THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY HÀN PHÔI TỰ ĐỘNG

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.74 MB, 58 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN
MÁY HÀN PHÔI TỰ ĐỘNG

Họ và tên sinh viên:
Ngành:
Niên khóa:

ĐỖ HỒNG THÁI
HUỲNH DUY KHÁNH
CƠ ĐIỆN TƯ
2014 – 2018

Tháng 06 năm 2018

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN
MÁY HÀN PHÔI TỰ ĐỘNG

Tác gia

ĐỖ HỒNG THÁI
HUỲNH DUY KHÁNH

Khóa luận tốt nghiệp được đệ trình đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành
CƠ ĐIỆN TƯ

Giáo viên hướng dẫn:
Th.S NGUYỄN ĐĂNG KHOA

Tháng 06 năm 2018

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, chúng em xin gửi lời cam ơn trân trọng và sâu sắc nhất đến thầy
Th.S Nguyễn Đăng Khoa, người đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hướng dẫn, góp ý,
giúp đỡ, động viên chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành đồ án này.
Xin chân thành cam ơn đến tất ca quý thầy cô thuộc khoa Cơ khí công nghệ, Bộ
môn Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh,
những người đã trang bị cho chúng em những kiến thức cơ ban, cũng như đã nhiệt tình
hướng dẫn chúng em trong suốt khóa học vừa qua.
1

Và sau cùng, xin được cam ơn, chia sẻ niềm vui với gia đình, người thân, bạn
bè cùng tập thể lớp Cơ điện tử khóa 2014 – những người đã luôn ở bên, quan tâm giúp
đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để chúng tôi học tập, nghiên cứu để hoàn thành đồ án tốt
nghiệp này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày… tháng … năm 2018

2

TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu “Thiết kế, chế tạo và điều khiển máy hàn phôi tự động” được
tiến hành tại Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 2
đến tháng 6 năm 2018. Thí nghiệm được thực hiện theo kiểu mô hình máy CNC ba
trục.

Tự động hóa trong lĩnh vực hàn là nhu cầu thiết yếu, hiện nay có rất nhiều loại
hình máy hàn tự động khác nhau trên thị trường: hàn đường thẳng, hàn đường ống,
rôbôt hàn,... với nguyên lý hoạt động và ứng dụng đa dạng. Nhưng chưa có san phẩm
nào thật sự tập trung vào lĩnh vực hàn phôi ban mã. Đó là lý do chúng em chọn đề tài:
“ Thiết kế, chế tạo và điều khiển máy hàn phôi tự động”.
Mô hình được thiết kế, chế tạo với nội dung chính gồm:
- Thiết kế, chế tạo bàn gá phôi di chuyển tịnh tiến theo hai phương x và y.
- Thiết kế, chế tạo tay kẹp mỏ hàn MIG.
- Giao diện điều khiển cho phép hiển thị quỹ đạo và tốc độ hàn.
Trai qua quá trình nghiên cứu và thực hiện, chúng em đã thiết kế được hệ thống
truyền động cho bàn gá phôi chuyển động theo phương y và mỏ hàn theo phương x.
Tay kẹp mỏ hàn có thể điều chỉnh độ cao, đam bao cố định mỏ hàn trong quá trình
hàn. Thiết kế thành công mạch điều khiển cho mỏ hàn. Giao diện điều khiển cho phép
hiển thị quỹ đạo. Mô hình máy hàn tự động CNC đã hàn được các loại hình hàn đường
thẳng như: giáp mối, chồng mí, chữ T. Tuy nhiên, mô hình chỉ hàn được một phần tư
đường tròn, cần được tiếp tục nghiên cứu và phát triển để hoàn thiện thêm đề tài.

3

MỤC LỤC
Trang
Trang tựa......................................................................................................................... i
Lời cam ơn..................................................................................................................... ii
Tóm tắt.........................................................................................................................iii
Mục lục......................................................................................................................... iv
Danh mục hình............................................................................................................. vii
Danh mục bang.............................................................................................................ix
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU.............................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề............................................................................................................. 1

1.2. Đề xuất nhiệm vụ đề tài........................................................................................2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN......................................................................................3
2.1. Một số máy hàn tự động.......................................................................................3
2.1.1. Máy hàn tự động với phôi tròn quay..................................................................3
2.1.1.1. Máy hàn ống ngang........................................................................................3
2.1.1.2. Máy hàn ống đứng..........................................................................................4
2.1.2. Xe hàn tự động..................................................................................................6
2.1.2.1. Xe hàn đường thẳng........................................................................................6
2.1.2.2. Xe hàn ống......................................................................................................7
2.1.3. Máy hàn đường thẳng........................................................................................8
2.1.4. Máy hàn ứng dụng công nghệ CNC...................................................................9
2.1.5. rôbôt hàn tự động...............................................................................................11
2.2. Tìm hiểu về máy hàn bán tự động.........................................................................13
2.2.1. Máy hàn TIG.....................................................................................................13
2.2.2. Máy hàn MIG/MAG..........................................................................................15
2.3. Đề xuất nhiệm vụ của đề tài..................................................................................16
CHƯƠNG 3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..........................18
3.1. Nội dung thực hiện...............................................................................................18
3.2. Phương pháp và phương tiện nghiên cứu..............................................................18
3.2.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực hiện................................................18
3.2.1.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.................................................................18
3.2.1.2. Phương pháp thực hiện...................................................................................19
3.2.2. Phương tiện nghiên cứu.....................................................................................19
3.3. Một số linh kiện sử dụng trong đề tài:..................................................................19
3.3.1. Arduino Uno R3................................................................................................19
3.3.2. CNC Shield V3..................................................................................................21
4

