Nghiên cứu thiết kế đồ gá hàn dầm tải trọng lớn dùng cho robot hàn hồ quang

Các ñặc ñiểm công nghệ và tính chất làm việc của ñồ gá hàn Các sản phẩm trong chế tạo bằng hàn thường có khối lượng lớn và kết cấu phức tạp.. Ngoài ra, ñồ gá còn phải thay ñổi vị trí của

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học nông nghiệp I

Nguyễn trọng thông

Nghiên cứu thiết kế đồ gá hàn dầm tải trọng

lớn dùng cho robot hàn hồ quang

Lời cam ñoan

Tôi xin cam ñoan các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực, trích dẫn có ñịa chỉ rõ ràng và chưa từng ñược công bố trong bất kỳ ñề tài nào

Ngày 10 tháng 12 năm 2007

Người cam ñoan

Nguyễn Trọng Thông

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của TS.Bùi Văn Hạnh - BM Hàn & CNKL - Trường ðại học Bách khoa Hà nội, các thầy cô giáo khoa Cơ ñiện - Trường ðại học Nông nghiệp I Hà nội, ñã tạo ñiều kiện cung cấp tài liệu cũng như kiến thức chuyên ngành, làm cho công việc hoàn thành luận văn tốt nghiệp có nhiều thuận lợi và thu ñược những thành quả nhất ñịnh Do trong quá trình làm luận tốt nghiệp, tài liệu tham khảo con hạn chế, cộng với kiến thức chuyên môn còn chưa chuyên sâu, khả năng ñặt vấn

ñề chưa cao nên không thể tránh khỏi những thiếu sót còn mắc phải Vậy kính mong ñược sự ñóng góp ý kiến của các thầy giáo, cùng toàn thể các bạn ñồng nghiệp, ñể bản luận này có tính thực tiễn cao hơn

Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2007

Tác giả

Nguyễn Trọng Thông

LỜI NÓI ðẦU

Cùng với nhu cầu ngày càng cao của con người, nền khoa học kỹ thuật

ñã và ñang có sự phát triển với tốc ñộ mạnh mẽ Ngày càng có nhiều sản phẩm mới ñược tạo ra với ñòi hỏi chất lượng và yêu cầu kỹ thuật cao

Hoà nhập cùng không khí ñó nghành hàn cũng ñã và ñang có nhiều bước tiến mạnh mẽ, ngày càng sản sinh ra các sản phẩm có chất lượng cao mang tính kỹ thuật cao ñáp ứng nhu cầu của khoa học kỹ thuật nhằm khẳng ñịnh vai trò to lớn trong nền sản xuất hiện ñại Vị thế của ngành hàn ngày càng ñược nâng cao, ñóng một vị trí quan trọng trong các khối ngành sản xuất

cơ khí

ðể ñạt ñược nhiều thành tựu mới, ngành hàn ñã không ngừng ñược nghiên cứu và luôn có sự ñầu tư ñáng kể Xu thế tự ñộng hoá và sản xuất ra các mặt hàng chất lượng cao ngày càng ñược quan tâm ñúng mức

Số lượng robot tham gia vào quá trình sản xuất ngày càng nhiều nhằm nâng cao chất lượng cũng như sản lượng sản phẩm hàn

Song hiện nay ñối với nước ta, ñể tạo ñiều kiện thuận lợi nhất ñể có thể ñầu tư nhiều hơn nữa sự tham gia của robot vào sản xuất hàn còn nhiều vấn ñề cần quan tâm nghiên cứu Vì trong hệ thống robot hàn: Robot - nguồn hàn - ðồ gá thì yếu tố ñồ gá không những chỉ nước ta mà hầu hết các nước có nền sản xuất bằng hàn phát triển cũng ñặc biệt quan tâm Vì ñồ gá luôn phải thay ñổi theo từng loại sản phẩm cần chế tạo còn robot và nguồn hàn thì có thể sử dụng mang tính “thay thế” ñược

Mặt khác, ngày càng có nhiều sản phẩm có yêu cầu kỹ thuật cao và mức ñộ phức tạp mà người thợ mặc dù có tay nghề cao cũng không thể hoặc

thực hiện với mức hạn chế mà chỉ hệ thống robot hàn mới thực hiện ñạt kết quả cao

Tuy nhiên ñể ñạt ñược ñiều ñó vấn ñề nghiên cứu và chế tạo các ñồ gá cho robot là thực sự cần thiết hiện nay

Bên cạnh ñó, phát triển của công nghệ thông tin thì công nghệ thiết kế

ñã chuyển hẳn sang một giai ñoạn mới, chính xác hóa và tự ñộng hóa Kèm theo ñó, các tiêu chuẩn thiết kế và thi công của các nước trên thế giới cũng ñồng loạt thay ñổi ñể phù hợp với công nghệ thiết kế và thi công hiện ñại

Các phần mềm mô phỏng ñược phát triển và ứng dụng sâu rộng nhằm giảm ñược thời gian tính toán cho người thiết kế, ñồng thời có thể thẩm ñịnh, khảo sát kết quả một cách nhanh chóng nhờ mô phỏng trên máy tính thay cho việc chế tạo hay vận hành thử hết sức tốn kém

Trong số ñó, phần mềm ANSYS là một phần mềm dựa trên phân tích bằng phần tử hữu hạn, mô phỏng các ứng xử của hệ vật lý khi chịu tác ñộng của các loại tải trọng khác nhau Phần mềm ANSYS có thể ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau như: cơ khí, vũ trụ, hàng không, xây dựng, cầu ñường với các dạng mô phỏng khác nhau như: kết cấu, ñiện từ, nhiệt, dòng chảy, v.v

Trên tinh thần ñó tác giả ñược giao nhiệm vụ:

“ Nghiên cứu, thiết kế ñồ gá hàn tải trọng lớn dùng cho robot hàn

hồ quang”

ðồ án ñược trình bày trong những chương sau:

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Tính toán ứng suất và biến dạng khi hàn dầm có tiết diện ngang thay ñổi và lựa chọn phương án thiết kế

Chương 3: Tính toán và thiết kế ñồ gá hàn dầm Chương 4: Thiết kế hệ thống ñiều khiển

Chương 5: Kết luận và kiến nghị Luận văn ựược hoàn thành với sự cố gắng của bản thân và sự giúp ựỡ, chỉ bảo tận tình của TS.Bùi Văn Hạnh Bộ môn Hàn và Công nghệ kim loại - Trường đại học Bách khoa Ờ Hà nội cùng các thầy cô trong khoa Cơ ựiện Trường đại học Nông nghiệp I Ờ Hà nội làm cho công việc của tôi tiến triển thuận lợi và ựạt ựược kết quả nhất ựịnh

Song do sự hạn chế về trình ựộ, chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực tế của bản thân nên không thể tránh khỏi sai sót Rất mong ựược sự góp

