Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy hàn điểm di động, dòng hàn từ 500 - 6500A

Bộ Công thơng Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp Viện Công nghệ Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN M số: 241.07 RD/HĐ-KHCN Tên đề tài: nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy hàn điểm di động, dòng hàn từ 500 ữ 6500A Cơ quan chủ quản: Bộ Công thơng Cơ quan chủ trì: Viện Công nghệ Chủ nhiệm đề tài: KS. trần thanh tuyền 6795 12/4/2008 Hà Nội, 03 - 2008 Nh÷ng ng−êi thùc hiÖn 1. KS. TrÇn Thanh TuyÒn ViÖn C«ng nghÖ 2. KS. Lª Sü Lan ViÖn C«ng nghÖ 3. KS. TrÇn Minh Ch©u ViÖn C«ng nghÖ 4. KTV. Tr−¬ng V¨n Thoa ViÖn C«ng nghÖ 5. KS. NguyÔn Ngäc Th¾ng ViÖn C«ng nghÖ mục lục trang Phần 1. giới thiệu sơ lợc về hàn điểm 01 1.1 Hàn điện trở 01 1.2 Hàn điểm 01 Mô tả mối hàn điểm và các loại mối hàn khác 02 1.3 Máy hàn điểm di động 04 Phần 2. Thiết kế kỹ thuật 05 2.1 Nguyên lý chung 05 Sơ đồ khối 06 2.2 Khối chức năng nguồn 07 Sơ đồ mạch nguồn 07 2.3 Khối chức năng công suất 08 Sơ đồ mạch điện công suất 09 Thiết kế máy biến áp động lực 10 Thiết kế lõi tôn silic 11 Thiết kế cuộn dây 12 xử lý Cách điện, chống ẩm, chống rung, chống ồn 13 2.4 Khối chức năng điều khiển lập trình 13 2.4.1 Thiết kế chức năng vi điều khiển 13 Loại vi điều khiển lựa chọn 13 Cấu hình sử dụng cho máy hàn đề tài 14 Lu đồ tiến trình phần mềm 15 lu đồ giải thuật vòng lặp main 16 module spi hiển thị chữ số led 17 hàm đẩy spi_led 18 danh sách công cụ làm việc 19 Thiết kế cấu hình cứng và chức năng từng chân chíp 19 Thiết kế phần hiển thị màn hình và các menu cài đặt 23 Các chế độ hiển thị màn hình sau khi chế tạo hoàn thiện máy 28 2.4.2 Thiết kế phần cứng cho khối điều khiển 30 Phần nguồn 30 Phần đệm công suất 31 Mạch điều chế tín hiệu đo lờng 32 Mạch điều chế tín hiệu đo dòng hàn 33 Mạch tạo điện áp quy chiếu 34 Mạch giao tiếp máy tính 35 Sơ đồ mạch điều khiển đầy đủ 36 2.5 Khối hiển thị 36 Sơ đồ mạch hiển thị 37 2.6 Thiết kế mạch in 38 2.6.1 Board mạch hiển thị 39 các bản vẽ thiết kế 40 - 44 2.6.2 Board mạch điều khiển 45 các bản vẽ thiết kế 46 - 50 phần 3. Thiết kế cơ khí 51 các bản vẽ thiết kế 52 - 68 phần 4. khảo nghiệm thực tế 69 bảng kết quả khảo nghiệm 69 các hình ảnh đ chụp trong quá trình khảo nghiệm 71 - 73 phần 5. nhận xét chung 73 - 75 tài liệu tham khảo 76 1 Phần 1. giới thiệu sơ lợc về hàn điểm: 1.1 Hàn điện trở: Trong nhiều nguyên lý hàn kim loại nh hàn điện trở, hàn que, hàn TIG, hàn MIG, MAG, Hàn PLASMA, hàn hơi thì hàn điện trở khá đặc biệt. Bằng cách cấp một nguồn điện có hiệu điện thế (U) vào hai phía của vật hàn bằng kim loại, do kim loại có tính dẫn điện nên xuất hiện dòng điện (I) đi qua vật hàn, vì trong kim loại có điện trở suất nên giữa vật hàn bao giờ cũng tồn tại một điện trở (R), dòng hàn làm cho điện trở này sinh ra một nguồn nhiệt năng có công suất (P) theo công thức: U = I / R P=U.I P = I / R Nguồn nhiệt này làm nóng chảy vật hàn và tạo ra mối hàn ngay giữ hai điện cực. 1.2 Hàn điểm: Trên cơ sở nguyên lý hàn điện trở, hàn điểm mang nhiều u điểm so với các nguyên lý hàn khác cả về chất lợng mối hàn và tính kinh tế. Hàn điểm tạo ra mối hàn từ bên trong mặt tiếp giáp nơi mà mắt ta không nhìn thấy, đây là điểm đặc biệt mà không một loại máy hàn nào khác làm đợc. Mối hàn của máy hàn điểm không hề nổi cộm lên, không làm cháy những thứ xung quanh, nguội