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

Cung cấp dây và nguồn điều khiển... Cánh tay rôbôt được sử dụng nhiều do nó cho phép súng hàn chuyển động nhưcách con người thao tác.. Các điều khiển định vị rôbôt

Trang 1

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: ĐỖ HỒNG THÁI

HUỲNH DUY KHÁNH

Trang 2

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN

MÁY HÀN PHÔI TỰ ĐỘNG

Tác giả

ĐỖ HỒNG THÁIHUỲNH DUY KHÁNH

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

CƠ ĐIỆN TỬ

Giáo viên hướng dẫn:

Th.S NGUYỄN ĐĂNG KHOA

Tháng 06 năm 2018

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, chúng em xin gửi lời cảm 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 cảm ơn đến tất cả quý thầy cô thuộc khoa Cơ khí công nghệ, Bộmôn 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 bản, cũng như đã nhiệt tìnhhướng dẫn chúng em trong suốt khóa học vừa qua

Và sau cùng, xin được cảm ơn, chia sẻ niềm vui với gia đình, người thân, bạnbè cùng tập thể lớp Cơ điện tử khóa 2014 – những người đã luôn ở bên, quan tâm giúpđỡ và tạo điều kiện thuận lợi để chúng tôi học tập, nghiên cứu để hoàn thành đồ án tốtnghiệp này

Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng … năm 2018

Trang 4

TÓM TẮT

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

Tự động hóa trong lĩnh vực hàn là nhu cầu thiết yếu, hiện nay có rất nhiều loạihình 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 sản phẩmnào thật sự tập trung vào lĩnh vực hàn phôi bản 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

Trải qua quá trình nghiên cứu và thực hiện, chúng em đã thiết kế được hệ thốngtruyền 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, đảm bảo cố định mỏ hàn trong quá trìnhhàn Thiết kế thành công mạch điều khiển cho mỏ hàn Giao diện điều khiển cho phéphiển thị quỹ đạo Mô hình máy hàn tự động CNC đã hàn được các loại hình hàn đườngthẳng như: giáp mối, chồng mí, chữ T Tuy nhiên, mô hình chỉ hàn được một phần tưđường tròn, cần được tiếp tục nghiên cứu và phát triển để hoàn thiện thêm đề tài

Trang 5

MỤC LỤC

Trang

Trang tựa i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Mục lục iv

Danh mục hình vii

Danh mục bảng 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

Trang 6

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

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 bản 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

Trang 7

4.3.2.2 Giao diện giám sát hiển thị quỹ đạo hàn theo cung tròn 44

4.4 Kết quả chế tạo và khảo nghiệm 44

4.4.1 Kết quả chế tạo 44

4.4.2 Khảo nghiệm 45

4.4.2.1 Kết quả khảo nghiệm máy gia công theo đường thẳng 45

4.4.2.2 Kết quả khảo 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

Trang 8

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 tải lên trục X 27

Hình 4.5: Momen xoắn do ma sát lên trục X 28

Hình 4.6: Momen xoắn do khối lượng tải lên trục Y 29

Hình 4.7: Momen xoắn do ma sát lên trục Y 29

Hình 4.8: Momen xoắn khối do lượng tải 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 ảnh 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

Trang 9

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 quả hàn giáp mí 47

Hình 4.25: Kết quả hàn xếp chồng 47

Hình 4.26: Kết quả hàn chữ T 48

Hình 4.27: Kết quả hàn cung tròn 48

Trang 10

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4.1: Điều chỉnh vi bước cho động cơ (micro stepping - vi bước) 37Bảng 4.2: Bảng khảo sát khi máy gia công theo đường thẳng 46Bảng 4.3: Bảng khảo sát khi máy gia công theo cung tròn 47

Trang 11

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 sản

phẩm chất lượng kém Như vậy, để nâng

cao năng suất và chất lượng sản phẩm

hàn, giảm bớt chi phí thuê nhân công, đặc

biệt là trong hàn phôi thép bản mã với

những chi tiết khá đơn giản như hàn đường thẳng, đường tròn, chúng ta cần phải tiếnhành tự động hóa Máy hàn tự động (hình 1.1b) mặc dù có thể hàn đường thẳng nhưngcòn hạn chế về quỹ đạo hàn, phương thức điều khiển Vì vậy, chế tạo một sản phẩmđáp ứng được những nhu cầu trên là vấn đề cấp thiết, để tạo điều kiện phát triển chocác nhà xưởng,

Trang 12

cũng như cung cấp sản phẩm với số lượng và chất lượng cao hơn cho người dùng Đócũng là lý do chúng em chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo và điều khiển máy hàn phôi tựđộng”.