ý, chỉ bảo của các thầy, cô giáo và các bạn ựồng nghiệp ựể luận văn ựạt kết quả cao hơn

Qua ựây, tác giả xin chân thành cảm ơn TS Bùi Văn Hạnh, ThS Vũ đình Toại - Bộ môn hàn & CNKL Trường đại học Bách khoa Hà nội, cũng như toàn thể các thầy, cô giáo trong Khoa Cơ ựiện -Trường ựại học Nông nghiệp I - HN

Hà Nội, ngày 10 tháng 12 năm 2007

Người thực hiện

NguyÔn Trọng Thông

Danh mục các ký hiệu

qñ (cal/s) Năng lượng ñường

Chương I: TỔNG QUAN 1.1/Tổng quan về các loại ựồ gá hàn

Trong nền sản xuất cơ khắ, sản lượng sản xuất bằng hàn hoặc liên quan ựến hàn chiếm 1 tỷ trọng rất lớn Hàn ựã và ựang ựóng vai trò quan trọng trong ngành sản xuất cơ khắ Một số ngành, hàn

có thể nói là không thể thiếu vì nó

chiếm tới 90% sản lượng Vắ dụ:

đóng tàu, Ôtô,ẦVà theo sự phát

triển của khoa học kỹ thuật, ngành

hàn ựã và ựang phát triển rất mạnh

mẽ Các phương pháp hàn mới, các

thiết bị hàn mới ngày càng hiện ựại,

ựem lại cho nền sản xuất cơ khắ

những sản lượng khổng lồ với chất

lượng ngày càng ựược nâng cao

đồng thời giảm rất ựáng kể sức lao ựộng cho con người thậm chắ không cần tham gia trực tiếp VD: Tại một số nước có nền công nghiệp ôtô hiện ựại, các nhà máy

sản xuất ôtô có những dây chuyền không có con người làm việc

để có ựược sản phẩm ựật yêu cầu

kỹ thuật, trong sản xuất cơ khắ ựồ gá ựóng vai trò quan trọng đồ gá giúp cho quá trình gia công ựược thuận tiện, giúp các thiết bị máy móc làm việc linh hoạt và chắnh xác Cũng như vậy, ựồ

gá hàn ựã ựược hình thành ngay từ khi ngành hàn ra ựời Nó ựã cùng với các

Hừnh 1.1 Hỷ thèng robot hộn trong CN sờn xuÊt ềtề

Hừnh 1.2 Hỷ thèng robot

hộn trong sờn xuÊt cể khÝ

loại mỏy hàn làm nờn những sản phẩm ủạt chất lượng cao cả về kỹ thuật cũng như kinh tế và giỏ thành Từ cỏc chi tiết hay kết cấu ủơn giản ủến cỏc kết cấu phức tạp ủều cú cỏc dạng ủồ gỏ khỏc nhau tham gia Và theo sự phỏt triển của cỏc mỏy múc, cỏc phương phỏp hàn, ủồ gỏ hàn cũng ngày càng phỏt triển, phong phỳ Ứng với từng loại, dạng của kết cấu hay thiết bị hàn, ủồ gỏ hàn cú rất nhiều loại, dạng khỏc nhau, từ ủồ gỏ ủơn chiếc dựng cho sản xuất nhỏ lẻ ủến ủồ gỏ dựng cho sản xuất hàng loạt, sản xuất dõy chuyền ðồ gỏ và hệ thống ủồ gỏ ủó trở thành vấn ủề quan tõm nhất trong cỏc ngành sản xuất bằng hàn

ðồ gỏ hàn, ngoài tỏc dụng ủể kẹp chặt

và ủịnh vị chi tiết gia cụng, nú cũn cú nhiệm

vụ: Giảm tối ủa ứng suất và biến dạng trong

hàn

ðồ gỏ hàn rất phong phỳ và ủa dạng

Nú ủược sử dụng tuỳ theo loại hỡnh, quy mụ

sản xuất, từng phương phỏp hàn khỏc nhau

Cú khi chỉ là thanh chống thông thường khi

hàn các sản phẩm nhỏ lẻ và đơn chiếc, có

khi là cả một tổ hợp đồ gá khi dùng cho sản

xuất hàng loạt và mang tính chuyên dùng

Nghiên cứu và chế tạo đồ gá hàn đ/ và đang trở nên cực kỳ quan trọng trong nền sản xuất cơ khí hàn hiện nay Bởi vì đồ gá là 1 trong 3 bộ phận chính trong hệ thống hàn: Nguồn hàn – Máy hàn - Đồ gá Để hệ thống hàn làm việc thực sự hiệu quả thì 3 bộ phận trên phải luôn được đảm bảo tính đồng bộ cao

Ngày nay, trên thế giới xuất hiện rất nhiều máy hàn hiện đại Nguồn hàn là vấn

đề dễ dàng được xử lý, còn đồ gá hàn là vấn đề rất phức tạp đối với hầu hết các tập

đoàn cũng như các công ty sản xuất thiết bị Bởi vì: không những nó luôn phong phú cùng với các loại máy hàn nhưng quan nhưng quan trọng hơn, nó càng đa dạng hơn

Hình 1.3 Robot và đồ gá

chuyên dùng

vì càng ngày càng có những sản phẩm mới phức tạp của yêu cầu phát triển đồng thời

xu thế x/ hội ngày càng quan tâm tới việc giảm thiểu sự can thiệp trực tiếp sức lao

động của con người vào quá trình sản xuất

Tuy nhiên vấn đề quan trọng hơn của đồ gá trong quá trình hàn là: với số lượng không nhỏ chi tiết, kết cầu hàn mà chỉ với người thợ đơn thuần không thực hiện

được hoặc thực hiện với kết quả không cao hoặc mức độ đạt yêu cầu là hạn chế Những trường hợp đó hệ thống hàn đồng bộ sẽ giải quyết được triệt để Đặc biệt trong hàn tự động và bán tự động thì đồ gá thực sự cần thiết được nghiên cứu và chế tạo với yêu cầu cao về tính đồng bộ với cả hệ thống Nó mang tính chuyên dùng và chỉ đạt hiệu quả cao khi sản xuất hàng loạt

Trong hàn, ủồ gỏ cú thể phõn loai như sau:

* Phõn theo quy mụ sản xuất:

- ðồ gỏ ủơn chiếc: Cỏc dạng ủồ gỏ dựng ủể sản xuất cỏc mặt hàng mang tớnh ủơn chiếc Loại ủồ gỏ này là khụng cố ủịnh về thiết kế, chỳng cú thể thay ủổi tuỳ theo sự thay ủổi của mặt hàng sản xuất Vớ dụ: Khi tổ hợp dầm hàn, người ta dựng