3.3.3. Driver A4988.....................................................................................................21

3.3.4. Động cơ bước....................................................................................................22
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................24
4.1. Tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình máy hàn phôi thép tự động..........................24
4.1.1. Khung gá phôi mô hình máy hàn phôi thép tự động..........................................24
4.1.1.1. Tính toán, thiết kế cơ cấu truyền động............................................................24
4.1.1.2. Nguyên lý hoạt động mô hình máy hàn phôi thép tự động.............................26
4.1.1.3. Tính toán, phân tích lực, mômen tác dụng lên trục và chọn động cơ bước.....27
4.1.2. Tính toán, thiết kế tay kẹp kẹp đầu mỏ hàn (mỏ hàn MIG, MAG)....................32
4.2. Tính toán, thiết kế mạch điều khiển mô hình máy hàn phôi thép tự động.............34
4.2.1. Sơ đồ điều khiển mô hình máy hàn phôi thép tự động.......................................34
4.2.1.1. Sơ đồ khối điều khiển mô hình máy hàn phôi thép tự động............................34
4.2.1.2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển mô hình máy hàn phôi thép tự động..........35
4.2.2. Sơ đồ điều khiển đóng mở công tắc mỏ hàn MIG..............................................36
4.2.2.1. Sơ đồ khối điều khiển đóng mở công tắc mỏ hàn MIG...................................36
4.2.2.2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển đóng mở công tắc mỏ hàn MIG................37
4.3. Phần mềm ứng dụng điều khiển máy CNC (bCNC).............................................39
4.3.1. Giao diện điều khiển phần mềm bCNC.............................................................39
4.3.1.1. Các tính năng chính........................................................................................40
4.3.1.2. Giao diện cơ ban.............................................................................................40
4.3.1.3. Thiết lập thông số GRBL phù hợp với máy CNC...........................................40
4.3.2. Giao diện giám sát quỹ đạo hàn.........................................................................43
4.3.2.1. Giao diện giám sát hiển thị quỹ đạo hàn theo đường thẳng............................43
4.3.2.2. Giao diện giám sát hiển thị quỹ đạo hàn theo cung tròn.................................44
4.4. Kết qua chế tạo và khao nghiệm...........................................................................44
4.4.1. Kết qua chế tạo..................................................................................................44
4.4.2. Khao nghiệm.....................................................................................................45
4.4.2.1. Kết qua khao nghiệm máy gia công theo đường thẳng...................................45
4.4.2.2. Kết qua khao nghiệm máy gia công theo đường tròn......................................46
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.................................................................49
5.1. Kết luận................................................................................................................49

5.2. Đề nghị.................................................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................50
PHỤ LỤC................................................................................................................... 51

5

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Hàn thủ công và tự động..............................................................................1
Hình 2.1: Máy hàn ống ngang.....................................................................................3
Hình 2.2: Máy hàn ống đứng.......................................................................................5
Hình 2.3: Xe hàn đường thẳng.....................................................................................7
Hình 2.4: Xe hàn ống...................................................................................................8
Hình 2.5: Máy hàn đường thẳng..................................................................................9
Hình 2.6: Máy hàn CNC..............................................................................................10
Hình 2.7: rôbôt hàn......................................................................................................13
Hình 2.8: Máy hàn TIG inverter Btec MMA 200........................................................14
Hình 2.9: Máy hàn Migweld280SEF...........................................................................16
Hình 3.1: Vi điều khiển Arduino Uno R3....................................................................20
Hình 3.2: Mạch CNC Shield V3..................................................................................21
Hình 3.3: Sơ đồ kết nối driver A4988..........................................................................22
Hình 3.4: Động cơ bước Nema 17...............................................................................22
Hình 4.1: Máy hàn phôi thép tự động..........................................................................24
Hình 4.2: Cấu tạo khung máy chuyển động theo phương Y........................................25
Hình 4.3: Cấu tạo khung máy chuyển động theo phương X........................................26
Hình 4.4: Momen xoắn do khối lượng tai lên trục X...................................................27
Hình 4.5: Momen xoắn do ma sát lên trục X...............................................................28
Hình 4.6: Momen xoắn do khối lượng tai lên trục Y...................................................29
Hình 4.7: Momen xoắn do ma sát lên trục Y...............................................................29
Hình 4.8: Momen xoắn khối do lượng tai lên trục Z....................................................30

Hình 4.9: Momen xoắn do ma sát lên trục Z................................................................31
Hình 4.10: Kích thước tổng quát của tay kẹp..............................................................32
Hình 4.11: Mỏ hàn được lắp ghép với tay kẹp kẹp cố định mỏ hàn vào máy CNC.....32
Hình 4.12: Kích thước tổng quát của tay kẹp kẹp đầu mỏ hàn MIG............................33
Hình 4.13: Hình anh thực tế tay kẹp kẹp đầu mỏ hàn MIG.........................................33
Hình 4.14: Sơ đồ khối điều khiển máy hàn phôi thép tự động.....................................34
Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển mô hình máy hàn phôi thép tự động.....35
Hình 4.16: Sơ đồ điều khiển đóng mở công tắc mỏ hàn..............................................37
Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý điều khiển đóng mở công tắc mỏ hàn MIG.....................38
Hình 4.18: Kết nối từ Relay đến mỏ hàn MIG.............................................................39
Hình 4.19: Giao diện phần mềm điều khiển bCNC.....................................................41
Hình 4.20: Giao diện giám sát hiển thị quỹ đạo hàn theo đường thẳng.......................43
Hình 4.21: Giao diện giám sát hiển thị quỹ đạo hàn theo cung tròn............................44
Hình 4.22: Mô hình máy hàn tự động CNC.................................................................44
Hình 4.23: Giao tiếp giữa máy tính và máy hàn tự động CNC....................................45
Hình 4.24: Kết qua hàn giáp mí...................................................................................47
Hình 4.25: Kết qua hàn xếp chồng...............................................................................47
Hình 4.26: Kết qua hàn chữ T......................................................................................48
Hình 4.27: Kết qua hàn cung tròn................................................................................48

