Một số kết quả nghiên cứu tích hợp công nghệ điều khiển chế độ hàn và quỹ đạo xe hàn trong chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động nối ống đường kính lớn ở trạng thái không quay

1

Một số kết quả nghiên cứu tích hợp công nghệ điều khiển chế độ hàn
và quỹ đạo xe hàn trong chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động nối ống đường
kính lớn ở trạng thái không quay

TS. Hoàng Văn Châu – Giám đốc,
Th.S Lục Vân Thương, KS. Nguyễn Đình Sao
PTN TĐ Hàn và Xử lý bề mặt, Viện Nghiên cứu Cơ khí



Tóm tắt
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu tích hợp điều khiển chế độ công nghệ hàn
(I, U, V) và quỹ đạo xe hàn áp dụng cho hàn nối ống đường kính lớn ở trạng thái
không quay theo nội dung của Đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ
KC.05.09/06-10: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị hàn tự động nối
ống có đường kính lớn ở trạng thái không quay”. Đã nghiên cứu tích hợp công
nghệ
điều khiển chế độ hàn và quỹ đạo xe hàn trong chế tạo hệ thống thiết bị hàn
tự động và thiết lập được chế độ công nghệ phù hợp bao gồm các thông số: dòng
điện hàn, điện áp hàn, tốc độ hàn, theo các cung trong hệ tọa độ cực trên quỹ đạo
của ống để đảm bảo chất lượng và hình dạng mối nối hàn.
Ký hiệu
- I: Dòng
điện hàn.
- U: Điện áp hàn.
- V: Tốc độ hàn.
- R: Bán kính đường ống hàn.
- L: Chiều dài cung hàn.
- P: Công suất động cơ điện.

1. Mở đầu
Trong quá trình thực hiện, bằng các nghiên cứu thử nghiệm kết hợp với lý
thuyết, Đề tài đã nghiên cứu tích hợp công nghệ điều khiển chế độ hàn và quỹ đạo
xe hàn trong chế tạo hệ th
ống thiết bị hàn tự động, thiết lập và xây dựng được Bộ
cơ sở dữ liệu chế độ công nghệ hàn nối ống đường kính lớn ở trạng thái không
quay để áp dụng thử nghiệm trong xây dựng các công trình thuỷ điện vừa và nhỏ
phối hợp cùng với Công ty Cơ khí và Lắp máy Sông Đà 9 là cơ sở triển khai
chuyển giao công nghệ của Đề tài.
2. Nghiên cứu thi
ết lập phương trình chế độ công nghệ hàn trong hệ tọa độ
cực
Từ các kết qủa nghiên cứu thực nghiệm có rất nhiều phương pháp để xác định
các phương trình công nghệ cho từng thông số công nghệ hàn riêng biệt, trong đề
tài giới thiệu một trong các phương pháp đó. Đó là phương pháp bình phương nhỏ
nhất.
Phương pháp bình phương nhỏ nhất được dùng để lập công thức thực nghi
ệm.
Để tìm quan hệ hàm số giữa hai đại lượng x và y đã cho bởi các kết qủa đo đạc
được khi tiến hành thực nghiệm dưới dạng bảng các trị số tương ứng như sau:
2


X x1 x2 x3 …… xi xn
Y y1 y2 y3 ……. yi yn
Từ bảng số liệu trên tìm ra quan hệ hàm số y = f(x) cụ thể gọi là lập công thức
thực nghiệm (Phương trình thực nghiệm). Nói chung không có khả năng tìm ra
hàm số f(x) đúng hoàn toàn. Ngay cả việc tìm hàm số xấp xỉ của f(x) bằng phương
pháp bình phương nhỏ nhất cũng rất phức tạp nếu không biết trước được dạng của
hàm số xấp xỉ.

Vì các cặp số (x1, y1), (x2, y2), (xn, yn) nhận
được từ kết quả thực nghiệm chỉ
là những giá trị xấp xỉ, do vậy chúng không nghiệm đúng phương trình y = f(x),
nghĩa là:
y1 – f(x1) = ξ1
y2 – f(x2) = ξ2
…….
yn – f(xn) = ξn
Trong đó ξ1, ξ2, ξn. Là các sai số giữa giá trị thực nghiệm và giá tri của
phương trình xấp xỉ cần tìm. Phương pháp bình phương nhỏ nhất là phương pháp
tìm hàm số xấp xỉ f (x) sao cho tổng các bình phương của các sai số nói trên là nh
ỏ
nhất. Nghĩa là:

()
2
1
∑
=
=
n
i
i
S
ξ
(2.1)
hay
(
)
2

)(
1
f
x
i
n
i
y
i
S −
∑
=
=
(2.2)
là nhỏ nhất.
Để giải bài toán trên được thuận lợi, từ bảng số liệu thực nghiệm ta dựng đồ thị
theo các số liệu đã có. Từ đồ thị dựng được xác định được dạng tổng quát của
phương trình cần tìm sau đó dựa vào phương pháp bình phương nhỏ nhất để xác
định phương trình (phương trình thực nghiệm).
2.1. Xác định các phương trình công nghệ hàn trong hệ tọ
a độ cực
2.1.1. Dòng điện hàn
a. Đồ thị
Theo đồ thị dòng hàn cho toàn bộ chu vi ống như kết quả hàn thực nghiệm đã
cho, ta chuyển thành hệ tọa độ với trục hoành là góc tâm φ như sau.