1.2 Mục đích của đề tài

- Mục đích của đề tài là tìm hiểu và nghiên cứu một cách có hệ thống các loạihình máy móc, cơ cấu truyền động, hệ thống và thuật toán điều khiển có liên quan đếnhàn tự động trong và ngoài nước Từ đó lựa chọn phương hướng phát triển mô hìnhdựa 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 sovới mỏ hàn để tạo quỹ đạo hàn, cho phép hàn các loại phôi thép bản mã với biên dạngđường thẳng, đường tròn và các loại hình hàn giáp mối, hàn chồng mí, hàn góc, hànchữ T,…

- Giao diện điều khiển cho phép hiển thị quỹ đạo hàn

Trang 13

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 bảng điều khiển cho phép điều chỉnh tọa độ của mỏ hàn vàhiển thị tọa độ, đường kính, tốc độ hàn trên màn hình Mâm cặp để cố định và quayphôi thông qua động cơ và hệ thống truyền động, đầu còn lại của phôi được cố địnhbởi bộ phận (5) (hình 2.1) để đảm bảo phôi không bị lệch tâm Ngoài ra, bộ phận nàycon có thể trượt trên thanh ray để linh hoạt độ dài của ống Tay kẹp cố định mỏ hàn và

65

4

Trang 14

chỉ cho phép tịnh tiến dọc theo chiều dài ống để có thể hàn ở nhiều vị trí nhờ trục

vít-me và thanh trượt

Nguyên lý hoạt động:

Sau khi gá phôi như trên (hình 2.1), ta dùng các nút nhấn trên hệ thống điềukhiển để điều chỉnh mỏ hàn đến đúng vị trí hàn Nhấn nút bắt đầu thì động cơ dẫnđộng mâm cặp sẽ quay, đồng thời mỏ hàn cũng sẽ được kích thích, quá trình hàn đượcthực 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 thanhtrượt (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, giảm chi phí giá thành sản phẩm, tính antoàn lao động cao

- Hệ thống chân máy được thiết kế có thể điều chỉnh để phù hợp cho việc hoạtđộng 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 doanhnghiệp

Bộ phận điều khiển là bảng điều khiển bao gồm màng hình hiển thị, nút nhấn vàcác bo mạch ở bên trong Có chức năng cung cấp tín hiệu thông qua nút nhấn để liên

Trang 15

kết bộ nguồn và cơ khí để máy hoạt động Bộ nguồn là nguồn năng lượng cung cấpcho toàn bộ thiết bị, bao gồm động cơ, bộ điều khiển, máy hàn và máy nén khí

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 bảo vệ và kính; 7 Chi tiết hàn

Chi tiết hàn được cố định nhờ mâm cặp và xy lanh dưới áp lực của khí nén nhưtrên hình (hình 2.2) Điều chỉnh súng hàn đến vị trí hàn sau đó mở nguồn, cài đặt tốcđộ quay cho mâm cặp Quá trình hàn được thực hiện theo trình tự như sau: nhấn nútbắt đầu hàn, súng hàn sẽ đươc kích hoạt và mâm cặp sẽ quay thông qua truyền độngđến từ động cơ, tạo thành quỹ đạo hàn Sau khi mâm cặp quay đủ một vòng thì quátrình 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 viđiều 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, giảm chi phí giá thành sản phẩm, tính antoàn lao động cao

1

5

3

42

6676

Trang 16

- 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 sản phẩm xe hàn tự động của hãng Huawei, cấu tạo đơn giản, kíchthước nhỏ, gọn Phục vụ cho nhu cầu về hàn đường thẳng với chiều dài lớn Sử dụngphương thức tịnh tiến mỏ hàn dựa trên chuyển động của bánh xe để tạo ra quỹ đạo hànthẳng Cho phép điều chỉnh vị trí của súng hàn thông qua các núm vặn, có hỗ trợ 2bánh xe áp vào thành bên của đường hàn để điều chỉnh cho bánh xe luôn có xu hướngáp sát vào, không bị chệch đường hàn