6

DANH MỤC BẢNG
Bang 4.1: Điều chỉnh vi bước cho động cơ (micro stepping - vi bước).......................37
Bang 4.2: Bang khao sát khi máy gia công theo đường thẳng.....................................46
Bang 4.3: Bang khao sát khi máy gia công theo cung tròn..........................................47

7

Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Hàn là một bộ phận quan trọng trong gia công cơ khí. Tỷ lệ thành phẩm trai qua
nguyên công hàn tương đối cao. Độ bền và giá trị thẩm mỹ của san phẩm phụ thuộc rất
cao vào tay nghề của người thợ. Hiện nay, ngoài những ngành công nghiệp như san
xuất ô tô, đóng tàu, và tại các xí nghiệp nhà xưởng lớn sử dụng hệ thống hàn đã được
tự động hóa với trang thiết bị được đầu tư nhập từ ngước ngoài với giá thành cao, vận
hành và bao dưỡng tương đối phức tạp, thì phần lớn các nhà xưởng có quy mô vừa,
nhỏ chủ yếu là sử dụng công nghệ hàn thủ công (hình 1.1a).
a. Hàn thủ công
b. Hàn tự động
Hình 1.1 Hàn thủ công và tự động

Mặc khác, người thợ cũng không thể làm việc liên tục để tránh tạo ra san phẩm
chất lượng kém. Như vậy, để nâng cao năng suất và chất lượng san phẩm hàn, giam
bớt chi phí thuê nhân công, đặc biệt là trong hàn phôi thép ban mã với những chi tiết
khá đơn gian như hàn đường thẳng, đường tròn, chúng ta cần phai tiến hành tự động
hóa. Máy hàn tự động (hình 1.1b) mặc dù có thể hàn đường thẳng nhưng còn hạn chế
về quỹ đạo hàn, phương thức điều khiển. Vì vậy, chế tạo một san phẩm đáp ứng được
những nhu cầu trên là vấn đề cấp thiết, để tạo điều kiện phát triển cho các nhà xưởng,

1

cũng như cung cấp san phẩm với số lượng và chất lượng cao hơn cho người dùng. Đó
cũng là lý do chúng em chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo và điều khiển máy hàn phôi tự
động”.
1.2. Mục đích của đề tài

- Mục đích của đề tài là tìm hiểu và nghiên cứu một cách có hệ thống các loại
hình máy móc, cơ cấu truyền động, hệ thống và thuật toán điều khiển có liên quan đến
hàn tự động trong và ngoài nước. Từ đó lựa chọn phương hướng phát triển mô hình
dựa trên ưu nhược điểm của các loại hình hàn tự động có sẵn.
- Mô hình máy hàn tự động có bàn gá phôi di chuyển theo 2 phương x và y so
với mỏ hàn để tạo quỹ đạo hàn, cho phép hàn các loại phôi thép ban mã với biên dạng
đường thẳng, đường tròn và các loại hình hàn giáp mối, hàn chồng mí, hàn góc, hàn
chữ T,…
- Giao diện điều khiển cho phép hiển thị quỹ đạo hàn.

2

Chương 2
TỔNG QUAN
2.1. Một số máy hàn tự động
2.1.1. Máy hàn tự động với phôi tròn quay
2.1.1.1. Máy hàn ống ngang
Đây là san phẩm được TS. Nguyễn Thanh Phương và TS. Nguyễn Văn Hiếu
thiết kế, là một hệ thống gồm ba phần: Phần cơ khí, phần điện – điện tử và phần điều
khiển. Trong đó, mỗi phần có nhiệm vụ và chức năng khác nhau. Một số bộ phận nổi
bật của máy là:

1

2

3

6

4
5

Hình 2.1 Máy hàn ống ngang
1. Hệ thống điều khiển; 2. Mâm cặp; 3. Tay kẹp súng hàn; 4. Phôi;
5. Cố định và cấp nguồn cho phôi; 6. Trục vít-me và thanh trượt.
Các nút nhấn trên bang điều khiển cho phép điều chỉnh tọa độ của mỏ hàn và
hiển thị tọa độ, đường kính, tốc độ hàn trên màn hình. Mâm cặp để cố định và quay
phôi thông qua động cơ và hệ thống truyền động, đầu còn lại của phôi được cố định
bởi bộ phận (5) (hình 2.1) để đam bao phôi không bị lệch tâm. Ngoài ra, bộ phận này
con có thể trượt trên thanh ray để linh hoạt độ dài của ống. Tay kẹp cố định mỏ hàn và

3

chỉ cho phép tịnh tiến dọc theo chiều dài ống để có thể hàn ở nhiều vị trí nhờ trục vítme và thanh trượt.
Nguyên lý hoạt động:
Sau khi gá phôi như trên (hình 2.1), ta dùng các nút nhấn trên hệ thống điều
khiển để điều chỉnh mỏ hàn đến đúng vị trí hàn. Nhấn nút bắt đầu thì động cơ dẫn
động mâm cặp sẽ quay, đồng thời mỏ hàn cũng sẽ được kích thích, quá trình hàn được
thực hiện đến khi mâm cặp quay đủ một vòng thì hai đầu của mối hàn tiếp xúc nhau,
quá trình hàn hoàn tất.
Ưu điểm:
- Mỏ hàn tịnh tiến theo phương lên xuống và phương của trục vít-me thanh
trượt (6), linh hoạt về đường kính cũng như chiều dài của ống được hàn.
- Màn hình hiển thị vị trí và tốc độ hàn, dễ dàng vận hành.
- Năng suất tăng cao, đáp ứng nhu cầu lĩnh vực hàn ống.
- Chất lượng mối hàn được tăng cao, giam chi phí giá thành san phẩm, tính an
toàn lao động cao.

