Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy hàn lưới thép điều khiển CNC dùng cho ngành xây dựng

Một trong những sản phẩm đó là máy hàn lưới thép Mục tiêu tổng quát nhất của đề tài « Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy hàn lưới thép điều khiển CNC dùng cho ngành xây dựng » là: Tron

Bộ công thương

Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Báo cáo tổng kết đề tài M∙ số : 135.10.rd/hd-khcn

Tên đề tài:

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy hàn lưới thép điều khiển CNC dùng cho ngành xây dựng

Cơ quan chủ trì: Chủ nhiệm đề tài:

Ts Nguyễn Đức Minh Ths Trần Thị Kim Quế

9066

Hà Nội, 2011

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN

Chủ nhiệm đề tài

Ths Trần Thị Kim Quế

Chủ nhiệm đề tài Viện IMI

Ths Quản trị

KD Ks.Cơ khí

Ks Nguyễn Hữu Tú Nghiên cứu viên

Viện IMI Ks Cơ khí

Ks Phan Thanh Bình Nghiên cứu viên

Viện IMI Ks Cơ khí

Ks Nguyễn Tiến Hùng Nghiên cứu viên

Viện IMI

Ks Tự động hóa

Ks Lê Điệp Anh Nghiên cứu viên

Viện IMI

Ks Tự động hóa

Ks Nguyễn Tuấn Anh Nghiên cứu viên

Viện IMI

Ks Điện- điện

tử

TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Viện IMI là cơ sở nghiên cứu, thiết kế máy và thiết bị, các sản phẩm của Viện nhất

là những sản phẩm Mechatronic có giá trị cao phục vụ cho nhu cầu của xã hội, đặc biệt trong các ngành xây dựng, giao thông Một trong những sản phẩm đó là máy hàn lưới thép

Mục tiêu tổng quát nhất của đề tài « Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy hàn lưới

thép điều khiển CNC dùng cho ngành xây dựng » là:

Trong báo cáo tổng kết này đã trình bày đầy đủ các nội dung cơ bản nhất, bao gồm cả những lý luận về sản phẩm, phương pháp luận khi giải quyết các vấn đề về công nghệ, các giải pháp kỹ thuật

Phần 1: Nghiên cứu tổng quan và khả năng công nghệ chế tạo máy hàn lưới thép

ở Việt nam

• Tình hình máy và thiết bị trong nghành sản xuất lưới thép

• Khả năng chế tạo máy sản xuất lưới thép nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm

• Đánh giá khả năng công nghệ chế tạo trong nước liên quan đến sản xuất máy hàn lưới thép

• Lựa chọn máy mẫu từ đó lựa chọn máy được thiết kế ra đảm bảo thuận tiện, dễ sử dụng đáp ứng được sản xuất trong nước

Phần 2: Thiết kế máy

• Cơ sở lý thuyết và thực tiễn để thiết kế máy

• Phần tính toán thiết máy

• Phần điện và điều khiển máy

• Quy trình công nghệ chế tạo, lắp ráp và kiểm tra

• Đánh giá kết quả và các định hướng phát triển thị trường

Đây là mục khi viết không nhìn nhận từ góc độ tổng kết học thuật mà được nhìn nhận từ góc độ kinh tế của đề tài

Phần 3: Kết luận và kiến nghị

Trình bày những kết luận rút ra sau khi thực hiện xong đề tài, các kiến nghị của các cán bộ kỹ thuật tham gia đề tài

Phần phụ lục: Trình bày tất cả các văn bản liên quan, các biên bản kiểm tra, các bản

vẽ thiết kế cơ khí, điện, các chuyên đề, các bài báo…

Báo cáo tổng kết được trình bày luôn bám sát với thực tế trong quá trình thực hiện công việc thiết kế và chế tạo máy Khi thiết kế các cụm chi tiết có phân tích, cất nhắc

kỹ lưỡng, hội tụ tính kinh tế kỹ thuật và khả năng công nghệ Trong từng phần của báo cáo đều có bản vẽ, các hình ảnh thực tế minh họa được trình bày bổ sung trong phần phụ lục

MỤC LỤC

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN 3

TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 4

MỤC LỤC 6

BẢNG KÝ HIỆU 8

LỜI NÓI ĐẦU 9

CÁC NỘI DUNG CHÍNH 11

I CÁC NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ KHẢ NĂNG CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM 11

I.1 Tình hình máy và thiết bị trong ngành sản xuất lưới thép ở ngoài nước: 11

I.2 Tình hình máy và thiết bị trong ngành sản xuất lưới thép ở trong nước : 14

II THIẾT KẾ MÁY 16

II.1 Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho thiết kế máy hàn lưới 16

II.1.1 Yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm 16

II.1.2 Tổng quan về hàn tiếp xúc 18

II.1.3 Công nghệ hàn tiếp xúc áp dụng cho máy hàn lưới thép 19

II.2 Tính toán thiết kế 22

II.2.1 Tính toán công suất động cơ xe hàn 22

II.2.1.1 Xác định tốc độ di chuyển của xe hàn 22

II.2.1.2 Tính công suất động cơ xe hàn 23

II.2.1.3 Tính momen phát động đạt gia tốc 24

II.2.2 Tính toán công suất động cơ xe kéo lưới 25

II.2.2.1 Xác định tốc độ di chuyển của xe kéo lưới 23

II.2.2.2 Tính lực cần thiết di chuyển xe kéo lưới 26

II.2.2.3 Tính momen phát động đạt gia tốc 26

II.3 Tính toán hệ thống khí nén 28

II.3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển khí nén 28

II.3.1.1 Ưu nhược điểm hệ thống điều khiển khí nén 29

II.3.1.3 Sơ đồ hệ thống khí nén của máy hàn lưới 31

II.3.1.4 Mô tả hoạt động của hệ thống khí nén: 32

II.3.1.5 Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển khí nén 33

II.3.1.6 Sơ đồ chức năng 36

II.3.2.Tính toán hệ thống khí nén: 37

II.3.2.1 Tính toán lưu lượng 37

II.3.2.2 Tính toán áp suất tác động đến xi lanh 39

II.4.1 Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển dòng hàn cường độ lớn 40