Sau khi điều chỉnh mỏ hàn đến vị trí phù hợp với quỹ đạo hàn, cài đặt tốc độhàn và chiều dài của đường hàn rồi bật công tắc bắt đầu Động cơ điều khiển bánh xeđẩy sẽ hoạt động kéo theo mỏ hàn di chuyển và đồng thời mỏ hàn sẽ được kích hoạtthực hiện quá trình hàn Đến lúc quá hình hàn hoàn thành thì ta tắt công tắc đề dừnglại

Ưu điểm:

- Cấu tạo đơn giản, dễ vận hành và bảo 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, sản xuất kết cấu thép

Nhược điểm:

- Sản phẩm chỉ có thể hàn thẳng, khi đổi phương phải 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

Trang 17

Điều chỉnh mỏ hàn đến vị trí cần hàn, cài đặt tốc độ rồi mở công tắc để bắt đầuhàn Động cơ sẽ hoạt động kéo theo bánh răng, để bánh răng bám theo thanh ray dẫnhướng tạo ra quỹ đạo hàn, đồng thời súng hàn sẽ được kích hoạt để thực hiện quá trìnhhàn Sau khi hàn xong cần phải 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 cơđộng 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 bảo dưỡng

1

2

43

5

Trang 18

- Có thể tích hợp thêm bộ phận nhún cho tay kẹp mỏ hàn để linh hoạt cho từngloại hình hàn khác nhau.

Nhược điểm:

- Chất lượng mối hạn phụ thuộc vào biên dạng của đường ống

- Sản phẩm chỉ có thể từng đường một, phải lắp đặt lại đường ray khi hànđường khác

- Yêu cầu chính xác cao về bánh răng và đường ray dẫn hướng, thường xuyênbảo dưỡng

Hình 2.4 Xe hàn ống

1 Thanh ray dẫn hướng; 2 Hộp điều khiển; 3 Tay kẹp mỏ hàn;

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 hànvà cố định chi tiết hàn Ngoài ra còn có tắt hành trình ở 2 đầu trục vít-me

Chi tiết hàn được cố định (hình 2.5), nhấn nút khởi động, dùng một sợi dây dẫnchạm 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

Trang 19

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 giản, dễ dàng vận hành và sửa chữa

- Năng suất cao, đáp ứng nhu cầu lĩnh vực hàn phôi bản mã biên dạng thẳng

- Chất lượng mối hàn được tăng cao, giảm chi phí giá thành sản phẩm

Nhược điểm:

- Còn hạn chế về điều khiển, phải 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

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 kếtquả nghiên cứu từ đề tài “Thiết kế và chế tạo máy cắt plasma CNC”, trung tâm Nghiêncứu và ứng dụng công nghệ - Đại học Cần Thơ đã cải tiến máy cắt plasma CNC choquá trình hàn các chi tiết lắp ghép hàn loạt

Cấu tạo cơ bản của hệ thống bao gồm: phần cơ khí, phần điều khiển, nguồn vàmột máy hàn bán tự động MIG

Trang 20

Thành phần cơ khí là một bàn máy CNC dùng để di chuyển chính xác súng hàntrong 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 càiphần mềm gia công CNC Mach3 và mạch điều khiển Khi thực hiện một chi tiết nàođó, người dùng chỉ cần nạp bản vẽ của chi tiết, chỉ ra đường hàn ghép, chương trình sẽtạo ra mã dưới dạng Gcode Chương trình gia công Mach3 sẽ đọc các lệnh Gcode vàđiều khiển các động cơ bước di chuyển mỏ hàn chính xác đến tọa độ các mối hàn địnhtrước và quá trình hàn được thực hiện.

4

2

5

Trang 21

- Có thể lập trình để hàn được nhiều vị trí khác nhau mà không cần phải gá lạiphôi.