- Hệ thống chân máy được thiết kế có thể điều chỉnh để phù hợp cho việc hoạt
động trên nhiều địa hình khác nhau. Có hướng thương mại hóa để đưa vào thị trường.
- Sử dụng nguồn điện xoay chiều một hoặc ba pha, phù hợp cho nhiều doanh
nghiệp.
Nhược điểm:
- Máy có thể hàn được đường ống với đường kính và kích thước chiều dài là
tương đối nhỏ.
- Chỉ có thể hàn được từng đường hàn một.
2.1.1.2. Máy hàn ống đứng
San phẩm bao gồm các bộ phận chính: bộ phận cơ khí, bộ phận điều khiển, bộ
nguồn và máy hàn bán tự động TIG. Mỗi bộ phận đam nhiệm chức năng khác nhau.
Bộ phận cơ khí gồm khung máy, giá đỡ và các bộ phận truyền động của máy.
Nhiệm vụ chủ yếu là bao vệ các mạch điện bên trong, làm giá đỡ cho các bộ phận
khác, kết hợp với bộ điều khiển để cố định và tạo chuyển động quay cho chi tiết hàn.
Bộ phận điều khiển là bang điều khiển bao gồm màng hình hiển thị, nút nhấn và
các bo mạch ở bên trong. Có chức năng cung cấp tín hiệu thông qua nút nhấn để liên
kết bộ nguồn và cơ khí để máy hoạt động. Bộ nguồn là nguồn năng lượng cung cấp
cho toàn bộ thiết bị, bao gồm động cơ, bộ điều khiển, máy hàn và máy nén khí.

4

3
2
4

76

1

66
5
Hình 2.2 Máy hàn ống đứng
1. Máy hàn TIG; 2. Xy lanh; 3. Bộ điều khiển; 4. Tay kẹp súng hàn; 5. Mâm cặp;
6. Thuẫn bao vệ và kính; 7. Chi tiết hàn.
Nguyên lý hoạt động:
Chi tiết hàn được cố định nhờ mâm cặp và xy lanh dưới áp lực của khí nén như
trên hình (hình 2.2). Điều chỉnh súng hàn đến vị trí hàn sau đó mở nguồn, cài đặt tốc
độ quay cho mâm cặp. Quá trình hàn được thực hiện theo trình tự như sau: nhấn nút
bắt đầu hàn, súng hàn sẽ đươc kích hoạt và mâm cặp sẽ quay thông qua truyền động
đến từ động cơ, tạo thành quỹ đạo hàn. Sau khi mâm cặp quay đủ một vòng thì quá
trình hàn hoàn tất, tắt kích hoạt súng hàn, dừng mâm cặp.
Ưu điểm:
- Có thể hàn được chi tiết với đường kính khác nhau, giới hạn trong phạm vi
điều chỉnh vị trí của tay kẹp.
- Màn hình hiển thị vị trí và tốc độ hàn, dễ dàng vận hành.
- Năng suất tăng cao, đáp ứng nhu cầu lĩnh vực hàn ống.
- Chất lượng mối hàn được tăng cao, giam chi phí giá thành san phẩm, tính an
toàn lao động cao.
- Sử dụng nguồn điện 110V, tính an toàn điện cao.
Nhược điểm:
- Chiều cao của phôi hạn chế bởi chiều cao của xy lanh cố định phôi.
- Chỉ có thể hàn phôi tròn với từng đường một.
2.1.2. Xe hàn tự động
2.1.2.1. Xe hàn đường thẳng
Đây là một san phẩm xe hàn tự động của hãng Huawei, cấu tạo đơn gian, kích
thước nhỏ, gọn. Phục vụ cho nhu cầu về hàn đường thẳng với chiều dài lớn. Sử dụng
5

phương thức tịnh tiến mỏ hàn dựa trên chuyển động của bánh xe để tạo ra quỹ đạo hàn
thẳng. Cho phép điều chỉnh vị trí của súng hàn thông qua các núm vặn, có hỗ trợ 2
bánh xe áp vào thành bên của đường hàn để điều chỉnh cho bánh xe luôn có xu hướng
áp sát vào, không bị chệch đường hàn.
Nguyên lý hoạt động:
Sau khi điều chỉnh mỏ hàn đến vị trí phù hợp với quỹ đạo hàn, cài đặt tốc độ
hàn và chiều dài của đường hàn rồi bật công tắc bắt đầu. Động cơ điều khiển bánh xe
đẩy sẽ hoạt động kéo theo mỏ hàn di chuyển và đồng thời mỏ hàn sẽ được kích hoạt
thực hiện quá trình hàn. Đến lúc quá hình hàn hoàn thành thì ta tắt công tắc đề dừng
lại.
Ưu điểm:
- Cấu tạo đơn gian, dễ vận hành và bao dưỡng.
- Sử dụng động cơ công suất lớn, hoạt động ổn định.
- Hiển thị tốc độ trên màn hình, dễ dàng điều chỉnh.
- Phù hợp với những đường hàn thẳng với độ dài lớn.
- Có thể ứng dụng trong ngành đóng tàu, xây cầu, san xuất kết cấu thép.
Nhược điểm:
- San phẩm chỉ có thể hàn thẳng, khi đổi phương phai cài đặt lại.
- Chỉ có thể hàn từng đường một.
- Chất lượng mối hàn phụ thuộc rất lớn vào mặt phẳng mà bánh xe hàn chạy.