H.1. Đồ thị dòng hàn theo góc tâm φ
3

b. Phương trình dòng hàn
Từ đồ thị vẽ theo các số liệu thực nghiệm ta thấy đây là đồ thị hàm số có
dạng: y = ax
3
+ bx
2
+ cx + d trong đó a, b, c, d là các tham số được xác định bằng
phương pháp bình phương nhỏ nhất.

n
232
i
i=1
S= (y )dcxbx ax−− − −
∑
(2.3)
Để S nhỏ nhất a, b, c, d phải thỏa mãn hệ phương trình
23
1
23
1
223
1
323
1
2( 1)( ) 0
2( )( ) 0
2( )( ) 0

2( )( ) 0
n
i
i
n
i
i
n
i
i
n
i
i
S
y d cx bx ax
d
S
xy d cxbx ax
c
S
xydcxbxax
b
S
xydcxbx ax
a
=
=
=
=
∂

=−−−−− =
∂
∂
=−−−−− =
∂
∂
=− −−−− =
∂
∂
=− −−−− =
∂
∑
∑
∑
∑
(2.4)
Sau khi rút gọn ta được

∑∑∑∑
====
=+++
n
i
i
n
i
n
i
n
i

i
y
xx
x
i
d
i
cbna
11
3
1
2
1


y
x
xxx
x
i
n
i
i
n
i
n
i
n
i
n

i
i
i
d
i
c
i
ba
∑∑∑∑∑
=====
=+++
11
4
1
3
1
2
1


y
xxxxx
i
n
i
n
i
n
i
n

i
n
i
ii
d
i
c
i
b
i
a
∑∑∑∑∑
=====
=+++
1
2
1
5
1
4
1
3
1
2
(2.5)

y
xxxxx
i
n

i
n
i
n
i
n
i
n
i
ii
d
i
c
i
b
i
a
∑∑∑∑∑
=====
=+++
1
3
1
6
1
5
1
4
1
3

Đây là một hệ bốn phương trình bốn ẩn số a, b, c, d. Giải hệ phương trình này
ta nhận được a, b, c, d phải tìm.
Thay các giá trị x
i
y
i
từ bảng thực nghiệm ta có:
a = 6,2 .10
-6
b = - 632 . 10
-6
c = 0,47 d = 155


Đổi x
i
y
i
thành góc tâm φ và dòng điện hàn I, ta có phương trình dòng hàn theo
góc tâm φ cho toàn bộ quỹ đạo hàn là:
I = 6,2.10
-6
φ
3
– 632.10
-6
φ
2
+ 0,47 φ + 155 (2.6)

Đây là phương trình công nghệ cho thông số dòng điện hàn trên toàn bộ quỹ đạo
hàn (chu vi ống cần nối) đó là một phương trình bậc ba phức tạp rất khó cho việc
điều khiển sau này. Mặt khác, như trên đã nói đây chỉ là phương trình xấp xỉ gần
đúng, do vậy để chính xác hơn và sau này dễ điều khiển hơn ta chuyển thành hệ
các phương trình tuyến tính để biểu thị quan hệ giữa dòng hàn I với góc tâm φ
c. Hệ phương trình dòng hàn
Từ đồ thị dòng hàn theo góc tâm φ ta nhận thấy có thể thay thế đoạn đồ thị với φ
từ 90 – 180
0
bằng đoạn thẳng mà sai số vẫn đảm bảo không vượt quá mức độ cho
phép (đoạn thẳng màu đen), do vậy toàn bộ đồ thị được ghép bởi 8 đoạn thẳng, viết
phương trình cho đồ thị trên thực chất là viết phương trình cho các đoạn thẳng đó
với góc tâm φ thuộc các miền khác nhau.
- Dòng hàn khi φ từ 0
0
- 30
0

I = C với C=170A và φ thuộc (0
0
- 30
0
) (2.7)
- Dòng hàn khi φ từ 30
0
- 90
0

4

I=C+0.33(φ-30) với C=170A và φ thuộc (30
0
- 90
0
) (2.8)
- Dòng hàn khi φ từ 90
0
- 180
0

I = I (90
0
) - 0.44 (φ - 90) với φ thuộc (90
o
– 180
0
) (2.9)
- Dòng hàn khi φ từ 180
0
- 210
0

I = I (90
0
) - (φ -180) với φ thuộc (180
0
- 210
0
) (2.10)
- Dòng hàn khi φ từ 210

0
- 240
0
I = I (210
0
) + 0.33(φ–210) với φ thuộc (210
0
- 240
0
) (2.11)
- Dòng hàn khi φ từ 240
0
- 270
0

I = I (240
0
) + 0.67(φ–240) với φ thuộc (240
0
-270
0
) (2.12)
- Dòng hàn khi φ từ 270
0
- 330
0