II.4.1.1 Các cơ sở lý thuyết và thực nghiệm 40

II.4.1.2 Điều khiển quá trình hàn tự động 40

II.4.1.3 Chống nhiễu 42

II.4.1.4 Tích hợp các yếu tố công nghệ 44

II.4.1.5 Điều chỉnh thời gian hàn 45

II.4.1.6 Mạch điều khiển góc mở Thyristor 48

II.4.1.8 Lưu đồ thuật toán điều khiển 54

II.5 Lựa chọn bộ điều khiển CNC 55

II.5.1 Bộ điều khiển MC Quad (hãng Softservo - Mỹ) 55

II.5.2 Bộ điều khiển 802C (hãng Siemens - Đức) 56

II.5.3 Kết nối 802C với hệ thống 60

II.5.4 Thông báo lỗi khi máy gặp sự cố 63

II.5.5 Kết quả của nghiên cứu 63

II.6 Quy trình công nghệ chế tạo một số cụm và chi tiết chính, điển hình 63

II.6.1 Khung máy của máy hàn – Bản vẽ : 01-104 65

II.6.1.1 Tính năng làm việc và yêu cầu kỹ thuật 65

II.6.1.2 Trình tự gia công 68

II.6.2 Cụm tiếp điện hàn 72

II.6.2.1 Tính năng làm việc và yêu cầu kĩ thuật 72

II.6.2.2 Trình tự gia công 74

II.6.3 Tiếp điện – Bản vẽ 01-143 80

II.6.3.1 Tính năng làm việc và yêu cầu kỹ thuật 80

II.6.3.2 Trình tự gia công 81

II.6.4 Khung máy xe kéo lưới– Bản vẽ 02-101 84

II.6.4.1 Tính năng làm việc và yêu cầu kĩ thuật 84

II.6.4.2 Trình tự gia công 85

II.6.5 Cơ cấu kéo nan lưới 86

II.6.5.1 Tính năng làm việc và yêu cầu kỹ thuật 86

II.6.5.2 Trình tự gia công 87

II.7 Qui trình lắp ráp và kiểm tra 87

II.7.1 Qui trình lắp ráp máy hàn lưới 87

II.7.1.1 Lắp ráp cụm chi tiết của máy hàn lưới – 01-000 87

II.7.1.2 Lắp ráp cụm xe kéo lưới – 02-000 93

II.7.1.3 Lắp dàn con lăn đỡ nan và đỡ sản phẩm – 04-000 và 05-000 94

II.7.1.4 Lắp ráp tổng thể 95

II.7.2 Qui trình kiểm tra máy hàn lưới và các cụm 95

II.7.2.1 Qui trình kiểm tra máy hàn lưới 95

II.7.2.2 Kiểm tra hoạt động các cụm chi tiết 99

II.8 Định hướng và phát triển thị trường 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102

KẾT LUẬN 103

KIẾN NGHỊ 104

LỜI CẢM ƠN 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

PHỤ LỤC 107

J1, J2, J3 – Mômen quán tính của tiết diện vật thể kg.m2

MG – Mômen quán tính thay thế của xe hàn Nm

n – Số vòng quay v/ph

LỜI NÓI ĐẦU

Đề tài xuất phát từ: Hợp đồng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ

Các thông tin chính liên quan đến đề tài như sau:

Họ và tên: Trần Thị Kim Quế

Học hàm/ học vị: Thạc sĩ quản trị kinh doanh- Kỹ sư cơ khí

Chức danh khoa học

Điện thoại: CQ: 043 8351002 NR: 043 35112971 Fax:043 8344975 Mobile: 0903447994

E mail: quetrankim@gmail.com

Địa chỉ cơ quan: 46 Láng Hạ - Đống Đa – Hà Nội

Địa chỉ nhà riêng: Số nhà 15 Ngõ 26, phố Hoàng Cầu, Đống đa, Hà nội

8 Cơ quan chủ trì đề tài

Tên tổ chức KH&CN: Công ty trách nhiệm hữu hạn một thành viên

Viện máy và Dụng cụ Công nghiệp Điện thoại:043 8351009/ 043 8351010 Fax:043 8344975

E mail: imi@hn.vnn.vn

Căn cứ theo hợp đồng số 135.10.RD/HĐ-KHCN giữa bên A là Vụ Khoa học và Công nghệ và Văn phòng - Bộ Công Thương và bên B là Công ty trách nhiệm hữu hạn một

thành viên Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp

Theo nội dung của hợp đồng thì bên B sẽ phải hoàn thành các sản phẩm khoa học công nghệ sau:

1 Tổng quan về máy hàn lưới thép trong ngành xây dựng Phân tích lựa chọn sản phẩm

2 Nghiên cứu thiết kế kỹ thuật máy hàn lưới thép và các chi tiết

3 Xây dựng qui trình công nghệ chế tạo các cụm và chi tiết điển hình

4 Lập qui trình lắp ráp các cụm và lắp ráp tổng thể

5 Xây dựng chương trình cài đặt và điều khiển CNC

6 Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển dòng hàn có cường độ lớn