1
2
4
3
5
Hình 2.3 Xe hàn đường thẳng
1. Bang điều khiển; 2. Bộ cung cấp dây; 3. Dây nguồn; 4. Kẹp mỏ hàn; 5. Thân máy.
2.1.2.2. Xe hàn ống
Đây là một san phẩm gồm 4 phần chính, bao gồm: thùng hàn, bộ phận cấp

nguồn, bộ phận điều khiển và bộ phận dẫn hướng. Thiết bị sử dụng bánh răng kết hợp
6

ray dẫn hướng bám trên thân ống để tạo quỹ đạo hàn. Tay kẹp mỏ hàn có thể điều
chỉnh cao thấp và đối với đường hàn có tiết diện lớn có thể tích hợp bộ nhún. Có màn
hình hiển thị tốc độ hàn để dễ dàng giám sát và điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu đặt
ra.
Nguyên lý hoạt động:
Điều chỉnh mỏ hàn đến vị trí cần hàn, cài đặt tốc độ rồi mở công tắc để bắt đầu
hàn. Động cơ sẽ hoạt động kéo theo bánh răng, để bánh răng bám theo thanh ray dẫn
hướng tạo ra quỹ đạo hàn, đồng thời súng hàn sẽ được kích hoạt để thực hiện quá trình
hàn. Sau khi hàn xong cần phai tắt công tắc thì quá trình hàn mới được dừng lại.
Ưu điểm:
- Có thể sử dụng để hàn các biên dạng như ống, bồn bể với kích thước lớn.
- Cấu tạo máy nhỏ gọn, phù hợp làm việc ở nhiều địa hình khác nhau, tính cơ
động cao.
- Ứng dụng trong ngành đóng tàu, hóa chất, đặc biệt là hàn đường ống dẫn dầu.
- Các thông số được hiển thị trên màn hình, dễ vận hành và bao dưỡng.
- Có thể tích hợp thêm bộ phận nhún cho tay kẹp mỏ hàn để linh hoạt cho từng
loại hình hàn khác nhau.
Nhược điểm:
- Chất lượng mối hạn phụ thuộc vào biên dạng của đường ống.
- San phẩm chỉ có thể từng đường một, phai lắp đặt lại đường ray khi hàn
đường khác.
- Yêu cầu chính xác cao về bánh răng và đường ray dẫn hướng, thường xuyên
bao dưỡng.

2

1

4

3

Hình 2.4 Xe hàn ống
1. Thanh ray dẫn hướng; 2. Hộp điều khiển; 3. Tay kẹp mỏ hàn;
7

4. Cung cấp dây và nguồn điều khiển.
2.1.3. Máy hàn đường thẳng
Máy hàn sử dụng máy nén khí và các xy lanh để điều chỉnh độ cao của mỏ hàn
và cố định chi tiết hàn. Ngoài ra còn có tắt hành trình ở 2 đầu trục vít-me.
Nguyên lý hoạt động:
Chi tiết hàn được cố định (hình 2.5), nhấn nút khởi động, dùng một sợi dây dẫn
chạm vào đầu súng hàn và phôi, sau đó lấy dây ra để tạo hồ quang trong quá trình hàn.
Đồng thời động cơ sẽ hoạt động, truyền động qua trục vít kéo theo súng hàn di chuyển.
Đến khi chạm vào công tắc hành trình bên kia thì ngắt tín hiệu hàn, động cơ xoay
ngược lại để súng hàn quay về vị trí bắt đầu hàn. Đến khi chạm công tắc hành trình (4)
thì súng hàn được kéo lên, động cơ ngừng lại.
Ưu điểm:
- Cấu tạo đơn gian, dễ dàng vận hành và sửa chữa.
- Năng suất cao, đáp ứng nhu cầu lĩnh vực hàn phôi ban mã biên dạng thẳng.
- Chất lượng mối hàn được tăng cao, giam chi phí giá thành san phẩm.
Nhược điểm:
- Còn hạn chế về điều khiển, phai dùng dây dẫn để tạo kích thích trước khi hàn.
- Độ cao súng hàn cố định bởi kích thước của xy lanh.
- Chiều dài quỹ đạo hàn phụ thuộc vào vị trí đặt công tắc hành trình.

2

1

3
4

6

5

Hình 2.5 Máy hàn đường thẳng
1. Động cơ; 2. Máy hàn TIG; 3. Trục vit; 4. Công tắc hành trình; 5. Kẹp súng hàn;
6. Cố định chi tiết hàn.
2.1.4. Máy hàn ứng dụng công nghệ CNC
Xuất phát từ nhu cầu tự động hóa trong lĩnh vực hàn cơ khí và ứng dụng kết
qua nghiên cứu từ đề tài “Thiết kế và chế tạo máy cắt plasma CNC”, trung tâm Nghiên
cứu và ứng dụng công nghệ - Đại học Cần Thơ đã cai tiến máy cắt plasma CNC cho
quá trình hàn các chi tiết lắp ghép hàn loạt.
8

Cấu tạo cơ ban của hệ thống bao gồm: phần cơ khí, phần điều khiển, nguồn và
một máy hàn bán tự động MIG.
Thành phần cơ khí là một bàn máy CNC dùng để di chuyển chính xác súng hàn
trong không gian ba chiều của vùng giới hạn định trước bởi chiều dài các trục vít-me,
các thanh trượt nhờ động cơ bước. Thành phần điều khiển gồm một máy tính PC cài
phần mềm gia công CNC Mach3 và mạch điều khiển. Khi thực hiện một chi tiết nào
đó, người dùng chỉ cần nạp ban vẽ của chi tiết, chỉ ra đường hàn ghép, chương trình sẽ
tạo ra mã dưới dạng Gcode. Chương trình gia công Mach3 sẽ đọc các lệnh Gcode và

điều khiển các động cơ bước di chuyển mỏ hàn chính xác đến tọa độ các mối hàn định
trước và quá trình hàn được thực hiện.