I = I (270
0
) + 0.33(φ–270) với φ thuộc (270

0
– 330
0
) (2.13)
- Dòng hàn khi φ từ 300
0
- 360
0

I = I (330
0
) với φ thuộc (330
0
- 360
0
) (2.14)
Tóm lại trên toàn bộ quỹ đạo hàn, dòng hàn cần thỏa mãn hệ phương trình sau:
I = C & C = 170A, φ Є [0
0
- 30
0
]
I = C + 0.33 (φ – 30) & C = 70A, φ Є [30
0
- 90
0
]
I = I (90
0
) - 0.44 (φ - 90) & φ Є [90

0
– 180
0
]
I = I (90
0
) - (φ - 180) & φ Є [180
0
– 210
0
] (2.15)
I = I (210
0
) + 0.33 (φ - 210) & φ Є [210
0
– 240
0
]
I = I (240
0
) + 0.67 (φ - 240) & φ Є [240
0
- 270
0
]
I = I (270
0
) + 0.33 (φ - 270) & φ Є [270
0
– 330

0
]
I = I (330
0
) & φ Є [330
0
- 360
0
]
2.1.2. Điện áp hàn
Tương tự với cách làm như đối với dòng hàn, với điện áp hàn ta có:
a. Đồ thị điện áp hàn

H 2. Đồ thị điện áp hàn theo góc tâm φ
b. Phương trình điện áp hàn
Theo các số liệu thực nghiệm ta vẽ được đồ thị điện áp (U) hàn theo góc tâm φ.
Ta thấy đây là đồ thị hàm số có dạng y = ax
3
+ bx
2
+ cx+ d trong đó a, b, c, d, là các
tham số được xác định bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất. Tương tự như
với dòng hàn ta xác định được:
a = 3,12 . 10
-6
b = 315 . 10
-6

c = 0,055 d = 19,5
Đổi x

i
y
i
thành góc tâm φ và điện áp hàn U, ta có phương trình dòng hàn theo
góc tâm φ cho toàn bộ quỹ đạo hàn là:
5

U = 3,12.10
-6
φ
3
- 315.10
-6
φ
2
+ 0,055 φ + 19,5 (2.16)
Đây là phương trình công nghệ cho thông số điện áp hàn trên toàn bộ quỹ đạo
hàn (chu vi ống cần nối) đó là một phương trình bậc ba phức tạp rất khó cho việc
điều khiển sau này. Mặt khác, như trên đã trình bày đây chỉ là phương trình xấp xỉ
gần đúng, do vậy để chính xác hơn và sau này dễ điều khiển hơn ta chuyển thành
hệ các phương trình tuyến tính để biểu thị
quan hệ giữa điện áp hàn U với góc tâm
φ.
c. Hệ phương trình điện áp hàn
Từ đồ thị điện áp hàn theo góc tâm φ ta nhận thấy có thể thay thế đoạn đồ thị với
φ từ 150
0
– 210
0
bằng đoạn thẳng mà sai số vẫn đảm bảo không vượt quá mức độ

cho phép (đoạn thẳng màu đen), do vậy toàn bộ đồ thị được ghép bởi 8 đoạn thẳng,
viết phương trình cho đồ thị trên thực chất là viết phương trình cho các đoạn thẳng
đó với góc tâm φ thuộc các miền khác nhau.
- Điện áp hàn khi φ từ 0 - 30
0

U = C với C = 21V và φ thuộc (0
0
- 30
0
) (2.17)
- Điện áp hàn khi φ từ 30
0
- 90
0

U = C + 0.033(φ – 30) với C = 21V và φ thuộc (30
0
- 90
0
)
(2.18)
- Điện áp hàn khi φ từ 90
0
- 120
0

U = U (90
0
) - 0.033(φ - 90) với φ Є (90

0
– 120
0
) (2.19)
- Điện áp hàn khi φ từ 120
0
- 150
0

U = U (120
0
) - 0.05 (φ - 120) với φ Є (120
0
- 150
0
) (2.20)
- Điện áp hàn khi φ từ 150
0
– 210
0

U = U (150
0
) - 0.025(φ - 150) với φ Є (150
0
- 210
0
) (2.21)
- Điện áp hàn khi φ từ 210
0

- 270
0

U = U (210
0
) + 0.033(φ - 210) với φ Є (210
0
- 270
0
) (2.22)
- Điện áp hàn khi φ từ 270
0
– 330
0

U (270
0
) + 0.017 (φ -270) với φ Є (30
0
– 330
0
) (2.23)
- Điện áp hàn khi φ từ 330
0
- 360
0

U = U (330
0
) với φ Є (330

0
- 360
0
) (2.24)
Tóm lại trên toàn bộ quỹ đạo hàn, điện áp hàn cần thỏa mãn hệ phương trình
sau:
U = C & C = 21V, φ Є [0
0
- 30
0
]
U = C + 0.033 (φ – 30) & C = 21V, φ Є [30
0
- 90
0
]
U = U(90
0
) - 0.033(φ - 90) & φ Є [90
0
- 120
0
]
U = U(120
0
) - 0.05(φ - 120) & φ Є [120
0
- 150
0
] (2.25)