Mục tiêu của đề tài:

- Làm chủ kỹ thuật thiết kế, công nghệ chế tạo máy sản xuất lưới thép cho ngành xây dựng

- Tạo ra mẫu thiết kế mới cho máy hàn lưới thép, chất lượng cao phục vụ cho ngành xây dựng

- Chế tạo hoàn chỉnh 01 bộ điều khiển nguồn hàn công suất lớn ( cho công nghệ hàn tiếp xúc)

CÁC NỘI DUNG CHÍNH

I CÁC NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ KHẢ NĂNG CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM

I.1 Tình hình máy và thiết bị trong ngành sản xuất lưới thép ở ngoài nước:

Hiện nay trên thế giới tự động hóa đã đi vào hầu hết các lĩnh vực, gần đây phát triển mạnh lĩnh vực tự động hóa trong xây dựng đã góp phần không nhỏ trong việc nâng cao chất lượng và tiến độ thi công các công trình

Ở các nước công nghiệp phát triển việc sản xuất các cấu kiện bê tông, tất cả các khâu từ trộn bê tông, gia công cốt thép, gia công các cấu kiện, lấy sản phẩm, ghép nối, sửa chữa các cấu kiện bê tông đều đã được tự động hóa Có thể kể các trạm trộn bê tông có năng suất cao, chất lượng tốt hoàn toàn tự động, thay đổi mác bê tông dễ dàng Các thiết bị đúc bê tông bằng phương pháp rung ép cho ra các sản phẩm chất lượng đồng đều, năng suất cao, các thiết bị gia công chính xác các mối lắp ghép tạo điều kiện cho khâu thi công được nhanh chóng, đem lại hiệu quả cao Khâu gia công cốt thép của các loại bê tông là một khâu quan trọng cũng đã được cơ khí hóa, rất nhiều loại thiết bị đã được chế tạo ra để phục vụ cho việc sản xuất cốt thép với năng suất và chất lượng cao như các máy hàn cốt thép của các chi tiết dạng ống, hộp, các máy sản xuất lưới thép, máy hàn lưới thép để phục vụ cho các tấm sàn, làm cống hộp

Ngành công nghiệp này hiện tại đang rất phát triển ở nhiều nước như Cộng hòa Liên bang Đức, USA, Trung quốc, Ấn độ, Đài loan các loại máy này phần lớn đều sử dụng nguyên lý hàn điện trở tiếp xúc

Sử dụng phương pháp hàn tiếp xúc kết hợp với điều khiển các cơ cấu cơ khí khác nhau tạo ra các loại thiết bị với các mức độ tự động để gia công lưới thép dùng làm cốt thép cho các loại cấu kiện bê tông đã nâng cao năng suất và chất lượng các cấu kiện bê tông

Hình 1- Thiết bị hàn lưới thép dạng tấm phẳng

Hình 2 Máy hàn lưới bán tự động kiểu MSM – Cộng hòa Liên bang Đức

Hình 3 Máy hàn lưới Hebei Hengshui – China

Máy hàn lưới dùng để hàn các thanh thép thành lưới để làm cốt thép cho các cấu kiện

bê tông được nhiều nước chế tạo có thể kể ra các nước sản xuất nhiều thiết bị trên như Đức, Italy, USA, Trung quốc, Hàn quốc… Các thiết bị trên đều sử dụng nguyên lý hàn điện trở tiếp xúc, việc cấp điện khi hàn có thể dùng nhiều biến áp hàn như của Trung quốc, Hàn quốc, USA… hay chỉ cần 01 biến áp hàn được đặt trên xe hàn di chuyển đi lại như máy MSM – Cộng hòa Liên bang Đức

Về mặt điều khiển các máy sử dụng điều khiển PLC chiếm phần lớn, Các máy sử dụng điều khiển CNC với những tính năng nổi trội là các máy của Cộng hòa Liên bang Đức

mà tiêu biểu máy MSM, dùng bộ điều khiển CNC của hãng Siemen Sử dụng điều khiển CNC giá thành cao hơn điều khiển PLC nhưng dễ dàng kết hợp với công nghệ hàn, trong việc tự động hóa, việc sử dụng không phụ thuộc vào tay nghề của người lao động, tính linh hoạt cao trong thay đổi các thông số công nghệ, thay đổi loại sản phẩm

Cách thứ nhất cho năng suất cao, kết cấu cơ khí đơn giản nhưng đòi hỏi chi phí cho biến áp hàn và nguồn cấp điện lớn nên chỉ có thể sử dụng ở những nhà máy có qui mô vừa và lớn

I.2 Tình hình máy và thiết bị trong ngành sản xuất lưới thép ở trong nước :

Ở Việt Nam hiện tại việc sản xuất bê tông đã được hiện đại hóa nhiều khâu như: trộn

bê tông, đúc bê tông Hiện tại đã có nhưng nhà máy nhập các dây chuyền sản xuất đồng bộ đạt tiêu chuẩn quốc tế để sản xuất lưới thép hàn như Công ty Cổ phần thép Vân Thái-Vinashin, công ty TNHH thép XD & lưới hàn TOÀN TÂM…

Hình 4 Sản phẩm lưới thép sản xuất bằng máy hàn lưới thép

Các ưu điểm khi sử dụng lưới thép hàn

• Tiết kiệm tối đa thời gian thi công và giám sát công trình

• Tiết kiệm nguyên vật liệu, giảm chi phí thi công

• Tiết kiệm nhân công thi công công trình

• Chất lượng các tấm lưới đảm bảo chắc chắn, đồng đều

nhưng còn nhiều cơ sở sản xuất lưới thép không có đủ khả năng tài chính nên vẫn phải làm bằng phương pháp thủ công, hiện còn chiếm tỉ lệ cao nên ảnh hưởng tới