4

5

3

1
2
Hình 2.6 Máy hàn CNC
1. Động cơ; 2. Kẹp súng hàn; 3. Thanh trượt; 4. Máy tính PC; 5. Máy hàn bán tự động.
Nguyên lý hoạt động:
Hoạt động của máy được điều khiển trực tiếp từ máy tính thông qua phần mềm
lập trình trước đó. Tín hiệu điều khiển được gửi từ máy tính sang mạch điều khiển để
điều khiển động cơ của các trục X, Y để điều chỉnh độ cao của súng hàn và tạo quỹ
đạo hàn cho từng chi tiết khác nhau. Cơ cấu truyền động thông qua động cơ, vít-me và
rãnh trượt dẫn hướng.
Ưu điểm:
- Nâng cao năng suất, ổn định chất lượng và hiệu qua công việc cao so với hàn
thủ công.
- Kết cấu đơn gian, dễ vận hành, bao dưỡng, giá thành hợp lý, có thể áp dụng
cho nhiều cơ sở cơ khí.
9

- Có thể lập trình để hàn được nhiều vị trí khác nhau mà không cần phai gá lại
phôi.
- Tính an toàn lao động cao.

- Chỉ cần nạp ban cần nạp ban vẽ và chỉ ra đường hàn là được, dễ sử dụng.
Nhược điểm:
- Chưa hàn được phôi theo phương Z.
- Kích thước tối đa của chi tiết phụ thuộc và độ lớn của khung máy, chiều dài
của trục vít-me, thanh trượt.
- Không thể điều chỉnh các thông số trong quá trình hàn.
- Phai sử dụng máy tính PC trong quá trình làm việc.
- Hạn chế đối với các chi tiết có biên dạng tròn, vuông,… các chi tiết ghép
chồng lên nhau.
2.1.5. rôbôt hàn tự động
rôbôt hàn là một hệ thống cơ – điện tử gồm các bộ phận chính: cánh tay rôbôt,
máy hàn bán tự động, súng hàn, bộ làm sạch súng hàn, bộ cấp điện cực, đồ gá hàn và
tay hàn, bộ định tâm, bộ cấp dây. Trong đó mỗi bộ phận có chức năng và nhiệm vụ
khác nhau.
Cánh tay rôbôt được sử dụng nhiều do nó cho phép súng hàn chuyển động như
cách con người thao tác. Thường các rô hàn có 5,6 bậc tự do, lập trình được. Súng hàn
dùng để tiếp điện cực đến mối hàn, truyền dòng điện hàn vào điện cực và tạo ra môi
trường bao vệ xung quanh mối hàn. Đối với quá trình hàn dùng điện cực nóng chay,
dòng hàn được truyền đến điện cực khi nó chuyển động qua súng.
Bộ cấp dây dùng để bổ sung kim loại điền đầy trong quá trình hàn tự động.
Điều này cho phép linh hoạt trong việc thiết lập tốc độ cấp dây khác nhau để phù hợp
với yêu cầu cụ thể của từng dây chuyền.
Định vị và gá cố định vật hàn: để nối các vật hàn, mỗi vật hàn phai được căn
chỉnh chính xác và gá chắc chắn tại chỗ trong quá trình hàn. Bộ phận này phai thao tác
nhanh và dễ dàng, giữ chắc chắn vật hàn cho tới khi chúng dính vào nhau và cho phép
súng hàn tự do tiếp cận mối hàn. Các điều khiển định vị rôbôt phai tương thích và tuân
thủ theo bộ điều khiển rôbôt trung tâm để đạt được chuyển động phối hợp tức thì của
nhiều trục trong khi hàn.
Để làm việc chính xác và tin cậy, súng hàn phai được làm sạch liên tục thông
qua bộ làm sạch. Chất tách vẩy hàn được phun vào mũi súng hàn. Ngoài ra, mũi súng

còn được chà sát để loại bỏ vẩy hàn bám vào và cắt dây hàn.
Bộ định tâm: cam biến cuối tay và quá trình căn chỉnh trọng tâm là những yếu
tố cơ ban để thực hiện thành công quá trình hàn tự động. Cam biến cuối tay dùng để
10

phát hiện vị trí thực tế của cạnh vật hàn so với khung rôbôt, từ đó tính ra chính xác
trọng tâm công cụ so với vật hàn.
Nguyên lý hoạt động:
Rôbôt hoạt động dựa trên tín hiệu điều khiển từ CPU để điều khiển hoạt động
của động cơ mỗi trục, đam bao tâm súng hàn di chuyển đúng với quỹ đạo đã được lập
trình từ trước. Vị trí tâm súng hàn được xác định thông qua các phương trình tính toán,
ngôn ngữ và phần mềm lập trình điều khiển.
Ưu điểm:
- Nâng suất được nâng cao, một rôbôt có thể hàn nhanh hơn so với một con
người vì đèn hàn luôn nằm theo hướng tối ưu hóa và di chuyển càng nhanh càng tốt.
- Mối hàn sạch, đẹp do đó tiết kiệm thời gian và chi phí cho các thao tác đầu ra
khác.
- Chất lượng nhất quán, san phẩm hàn không xuất hiện nguy cơ biến dạng do
rôbôt làm việc không biết mệt mỏi.
- Việc sử dụng các chất nóng chay, khí hàn, kim loại độn sẽ được giam thiểu,
giam chi phí trong quá trình san xuất.
- Ứng dụng tốt trong các ngành công nghiệp đóng tàu, san xuất ô tô…
Nhược điểm:
- Giá thành cao, chỉ thích hợp đầu tư cho các ngành kinh tế trọng điểm.
- Hạn chế bởi không gian làm việc của rôbôt, kích cỡ của tay máy…
- Cần nhân công được đào tạo chuyên sâu để giám sát hệ thống hoạt động.
- Cần chuyên gia để tiến hành bao trì, sửa chữa.

