêu cầu lắp ráp và phương pháp hàn. Hệ
số dãn dài càng lớn thì sự cong phồng của kết cấu càng lớn, do đó khoảng
cách giữa các vò trí kẹp càng nhỏ. Đối với dạng tấm chiều dày tử 0.5-4mm,
thì bước kẹp như sau : hợp kim nhẹ 70-150cm, thép và hợp kim Titan 50-80
cm, hàn đường phồng mạnh nên bước kẹp phải nhỏ hơn.
• Các mối hàn dài phải kẹp ở giữa và kẹp ra ngoài mép; các kết cấu hàn có
độ cứng vững thay đổi thì ban đầu phải kẹp ở phần có độ cứng vững lớn
nhất. Kẹp dọc theo đường hàn trước khi tiến hành hàn.

• Các chi tiết và kết cấu hàn không lớn, hình dáng đơn giản phải đònh vò vững
chắc trên đồ gá lắp hàn. Tiến hành hàn liên tiếp các điểm từ giữa ra tới
mép và từ các điểm có độ cứng vững cao đến các vò trí kém cứng vững hoặc
hàn đồng thời các điểm bằng phương pháp hàn nhiều điểm.
• Các lỗ được dập khá chính xác trên thân xe nên được dùng rộng rãi trong
việc đònh vò bằng chốt trụ (4-way pins) và chốt trám (2-way pins) và lưu ý
phải đặt phương của chốt vuông góc với mặt phẳng chức lỗ cần đònh vò.
5.2. Các nhận xét rút ra từ việc mô phỏng sơ đồ gá đặt trong việc lắp ghép
các phần theo yêu cầu :
Các sơ đồ rút ra từ tài liệu [3-4] của giáo sư D. Ceglarek như sau :
Đònh vò cho lap-to-lap joints :
T
a
I : ký hiệu cho locator của phần a và I thể hiện cho số thứ tự locator
T
b
I : tương tự
Hình 13 :lap-to-lap joints
• Dựa trên sơ đồ ta thấy đây là mối ghép hàn dạng lap-to-lap joints cho phép
hai tấm trượt lên nhau.
• Tuân theo sơ đồ đònh vò 3-2-1 hoàn hảo với : 3 locator khống chế 3 bậc tự
do, chốt tại T
a
2 khống chế 2 bật tự do và chốt tại T
a
1 khống chế 1 bậc tự do.
• Do chốt T
a
1 không khống chế tấm trượt theo hướng X nên cho phép mối
ghép lap-to-lap joints thực hiện theo yêu cầu

• Điểm đònh vò locator nên đặt ở gần vò trí hàn để bảo đảm độ cứng vững.
Và quá trình lắp ráp 3 phần ở hai trạm làm việc để thành sản phẩm hoàn
chỉnh theo sơ đồ phân cấp lắp ráp ở hình 14 dẫn đến việc lắp ráp các phần
diễn ra ở hình 15,16,17 :
Station là trạm làm việc diễn ra quá trình lắp ráp các phần (part)
Hình 14 : sơ đồ phân cấp lắp ráp bên trái và sản phẩm hoàn chỉnh bên phải
Butt-to-lap joints
Hình 15: lắp ráp ở trạm 1 và các ký hiệu giải thích sự khống chế của các
locators theo hướng di chuyển của các phần được liên kết
Theo hình 15 các nhận xét được đưa ra :
• Đây là mối ghép butt-to-lap joints nên có các đặc điểm đònh vò đặc trưng
• Tấm a phẳng và được đònh vò như mối ghép lap-to-lap joints ở hình 15 với
T
a
1 là 4-way pin và T
a
4 là 2-way pin và 3 NC locators.
• Tại hai locator T
a
3 và T
a
2 các locators này có trang bò kềm kẹp chặt hai
phần lắp ráp với nhau nên trên hình thể hiện việc khống chế 2 hướng của
mỗi locator
• Do đó phân tích tấm b ta thấy: trong mặt phẳng XOZ đã bò khống chế 2 bậc
tự do tại mối ghép, mặt phẳng XOY bò khống chế 3 bậc tự do bởi 3 locator ,
cuối cùng trong mặt phẳng YOZ phải khống chế 1 bậc tự do nên chốt T
b
3
bắt buộc phải là chốt 2-way pin