Việc chế tạo cốt thép cho các cấu kiện bê tông bằng phương pháp thủ công

có rất nhiều nhược điểm:

• Năng suất rất thấp, tốn nhiều nhân công do có nhiều nguyên công như: nắn thép, cắt thép, uốn theo hình dạng, kích thước, buộc hoặc hàn liên kết các nan , người lao động làm việc rất vất vả, cực nhọc

• Chất lượng cốt thép kém do phụ thuộc nhiều vào tay nghề của công nhân

Hiện tại trong nước ta cũng có một vài cơ sở sản xuất đã chế tạo máy hàn lưới nhưng mới ở mức độ đơn giản, hàn các tấm lưới với kích thước nhỏ và đường kính dây lưới nhỏ phục vụ cho nhu cầu tiêu dùng nên khả năng ứng dụng trong công nghiệp còn hạn chế, cũng như năng lực sản xuất với qui mô chưa đủ đáp ứng nhu cầu của xã hội như máy hàn lưới do công ty Tân Thành sản xuất Máy hàn lưới của Công ty Tân Thành sử dụng điều khiển PLC

Hình 5 Máy hàn lưới - Công ty Tân Thành

II THIẾT KẾ MÁY

II.1 Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho thiết kế máy hàn lưới

Lưới thép là sản phẩm được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, giao thông- làm các tấm sàn, hàng rào, cốt thép cho các loại cống hộp… Lưới thép được tạo bởi các nan dọc và nan ngang,khoảng cách giữa các sợi thép đồng đều, đúng theo yêu cầu; diện tích mặt cắt ngang luôn được đồng nhất Việc hàn các sợi thép thực hiện bằng công nghệ hàn hàn tiếp xúc, điện cực có áp lực làm nóng chảy các sợi thép và dính vào nhau tạo thành một mặt cắt đồng nhất mà không giảm cường độ và diện tích chịu lực yêu cầu.

Nhóm đề tài sau quá trình nghiên cứu sản phẩm đã chọn cốt thép của các loại cống hộp làm đối tượng điển hình để nghiên cứu chế tạo máy hàn lưới Sản phẩm này đang được các nhà máy chế tạo cống hộp sử dụng rộng rãi, các loại cống hộp đã được ngành giao thông qui chuẩn dùng trong hệ thống thoát nước của các công trình nên máy hàn lưới sau khi chế tạo xong có địa chỉ ứng dụng ngay

Kích thước của tấm lưới của cốt thép cống hộp có chiều rộng bằng chiều rộng của cốt thép cống hộp, chiều dài bằng chu vi cốt thép của cống hộp Sau khi đã hàn xong tấm lưới được uốn thành hộp theo bản vẽ của cống hộp tương ứng

Như đã phân tích ở phần “CÁC NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ KHẢ NĂNG CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM” nhóm đề tài đã chọn lấy máy mẫu để thiết kế là máy MSM- Cộng hòa Liên bang Đức có thay đổi để phù hợp với trình độ công nghệ và thiết

bị chế tạo máy của nước ta Phần điều khiển máy dùng bộ điều khiển CNC của Siemen 802C đáp ứng được các yêu cầu công nghệ của máy hàn lưới với giá thành hợp lý

II.1.1 Yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm

Tiêu chuẩn của các loại cống hộp một ngăn

Kích thước các loại cống hộp một ngăn Bảng 1

Kích thước Loại cống

800x800 800 800 100 100 2000 2085 40 50 50 381000x1000 1000 1000 120 120 2000 2085 50 60 60 481200x1200 1200 1200 120 120 2000 2085 50 60 60 481500x1500 1500 1500 160 160 2000 2085 70 80 88 601600x1600 1600 1600 160 160 2000 2085 70 80 88 601600x2000 2000 1600 200 200 2000/1500 2085 80 110 98 902000x2000 2000 2000 200 200 2000/1500 2085 80 110 98 90

Hình 6 Bản vẽ sản phẩm

Bê tông có cường độ nén fc = 25 (MPa) (mác 300 theo TCVN 6025 – 1995) Cốt thép: Lưới thép cácbon thấp kéo nguội có giới hạn chảy fchảy = 500 (MPa) Đường kính cốt thép kéo nguội: φD: 7 ÷ 11mm

Giới hạn chảy cực tiểu Rmin p0,2 = 500 (MPa )

Giới hạn bền kéo Rm = 550 (MPa )

Độ dãn dài tương đối ε = 12%

Uốn nguội: 1800 (d = a)

Mặt cốt thép không có vết nứt, dập, xoắn, vẩy sắt dầu mỡ

Sai số đường kính của (dây làm ) cốt thép ± 0,2 mm

Diện tích của cốt thép không nhỏ hơn so với thiết kế 5%

Cường độ của cốt thép không nhỏ hơn so với thiết kế 5%

Kích thước ống

800x800-2000; 1000x1000-2000; 1200x1200-2000; 1500x1500-2000;

1600x1600-2000; 1600x2000-2000; 2000x2000-2000

II.1.2 Tổng quan về hàn tiếp xúc

Hàn điểm tiếp xúc là một phương pháp liên kết (join) vật liệu, trong đó lượng nhiệt dùng cho mối hàn được sinh ra do dòng điện truyền qua điện trở vật liệu được hàn