11

4
1

2

3

Hình 2.7 rôbôt hàn
1. Cánh tay rôbôt; 2. Thùng hàn; 3. Súng hàn; 4. Bộ cung cấp dây.
2.2. Tìm hiểu về máy hàn bán tự động
2.2.1. Máy hàn TIG
Máy hàn TIG (Tungsten inert gas) là máy hàn dùng điện cực tungsten không
nóng chay. Điện cực này chỉ dùng để duy trì hồ quang, tạo nhiệt lượng để làm nóng
chay vật liệu hàn và que hàn rời ngoài. Toàn bộ mối hàn, tia hồ quang, điện cực hàn và
vật liệu hàn được phủ bởi một lớp khí trơ thường là argon hay helium. Dây hàn do đó
phai kẹp chung với ống thổi khí, nối với bình khí trơ. Do dùng môi trường khí trơ nên
kim loại không bị oxi hóa, do đó không cần dùng thuốc hàn.
Máy hàn TIG có ca loại một chiều và xoay chiều. Các máy hàn được thiết kế
riêng cho từng mục đích khác nhau phụ thuộc vào vật liệu hàn và đặc tính hồ quang
cần có.
Dòng một chiều: dòng một chiều sẽ có hai kiểu đấu dây là phân cực thuận và
phân cực nghịch (theo như quy ước trong hàn hồ quang). Tuy nhiên, trong hàn TIG
chủ yếu là dùng phương pháp phân cực thuận. Phân cực thuận là tạo hồ quang ổn định
hơn, chiều sâu thấu tốt hơn so với phân cực nghịch dẫn tới mối hàn ít bị ứng suất và
biến dạng hơn, ít khi dùng trong hàn TIG do kiểu đấu dây này có nhược điểm là hồ
quang không ổn định, chiều sâu thấu kém và chóng mòn điện cực. Ưu điểm duy nhất
12

của phương pháp này là tác động làm sạch lớp oxit trên bề mặt vật liệu, có tác dụng tốt
khi hàn các kim loại dễ bị oxy hóa như nhôm và magie. Tuy nhiên hầu hết các kim loại
khác đều không cần.

Hình 2.8 Máy hàn TIG inverter Btec MMA 200
Dòng xoay chiều: Là sự kết hợp của ca phân cực thuận và phân cực nghịch. Do
đó khi ở vào nửa chu kì phân cực nghịch, nó cũng có tác dụng tẩy bỏ lớp oxit trên bề
mặt. Vì thế khi hàn các kim loại như nhôm, magie và đồng thanh berili. Thường ưu
tiên sử dụng dòng AC hơn là dòng DC phân cực nghịch. Với các kim loại này, việc tẩy
bỏ oxit bề mặt đóng vai trò rất quan trọng để có thể thu được các mối hàn đẹp và sạch.
Các máy hàn DC thường sử dụng một dòng cao tần để gây hồ quang ban đầu
(gọi là bổ sung cao tần), còn đối với máy hàn AC thì dòng cao tần này được duy trì
liên tục. Các máy hàn TIG thông thường đều hoạt động trong phạm vi dòng điện từ 3A
đến 350A, với điện áp từ 10V đến 35V và hệ số tai là 60%. Các máy hàn cao tần có thể
sử dụng với các nguồn điện AC và DC thông thường. Nguồn AC phai có điện áp
không tai tối thiều là 75V.
Ứng dụng của máy hàn TIG: Chủ yếu dùng để hàn nhôm, hợp kim nhôm,
magie, đồng, thép không gỉ, thép hợp kim, gang...
2.2.2. Máy hàn MIG/MAG
Hàn MIG là phương pháp hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bao vệ,
điện cực chính là dây hàn nóng chay, được cấp tự động vào vật hàn, môi trường là khí
trơ argon hoặc heli. Hàn Mig có tên gọi là Metal inert gas Mig.
Ứng dụng: máy hàn MIG dùng để hàn thép hợp kim cao: Al, Ni, Cu...
13

Hàn MAG hay còn gọi là hàn bán tự động bằng điện cực nóng chay trong môi
trường khí hoạt tính bao vệ là CO 2. CO2 khi hàn sẽ bị đốt nóng và tạo ra khí CO không
hòa tan trong kim loại (thép kết cấu) lỏng đặc biệt khi ở nhiệt độ cao nó dãn nở và di