ủồ gỏ là cỏc thanh vật liệu thừa với kớch thước ủủ lớn rồi gỏ vào bản bụng và bản cỏnh của dầm ðồ gỏ dạng này chỉ ủảm bảo ủược 2 yếu tố: ðịnh vị và chống biến dạng

- ðồ gỏ chuyờn dựng: Dạng ủồ gỏ dựng cho sản suất mang tớnh hàng loạt Loại

ủồ gỏ này ủược thiết kế cú sự ổn ủịnh cao, hầu như khụng cú sự thay ủổi về cấu tạo cũng như hỡnh dỏng ðồng thời nú ủược chế tạo với hỡnh thức hệ thống, cú nghĩa là thường tạo thành dõy chuyền Vớ dụ: ðồ gỏ dựng cho sản xuất ụtụ, xe mỏy,…

* Phõn theo khả năng tự làm việc:

- ðồ gỏ ủiều khiển thủ cụng: Cỏc dạng ủồ gỏ chỉ làm việc khi cú sự trực tiếp ủiều khiển của con người Mỗi bước làm việc, mỗi di chuyển của ủồ gỏ là mỗi lần

con người thực hiện Loại ựồ gá này mang tắnh thô sơ và sử dụng ựể chế tạo các kết cầu hàn có yêu cầu kỹ thuật không cao và tắnh phức tạp không cao

- đồ gá tự ựộng và bán tự ựộng: đây là loại ựồ gá ựang ựược phát triển mạnh

và ngày càng ựược sử dụng rộng rãi Bởi nó ựược kết hợp ựiều khiển hoạt ựộng bằng ựiện, ựiện tử và thuỷ lực, khắ nén Do không những không ựòi hỏi sự can thiệp thường xuyên của con người trong quá trình làm việc mà nó còn mang ựến sự chắnh xác cao cho kết cấu hàn đặc biệt với kết cấu có hình dạng phức tạp ựòi hỏi thực hiện hàn ở các vị trắ mà người thợ khó thực hiện ựược thì ựồ gá tự ựộng kết hợp với mày hàn tự ựộng sẽ là giải pháp tốt nhất ựể sản xuất

Mặt khác, ựồ gá tự ựộng mang lại hiệu quả vô cùng cao cả về sản lượng cũng như chất lượng Song ựồ gá tự

ựộng và bán tự ựộng có cấu tạo

phức tạp mà không chỉ chủ

ựộng mà thực hiện ựược Thậm

chắ có loại ựồ gá rất khó chế

tạo Ngay nước ta, con có rất

nhiều ựồ gá chưa tự sản xuất

ựược mà hoàn toàn phải nhập

từ nước ngoài Do ựó có khi ựồ

gá lại yêu cầu kinh phắ cao hơn

nhiều so với thiết bị hàn

đây chắnh là vấn ựề mà ngành hàn hiện nay cực kỳ quan tâm đã có rất nhiều

ựề tài, dự án thiết kế chế tạo ựồ gá tự ựộng và bán tự ựộng dùng cho robot hàn Chỉ

có vậy mới có ựược sản phẩm chất lượng cao và phát huy tối ựa khả năng làm việc của robot

Hừnh 1.4 Robot hộn trong CN ềtề

1.2 Các ñặc ñiểm công nghệ và tính chất làm việc của ñồ gá hàn

Các sản phẩm trong chế tạo bằng hàn thường có khối lượng lớn và kết cấu phức tạp Do ñó ñồ gá hàn phải có kết cấu ñủ lớn và cứng vững nghĩa là phải chịu ñược hoàn toàn tải trọng của kết cấu gia công khi gá hàn

Mặt khác, hàn là dạng gia công có biến dạng về hình dáng rất lớn Bản thân lực gây ra biến dạng có cường ñộ rất cao Trong khi hàn và sau khi hàn, chi tiết hay kết cấu thường bị biến dạng ngoài

ý muốn Do ñó ñồ gá hàn phải có

kết cấu ñủ bền ñể thắng hoàn toàn

lực biến dạng gây ra Với mỗi loại

chi tiết, kết cấu khác nhau thì vật

liệu chế tạo là khác nhau, về kích

thước cũng như chủng loại vật

liệu Với mỗi loại vật liệu như vậy

thì lực biến dạng cũng khác nhau

hoàn toàn Do ñó, ñồ gá làm việc

trong ñiều kiện nào thì sẽ có yêu

cầu cụ thể cho trường hợp ñó

Hàn cũng là một phương

pháp công, do ñó khi hàn rất cần ñến tính chính xác của sản phẩm hay nói cách khác

là sản phẩm hàn phải ñạt ñược ñộ sai lệch cho phép ðồ gá có tác dụng rất lớn ñến vấn ñề này ðồ gá phải làm việc chính xác và liên hoàn cùng với máy hàn Khi ñồng

bộ giữa máy hàn và ñồ gá, không những ñảm bảo tính chính xác cho sản phẩm mà còn nâng cao tuổi thọ cho thiết bị

ðồ gá cũng phải thay ñổi theo vật liệu chế tạo sản phẩm và phương pháp hàn

sử dụng ðặc biệt trong các dây chuyền sản xuất hiện ñại và mang tính liên tục, ñồ

H×nh 1.5 R«bèt sö dông trong ngµnh c¬ khÝ hµn

gá hàn càng ñược chế tạo với ñộ chính xác cao và tính linh hoạt ổn ñịnh Trình tự làm việc của các bộ phận trong hệ thống ñồ gá ñảm bảo liên hoàn

Ngoài ra, ñồ gá còn phải thay ñổi vị trí của sản phẩm gia công trong quá trình hàn sao cho sản phẩm hàn luôn ở vị trí thuận lợi cho máy hàn thực hiện hàn

Ví dụ: Hàn ống: ðồ gá hàn phải quay ống ñể máy hàn hàn hết chu vi của ống (Mỏ hàn ở vị trí cố ñịnh) Hàn dầm, ñồ gá dịch chuyển tịnh tiến dầm ñể máy hàn hàn hết chiều dài của dầm,…

Tuy vậy, dù khi hàn các sản phẩm ñơn giản hay phức tạp Khi hàn ñơn chiếc hay hàng loạt, dù hàn bất cứ vật liệu nào, bất cứ phương pháp hàn nào, thì ñồ gá phải luôn ñạt ñược các yêu cầu sau:

- ðịnh vị: ðồ gá hàn phải cố ñịnh ñược vị trí của chi tiết cần hàn trong suốt quá trình hàn

- Kẹp chặt: ñể ñịnh vị ñược chi tiết khi hàn thì yêu cầu các chi tiết rời rác khi hàn phải ñược kẹp chặt Nếu không kẹp chặt ñược thì cũng không ñịnh vị ñược