Dòng điện được biến áp hàn cung cấp và tập trung bằng một bộ (đôi) điện cực

Bộ đôi điện cực này cũng định vị hai tấm kim loại được hàn nhằm duy trì tiếp xúc tốt giữa chúng (về mặt tiếp xúc điện) và được ép với nhau bằng một áp lực hợp lý để phần kim loại nóng chảy được giữ trên bề mặt hàn

Với các vật liệu bằng thép nguồn cấp năng lượng thường là dòng điện xoay chiều

và thời gian dòng điện chạy qua thường được đo bằng số chu kỳ của dòng xoay chiều Các tham số chính của quá trình là: cường độ dòng điện, số chu kỳ của dòng điện, áp lực của điện cực lên vật hàn và các thuộc tính của điện cực (ví dụ: hình dáng điện cực, vật liệu làm điện cực)

Việc điều khiển các giá trị dòng điện, thời gian hàn bằng máy tính, các mối hàn

có chất lượng tốt, cho năng suất cao, chi phí lao động thấp, không đòi hỏi tay nghề của công nhân

Thao tác hàn tiếp xúc bao gồm sự sử dụng đồng thời của cường độ dòng điện và thời gian dòng điện chạy qua Dòng điện này phải chạy qua một mạch kín, sự liên tục của

nó được đảm bảo bởi áp lực tác dụng vào các điện cực để cung cấp cường độ dòng điện cần thiết

Toàn bộ các bước tiếp theo nhằm cung cấp lượng nhiệt cần thiết để tăng thể tích tiếp xúc của kim loại dưới áp lực, đạt tới nhiệt độ mà tại đó kim loại nóng chảy hoặc bắt đầu nóng chảy, nhưng nhiệt độ không được quá cao để phần kim loại nóng chảy này bị

ép ra khỏi vùng được hàn

Tốc độ nâng và hạ nhiệt phải đủ nhanh để có được tốc độ hàn “kinh tế” nhưng cũng không được quá nhanh để tránh làm mối hàn giòn Tốc độ nâng và hạ nhiệt cùng với thời gian giữ nhiệt được xác định dựa vào các thuộc tính của kim loại được hàn và khả năng cho phép của thiết bị có sẵn

Lượng nhiệt cần thiết cho bất kỳ quá trình hàn tiếp xúc nào cũng được tạo ra nhờ điện trở tại vị trí tiếp xúc, khi có dòng điện chạy qua điểm được hàn, cùng một cơ chế như các thiết bị đốt nóng bằng điện Lượng nhiệt sinh ra phụ thuộc vào ba yếu tố, ảnh hưởng của ba yếu tố này được biểu diễn bằng công thức dưới đây

Qn = I2.R.t Trong đó:

Qn – Lượng nhiệt sinh ra (J) R – Là điện trở của điểm làm việc (Ω)

I – Là cường độ dòng điện (A) t – Thời gian dòng điện chạy qua (s) Chu trình hàn được chia thành 4 hoặc 5 giai đoạn: giai đoạn nén, giai đoạn gia nhiệt ban đầu, giai đoạn hàn, giai đoạn gia nhiệt sau hàn, giai đoạn giữ và tắt

Các giai đoạn này được biểu diễn ở hình dưới Thời gian được biểu diễn bằng chu kỳ, mỗi chu kỳ có giá trị 1/50 của giây

Hình 7: Các giai đoạn hàn

II.1.3 Công nghệ hàn tiếp xúc áp dụng cho máy hàn lưới thép

Công nghệ hàn tiếp xúc dựa trên nguyên lý biến đổi điện năng thành nhiệt năng làm

điện cực bằng một biến áp cách ly Dòng điện hàn sinh ra trong cuộn thứ cấp của biến

áp là rất lớn

Đối với hàn hồ quang dòng điện hàn trung bình khoảng 1500A, đối với hàn điện trở tiếp xúc dòng điện hàn có thể lên tới 20.000A

Khi hàn điện trở tiếp xúc tại mỗi điểm hàn thời gian hàn chỉ xảy ra trong khoảng

từ 20 – 120ms, trong thời gian đó dòng hàn cũng luôn biến đổi do liên tục có sự thay đổi điện trở tại điểm hàn

Các yếu tố bất thường của dòng điện trong thiết bị hàn rất dễ ảnh hưởng tới các thiết bị điện tử, đặc biệt là các thiết bị điều khiển số Các thiết bị điện tử thông thường chỉ làm việc với điện áp thấp (không quá 5V) Do đó chỉ cần một xung nhiễu với biên

độ 1mV đó có thể làm sai lệch các giá trị điều khiển

Tích hợp điều khiển các yếu tố công nghệ hàn vào bộ điều khiển dòng điện hàn

Các yếu tố công nghệ hàn bao gồm : cường độ dòng hàn, thời gian hàn, lực ép, thời điểm bật dòng hàn Để đáp ứng khả năng thay đổi sản phẩm linh hoạt cần phải tích hợp điều khiển được các yếu tố công nghệ này thông qua bộ điều khiển dong điện hàn

Máy hàn lưới thép được thiết kế và chế tạo để hàn lưới thép cho cống hộp

Trình tự sản xuất lưới tiến hành như sau :