chuyển với tốc độ cao có tác dụng bao vệ vùng hàn nóng chay.
Úng dụng:máy hàn MAG dùng để hàn các loại thép kết cấu có hàm lượng
cacbon thấp và trung bình. Ngoài ra với kết cấu có chiều dày lớn có thể còn dùng khí
trộn (oxy, argon...).
Hàn MIG - MAG sử dụng hồ quang được thiết lập giữa dây điện cực nóng chay
và được cấp tự động vào chi tiết hàn. Hồ quang này sẽ được bao vệ bằng dòng khí trơ
hoặc khí có tính khử. Sự cháy của hồ quang được duy trì nhờ các hiệu chỉnh đặc tính
điện của hồ quang. Chiều dài hồ quang và cường độ dòng điện hàn được duy trì tự
động trong khi tốc độ hàn và góc điện cực được duy trì bởi thợ hàn.
Máy hàn MIG vẫn có thể dùng để hàn MAG và ngược lại. Các máy hàn hiện
đại có đường đặc tính V-A điều khiển điện tử sẽ được gọi là máy hàn MIG/MAG, còn
máy hàn mà chỉ ghi là hàn MIG hoặc MAG thì máy đó có đường đặc tính V-A không
đổi và tương thích với hàn MIG hoặc MAG hơn, nhưng không có nghĩa là không
tương thích cho trường hợp còn lại.
Vậy nên mới có chuyện dùng khí CO 2 làm khí bao vệ trong trường hợp trên.
Máy vẫn sử dụng bình thường, không có vấn đề gì ca. Trong trường hợp này sẽ gọi là
hàn MAG chứ không gọi là hàn MIG nữa (phân loại các phương pháp hàn theo loại
khí bao vệ).
Ưu điểm của phương pháp hàn MIG/MAG:
- Năng lượng hàn thấp, ít biến dạng nhiệt.
- Hàn được hầu hết các kim loại.
- Dễ tự động hóa.
- Có thể thực hiện mối hàn dài mà không bị ngắt quãng.
- Giá thành thấp, năng suất cao.
- Yêu cầu kỹ năng hàn thấp.

14

Hình 2.9 Máy hàn MIGWELD280SEF

Thông số kỹ thuật:
- Nguồn cung cấp: 3f, 50Hz
- Điện thế: 380V
- Dòng hàn: 40A - 280A
- Chu kỳ làm việc: 100% (190A/23.5V)
- Cỡ dây kim loại đắp: 0,6 – 1,2 f mm
- Tốc độ cấp dây: 1 - 17 m/phút.
- Kích thước (mm): 954 x 510 x 838.
- Trọng lượng: 125 Kg (bao gồm bộ cấp dây).
2.3. Đề xuất nhiệm vụ của đề tài
Từ những thông tin trên chúng ta có thể thấy được nhu cầu tự động hóa trong
lĩnh vực hàn là rất cần thiết. Điều này không chỉ nâng cao năng suất, chất lượng san
phẩm, còn giam chi phí, tiết kiệm nguyên liệu trong quá trình san xuất. Tính an toàn
lao động cũng được đam bao. Các hệ thống hàn tự động hầu như có thể thay thế người
thợ, và có năng suất cũng như chất lượng cao hơn con người. Nhưng cần phai lưu ý
một vấn đề hết sức quan trọng là đối với những loại hình san phẩm như thế nào thì mới
có thể hàn tự động được và đạt được lợi ích lớn nhất trong quá trình tự động hóa. Sử
dụng rôbôt hàn để hàn những chi tiết lắp ghép với biên dạng hàn đơn gian như đường
thẳng, đường tròn cho chân bàn, chân ghế, khung cửa… là một điều không thiết thực.
15

Một rôbôt hàn có thể làm nhiều và tốt hơn trong cách ngành công nghiệp nặng như
đóng tàu, ô tô… Như vậy, chúng ta cần phai cân nhắc và tìm hiểu thấu đáo để lựa chọn
loại hình hệ thống hàn tự động phù hợp với yêu cầu của nhà xưởng, doanh nghiệp của
mình, cũng như lựa chọn những chi tiết phù hợp để đưa vào tự động hóa.
Đối với vấn đề hàn phôi thép tự động với yêu cầu hàn được biên dạng đường
thẳng, đường tròn, chúng em quyết định lựa chọn áp dụng hệ thống hàn tự động dựa
trên nguyên lý CNC. Bởi vì mô hình máy CNC có kết cấu đơn gian, dễ vận hành và
được phổ biến rộng rãi. Quan trọng là hệ thống hàn tự động này đáp ứng được yêu cầu

của đề tài.

16

Chương 3
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Nội dung thực hiện
- Thời gian thực hiện đề tài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2018.
- Tìm hiểu hoạt động của máy hàn bán tự động, mỏ hàn và các thông số kỹ
thuật trong quá trình hàn.
- Tính toán thiết kế các chi tiết của máy trực tiếp trên phần mềm thiết kế 3D
Solidworks, xuất ban vẽ từng chi tiết, đồng thời đam bao kha năng chống va đập, mối
nối rắn chắc, đạt yêu cầu kỹ thuật đặt ra.
- Chế tạo các chi tiết máy, đo đạt kiểm tra sơ bộ về biên dạng của các chi tiết.
- Lắp ráp các chi tiết máy, kiểm tra tình trạng hoạt động thực tế của máy.
- Tìm hiểu về máy hàn bán tự động Migweld280SEF và những yêu cầu kỹ thuật
trong quá trình hàn.
- Tìm hiểu về giai thuật điều khiển cho mô hình hàn tự động.
- Thiết kế, lựa chọn mạch điều khiển, và lựa chọn ứng dụng phần mềm hỗ trợ
điều khiển cho các trục của mô hình.
- Tiến hành chạy thử nghiệm hoạt động của mô hình hàn tự động không tai.
- Khao sát nguyên lý hoạt động súng hàn của máy hàn từ đó thiết kế bộ phận
điều khiển cho súng hàn.
- Vận hành, khao nghiệm hoạt động của mô hình hàn tự động, lập bang số liệu
để đánh giá kết qua đạt được.
3.2. Phương pháp và phương tiện nghiên cứu
3.2.1.Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực hiện
3.2.1.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Tìm hiểu các tài liệu luận văn tốt nghiệp trên thư viện trường Đại học Nông

Lâm Thành phố Hồ Chí Minh.
- Đọc sách báo liên quan đến thiết kế, chế tạo và điều khiển mô hình CNC trong
và ngoài nước.

17

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY HÀN PHÔI TỰ ĐỘNG

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về