- Chống biến dạng trong quá trình hàn: ñể chống ñược biến dạng của vật hàn thì trước hết các chi tiết phải ñược ñồ gá kẹp chặt và ñịnh vị Song ñồ gá phải ñủ bền ñể thắng ñược lực biến dạng sẽ gây ra Nói chung 3 yêu cầu này của ñồ gá hàn liên quan chặt chẽ ñến nhau Tuy nhiên với những kết cấu hàn ñơn giản: Hàn các dầm nhỏ hoặc hàn giáp mối,… thì ñồ gá không cần tính ñến sự kẹp chặt (Do trước khi hàn vật hàn ñã ñược hàn ñính)

- Ngoài ra, ñồ gá dùng cho robot phải luôn làm việc ñồng bộ với robot, làm sao cho hệ thống hàn luôn ñược ñồng bộ

ðể nâng cao sản lượng trong tự ñộng hoá quá trình hàn, ñồ gá ñược chế tạo với các kết cấu và công nghệ khác nhau Có thể kết hợp thuỷ lực, khí nén hoặc ñiều khiển ñiện tử

1.3. Tớnh cấp thiết của việc nghiờn cứu thiết kế, chế tạo ủồ gỏ hàn tải trọng

xuất hiện máy vi tính, Rôbôt

công nghiệp đ/ tiếp thu được

những thành tựu mới đó Cao

trào phát triển vào những

năm 70 và đánh dấu mốc bằng hội nghị quốc tế lần thứ 6 về “thiết kế chế tạo và ứng dụng rôbôt công nghiệp” Chicago năm 1972 Sau đó lại lắng dần xuống, nhất là sau khủng hoảng dầu mỏ năm 1975 và để rút kinh nghiệm áp dụng vào chỗ nào là phát huy hiệu quả cao hơn Đến năm 80 thì xuất hiện nhu cầu hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) mà rôbôt như là bộ phận cấu thành FMS Nhu cầu đó kích thích bước phát triển của rôbôt công nghiệp Trong những năm 90 rôbôt công nghiệp cũng có bước phát triển mới theo hướng đồng bộ

hệ thống trên cơ sở vận dụng những thành tựu của thông tin ứng dụng

1.3.2 Lịch sử phát triển Rôbôt công nghiệp tại Việt Nam

Tình hình tiếp cận rôbôt công nghiệp ở Việt Nam tương đối muộn Trước những năm 1990 hầu như trong nước hoàn toàn chưa du nhập về kỹ thuật rôbôt, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnh vực này Tuy vậy, với mục tiêu chủ yếu là tiếp cận kỹ thuật mới mẻ này, trong nước đ/ triển khai đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: Đề tài 58.01.03 trong giai đoạn 81 – 85 và đề tài

Hình 1.6 Các loại robot công nghiệp

những đáp ứng được yêu cầu tiếp cận mà còn có những ứng dụng ban đầu trong kỹ thuật bảo hộ lao động và phục vụ công tác đào tạo cán bộ kỹ thuật ở nước ta Sau năm 1990 thì ngành công nghiệp của ta bắt đầu đổi mới, nhiều cơ sở đ/ đ/ nhập ngoại những thiết bị mới, đặc biệt là một số cơ sở liên doanh đ/ nhập ngoại nhiều rôbôt phục vụ cho nhiều công việc như: tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm gia công, lắp ráp các linh kiện điện tử, tháo sản phẩm ở các máy ép nhựa tự động, hàn

vỏ xe, phun phủ bề mặt v v Tuy nhiên còn có một số cơ sở trong nước lúc mua dây truyền đ/ không nhập các rôbôt có trong danh mục các thiết bị của dây truyền chào hàng, trong đó có một số cơ sở đ/ nhận ra nhu cầu là phải có rôbôt mới đảm bảo

được chất lượng sản phẩm của dây truyền như thiết kế Vì vậy đ/ xuất hiện các nhu cầu bổ sung các rôbôt đó

Một bước ngặt trọng đại của ngành rôbôt Việt Nam là từ tháng 4 năm 1998 Nhà máy Rorze Rôbôtech đ/ bước vào hoạt động ở khu công nghiệp Nomura Hải Phòng Đây là nhà máy đầu tiên ở Việt Nam chế tạo và lắp ráp rôbôt Đó là loại rôbôt có cấu trúc đơn giản nhưng rất chính xác dùng trong sản xuất chất bán dẫn Nhà máy Rorze Rôbôtech có vốn đầu tư là 46 triệu đô la Mỹ do Nhật Bản đầu tư Cho đến nay, trường Đại học Bách khoa – Hà Nội đ/ nghiên cứu tính toán thiết

kế một kiểu rôbôt mới, ký hiệu là rôbôt RP Rôbôt RP thuộc loại rôbôt phỏng sinh, rôbôt này dùng cơ cấu Pantograph với hai con trượt dẫn động làm môđun chủ yếu của cơ cấu tay máy Ngoài ra trường còn chế tạo ra hai mẫu: Rôbôt RPS – 406 dùng

để phun men, có hệ truyền dẫn thuỷ lực với 5 bậc tự do và rôbôt RPS – 4102 dùng trong công nghệ bề mặt, có 6 bậc tự do, 3 động cơ điện 1 chiều và 3 động cơ bước Không những thiết kế chế tạo các rôbôt nói trên mà trường Đại học Bách khoa – Hà Nội còn nghiên cứu, xây dựng thành công các thuật toán mới để xây dựng chương trình tính toán điều khiển rôbôt, xây dựng phương pháp tự động thiết lập và giải các bài toán động học trên cơ sở dùng MATLAB

Trong quá trình thiết kế, chế tạo rôbôt, trường Đại học Bách khoa –Hà Nội đ/ tiến hành xây dựng thư viện các mô hình động của rôbôt trong máy tính Các rôbôt

này không những được thiết kế theo thông số kỹ thuật của cơ sở sản xuất, mà còn

được mô phỏng hoạt hình và chương trình điều khiển chúng Với các chương trình này có thể tìm hiểu, học tập, khảo sát các loại rôbôt nổi tiếng trên thế giới và có thể trình diễn, giới thiệu với khách hàng về hoạt động của rôbôt mới được thiết kế Qua

đó cũng có thể trao đổi, hiệu chỉnh thiết kế theo yêu cầu của khách hàng

Như vậy ta thấy tầm quan trọng to lớn của rôbôt công nghiệp trong nền sản xuất hiện đại cũng như trong học tập nghiên cứu theo kịp thời đại

Sự phát triển ngày càng cao của khoa học kỹ thuật và việc áp dụng những thành tựu của khoa học kỹ thuật vào sản xuất trở nên cấp thiết cho mỗi quốc gia Để đánh giá trình độ khoa học và việc áp dụng thành tựu khoa học vào sản xuất, người ta nhìn vào mức độ ứng dụng Rôbôt công nghiệp trong sản xuất Như vậy, Rôbôt đóng vai trò rất quan trọng trong nền sản xuất hiện đại