Các nan dọc được nắn thẳng, cắt theo chiều dài yêu cầu và người thợ nạp bằng tay vào máy, khoảng cách các nan dọc được định sẵn theo yêu cầu của lưới thép Các nan ngang từ lô nhả dây qua máy nắn thẳng , nạp vào máy và được cắt theo khổ ngang của lưới Hệ thống xi lanh với các điện cực kẹp chặt các nan dọc với nan ngang tại các nơi giao nhau( nút lưới) xe hàn từ đầu bên trái di chuyển tiến hành hàn các thanh nan dọc

và ngang với nhau Xe hàn chạy đến đầu bên phải dừng lại, các xi lanh kẹp nhấc lên, xe kéo lưới tiến vào, các xi lanh móc lưới hoạt động, xe kéo lưới lùi ra bằng bước ngang của lưới Các xi lanh kẹp nan hoạt động, xe hàn lại di chuyển, việc hàn được tiếp tục Quá trình này được thực hiện đến khi hết chiều dài của nan dọc, lưới được hàn xong

II.2 Tính toán thiết kế

II.2.1 Tính toán công suất động cơ xe hàn

II.2.1.1 Xác định tốc độ di chuyển của xe hàn

Căn cứ theo yêu cầu công nghệ hàn tiếp xúc thời gian hàn thàn có giá trị bằng 5 ÷

20 chu trình (1 chu trình = 1/50Hz = 0,02s)

Vậy thời gian hàn cho 01 mối hàn là:

thàn = 0,1 ÷ 0,4 (s) Với loại lưới thép có khổ rộng 2000mm và 20 nan thời gian cần cho hàn là:

Tốc độ được thay đổi bằng biến tần

II.2.1.2 Tính công suất động cơ xe hàn

Khối lượng xe hàn m = 600 (kg) ( tính cả biến áp hàn)

Tốc độ di chuyển nhanh vmax = 1m/s= 60 000 (mm/ph); tốc độ vòng quay của bánh xe của xe hàn ứng với vmax

)/(159120

Tỷ số truyền của hộp giảm tốc imax = nđc/n bx = 1450/159= 9,19

Tốc độ di chuyển vmin = 0.2m/s= 12 000 (mm/ph); tốc độ vòng quay của bánh xe của

xe hàn ứng với vmin

31,8( / )

120

Thay đổi tốc độ dịch chuyển bằng biến tần hoặc động cơ servo moto

Lực cần thiết khi di chuyển xe hàn

Q

Q T

2)

202,008,0.(

600.81,9)

(

R

Q G

II.2.1.3 Tính momen phát động đạt gia tốc

Mômen phát động đạt gia tốc của xe hàn bao gồm

MS = 0,33 + 8.0 + 14,13 = 22,46 (Nm)

Mômen dịch chuyển xe hàn

MF = F.R = 235,44 x0,06 = 14,13 (Nm) [ 5 ] Mômen quán tính thay thế của xe hàn

)(006,0159

1.4

600

.4

2 2

2

kgm N

ν

)/(5,553.0.60

159 2.60

π

Jhgt = 0,04( )

32

16,0.08,0.7850.32

kgm D

L

=

ρπ

)/(5,553.0.60

159 2.60

N = M.ω = M.2π.n = 22.46.2.π.159/60 = 374 (W)

Công suất động cơ để dịch chuyển xe hàn

Nđc = 498( )

75,0

II.2.2 Tính toán công suất động cơ xe kéo lưới

II.2.2.1 Xác định tốc độ di chuyển của xe kéo lưới Giá trị di chuyển của xe kéo lưới sẽ ảnh hưởng tới năng suất của sản phẩm Nếu chọn tốc độ lớn công suất động cơ sẽ lớn , giá thành cao, ta chọn tốc độ V = 0.3 (m/s) tương đương với tốc độ của các xi lanh khí nén, việc thay đổi tốc độ này được thực hiện thay

đổi tốc độ động cơ servo

dc b

n i

n

Chọn hộp giảm tốc i = 50

II.2.2.2 Tính lực cần thiết di chuyển xe kéo lưới

Khối lượng của xe kéo lưới (xe+ hộp giảm tốc+ động cơ) m =250 (kg)

Lực cần thiết để di chuyển xe

Q

Q T

II.2.2.3 Tính momen phát động đạt gia tốc

Mômen phát động đạt gia tốc của xe kéo lưới bao gồm:

MS =88,17 + 1,443 + 247,25 +0.375 =337,24 (Nm)

Mômen dịch chuyển xe kéo lưới

Mụmen quỏn tớnh thay thế của xe kộo lưới

kgm D

L

=

ρπ

∆

Trong đó: ∆t – Thời gian thay đổi gia tốc, ∆t = 0,5(s)

Công suất cần thiết để dịch chuyển xe kộo lưới

II.3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển khí nén

Hệ thống điều khiển khí nén bao gồm các phần tử điều khiển và cơ cấu chấp hành được kết nối với nhau thành hệ thống hoàn chỉnh để thực hiện nhiệm vụ theo yêu cầu

Hình 11 Hệ thống điều khiển khí nén Tín hiệu đầu vào: công tắc hành trình, cảm biến

Phần xử lý thông tin:

Xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc nhất định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển bao gồm các van logic, Yes, No, And, Or…

Phần tử điều khiển:

Điều khiển dòng năng lượng (áp suất, lưu lượng) theo yêu cầu thay đổi trạng thái

cơ cấu chấp hành ba gồm van giảm át, van tiết lưu, van đảo chiều…

Năng lượng điều khiển:

Gồm phần thông tin và phần công suất

Phần thông tin: điện tử , điện cơ, khí nén, quang học

Phần công suất:

Điện: công suất nhỏ, điều khiển dễ, hoạt động nhanh

Khí: công suất vừa, quán tính, tốc độ cao

II.3.1.1 Ưu nhược điểm hệ thống điều khiển khí nén

Ưu điểm

-Số lượng dự trữ: Số lượng không khí không hạn chế

-Có khả năng truyền tải năng lượng xa bởi vì độ nhớt động học khí nén nhỏ, tổn thất trên đường dẫn ít