U = U(150
0
) - 0.025(φ - 150) & φ Є [150
0
- 210
0
]
U = U(210
0
) + 0.033(φ - 210) & φ Є [210
0
- 270
0
]
U = U(270
0
) + 0.017(φ - 270) & φ Є [270
0
- 330
0
]
U = U(330
0
) & φ Є [330
0
- 360
0
]
2.1.3. Vận tốc hàn
Tương tự với cách làm như đối với dòng hàn. Với vận tốc hàn ta có:

a. Đồ thị vận tốc hàn
6


H. 3. Đồ thị vận tốc hàn theo góc tâm φ
b. Phương trình vận tốc hàn
Từ đồ thị vẽ theo các số liệu thực nghiệm ta thấy đây là đồ thị hàm số có dạng
y = ax
3
+ bx
2
+ cx + d trong đó a, b, c, d là các tham số được xác định bằng phương
pháp bình phương nhỏ nhất.
n
232
i
i=1
S= (y )dcxbx ax−− − −
∑
(2.26)
Với cách giải tương tự như phần tìm phương trình dòng hàn ta có:
a = 2,28.10
-6
b = - 229.10
-6
c = 0,037 d = 7


Đổi x
i

y
i
thành góc tâm φ và tốc độ hàn V, ta có phương trình dòng hàn theo góc
tâm φ cho toàn bộ quỹ đạo hàn là:
V = 2,28.10
-6
φ
3
- 229.10
-6
φ
2
+ 0,037φ +7 (2.27)
Đây là phương trình công nghệ cho thông số tốc độ hàn trên toàn bộ quỹ đạo
hàn (chu vi ống cần nối) đó là một phương trình bậc ba phức tạp rất khó cho việc
điều khiển sau này. Mặt khác, như trên đã trình bày đây chỉ là phương trình xấp xỉ
gần đúng, do vậy để chính xác hơn và sau này dễ điều khiển hơn ta chuyển thành
hệ các phương trình tuyến tính để biểu thị
qua hệ giữa tốc độ hàn V với góc tâm φ.
c. Hệ phương trình vận tốc hàn
Từ đồ thị tốc độ hàn theo góc tâm φ ta nhận thấy toàn bộ đồ thị được ghép bởi 9
đoạn thẳng, viết phương trình cho đồ thị trên thực chất là viết phương trình cho các
đoạn thẳng đó với góc tâm φ thuộc các miền khác nhau.
- Vận tốc hàn khi φ từ 0 - 30
0

V = C với C = 8m/h và φ Є (0
0
- 30
0

) (2.28)
- Vận tốc hàn khi φ từ 30
0
- 90
0

V = C + 0.033(φ - 30) với C = 8m/h và φ Є (30
0
- 90
0
) (2.29)
- Vận tốc hàn khi φ từ 90
0
- 120
0

V = V (90
0
) - 0.033 (φ - 90) với φ Є (90
0
- 120
0
) (2.30)
- Vận tốc hàn khi φ từ 120
0
- 150
0

V = V (120
0

) - 0.067 (φ -120) với φ Є (120
0
- 150
0
) (2.31)
- Vận tốc hàn khi φ từ 150
0
– 210
0

V = V (150
0
) - 0.033 (φ - 150) với φ Є (150
0
- 210
0
) (2.32)
- Vận tốc hàn khi φ từ 210
0
- 240
0

V = V (210
0
) với φ Є (210
0
- 240
0
) (2.33)
- Vận tốc hàn khi φ từ 240

0
–300
0

V = V (240
0
) + 0.033(φ - 240) với φ Є (300
0
- 330
0
) (2.34)
7

- Vận tốc hàn khi φ từ 300
0
- 330
0

V = V (300
0
)

với φ Є (300
0
- 330
0
) (2.35)
- Vận tốc hàn khi φ từ 330
0
- 360

0

V = V (240
0
) + 0.033(φ - 330) với φ Є (330
0
- 360
0
) (2.36)
Tóm lại trên toàn bộ quỹ đạo hàn, vận tốc hàn cần thỏa mãn hệ phương trình
sau:
V = C & C = 8m/h, φ Є [0
0
- 30
0
]
V = C + 0.033 (φ – 30) & C = 8m/h, φ Є [30
0
- 90
0
]
V = V (90
0
) - 0.033 (φ - 90) & φ Є [90
0
- 120
0
]
V = V (120
0

) - 0.05 (φ - 120) & φ Є [120
0
- 150
0
]
V = V (150
0
) - 0.025 (φ - 150) & φ Є [150
0
- 210
0
] (2.37)
V = V (210
0
) & φ Є [210
0
- 240
0
]
V = V (240
0
) + 0.033 (φ - 300) & φ Є [240
0
- 300
0
]
V = V (300
0
) & φ Є [300
0