Rôbôt công nghiệp là những thiết bị tự động đa chức năng được lập trình cho một hay nhiều công việc và được điều khiển bằng máy tính Chúng có thể sử dụng như một thiết bị độc lập, có khả năng thay đổi nhanh, dễ hiệu chỉnh Một trong những bộ phận chức năng chính của Rôbôt đó là hệ thống điều khiển Nó có nhiệm

vụ xử lý các thông tin nhận được để tạo ra các chuỗi lệnh cần thiết Hệ thống điều khiển cũng coi như một kho chứa và trung chuyển dữ liệu khi sử dụng cho các công việc khác nhau Các Rôbôt thường được trang bị các hệ thống điều khiển thích nghi, các hệ thống theo chương trình điều khiển logic – PLC (Programable Logic Control), các hệ thống cảm biến thực hiện theo các chức năng như: nghe, nói, đọc, viết, sờ, ngửi v v Vì vậy chúng có thể sử dụng hầu hết trong các lĩnh vực như: y tế, thể thao, văn hoá, gia công, lắp ráp và các lĩnh vực khác mà máy tự động thường không thể thực hiện được Trong những trường hợp khi yêu cầu vận tốc sử lý tình huống nhanh, chính xác, khi lựa chọn tìm kiếm các giải pháp nhiều phương án, khi yêu cầu khả năng suy nghĩ logic và phán đoán tình huống theo bối cảnh, sử dụng Rôbôt sẽ cho hiệu quả rất cao Rôbôt là thiết bị duy nhất có thể đáp ứng được đặc

tính thay đổi của nền sản xuất hiện đại, mở rộng đáng kể khả năng của các thiết bị

và quá trình sản xuất với hiệu quả cao nhất

1.3.3 Định nghĩa Rôbôt công nghiệp (IR)

Rôbôt công nghiệp là những thiết bị vạn năng để tự động hoá quá trình sản xuất nhiều chủng loại chi tiết và thường xuyên thay đổi đối tượng gia công Rôbôt công nghiệp có thể thực hiện các nguyên công chính cũng như các nguyên công phụ, do đó chúng rất cần thiết trong hệ thống sản xuất tích hợp

Rôbôt công nghiệp là một máy tự động được lập trình nhắc lại, có khả năng thay thế con người để thực hiện chức

năng di chuyển đối tượng sản xuất

hoặc thiết bị công nghệ Rôbôt công

nghiệp khác các thiết bị tự động hoá

truyền thống ở tính vạn năng di

chuyển và điều chỉnh nhanh để thực

hiện nguyên công mới Rôbôt công

nghiệp có khả năng thay thế nhiều

thiết bị khác nhau trong hệ thống sản

xuất tích hợp, ví dụ như: thiết bị cấp

phôi và tháo chi tiết đ/ gia công, thiết

bị kiểm tra, thiết bị thay dao và dọn

• Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR Pháp:

Rôbôt công nghiệp là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lập lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, dao, gá lắp… theo những hành trình thay đổi đ/ chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

• Định nghĩa theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD

Rôbôtcông nghiệp là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chương trình hoá và ghép nối các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép nối với nhau, có khả năng học và ghi nhớ các chương trình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp và gián tiếp

• Định nghĩa theo ΓOCT-1980 Rôbôtcông nghiệp là máy tự

động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự như con người

Như vậy có 3 nét đặc trưng cần thiết để định rõ một kết cấu máy như là một rôbôt Chúng là:

- Được tự động hóa: có thể vận hành không cần một ai giúp đỡ nó

Hình 1.8 Mô phỏng toàn bộ hệ

thống rôbốt hàn

- Lập trình lại: có thể được lập trình lại thực hiện công việc của nó bằng các phương pháp khác nhau

- Chế độ đa nhiệm (Multitasky)- có thể được lập trình lại làm các công việc khác trọn vẹn như một nhóm người hoặc nguồn tải máy móc…

Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng r/i các phương tiện tự động hoá sản xuất Đặc biệt là trong các hệ thống CIM, tính tự động hoá của hệ thống sản xuất tích hợp và yêu cầu linh hoạt trong việc thay đổi sản phẩm đòi hỏi ứng dụng một số lượng lớn các rôbôt công nghiệp thực hiện các chức năng chủ yếu như cấp phôi cho các trung tâm gia công, gắp các chi tiết ra sau khi đ/ gia công, thực hiện quá trình lắp ráp tự động

1.3.4 Cỏc bộ phận cấu thành robot cụng nghiệp

Các bộ phận chủ yếu của rôbôt được thể hiện trên hình vẽ:

Máy

tính

Cảm biến ngoại tín hiệu

Cảm biến nội tín hiệu

Hệ thống

điều khiển

Hệ thống truyền dẫn

động

Dụng cụ thao tác

Hình 1.9 các bộ phận chủ yếu của

hệ thống làm việc của rôbốt

ðể tiờu chuẩn hoỏ cụng việc thiết kế, Rôbôt ủược chia làm ba phần chớnh: nguồn cung cấp năng lượng, bộ ủiều khiển và phần tay mỏy Mỗi phần trong ba phần chớnh trờn bao gồm nhiều bộ phận và cỏc bộ phận cú thể biến ủổi ủể ủỏp ứng tiờu chuẩn và cỏc thụng số thiết kế của mỗi Rôbôt nhất ủịnh

Robot ủó và ủang phỏt triển và ứng dụng rộng rói trong cụng nghiệp cũng như dõn dụng Hầu hết cỏc lĩnh vực sản xuất cú tớnh ủộc hại hoặc cường ủộ làm việc trực tiếp cao ủều cú sự tham gia của robot Và tuỳ theo loại hỡnh cụng việc mà cỏc robot ủược chế tạo với nhiều hỡnh dỏng và kết cấu khỏc nhau

Robot ủược ứng dụng trong hàn ủó ủược thế giới thực hiện rất cú hiệu quả rất cao Nước ta cũng ủó và ủang ủưa phương phỏp hàn này vào cỏc ngành cụng nghiệp: ụtụ, tàu thuỷ,…

1.3.5 Tớnh cấp thiết chế tạo ủồ gỏ hàn cho robot

* Tớnh kinh tế:

Để hệ thống robot hàn hoạt động đạt hiệu quả kinh tế cao thì hệ thống gồm 3

bộ phận chính trong hệ thống hàn: Nguồn hàn – Máy hàn - Đồ gá phải luôn được

đồng bộ

Trên thực tế như đ/ đề cập ở trên, Robot hàn và nguồn hàn là dễ xử lý Song

đối với đồ gá, do ngày càng có rất nhiều dạng sản phẩm có kết cấu, hình dáng và yêu cầu làm việc khác nhau Do vậy đồ gá cũng theo đó sẽ có nhiều yêu cầu chế tạo khác nhau Nói cách khác, đồ gá không giống như robot hay nguồn hàn mà có thể

sử dụng mang tính chất “ lắp lẫn” được Vì vậy yêu cầu chế tạo đồ gá hàn là khối lượng cực kỳ lớn nếu như muốn đạt được năng suất sản xuất cao với robot