-Chống cháy nổ

-Sạch sẽ không gây ô nhiểm

-Thay đổi vận tốc linh hoạt, điều chỉnh vô cấp vận tốc

-Sự quá tải không gây hư hại

-Giá thiết bị rẻ

-Độ tin cậy khá cao, ít trục trặc kĩ thuật

Nhược điểm

-Thời gian đáp ứng chậm so với thiết bị điện tử

-Khả năng lập trình kém vì cồng kềnh so với thiết bị điện tử, chỉ điều khiển theo

chương trình có sẵn

-Khả năng tích hợp hệ điều khiển phức tạp và cồng kềnh

-Lực truyền tải trọng thấp

-Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn gây ra tiếng ồn

-Không điều khiển được quá trình trung gian giữa hai ngưỡng

II.3.1.2 Phạm vi ứng dụng của hệ thống điều khiển khí nén

Hệ thống điều khiển khí nén được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực trong môi trường nguy hiểm, dễ xảy ra cháy nổ, các đồ gá kẹp các chi tiết nhựa hoặc chất dẻo hoặc sử dụng trong ngành cơ khí cấp phôi gia công hoặc trong môi trường vệ sinh công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm như rửa bao bì tự động, chiết nước vô chai…, trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của các băng tải, thang máy công nghiệp, thiết bị lò hơi, đóng gói, bao bì, in ấn, phân loại trong công nghiệp hóa chất y khoa và sinh học và đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa nó được sử dụng trong các máy CNC

Căn cứ vào ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng điều khiển khí nén, vào yêu cầu của công nghệ hàn tiếp xúc sử dụng hệ thống điều khiển khí nén vào máy hàn lưới

II.3.1.3 Sơ đồ hệ thống khí nén của máy hàn lưới

II.3.1.4 Mô tả hoạt động của hệ thống khí nén:

Bật nguồn khí nén hoạt động, áp suất làm việc của nguồn khí nén p= 5-6 kg/cm2Nhấn nút cho xilanh chặn nan dọc đi hết hành trình Sau đó tiến hành cấp nan dọc bằng tay

Nhấn nút START cho toàn hệ thống bắt đầu hoạt động quá trình cấp nan ngang được thực hiện: xi lanh chặn nan ngang và xi lanh cấp nan ngang hoạt động Sau khi cấp xong xi lanh cấp nan ngang trở về vị trí ban đầu

Xi lanh đẩy cữ nan ngang đi hết hành trình để nan ngang không bị xô lệch, các xi lanh kẹp lưới với điện cực đi xuống thực hiện kẹp chặt nan ngang với nan dọc

Xe hàn di chuyển, quá trình hàn xảy ra Trong lúc này xi lanh chặn nan dọc, xi lanh chặn nan ngang và xi lanh đẩy cữ nan ngang trở về vị tri lúc đầu Xe hàn chạy chạm cữ dừng lại

Xi lanh kẹp lưới thép và xi lanh nâng lưới đi lên

Xe kéo lưới tiến vào→ xi lanh móc lưới làm việc → xi lanh kéo lưới lùi ra kéo lưới thép đi ra theo bước của lưới thép yêu cầu

Quá trình cấp nan ngang và hàn lại tiếp tục

Việc thay đổi bước lưới của các nan dọc người vận hành thực hiện bằng thước và bước của các nan ngang bằng thay đổi giá trị thông số bước nan ngang trong chương trình CNC Tốc độ di chuyển xe hàn được điều chỉnh cho phù hợp với yêu cầu công nghệ hàn tiếp xúc, được thay đổi bằng cách tăng hoặc giảm chiết áp điều khiển tốc độ hoặc thay đổi giá trị tốc độ xe hàn trong chương trình điều khiển CNC

Ở mỗi mắt lưới ( nơi giao nhau giữa nan dọc và nan ngang) có sensor cảm ứng để

mở dòng hàn Khi xe hàn di chuyển qua các mắt lưới các sensor này cấp tín hiệu để mạch hàn đóng điện để quá trình hàn diễn ra Khoảng cách các sensor này được điều chỉnh tương ứng với bước nan dọc

II.3.1.5 Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển khí nén

xilanh chÆn

nan däc

xi lanh cÊp nan ngang

xilanh chÆn nan ngang

xi lanh chÆn

Hµn

Xilanh n©ng luíi

xe ch¹y vµo

vÞ trÝ mãc luíi

P1.4=1

Xilanh mãc luíi xuèng

xe ch¹y ra

vÞ trÝ hµn

xilanh chÆn nan däc

Xilanh mãc luíi nh¶ ra

Trong đó:

P1.0=1 Khi 2 sensor xi lanh chặn nan dọc báo hết hành trình

P1.1=1 Khi 2 sensor xi lanh chặn nan ngang báo hết hành trình

P1.2=1 Khi 1sensor báo nan ngang đã được đưa vào máng, 2 sensor báo xi lanh cấp nan ngang đã đi hết hành trình

P1.3=1 Khi 1 sensor báo nan ngang đã vào vị trí (đã xác định có nan ngang và

nan ngang đã vào vị trí)