- 330
0
]
V = V (330
0
) + 0.033 (φ - 330) & φ Є [330
0
- 360
0
]
2.2. Các thông số công nghệ khác
Từ kết quả thực nghiệm ta thấy các thông số công nghệ khác như: lưu lượng khí
bảo vệ, tần số dao động đầu hàn, biên độ dao động và chiều cao điện cực không
phụ thuộc vào vị trí mối hàn trên toàn bộ quỹ đạo hàn (đường trong chu vi ống cần
hàn) do vậy khi đã chọn được trị số tối ưu của các thông số này, bảo đảm cho hình
dáng ch
ất lượng mối hàn, ta giữ nguyên các trị số của các thông số đó, không thay
đổi trên toàn bộ đường hàn. Nói cách khác các thông số này là hằng số không phụ
thuộc vào góc tâm φ.
3. Nghiên cứu tích hợp chế độ hàn và tính toán thiết kế điều khiển quỹ đạo xe
hàn
3.1. Tính toán mạch điện điều khiển và điện động lực cho các động cơ công
suất nhỏ.
Từ yêu cầu về thay đổ tố
c độ, cũng như độ ổn định về tốc độ động cơ trong từng
đoạn hàn thì mạch điện phải phù hợp đáp ứng được các yêu cầu đưa ra.
Trong mạch điện này đảm bảo được việc thay đổi tốc độ động cơ một cách vô
cấp với độ thay đổi tốc độ tối đa là 1/50 và độ ổn định và độ chính xác c
ủa tốc độ
động cơ là 2%. Tốc độ động cơ hoàn toàn tỷ lệ tuyến tính với điện áp vào phần ứng

của động cơ. Để giữ cho vận tốc động cơ không đổi, theo điều kiện cân bằng thì
cần bổ sung điện áp cấp cho phần ứng của động cơ để bù vào sự thay đổi đó. Do
vậy sự ổn định t
ốc độ của động cơ chính là sự ổn định của điện áp cung cấp cho
phần ứng của động cơ khi tải thay đổi.
Do tất cả các động cơ này đều được chọn với cùng một cấp điện áp là 24VDC,
được điều khiển tốc độ vô cấp với cùng nguyên lý nên trên từng mạch chỉ cần tính
đến dòng điện cho phù hợp với từng công suấ
t của mỗi một động cơ
+ Với động cơ xe hàn:
Ta có: P = 150 W, U = 24 V
Từ đó: I = P / U = 150 / 24 = 6,25A
Từ dòng điện và điện áp được tính ở trên chọn
8

- Van điode và thyristor loại 5A có:
+ I
đm
= 5 A,
+ Điện áp cho phép 220 V.
+ Điện áp xung mở điện áp 4V, độ rộng 10 µs.
Động cơ xe hàn, do đặc điểm của công nghệ hàn tự động, động cơ xe hàn
thường xuyên chạy theo chiều thuận, sự đảo chiều quay của động cơ xe hàn ít xẩy
ra, do vậy trên mạch điện cung cấp cho động cơ chỉ cần bố trí các tiếp điểm cơ khí
của các rơle đ
iện từ. Để thuận tiện cho công việc điều khiển và từ dòng điện định
mức của động cơ chọn các rơle có thông số:
- Dòng định mức 10A
- Điện áp cuộn hút 24V DC
+ Động cơ cấp dây hàn:

- Biến áp 220 /25.5V – 150W
- Điode và thyristor loại 5A có
+ I
đm
= 5 A,
+ Điện áp cho phép 220 V.
+ Điện áp xung mở điện áp 4V, độ rộng 10 µs.
- Cầu chì đầu vào bảo vệ toàn bộ cho đầu cấp dây hàn CC1 là 2A
- Cầu chì bảo vệ cho động cơ cấp dây hàn là 5ª
Để bảo đảm độ bền cho thiết bị do các động cơ dao động hoạt động phải đảo
chiều liên tục do đó trên mạch động lực của động cơ ta bố trí các van bán dẫn để

đáp ứng được tần số đảo chiều của động cơ
- Các van bán dẫn có:
+ Điện áp định mức 100V
+ Dòng điện định mức 10A
+ Tần số làm việc 1 KHz
+ Động cơ khử sai lệch đầu hàn:
- Biến áp 220/25.5V – 75W
- Điode và thyristor loại 3 A có
+ I
đm
= 3 A,
+ Điện áp cho phép 220 V.
+ Điện áp xung mở điện áp 4V, độ rộng 10µs.
- Cầu chì đầu vào bảo vệ toàn bộ cho bộ khử sai lệch đầu hàn CC1 là 1A
- Cầu chì bảo vệ cho động cơ khử sai lệch đầu hàn là 3A
Ở mạch này do không cần thay đổi điện áp đầu ra (cố định 24V DC) do vậy
không cần có mạch điện tử để mở thyristor
Ngoài ra để thuận tiện cho công việ

c lắp đặt và sửa chữa sau này, trong tủ điện
còn bố trí đèn chiếu sáng nội bộ và ổ cắm 220V- 10A (Các thiết bị này chỉ hoạt
động khi cánh cửa tủ điện đã được mở nhờ công tắc cửa tủ).
Từ các phân tích và tính toán trên ta có sơ đồ cung cấp điện cho toàn bộ hệ
thống thiết bị.
Từ các bản vẽ thiết kế mạch cung cấp
điện cho các thiết bị đã có, dựa vào kích
cỡ và kiểu dáng của các vật tư tiến hành gá lắp các bản vẽ về tủ điện và cũng như
các bộ điều khiển cầm tay.
9