Butt-to-butt joints
Từ hai dạng mối ghép này ta suy ra đối với mối ghép butt-to-butt joints thì
ta sẽ tiến hành đònh vò như tấm b.
Khi hai phần được ráp lại và di chuyển đi đến trạm sau
Hình 16 mô tả việc đònh vò khi hai tấm đã được lắp ghép lại với nhau với lưu
ý rằng tại T
c
3 có một chốt 2-way pin.
Hình 16 : ở trạm 2 và sơ đồ đònh vò của phần được lắp ráp trước
Từ hình 16 ta có thể rút ra nhận xét :
• Sơ đồ đònh vò vẫn phải tuân theo quy tắc 3-2-1
• Các vò trí đònh vò của locator trong phần được lắp ráp từ hai tấm nên thừa kế
lại sơ đồ vò trí đònh vò mỗi tấm thành phần. Nhưng phải loại đi những locator
gây siêu đònh vò trong quy tắc 3-2-1
Và cuối cùng ở hình 17 ta thấy tấm c hoàn toàn thỏa mản quy tắc đònh vò 3-
2-1. thoả mãnTại T
c
1, T
c
2, T
c
4 và T
c
5 các NC locators bao gồm kềm, các chốt
T
c
7 và T
c
6 là 2-way pins

.
Kết luận :
• Việc thiết kế đònh vò đồ gá nên chia nhỏ ra các phần để thiết kếø đơn giản
hoá
• Phải nghiên cứu kỹ 3 loại mối ghép rồi mới dẫn đến việc đònh vò và kẹp
chặt
• Quy tắc đònh vò 3-2-1 chỉ áp dụng cho tấm đơn giản, nếu tấm quá phức tạp
và lớn ta nên dùng phương pháp N-2-1 bằng cách đưa thêm các NC locators
vào.
Hình 17 : Việc lắp ráp ở trạm 2
Thật ra quá trình lắp ráp thân xe phải qua rất nhiều quá trình nhỏ để làm
giảm sự phức tạp của quá trình lắp ráp cũng như việc dễ dàng tìm ra sai số mà
sẽ được mô tả ở phần tiếp theo.
6. Các quá trình thiết kế đồ gá :
Quá trình thiết kế đồ gá phải thông qua các bước :
(1) Phân tích kỹ các thành phần của BIW từ lớn đến nho về kích thước
hình học, kiểu mối ghép hàn, thuộc dạng cấu trúc hay không cấu trúc, chú ý
đến các vò trí lỗ. Trình tự thực hiện là nghiên cứu kỹ thứ tự lắp ráp các mảng,
sau đó nghiên cứu các điểm phải hàn để bố trí lực kẹp rồi mới đến đònh vò bằng
chốt.
(2) Tiến hành tạo nhóm phân cấp HGs : các mảng, các điểm hàn trên các
thành phần lắp ráp kẹp chặt va øcác vò trí đònh vò bằng chốt và nơi một trạm lắp
ráp được thành lập.
(3) Chế tạo đồ gá dựa trên phân tích nhóm HG và thiết lập bản vẽ mô
phỏng
(4) Tính sai số gá đặt của đồ gá,
(5) Lắp ráp đồ gá lên sàn phân xưởng và dùng máy đo kinh vó độ để thẩm
đònh, (6) Thiết kế và chế tạo đồ gá kiểm tra.
7.1. Dùng Robot trong việc lắp ráp :
Theo tài liệu [5] sẽ nói rõ về việc ứng dụng Robot trong công nghiệp lắp

ráp ôtô. Các dụng cụ kẹp chặt cố đònh chi tiết được thiết kế đặc biệt được gọi
là đồ gá thì được cần trong việc lắp ráp các tấm kim loại trong sản xuất ô tô và
máy bay. Các đồ gá này dùng để đònh vò các phần dùng cho hàn bấm và tán
rivê. Do số lượng các tấm kim loại liên quan với nhau lớn, khoảng 300 đến 500
trên một xe ôtô và ứng với đó thì yêu cầu một số lượng đồ gá tương ứng. Khi
một mẫu mới được sản xuất, các đồ gá mới phải được thiết kế, chế tạo và lắp
đặt trong nhà máy. Hoạt động lặp lại này thì rất hao tốn. Một cách giải quyết
hợp lý tiên tiến cho vấn đề này là dùng hai robot để lắp ráp và liên kết các
phần với nhau mà không cần dùng đồ gá. Khi các phần được thay đổi cho một
mẫu xe mới, chỉ phần mềm lập trình cho robot sẽ phải thay đổi. Cách đề cập
này thì được biết như việc lắp ráp không cần đồ gá bằng rô bốt (RFA). RFA
giảm chi phí chế tạo lại dụng cụ lắp ráp đến 80 %. Việc đònh vò trí các phần
dùng rô bốt có thể đạt dung sai đến 0.1 mm.
7.2 Đồ gá lắp ráp tuỳ động
Ngày nay do vấn đề đặt ra là cần phải nhanh chóng thay đổi mẫu mã để
tăng khả năng cạnh tranh nhưng yêu cầu chi phí lắp đặt mới sẽ giảm, kỹ thuật
phải đơn giản. Hiện nay trên thế giới đang phát triển đồ gá tuỳ động. Tại
website: />Hình mô tả đồ gá tuỳ động trong lắp ráp xe
Hình mô tả các linh kiện của đồ gá
8. Tiêu chuẩn và dung sai tham khảo
Được tham khảo từ công ty AZAutomotive corp. Tại trang web :
/>