A=1 Khi 20 xi lanh đều xuống kẹp 1 sensor thời gian báo đủ thời gian xuống kẹp Hàn: 1 sensor báo hàn đủ các nút, 1sensor báo chạm cữ giảm tốc, 1sensor báo

phanh động cơ, 1sensor báo dừng xe hàn

A=0 Khi 20 xi lanh đều đi lên sensor thời gian báo đủ thời gian đi lên

P1.4=1 Khi 2 sensor báo xi lanh kéo lưới đi hết hành trình vào móc lưới

P1.5=1 Khi sensor báo xi lanh móc lưới đi hết hành trình

P1.4=0 Khi xi lanh kéo lưới đi hết hành trình về

P1.5=0 Khi xi lanh móc lưới về vị trí ban đầu

Bảng thông số điều khiển xilanh Bảng 2

Xi lanh

Chiều dài hành trình (mm)

Thời gian(s)

Vận tốc(mm/s)

Đường kính (mm)

Số lượng

Lưu lượng(dm3/ph)

Thời gian của các quá trình Bảng 3

STT Quá trình Thời gian hành trình

đi (s)

Thời gian duy trì (s)

- Tổng thời gian hàn xong nan ngang đầu tiên là 7.4s

- Tổng thời gian hàn của các nan ngang lần sau là 6.8s

II.3.1.6 Sơ đồ chức năng

II.3.2.Tính toán hệ thống khí nén:

Bao gồm 2 phần :

-Tính toán lưu lượng cần thiết để thực hiện hành trình của xi lanh trong thời gian cho phép

-Tính toán áp suất tác động đến xi lanh để đảm bảo lực theo yêu cầu

II.3.2.1 Tính toán lưu lượng

Do hệ thống khí nén sử dụng rất nhiều xi lanh nên ta sẽ tính cho các xi lanh cần lưu lượng khí lớn nhất thỏa mãn thời gian cần đáp ứng và tính toán lưu lượng cần cho toàn hệ thống trong một đơn vị thời gian

- Tính toán lưu lượng cho xi lanh kẹp chặt nan - hàn

- Tính toán lưu lượng cho toàn hệ thống

1 Tính toán lưu lượng xi lanh kẹp chặt trong quá trình hàn

Chọn các thông số đầu vào như sau:

Đường kính xi lanh là 63mm ( được chọn trên cơ sở tính từ lực kẹp yêu cầu)

Yêu cầu thời gian đáp ứng của xi lanh kẹp chặt để hàn txlkc=0.6s

Trong quá trình thực hiện hành trình xi lanh bao gồm ba quá trình tăng tốc, đều

và giảm tốc nhưng do hai quá trình tăng tốc và giảm tốc diễn ra rất nhanh nên ta chỉ tính với quá trình xi lanh chuyển động đều

Trong đó

chạy chậm chạy nhanh

2 Tớnh toỏn lưu lượng cho toàn hệ thống:

Thể tớch xi lanh thực hiện hành trỡnh đi:

Vxi lanh đi= . 2

D L

π

[4 ] Thể tớch xi lanh thực hiện hành trỡnh về:

[4 ]

Từ các lưu lượng tính toán ta chọn nguồn khí nén có lưu lượng 400(dm3/phút) đáp ứng được cho lưu lượng cần thiết lớn nhất 300dm3 /ph > 244 dm3/ph

II.3.2.2 Tính toán áp suất tác động đến xi lanh

Do hệ thống khí nén sử dụng rất nhiều xi lanh nên ta sẽ tính cho các xi lanh cần

S1- tiết diện của pittông (mm2)

Fmsl –Lực ma sát trượt của lưới (N)

p1-áp suất tại buồng pittông (MPa)

p1 là áp suất cần cung cấp cho xi lanh là 0.48 MPa

Từ các số liệu tính ta chọn nguồn cấp khí nén có Q k =300dm 3 /phút, p max = 8 MPa

II.4.1 Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển dòng hàn cường độ lớn

II.4.1.1 Các cơ sở lý thuyết và thực nghiệm

Trước yêu cầu của đề tài cần phải nghiên cứu chế tạo một thiết bị để đáp ứng được khả năng tích hợp giữa bộ điều khiển dòng hàn cường độ lớn và điều khiển dùng CNC Ngoài ra thiết bị đó còn có khả năng điều chỉnh điện áp hàn ( thay đổi dòng điện hàn) để thay đổi nhiệt lượng cho phù hợp khi hàn các loại cốt thép tương ứng với đường kính thép hàn khác nhau

Trong phương pháp hàn điện trở tiếp xúc nhiệt lượng tỏa ra làm nóng chảy kim loại tại vùng hàn khi xuất hiện điện trở tiếp xúc R, kết dính mối hàn

Theo định luật Jun – Lenxơ

Qn= I2.R.t Trong đó:

Qn – Là nhiệt lượng tỏa ra làm nóng chảy kim loại tại vùng hàn

II.4.1.2 Điều khiển quá trình hàn tự động

Chúng tôi đưa ra phương án thiết kế “Bộ điều khiển dòng điện hàn tự động”, sơ đồ ghép nối “Bộ điều khiển dòng điện hàn tự động”, với hệ thống được thể hiện như trên hình 15

Hình 15 Sơ đồ ghép nối “Bộ điều chỉnh dòng điện hàn tự động”

Bộ điều khiển này bao gồm một mạch điện tử có hai thysistor công suất và các linh kiện phụ trợ Mạch điện tử sẽ điều chỉnh góc mở của hai thysistor T1 và T2 Năng lượng tiêu thụ tỷ lệ với phần nửa chu kỳ mà trong đó dòng điện đi qua, điều chỉnh thời gian trễ giữa thời điểm khởi đầu mỗi nửa chu kỳ và thời điểm mở thyristor làm thay đổi cường độ dòng hàn

Bộ điều khiển dòng hàn