3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển quỹ đạo xe hàn
Hàn tự động nối ống không quay là hàn nối các đoạn ống với nhau, các đoạn
ống này đã được chuẩn bị từ trước và phải đạt được một số các tiêu chuẩn nhất
định đảm bảo cho việc hàn tự động.
Trong hàn tự động nối ống không quay. Ống được hàn nối (vật hàn) là tĩ
nh tại,
còn đầu hàn chuyển động theo chu vi của ống (quỹ đạo cần hàn). Trong khi hàn
theo quỹ đạo cần hàn, các thông số công nghệ về hàn phải được tự động thay đổi
liên tục theo vị trí của đầu hàn trên quỹ đạo cần hàn cho phù hợp với các phương
trình công nghệ, tạo ra đường hàn xung quanh ống được nối đạt được các chỉ tiêu
về chất lượng kỹ thuật và kinh tế. Nói một cách khác, các thông số công nghệ
hàn
thay đổi thường xuyên theo một quy luật công nghệ đã cho sẵn bởi phương trình
công nghệ trên mọi điểm thuộc quỹ đạo với một hệ qui chiếu đã được chọn.
Để biểu diễn được một cách bao quát nhất cho các loại đoạn ống cần hàn nối,
chọn hệ quy chiếu là hệ tọa độ cực với gốc tọa độ là tâm trong của đường ố
ng được
hàn nối (tâm hình học, không có trên thực tế).
- Trị số véc tơ chính là bán kính đường ống được hàn nối.

Với hệ tọa độ cực đã lựa chọn như trên, với mỗi một bán kính đường ống đã
cho (một vật hàn cụ thể) vị trí đầu hàn chỉ có cần một thông số để xác định đó là
góc tâm: φ. Góc này có trị số từ 0 – 360 so với góc chuẩn φ = 0 mà ta có thể
tự đặt
từ trước (góc chuẩn 0).
- Với đường tròn đã được xác định trước, xác định được bán kính R và góc
chuẩn 0. Góc tâm φ được xác định theo công thức.
φ = L /R (3.1)
trong đó:
+ L: Là độ dài cung
+ R: Bán kính đường tròn
Từ các phân tích trên, tất cả các vị trí của đầu hàn trên toàn bộ chu vi của
đường ống cần hàn nối (quỹ đạo cần hàn) đã cho đều được xác định bởi một thông
số đó là góc tâm φ
.
Như đã biết, tỷ số giữa chu vi đường tròn với bán kính là 2π, đó là một số lẻ. Để
tiện cho việc tính toán các phương trình công nghệ trong hệ tọa độ cực, các sai số
do số lẻ của π gây ra được dồn vào các cung đầu và cuối (với φ = 0 và φ = 180).
Từ đó chọn góc chuẩn 0 (φ = 0).
Từ góc chuẩn 0 để thuận tiện cho công việc điều khiể
n một cách tự động và bảo
đảm độ chính xác cho việc khép kín chu vi ống (quỹ đạo cần hàn) chọn thêm góc
chuẩn thứ hai đối diện với góc chuẩn 0 (φ = 180). Tại các điểm này đặt các công
tắc bắt đầu và khép kín quỹ đạo hàn để khử các sai số của phép tính do số lẻ π gây
ra như đã nêu trên.
Với góc φ = 0 và φ = 180 như đã chọn ở trên. Các thông số về chế độ hàn
ở tư
thế tại các góc này ít thay đổi do vậy các sai số về trị số các thông số công nghệ
hàn theo tọa độ của đầu hàn (sai số góc tâm φ) ít ảnh hưởng tới chất lượng mối hàn
3.2.1. Cơ sở thuật toán điều khiển hệ thống

Trên toàn bộ quỹ đạo cần điều khiển, trong không gian và theo thời gian được
chia nhỏ thành các điểm liên tiếp nhau, trong kỹ thuật đ
iều khiển gọi là các mẫu,
10

và bộ điều khiển hệ thống thực hiện các công việc theo yêu cầu công nghệ ở tại các
vị trí mẫu đó (theo không gian và thời gian).
Tần số lấy mẫu quyết định độ bám sát của hệ điều khiển với phương trình công
nghệ đã định trước qua đó quyết định độ chính xác của hệ thống. Thông thường tần
số lấy mẫu càng lớ
n, số lượng mẫu càng nhiều thì bộ điều khiển càng sát với
phương trình công nghệ đã cho và hệ thống càng chính xác. Thế nhưng tần số lấy
mẫu lại phụ thuộc vào thời gian tính toán của bộ điều khiển và thời gian thực hiện
các lệnh điều khiển của các cơ cấu chấp hành, do vậy tần số lấy mẫu là một số có
giới h
ạn không thể tăng quá lớn.
Theo tính toán về công nghệ hàn tự động nối ống không quay, và qua các số liệu
thực nghiệm thực tế hàn thí nghiệm trên các mẫu ống khác nhau, tìm được các
phương trình công nghệ theo hệ tọa độ cực với biến thay đổi là góc tâm φ như đã
nêu trên cho các thông số công nghệ hàn như sau:
- Phương trình dòng điện hàn ở dạng tổng quát.
I ( φ ) = f1 (φ) (3.2)

Từ bảng thống kê trị số dòng điện hàn trong quá trình hàn thực nghiệm trên
nhiều các mẫu thí nghiệm khác nhau, bằng các phương pháp và công cụ toán học
khác nhau như xấp xỉ hàm, tiệm cận … ta có được cụ thể phương trình công nghệ
cho dòng điện hàn trong hệ tọa độ cực với biến là góc tâm φ.
- Phương trình điện áp hàn ở dạng tổng quát.
U ( φ ) = f2 (φ) (3.3)
- Phương trình vận tốc hàn (tốc