- Tính an toàn lao động cao

- Chỉ cần nạp bản cần nạp bản 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 dàicủa trục vít-me, thanh trượt

- Không thể điều chỉnh các thông số trong quá trình hàn

- Phải 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 ghépchồng 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 vàtay hàn, bộ định tâm, bộ cấp dây Trong đó mỗi bộ phận có chức năng và nhiệm vụkhác nhau

Cánh tay rôbôt được sử dụng nhiều do nó cho phép súng hàn chuyển động nhưcách con người thao tác Thường các rô hàn có 5,6 bậc tự do, lập trình được Súng hàndùng để tiếp điện cực đến mối hàn, truyền dòng điện hàn vào điện cực và tạo ra môitrường bảo vệ xung quanh mối hàn Đối với quá trình hàn dùng điện cực nóng chảy,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 hợpvới yêu cầu cụ thể của từng dây chuyền

Định vị và gá cố định vật hàn: để nối các vật hàn, mỗi vật hàn phải được cănchỉnh chính xác và gá chắc chắn tại chỗ trong quá trình hàn Bộ phận này phải thao tácnhanh và dễ dàng, giữ chắc chắn vật hàn cho tới khi chúng dính vào nhau và cho phépsúng hàn tự do tiếp cận mối hàn Các điều khiển định vị rôbôt phải tương thích và tuânthủ theo bộ điều khiển rôbôt trung tâm để đạt được chuyển động phối hợp tức thì củanhiều trục trong khi hàn

Trang 22

Để làm việc chính xác và tin cậy, súng hàn phải được làm sạch liên tục thôngqua bộ làm sạch Chất tách vẩy hàn được phun vào mũi súng hàn Ngoài ra, mũi súngcòn được chà sát để loại bỏ vẩy hàn bám vào và cắt dây hàn.

Bộ định tâm: cảm biến cuối tay và quá trình căn chỉnh trọng tâm là những yếutố cơ bản để thực hiện thành công quá trình hàn tự động Cảm biến cuối tay dùng đểphát hiện vị trí thực tế của cạnh vật hàn so với khung rôbôt, từ đó tính ra chính xáctrọng tâm công cụ so với vật hàn

Rôbôt hoạt động dựa trên tín hiệu điều khiển từ CPU để điều khiển hoạt độngcủa động cơ mỗi trục, đảm bảo tâm súng hàn di chuyển đúng với quỹ đạo đã được lậptrình 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

- 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 bảo trì, sửa chữa

Trang 23

Máy hàn TIG có cả loại một chiều và xoay chiều Các máy hàn được thiết kếriêng cho từng mục đích khác nhau phụ thuộc vào vật liệu hàn và đặc tính hồ quangcần có.

Dòng một chiều: dòng một chiều sẽ có hai kiểu đấu dây là phân cực thuận vàphân cực nghịch (theo như quy ước trong hàn hồ quang) Tuy nhiên, trong hàn TIGchủ yếu là dùng phương pháp phân cực thuận Phân cực thuận là tạo hồ quang ổn định

1

2

3

4

Trang 24

hơn, chiều sâu thấu tốt hơn so với phân cực nghịch dẫn tới mối hàn ít bị ứng suất vàbiến dạng hơn, ít khi dùng trong hàn TIG do kiểu đấu dây này có nhược điểm là hồquang không ổn định, chiều sâu thấu kém và chóng mòn điện cực Ưu điểm duy nhấtcủa phương pháp này là tác động làm sạch lớp oxit trên bề mặt vật liệu, có tác dụng tốtkhi hàn các kim loại dễ bị oxy hóa như nhôm và magie Tuy nhiên hầu hết các kim loạikhác đều không cần.

Hình 2.8 Máy hàn TIG inverter Btec MMA 200

Dòng xoay chiều: Là sự kết hợp của cả phân cực thuận và phân cực nghịch Dođó khi ở vào nửa chu kì phân cực nghịch, nó cũng có tác dụng tẩy bỏ lớp oxit trên bềmặt Vì thế khi hàn các kim loại như nhôm, magie và đồng thanh berili Thường ưutiên 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 trìliên tục Các máy hàn TIG thông thường đều hoạt động trong phạm vi dòng điện từ 3Ađến 350A, với điện áp từ 10V đến 35V và hệ số tải là 60% Các máy hàn cao tần cóthể sử dụng với các nguồn điện AC và DC thông thường Nguồn AC phải có điện ápkhông tải 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

Trang 25

2.2.2 Máy hàn MIG/MAG

Hàn MIG là phương pháp hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ,điện cực chính là dây hàn nóng chảy, được cấp tự động vào vật hàn, môi trường là khítrơ 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

Hàn MAG hay còn gọi là hàn bán tự động bằng điện cực nóng chảy trong môitrường khí hoạt tính bảo vệ là CO2 CO2 khi hàn sẽ bị đốt nóng và tạo ra khí CO khônghòa tan trong kim loại (thép kết cấu) lỏng đặc biệt khi ở nhiệt độ cao nó dãn nở và dichuyển với tốc độ cao có tác dụng bảo vệ vùng hàn nóng chảy