nhanh, ít gây biến dạng vật liệu hàn, không gắn thêm loại vật liệu nào khác lên mối hàn, không tạo ra xỉ bám quanh mối hàn nên mối hàn đẹp hơn hẳn so với các mối hàn khác. Ngoài ra hàn điểm còn không phải mất bất kỳ loại que hàn, dây hàn, thuốc hàn hay khí hàn nào cả, không phải gia công mài sửa lại mối hàn mà tốc độ hàn lại rất cao có thể đạt tới 0,05 giây / một mối hàn, vì thế hàn điểm rất kinh tế. 2 Mô tả mối hàn điểm và các loại mối hàn khác: Mối hàn que Mối hàn TIG Mối hàn hơi Mối hàn điểm Do điện trở giữa hai điện cực hàn điểm trên vật hàn rất nhỏ chỉ khoảng 0,00001 đến 0,001 omh nên phải cấp một nguồn điện có dòng điện rất lớn từ hàng trăm Ampe đến hàng trăm nghìn Ampe tuỳ theo vật liệu và độ dầy vật liệu hàn mới tạo ra đợc một hiệu điện thế đủ lớn trên vật liệu hàn, vì thế dây hàn cần rất lớn để dẫn đợc dòng điện lớn nh vậy, cũng vì đặc điểm này mà máy hàn điểm thờng phải đặt cố định và di chuyển vật hàn để hàn. Vật hàn càng dầy thì dòng hàn và lực ép giữa hai điện cực càng phải lớn nên việc chế tạo máy hàn để hàn những vật liệu dầy càng trở nên khó khăn, không những thế máy hàn càng lớn thì càng không thể di chuyển để thao tác mà di chuyển vật hàn loại dầy để thao tác thì cũng rất nặng nề khó khăn. Hình 1. 3 Chúng tôi lấy ví dụ một số thông số bảng tra chế độ hàn điểm dùng cho thép các bon thấp trong cuốn sổ tay hàn dán điện trở ZGRZEWANIE OPOROWE PORADNIK của tác giả Ryszard Michalski nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Ba Lan: Chế độ mềm Chế độ cứng Chiều dầy thép (mm) Đờng kính điện cực (mm) Lực ép (kg) Dòng hàn (Ampe) Thời gian cấp dòng (giây) Lực ép (kg) Dòng hàn (Ampe) Thời gian cấp dòng (giây) 0,5 4 60 2 000 0,2 450 4 000 0,04 1,0 5 100 3 000 0,4 250 8 000 0,1 1,5 6 150 4 000 0,8 400 11 000 0,2 2,0 7 200 5 000 1,0 500 14 000 0,3 3,0 9 300 8 000 2,0 800 19 000 0,6 4,0 11 380 10 000 3,2 1 250 24 000 0,9 5,0 13 450 12 000 4,5 1 700 28 000 1,4 6,0 15 - - - 2 250 32 000 2,0 7,0 17 - - - 3 000 37 000 2,5 8,0 19 - - - 3 700 40 000 3,0 Qua bảng thông số trên ta có thể thấy u thế của máy hàn điểm không phải đối với vật liệu hàn dầy nhng hàn điểm lại chiếm u thế cao đối với vật liệu hàn mỏng, nhất là những vật liệu mỏng đến mức các loại máy hàn khác khó hoặc không thể hàn đợc. Bảng 1. 4 1.3 Máy hàn điểm di động: Để phát huy tối đa u điểm của loại máy hàn điểm, đề tài nghiên cứu chế tạo loại máy hàn điểm di động công suất nhỏ với dòng hàn từ 500 Ampe đến 6500 Ampe, với dòng hàn không quá lớn nh vậy có thể di chuyển điện cực để hàn ở nhiều t thế mà không cần cố định điện cực rồi di chuyển vật hàn. Máy hàn của đề tài sử dụng dây hàn có tiết diện 300 mm2, một bộ kẹp mát và một bộ tay hàn khoảng 5kg có thể cầm tay để thao tác không quá nặng nề, với bộ tay hàn này có thể hàn đợc thép dầy tối đa là 2+2mm. Ngoài ra chúng tôi còn chế tạo thêm một bộ tay hàn mini với trọng lợng dới 1kg và dây hàn nhỏ dới 25mm2 để hàn các loại thép mỏng có chiều dầy dới 0,5mm rất linh hoạt tiện dụng và hữu ích, bộ tay hàn mini này kết hợp với một máy hàn của đề tài có thể hàn đợc tấm thép mỏng tới 0,1 mm hoặc lới thép có sợi nhỏ tới ỉ 0,5mm. Với những vật liệu mỏng nh vậy thì cácloại máy hàn nh hàn que, hàn TIG, hàn MIG, MAG, Hàn PLASMA, hàn hơi đều không thể hàn đợc và đây cũng chính là u điểm lớn nhất của máy hàn điểm di động. Ngoài khả năng hàn các loại thép nêu trên, máy