độ hàn) ở dạng tổng quát.
V ( φ ) = f3 (φ) (3.4)
Thay vào các phương trình của các thông số công nghệ hàn đã cho ta tính
được các sai số của các thông số công nghệ hàn. Dựa vào các sai số cho phép của
các thông số công nghệ hàn đã cho (theo tiêu chuẩn), và với đường kính các loại
ống cần hàn mà nhiệm vụ đề tài đã đưa ra
3.2.2. Lưu đồ điều khiển hệ thống
Lưu đồ này cần đáp ứng được toàn bộ các yêu cầu
đã đặt ra. Cấu trúc bao gồm:
- Chọn chế độ điều khiển.
Để phục vụ cho công việc nghiên cứu và thực hành, chế độ hoạt động của hệ
thống thiết bị hàn nối ống không quay được chia thành hai chế độ độc lập nhau.
+ Chế độ tay: Trong chế độ này các thông số công nghệ hàn được người vận
hành thay đổi thường xuyên liên tục phụ thuộc vào vào vị trí hiện t
ại của đầu hàn
trong hệ tọa độ cực bằng cách thay đổi các chiết áp điều khiển các thông số công
nghệ.
+ Chế độ tự động: Trong chế độ này toàn bộ mọi hoạt động của hệ thống thiết bị
được điều khiển thay đổi tự động theo một quy trình công nghệ đã được đặt trước.
Các thông số về công nghệ hàn được trung tâm điề
u khiển tự động thay đổi thường
xuyên phù hợp với phương trình công nghệ của các thông số công nghệ trên toàn bộ
các vị trí của đầu hàn nằm trong quỹ đạo hàn.
+ Chế độ tự động bao gồm các phần.
* Nhập các thông số về vật hàn gồm: đường kính ống hàn, chiều dầy thép chế
tạo ống.
11

* Nhập các thông số về công nghệ hàn tại điểm xuất phát bắt đầu hàn trên quỹ
đạo hàn. Chương trình sẽ dựa vào các phương trình công nghệ để tính các thông số

công nghệ hàn trên toàn bộ quỹ đạo hàn.
Dựa vào các phương trình công nghệ đã cho, và các dữ liệu ban đầu đã được nhập
chương trình tính trị số các thông số công nghệ tại các vị trí khác nhau của đầu hàn
trên toàn bộ qũy đạo hàn và lưu giữ kế
t quả đã được tính toán vào trong các vùng nhớ
đã được quy định.
3.2.3. Lưu đồ nhập các thông số dữ liệu đầu vào
+ Các thông số thay đổi theo quỹ đạo hàn.
 Dòng điện hàn (I0)
 Điện áp hàn (U0)
 Tốc độ hàn (V0)
Các thông số này được nhập với giá trị tại góc chuẩn 0 (φ0).
+ Các thông số cố định.
 Tần số dao động.
 Chiều cao điện c
ực.
 Bán kính ống.
 Chiều dầy thép làm ống.
 Chiều dầy một lớp hàn.
 Lưu lượng khí bảo vệ.
+ Thông số thay đổi theo lớp hàn.
Trong các thông số trên các thông số được xác định bởi phần cứng bao gồm:
 Tần số dao động.
 Chiều cao điện cực.
 Lưu lượng khí bảo vệ.
Các thông số khác đều được nhậ
p bằng các phím chức năng. Trong chương
trình này các loại thông số cần nhập được sắp xếp theo thứ tự, và được chọn bằng
một phím chức năng riêng. Bộ đếm trong trung tâm điều khiển đếm số lần được
chọn và so sánh với thứ tự đã được đặt để đưa ra chỉ thị về thông số cho phù hợp.

Khi thông số đã được lựa chọn sử d
ụng các phím chức năng tăng hoạc giảm để
nhập giá trị của thông số đó. Các giá trị này được lưu giữ bằng ba bộ nhớ đệm, bộ
nhớ đệm hàng trăm (x100), bộ nhớ đệm hàng chục (x 10), và bộ nhớ đệm hàng đơn
vị (x1).
Khi đã nhập đủ giá trị của thông số (ba bộ nhớ đệm đã có đủ các số liệu) chương
trình sẽ tính t
ổng của cả ba bộ nhớ đệm đó và lưu giữ kết quả vào một ô nhớ đầu
tiên của vùng nhớ có địa chỉ riêng đã được quy định cho thông số đó, và đưa ra chỉ
thị số liệu của thông số đó. Khi có tín hiệu chọn các thông số khác thì bộ đếm tự
đông tăng thêm một mức giá trị và các bộ nhớ đệm và chỉ thị giá trị thông số sẽ
tự
xóa về 0 và quy trình được lặp lại .
Chỉ các thông số công nghệ thay đổi theo quỹ đạo hàn là có vùng nhớ riêng, còn
các thông số cố định khác được nhớ và các ô nhớ đã được quy định.
3.2.4. Lưu đồ chương trình tính toán
Trong chương trình này các thông số thay đổi theo quỹ đạo hàn dựa vào các số
liệu ban đầu và các phương trình công nghệ của các thông số đó dưới dạng hệ tọa độ
12