Úng dụng:máy hàn MAG dùng để hàn các loại thép kết cấu có hàm lượngcacbon thấp và trung bình Ngoài ra với kết cấu có chiều dày lớn có thể còn dùng khítrộn (oxy, argon )

Hàn MIG - MAG sử dụng hồ quang được thiết lập giữa dây điện cực nóng chảyvà được cấp tự động vào chi tiết hàn Hồ quang này sẽ được bảo vệ bằng dòng khí trơhoặc khí có tính khử Sự cháy của hồ quang được duy trì nhờ các hiệu chỉnh đặc tínhđiện của hồ quang Chiều dài hồ quang và cường độ dòng điện hàn được duy trì tựđộng 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 hiệnđại có đường đặc tính V-A điều khiển điện tử sẽ được gọi là máy hàn MIG/MAG, cònmáy hàn mà chỉ ghi là hàn MIG hoặc MAG thì máy đó có đường đặc tính V-A khôngđổi và tương thích với hàn MIG hoặc MAG hơn, nhưng không có nghĩa là khôngtương thích cho trường hợp còn lại

Vậy nên mới có chuyện dùng khí CO2 làm khí bảo vệ trong trường hợp trên.Máy vẫn sử dụng bình thường, không có vấn đề gì cả Trong trường hợp này sẽ gọi làhàn MAG chứ không gọi là hàn MIG nữa (phân loại các phương pháp hàn theo loạikhí bảo 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

Trang 26

- Có thể thực hiện mối hàn dài mà không bị ngắt quãng.

- Giá thành thấp, năng suất cao

- Yêu cầu kỹ năng hàn thấp

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 tronglĩnh vực hàn là rất cần thiết Điều này không chỉ nâng cao năng suất, chất lượng sảnphẩm, còn giảm chi phí, tiết kiệm nguyên liệu trong quá trình sản xuất Tính an toàn

Trang 27

lao động cũng được đảm bảo Các hệ thống hàn tự động hầu như có thể thay thế ngườithợ, và có năng suất cũng như chất lượng cao hơn con người Nhưng cần phải lưu ýmột vấn đề hết sức quan trọng là đối với những loại hình sản phẩm như thế nào thì mớicó thể hàn tự động được và đạt được lợi ích lớn nhất trong quá trình tự động hóa Sửdụng rôbôt hàn để hàn những chi tiết lắp ghép với biên dạng hàn đơn giản như đườngthẳng, đường tròn cho chân bàn, chân ghế, khung cửa… là một điều không thiết thực.Một rôbôt hàn có thể làm nhiều và tốt hơn trong cách ngành công nghiệp nặng nhưđóng tàu, ô tô… Như vậy, chúng ta cần phải cân nhắc và tìm hiểu thấu đáo để lựa chọnloại hình hệ thống hàn tự động phù hợp với yêu cầu của nhà xưởng, doanh nghiệp củamình, 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 đườngthẳng, đường tròn, chúng em quyết định lựa chọn áp dụng hệ thống hàn tự động dựatrên nguyên lý CNC Bởi vì mô hình máy CNC có kết cấu đơn giản, dễ vận hành vàđược phổ biến rộng rãi Quan trọng là hệ thống hàn tự động này đáp ứng được yêu cầucủa đề tài

Trang 28

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 kỹthuật trong quá trình hàn

- Tính toán thiết kế các chi tiết của máy trực tiếp trên phần mềm thiết kế 3DSolidworks, xuất bản vẽ từng chi tiết, đồng thời đảm bảo khả năng chống va đập, mốinối 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 thuậttrong quá trình hàn

- Tìm hiểu về giải thuật điều khiển cho mô hình hàn tự động

- Thiết kế, lựa chọn mạch điều khiển, và lựa chọn ứng dụng phần mềm hỗ trợđiều khiển cho các trục của mô hình

- Tiến hành chạy thử nghiệm hoạt động của mô hình hàn tự động không tải

- Khảo sát nguyên lý hoạt động súng hàn của máy hàn từ đó thiết kế bộ phậnđiều khiển cho súng hàn

- Vận hành, khảo nghiệm hoạt động của mô hình hàn tự động, lập bảng số liệuđể đánh giá kết quả 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 NôngLâm Thành phố Hồ Chí Minh

- Đọc sách báo liên quan đến thiết kế, chế tạo và điều khiển mô hình CNC trongvà ngoài nước

Trang 29

- Xem các đoạn phim hướng dẫn trên internet.