Cũng do lý do trên mà đơn giá chế tạo đồ gá hàn hiện nay là rất đắt so với giá trị của robot cũng như nguồn hàn Vấn đề này không những chỉ xảy ra ở nước ta mà thế giới cũng rơi vào tình trạng như vậy

* TÝnh c«ng nghÖ:

- Hàn là phương pháp gia công có ñộ biến dạng rất lớn Do ñó trong và sau khi gia công, các chi tiết hoặc kết cầu thường bị thay ñổi hình dáng cũng như kích thước Vấn ñề này sẽ ñược nhiệm vụ “ñịnh vị và kẹp chặt” của ñồ gá hạn chế tối ña

- Trên thực tế, có rất nhiều dạng kết cầu , chi tiết với những ñường hàn phức tạp, biên dạng ñặc biệt mà nếu ñơn thuần người công nhân dù tay nghề rất cao cũng rất khó hoặc không thực hiện ñược Vấn ñề này sẽ ñược ñồ gá hàn với nhiệm vụ:

“Luôn ñưa chi tiết hàn về vị trí thuận lợi nhất ñể thực hiện hàn” thực hiện

- Dùng ñồ gá, không những nâng cao chất lượng sản phẩm mà nó còn mang lại năng suất lao ñộng cự kỳ cao

Khác với các ngành công nghiệp khác, ñể ñưa ñược robot vào làm việc ñạt hiệu quả cao, ngành hàn phải chế tạo ñược ñồ gá với yêu cầu cao như sau:

- Chuyển ñộng của ñồ gá phải ñồng bộ với chuyển ñộng của robot

- ðồ gá có kết cấu vững chắc, các cơ cấu kẹp chặt ñòi hỏi phải thao tác nhanh

và ñủ lực kẹp cần thiết nằm hạn chế tối ña biến dạng sinh ra khi hàn

- ðồ gá dùng cho robot hàn thường có kết cấu khá lớn vì robot thường ñược ứng dụng hàn các dạng liên kết có kết cấu phức tạp và có tải trọng cao

Do vậy sự cần thiết ñược nghiên cứu nghiêm túc ñồ gá hàn là một trong những yêu cầu cấp bách cần thực hiện

Ở nước ta hiện nay, hầu hết tại các công ty, xí nghiệp vẫn ñang sử dụng ñồ gá hàn có kết cấu ñơn giản ðồ gá hiện ñại có tính tự ñộng ñều nằm trong các nhà máy, công ty nước ngoài hoặc liên doanh với nước ngoài Bởi vì cho ñến nay, ñồ gá hiện ñại có ñơn giá rất cao, ñôi khi tương ñương với thiết bị (robot) Không những vậy

ñồ gá lại không ñễ dàng mua ngay ñược ðể giải quyết vấn ñề này chúng ta rất cần

có sự ñầu tư ñáng kêt cho công việc nghiên cứu, chế tạo và sử dụng ñồ gá hàn nội ñịa

Kết luận chương I:

Toàn bộ nội dung chương I ñã hoàn thành ñược các nội dung sau:

1/ Khái quát về ñồ gá hàn, tình hình sử dụng hệ thống rôbốt hàn nói chung và

ñồ gá hàn nói riêng Các phương pháp phân loại ñồ gá trong hàn

2/ Phân tích ñược các ñặc ñiểm công nghệ và tính chất làm việc của ñồ gá hàn 3/ Tìm hiểu tình hình sử dụng rôbốt công nghiệp của thế giới hiện nay

4/ Tìm hiểu lịch sử phát triển rôbốt công nghiệp tại Việt nam

5/ Phân tích các cơ cấu, bộ phận cấu thành hệ thống rôbốt công nghiệp

6/ Phân tích các tính chất công nghệ và ñi ñến kết luận về tính cấp thiết của công việc nghiên cứu và chế tạo ñồ gá cho rôbốt hàn

Dầm ựược chế tạo chủ yếu bằng hai dạng: đúc và tổ hợp hàn Dầm sản xuất bằng phương pháp ựúc thường có kắch thước nhỏ, ựơn giản dùng ựể chế tạo các kết cấu nhỏ và có yêu cầu thấp về chịu lực

Hiện nay, dầm sử dụng trong ngành cơ khắ có hình dáng rất ựa dạng, phù hợp với nhiều dạng kết cấu và yêu cầu sản xuất

a) Dầm chữ H b) Dầm chữ I c) Dầm chữ T

Hình 2.4 Một số loại dầm có biên dạng không thay ựổi

Hình 2.5 Dầm có biên dạng thay ựổi

1 2

3

Hình 2.6 Cấu tạo dầm hàn chữ I

1: Bản cánh; 2: Bản bụng: 3: Mối hàn

Với những kết cấu lớn và cần chịu tải lớn thì dầm phải ñược tổ hợp bằng hàn Và dầm hàn thường là dầm chữ I

Khi chế tạo dầm hàn các yếu tố công nghệ ñược ñặc biệt quan tâm, kết cấu, hình dáng của dầm hàn bị thay ñổi rất lớn trong và sau quá trình tổ hợp

2.2/Ảnh hưởng của các thông số công nghệ hàn ñến biến dạng của dầm

2.2.1)Chế ñộ hàn:

Tính toán chế ñộ hàn là công việc bắt buộc trước khi hàn Các thông số chế

ñộ hàn: d- ðường kính que hàn (dây hàn), Ih - Cường ñộ dòng ñiện hàn, Uh - ðiện áp hàn, n - số lớp hàn, Vh - vận tốc hàn,…

Chọn chế ñộ hàn sao cho chiều rộng vùng ứng suất tác ñộng là nhỏ nhất ðể nung ñều kim loại theo chiều dày, cần tăng mật ñộ dòng ñiện ñể hàn ngấu sâu Việc hàn ngấu sâu các mối hàn giáp biên và các liên kết hàn giáp mối sẽ cân bằng co ngang theo chiều dày mối hàn và giảm biến dạng góc

Trong một số trường hợp, khi thực hiện mối hàn thứ 2 trong cặp mối hàn ñối xứng qua trục của vật hàn, nên tăng chế ñộ hàn ñể tăng vùng ứng suất tác ñộng ñể cho lực co của mối hàn này khử toàn bộ võng dư do mối hàn thứ nhất gây ra

Liên kết hàn thường ñược chọn theo tiêu chuẩn

2.2.4) ðồ gá:

Sử dụng ñồ gá trong quá trình hàn là giải pháp tốt nhất ñể giảm biến dạng khi hàn Bởi vì một trong các nhiệm vụ quan trọng cần chú ý khi chế tạo ñồ gá là: ðịnh vị và kẹp chặt Khi ñã ñịnh vị và kẹp chặt ñược thì việc khống chế và giảm biến dạng kết cấu hàn là rõ rệt

2.3/Chọn phương án thiết kế ñồ gá hàn (các phương án ñịnh vị, kẹp chặt, truyền ñộng,…)

ðồ gá hàn dầm tải trọng lớn ñược thiết kế gồm:

Khung ñồ gá dùng cho hàn dầm tải trọng lớn phải có ñộ cứng vững ñủ lớn

ñể chịu ñược tải trọng của dầm hàn cũng như tải trọng của toàn bộ hệ thống ñồ

gá, ñồng thời khung còn phải thiết kế sao cho chịu ñược tải trọng gây ra khi hàn dầm bị biến dạng

Khung ñược thiết kế bằng phương pháp tổ hợp thép ñịnh hình

2.3.2/ Cơ cấu dẫn ñộng

Cơ cấu dẫn ñộng có nhiệm vụ:

- Thay ñổi vị trí của dầm trong không gian khi hà

- Thay ñổi linh hoạt góc ñộ làm việc của ñồ gá cũng như ñiều chỉnh khoảng thay ñổi vị trí làm việc của ñồ gá khi cần thiết

Cơ cấu dẫn ñộng thiết kế sao cho ñảm bảo sự linh hoạt khi sử dụng các loại dầm hàn có tiết diện khác nhau

2.3.3/ Cơ cấu ñịnh vị

Cơ cấu ñịnh vị ñảm bảo cố ñịnh hoàn toàn dầm hàn trong toàn bộ thời gian thực hiện 1 ñường hàn Nó có ñủ ñộ cứng vững ñặc biệt khi biến dạng hàn sinh ra ðồng thời phải không chế ñược 3 bậc tự do: Theo phương dầm tịnh tiến,

theo phương vuông góc với phương dầm tịnh tiến và theo phương chiều cao của dầm

Cơ cấu này thiết kế sao cho ñồng bộ với cơ cấu dẫn ñộng và cơ cấu kẹp

chặt Phải ñảm bảo cho quá trình gá kẹp nhanh, ñạt ñộ chính xác yêu cầu

Cơ cấu này thường ñược chế tạo bằng các dạng ngàm thuỷ lực hoặc khí nén

2.3.5/ Cơ cấu thay ñổi vị trí trạng thái

Cơ cấu này có nhiệm vụ thay ñổi trạng thái vị trí của dầm khi ñã hàn xong

1 ñường hàn nào ñó cần thay ñổi vị trí khác của mối hàn lần sau Như vậy cơ cấu này chế tạo sao cho có thể quay ñược dầm 1800 ñể hàn ñường hàn ñối diện Dùng ñộng cơ xoay chiều 3 pha có gắn hộp giảm tốc, ñược ñiều khiển tự ñộng hòan tòan bằng Robot ðộng cơ này có tác dụng quay tòan bộ ñồ gá ñể thay ñổi vị trí hàn khi hàn lần lượt 4 mối hàn trên dầm Mỗi lần tiến hành hàn ñồ

gá phải quay về vị trí hàn thuận lợi nhất (vị trí hàn bằng) nhằm ñảm bảo mối hàn ñạt chất lượng cao nhất

ðồ gá hàn dầm tải trọng lớn ñược thiết kế gồm phần khung, cơ cấu ñịnh vị dầm và hế thống tạo lực kẹp Phần khung phải ñảm bảo ñủ ñộ cứng vững ñể có

thể hạn chế ñược biến dạng của dầm Tính tóan thiết kế khung ñồ gá phải dựa vào ứng suất và biến dạng sinh ra trong quá trình hàn, và ñược ñưa ra rất cụ thể trong chương 3 Cơ cấu ñịnh dầm phải ñảm bảo cho quá trình gá kẹp phải nhanh, ñạt ñộ chính xác yêu cầu ðối với các dầm có kích thước lớn ta sử dụng các vấu chặn ñược hàn vào khung ñồ gá ñể hạn chế 3 bậc tự do của dầm theo 3 trục x, y,

z (thể hiện bằng bản vẽ) Trục x theo chiều dài của khung ñồ gá, trục y theo chiều rộng, trục z theo chiều cao Chọn gốc tọa ñộ như hình vẽ Khi ñịnh vị dầm trên ñồ gá ta cho gốc tọa ñộ trên dầm và trên ñồ gá trùng nhau, sau ñó tiến hành kẹp chặt Kẹp chặt ñảm bảo lực kẹp ñủ lớn và tác dụng nhanh Trong trường hợp này hiệu quả nhất là sử dụng piston-xylanh khí nén Áp suất khí nén cần thiết và

các kích thước xy lanh, (ñược tính toán cụ thể trong chương sau) Cơ cấu tạo

lực kẹp hợp lý nhất là một mặt phải kéo ñược 2 phía ngoài của biên dầm, ñồng thời phải tỳ ñược vào phần giữa của biên dầm, tao thành cơ cấu ñòn bẩy (xem hình vẽ) Truyền ñộng: dùng ñộng cơ xoay chiều 3 pha có gắn hộp giảm tốc, ñược ñiều khiển tự ñộng hòan toàn bằng Robot ðộng cơ này có tác dụng quay toàn bộ ñồ gá ñể thay ñổi vị trí hàn khi hàn lần lượt 4 mối hàn trên dầm Mỗi lần tiến hành hàn ñồ gá phải quay về vị trí hàn thuận lợi nhất (vị trí hàn bằng) nhằm ñảm bảo mối hàn ñạt chất lượng cao nhất Hai ñầu khung ñồ gá ñược ñặt lên 2 gối ñỡ

2.4/Tính toán ứng suất và biến dạng dư sau khi hàn dầm chữ I có tiết diện ngang thay ñổi

2.4.1 Ứng suất và biến dạng trong liên kết chữ I:

mối hàn vào tấm biên

theo hai hướng và vào tấm vách theo một hướng

Ta xét kết cấu của ½ liên kết chữ I:

Có:

- Hai mối hàn góc của liên kết

- Vùng ứng suất tác ñộng nằm ñối xứng qua trục ñứng của vách

- Do trong thực tế các mối hàn thực hiện không ñồng thời, do vậy khi xác ñịnh vùng ứng suất tác ñộng cần xét tới khả năng vùng ứng suất tác ñộng do từng mối hàn gây ra sẽ chồng một phần lên nhau

Phương pháp xác ñịnh:

δ2

Hình 2.7 Các kích thước liên kết hàn góc

Tổng chiều dày truyền nhiệt:

∑δ = 2 δ1+ δ2 (2-1) Tổng diện tích vùng ứng suất tác ñộng:

2 2 22 1 1 2 21

F F

F: Tiết diện ngang của liên kết

Hình 2.8 Phân bố nội lực trong tiết diện dầm hàn

Từ ựó ta dựng ựược biểu ựồ ứng suất:

Hình a, b: Biểu ựồ ứng suất do nội lực dọc trục gây ra

Hình c: Biểu ựồ ứng suất uốn do nội lực dọc trục gây ra

Hình d, e: Biểu ựồ tổng ứng suất dư tại các tấm vách và biên

Dạng liên kết chữ I vùng ứng suất tác ựộng của trọng tâm không trùng với trọng tâm của liên kết đó là nguyên nhân gây ra uốn

Giả sử có các hạn chế giả tạo (ngoại liên kết) ở các mép trên và dưới, khiến liên kết không thể uốn ngang ựược Theo ựiều kiện cân bằng nội lực (Hình trên)

ðể tìm mômen uốn, ta thấy cả hai nội lực phản kháng P1 bằng một lực tập trung 2P1 và ñặt nó vào trọng tâm của tấm biên Còn nội lực phản kháng P ñặt vào trọng tâm Oc củavùng ứng tác ñộng và chia nó thành 2 phần là 2 P1 và P2.Lúc ñó ta sẽ có hai cặp lực tạo ra hai mô men uốn tác ñộng theo chiều ngược nhau trong liên kết là 2P1y1 và P2y2, trong ñó y1 và y2 là khoảng cách từ ñiểm ñặt lực phản kháng tới tâm của vùng ứng suất tác ñộng (ñiểm ñặt của nội lực tác ñộng P)

Mômen uốn toàn phần sẽ là:

1 1 2

P

M = = σT + σ e (2-8)

Nếu ta bỏ qua các hạn chế giả tạo, do tác ñộng của mômen uốn M, liên kết

sẽ bị uốn ngang và gây ra ứng suất uốn:

J

l M

Trong ñó: y là khoảng cách từ thớ ñang xét ñến trọng tâm O của liên kết

J là mô men quán tính của tiết diện ngang của liên kết ñối với trọng tâm của nó

ðộ võng dư:

J 8

2

E

l M

Với l là chiều dài mối hàn

Căn cứ vào giá trị tính toán, có thể dựng ñược biểu ñồ ứng suất uốn σu Trên thực tế, không có các hạn chế giả tạo và biến dạng uốn dư hình thành

từ sự tích luỹ dần dần trong quá trình nguội mối hàn (tích luỹ biến dạng dẻo) ðồng thời trong quá trình nguội mối hàn sẽ có sự phát triển ứng suất kéo bởi co dọc trong các thớ của vùng ứng suất tác ñộng (cho tới 6000C, tức là nhiệt

ñộ khi mà kim loại ñang nguội chuyển từ trạng thái dẻo sang ñàn hồi)

Sự cân bằng nhiệt ñộ tiếp theo sẽ ảnh hưởng rất ít ñến biến dạng dư và ứng suất kéo

Sau khi nhiệt ñộ ñã cân bằng hoàn toàn, ứng suất kéo toàn phần ở vùng ứng suất tác ñộng là σT

Trong thực tiễn, ñể tăng ñộ cứng vững của liên kết, người ta lấy chiều cao của tấm vách lớn hơn chiều rộng của tấm biên và bố trí vị trí mối hàn sao cho trọng tâm của liên kết nằm cao hơn trọng tâm của vùng ứng suất tác ñộng

Khi ñó ñộ võng của liên kết sẽ lồi từ phía tấm vách và lõm từ phía tấm biên

Nếu tăng chiều dày của tấm biên và giảm chiều cao của tấm vách, trọng tâm của tiết diện sẽ bị hạ thấp, có thể làm cho tiết diện ngang vùng ứng suất tác ñộng

có trọng tâm trùng với trọng tâm liên kết (M=0; f = 0)

Nếu trọng tâm tiết diện nằm thấp hơn trọng tâm vùng ứng suất tác ñộng, sau khi hàn, liên kết sẽ bị uốn theo chiều ngược lại

Trọng liên kết chữ I: Các mối hàn góc nằm ñối xứng với nhau qua vách ñứng

Nhiệt ñộ theo chiều dày tấm vách là ñồng ñều và vách sẽ bị uốn ngang khi

ta hàn ñắp dọc mép của nó

Nếu sau khi hàn ta cắt tấm vách ra khỏi tấm biên thì ñặc ñiểm uốn của nó cũng giống như trước khi cắt Còn tấm biên, do có vùng ứng suất tác ñộng nằm lệch, sẽ bị uốn theo hướng ngược lại

O cao hơn Oc O trùng với Oc O thấp hơn Oc

* Ứng suất và biến dạng do co ngang gây ra:

Các liên kết chữ I thường ñược hàn lần lượt

Giả sử ta hàn mối hàn bên phải (hình vẽ) Trước và quá trình nguội của toàn

bộ mối hàn là ñồng ñều trên suốt chiều dài và chiều dày

Do hiện tượng co ngang, tấm vách quay ñi một góc β so với vị trí ban ñầu

β β

Khi thực hiện mối hàn thứ hai (Phía ñối diện) thì sự co tự do của nó bị cản trở ñàn hồi từ phía mối hàn thứ nhất

Do ñó trong kim loại ñắp của mối hàn thứ hai sẽ xuất hiện ứng suất ngang Ứng suất kéo ngang cũng xuất hiện trong mối hàn thứ nhất do chống lại sự quay tự do của mối hàn thứ hai

Nếu hai mối hàn giống nhau, do nội lực cân bằng, ứng suất kéo ngang cũng như nhau Tức là tấm vách sẽ quay về vị trí ban ñầu và ñược giữ ở trạng thái này bởi các nội lực giằng co nhau trong hai mối hàn Giá trị ứng suất này có thể rất lớn

Giải thích:

Chẳng hạn ta có thể tính ñộ co tương ñối:

0072 , 0 600 10 12

/ 2500

2 6

cm kg E

T T

σ ε

Như vậy ứng suất kéo do co ngang các môi hàn này có thể vượt quá giới hạn chảy rất nhiều (về mặt lý thuyết):

6 10 12

10 72

Do có ứng suất kéo ngang, 2 phần biên sẽ bị kéo quay ñi 1 góc θ nào ñó (2

nửa của biên bị uốn như dầm conson – hình vẽ)

Nếu gọi yA là chuyển vị của ñiểm A (ñầu nút của tấm biên) và θ là góc quay của nửa biên sau khi hàn, ta có:

3 1

3 1

1

1

)

075 , 0 (

) (

075 , 0

b

k b

b

b tg

b b

b

δ δ

δ θ

+ +