cực đã cho ở trên. Bộ điều khiển trung tâm sẽ tính trị số của các thông số công nghệ
đó của các cung đoạn (các cạnh của đa giác đều nội tiếp) trên toàn bộ quỹ đạo hàn
và lưu giữ các kết quả đó vào các ô nhớ tiếp theo một cách thứ tự và lần lượt vào các
vùng nhớ riêng đã được quy định cho từng loại thông số.
3.2.5. Lưu đồ chương trình
điều khiển công nghệ hàn
Trong chương trình điều khiển, bộ điều khiển trung tâm dựa vào quy trình đã
được xác định, lần lượt điều khiển các thiết bị hoạt động thực hiện quá trình hàn.
Trong quá trình hàn, trung tâm điều khiển liên tục nhập các số liệu và các tín hiệu
từ các sensơ thông báo về đoạn đường đã đi của đầu hàn và sự sai lệch của đầu hàn

so với quỹ đạo cần hàn, từ đó để đưa ra các thông số công nghệ hàn cho phù hợp
với phương trình công nghệ tại điểm đang hàn trên toàn bộ quỹ đạo hàn và điều
khiển các động cơ điều chỉnh sai lệch để chỉnh lại sự sai lệch của đầu hàn.
Để đảm bảo độ rộng của mối hàn, trong khi hàn, đầu hàn cần dao động xung
quanh tâm đường hàn. Biên độ
dao động và thời gian trễ tại các biên trái, phải và
điểm giữa mối hàn được trung tâm điều khiển kiểm soát và điều khiển theo.
Khi hoàn thành một lớp hàn, biên độ dao động sẽ được trung tâm điều khiển tự
động tăng thêm một giá trị đã được định trước, làm cho dao động đầu hàn rộng hơn
so với lớp trước, đảm bảo độ rộng của mối hàn. Và đầu hàn t
ự động nâng độ cao
thêm một khoảng nhất định đã được đặt trước để bảo đảm độ cao của điện cực
Khi đã hàn đủ số lớp hàn cần thiết, hệ thống thiết bị sẽ tự động dừng hàn theo
quy trình công nghệ đã được lập sẵn để đảm bảo công đoạn xử lý điền đầy vết lõm
cuố
i đường hàn. Hệ thống thiết bị trở về trang thái sẵn sàng cho nhiệm vụ tiếp
theo.
Để thuận tiện cho việc nhập các thông số và kiểm tra các thông số công nghệ,
chương trình còn có phần hiển thị giá trị các thông số với lưu đồ.
4. Kết luận
1. Đề tài đã tính toán thiết kế và chế tạo thành công hệ thống thiết bị hàn tự động
nối ống đường kính lớ
n ở trạng thái không quay đảm bảo yêu cầu tích hợp chế
độ công nghệ hàn và phối hợp chuyển động của xe hàn theo quỹ đạo hàn quanh
chu vi đường ống không quay.
2. Kết cấu hệ thống thiết bị phù hợp, đồ gá gọn nhẹ đảm bảo tính cơ động và phù
hợp phục vụ sản xuất.
3. Đã thiết lập và xây dựng được Bộ cơ sở dữ liệ
u chế độ công nghệ hàn nối ống
đường kính lớn ở trạng thái không quay để ứng dụng trong xây dựng các công

trình thuỷ điện phục vụ cho sản xuất.
4. Đã hoàn chỉnh phương pháp và thuật toán để tích hợp và xác định các phương
trình công nghệ hàn tự động nối ống có đường kính lớn ở trạng thái không quay
tích hợp với hệ thống điều khiển quỹ đạo xe hàn theo các cung trong hệ tọ
a độ
cực trên quỹ đạo của ống để đảm bảo chất lượng và hình dạng mối nối hàn.
Tài liệu tham khảo
[1]Blackman S.A., Dorling D.V. and Howard R. High-speed tandem GMAW for
pipeline welding. International Pipeline Conference 2002, Calgary, Paper
IPC02-27295.
13

[2] Bertrand le Bourgeois. Soudage à l'arc, tomes 1, 2, 3. Publications de la
Soudure Autogène. Paris, 1989.
[3] Potapievski A. G. Gas-shielded welding. Kiev, Naukova Dumka Publishers,
1983.
[4] Widgery D.J. Mechanised welding of pipelines. SVETSAREN. The ESAB
welding and cutting journal vol.60. January 2005.
[5] Kenji Kitano, Hiromi Shiraishi, Tatsuya Kasatani. Development of fully
Automatic Both-Side Welding (GMAW) for Pipeline. Automation Technology of
Arc Welding. Japan. 1996. pp. II-151 ÷ II-156.
[6] Yuji Sugitani, Yukio Kobayashi and Masatoshi Murayama. Development of
Highly Efficient and Unmanned Welding System for Pipeline Construction.
Automation Technology of Arc Welding. Japan. 1996. pp. II-157 ÷ II-160.
[7] U. Rembold. Computer Intergrated Manufacturing and Engineering. Wesley,
1993.
[8] Danilina N. I., Dubrovskaya N. S., Kavsha O. P., Smirnov G. L. Computational
mathematics. Mir Publishers, Moscow, 1987.
[9] Terrence J. Akai. Applied numerical methods for engineers. John Wiley anh
Sons, Inc., 1994.