- Tính toán mô hình hóa và mô phỏng để đánh giá chất lượng hệ thống và loạitrừ các lỗi thiết kế trên phần mềm Solidworks và Matlab

- Tiến hành thực nghiệm, đo đạc, vẽ đồ thị, phân tích và hiệu chỉnh dựa trênphần mềm

3.2.1.2 Phương pháp thực hiện

- Bàn gá phôi và mỏ hàn chuyển động thông qua cơ cấu truyền động vít-me vàđộng cơ bước

- Mỏ hàn được kích hoạt nhờ relay điều khiển bởi Arduino Nano

- Động cơ điều khiển bằng mã Gcode thông qua phần mềm ứng dụng bCNC gửitín hiệu qua Arduino

3.2.2 Phương tiện nghiên cứu

- Tính toán thiết kế các chi tiết máy và lắp ghép dựa trên phần mềm mô phỏng3D Solidworks, xuất ra bản vẽ của từng chi tiết, đồng thời đảm bảo hệ thống làm việctốt không va chạm, khớp nối chắc chắn, đáp ứng được yêu cầu đặt ra

- Các trang thiết bị được mua từ bên ngoài và một phần hỗ trợ của giáo viênhướng dẫn, cùng với các thiết bị máy móc được hỗ trợ từ khoa cơ khí trường Đại họcNông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh

- Tìm hiểu máy hàn bán tự động Migweld280SEF của khoa cùng với các yêucầu kỹ thuật khi hàn, từ đó kết hợp với mô hình máy CNC

3.3 Một số linh kiện sử dụng trong đề tài

3.3.1 Arduino Uno R3

Arduino Uno có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,ATmega168, ATmega328 Arduino Uno có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổngUSB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵnnguồn từ cổng USB

Arduino Uno có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chânđều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 Mộtsố chân digital có các chức năng đặc biệt như hình 3.1:

Trang 30

Hình 3.1 Vi điều khiển Arduino Uno R3

- 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive

– RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây.Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10 và 11, cho phép xuất ra xung PWM với độ phângiải 8bit bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh đượcđiện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V nhưnhững chân khác

- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài cácchức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thứcSPI với các thiết bị khác

- LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấmnút Reset, đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân nàyđược người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

Trang 31

3.3.2 CNC Shield V3

Hình 3.2 Mạch CNC Shiled V3

Arduino CNC Shield V3 là board mở rộng của Arduino Uno R3 dùng để điềukhiển các máy CNC mini Board có khay dùng để cắm các module A4988 điều khiểnđộng cơ bước, khi đó board có thể điều khiển 3 trục X,Y, Z và thêm một trục thứ 4 tùychọn trên các máy CNC mini

Đặc điểm nổi bật:

- Tương thích GRBL (mã nguồn mở chạy trên Arduino Uno R3 để điều khiểnCNC mini)

- Hỗ trợ lên tới 4 trục (trục X, Y, Z và một trục thứ tư tùy chọn)

- Hỗ trợ tới 2 Endstop (cảm biến đầu cuối) cho mỗi trục

- Tính năng điều khiển trục chính

- Tính năng điều khiển dung dịch làm mát khi máy hoạt động

- Sử dụng các mô đun điều khiển động cơ bước, giúp tiết kiệm chi phí khi thaythế, nâng cấp

- Thiết lập độ phân giải bước động cơ bằng bước nhảy đơn giản

- Thiết kế nhỏ gọn, các đầu nối tiêu chuẩn thông dụng

- Điện áp nguồn cấp đa dạng từ 12V tới 36V

3.3.3 Driver A4988.

Động cơ bước có nhiều cách điều khiển Có thể điểu khiển các dây trực tiếp qua

4 cổng MCU thông qua driver đệm công suất Cách thông dùng nhất là dùng driverchuyên dụng điều khiển động cơ bước Các driver hay gặp nhất là TB6560, TB6600,

Định dạng
Số trang	63
Dung lượng	5,35 MB
File đính kèm	Báo cáo khóa lu_n.rar (5 MB)