hàn điểm di động của đề tài còn là một thiết bị hàn gá rất hữu hiệu. Đối với những chi tiết đòi hỏi những phơng pháp hàn khác mà cần hàn gá trớc cho chính xác thì chỉ việc dùng máy hàn điểm di động đặt dòng hàn nhỏ hơn so với hàn điểm thành phẩm rồi hàn gá ta sẽ đợc kết quả rất tốt và nhanh chóng, mối hàn gá dùng phơng pháp này không gây biến dạng chi tiết hàn nhiều nh các phơng pháp hàn gá khác mà vẫn đảm bảo độ chác chắn để hàn thành phẩm. Vì đặc tính sinh nhiệt nhanh của hàn điểm nên chất lợng của máy hàn điểm không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của dòng hàn mà độ chính xác của thời gian cấp dòng cũng quan trọng không kém. Đề tài đã nghiên cứu một giải pháp để đảm bảo độ chính xác tối đa cho cả dòng hàn và thời gian cấp dòng đó là số hoá phần điều khiển. 5 Với các khoảng thời gian đợc chia nhỏ đến một phần triệu giây để tính toán và cài đặt cho việc điều khiển thời gian cấp dòng từ 0,01 giây đến 2,5 giây thì độ chính xác là rất cao. phần điều khiển dòng hàn đợc chia thành 1000 mức tơng ứng với các mức dòng hàn đặt từ 100 Ampe đến 6500 Ampe (6,5A/1mức). Phần 2. Thiết kế kỹ thuật: 2.1 Nguyên lý chung: Máy hàn điểm di động gồm 5 phần là phần nguồn, phần công suất, phần điều khiển lập trình, phần tay hàn, phần cơ khí vỏ máy. Sau khi các thông số cài đặt dòng hàn, thời gian cấp dòng, cắt quá tải, cắt quá áp, cắt thấp áp, cắt quá nhiệt đã đã đợc cài đặt và lu vào bộ nhớ của máy thì máy thờng xuyên kiểm tra các điều kiện làm việc và sẵn sang thực hiện lệnh điều khiển. Ngời vận hành chỉ việc bấm contac trên tay hàn thì máy sẽ cấp ngay một nguồn điện có dòng nhỏ dới 100A để kiểm tra độ tiếp xúc và khởi động bơm nớc làm mát tay hàn. khi dòng kiểm tra đã đạt trên 50A thì máy đồng thời cấp dòng hàn và đếm lùi thời gian cấp dòng, khi thời gian cấp dòng đã hết thì máy lập tức ngắt dòng hàn còn bơm nớc làm mát tay hàn sẽ đợc ngắt sau khoảng thời gian bằng 2 lần thời gian cấp dòng. Trong quá trình làm việc nếu máy phát hiện có các sự cố nh quá tải, quá áp, thấp áp, quá nhiệt thì máy sẽ tự động ngắt dòng và cảnh báo cho ngời vận hành biết bằng còi và thể hiện dòng thông báo lỗi trên màn hình, việc báo lỗi sẽ duy trì cho đến khi lỗi đó không còn và ngời vận hành buộc phải ngắt nguồn khởi động lại thì máy mới sẵn sàng làm việc tiếp. 6 Sơ đồ khối: Đây là sơ đồ thể hiện mối liên kết, tơng tác giữa các khối chức năng trên toàn máy. Dới đây là phần chi tiết cho từng khối chức năng: Phần nguồn Phần công suất Phần điều khiển Phần hiển thị Phần tay hàn Phần làm mát bằng n ớc Phần làm mát bằng gió 380vac Phần cắt quá nhiệt Đầu mỏ hàn Đờn g nớc lạnh Đờn g nớc nón g Đờn g contac đkhiển Đờng dữ liệu Đờng Phím bấm Đờng điều khiển Đờng nguôn 220V Đờng gió làm mát ĐK Nhi ệ t đ ộ Đờng ĐK Thyrystor 380V Kẹp mass Hình 2. [...]... 25V - Tỷ số dòng điện: I1 / I2 = 1 / 15,2 - Dòng cực đại đầu thứ cấp: I2max = 6.500A - Tần suất làm việc cực đại: 20% - Thời gian cấp dòng tối đa ở dòng cực đại: 03giây - Thời gian cấp dòng tối thiểu: 10ms 380V 25V 6500A Hình 5 Máy biến áp động lực sau khi chế tạo hoàn thiện Thiết kế lõi tôn silic: 10 - Kiểu EI 3 trụ đứng ghép 6 phiến, độ dầy 0,3mm Hình 6.a e a b A A B C C c D d Hình 6.b 11 - Tiết di n... phiến Thiết kế cuộn dây: - Loại dây điện từ : Dây đồng bọc cách điện thuỷ tinh - Mật độ dòng trên cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp : - Tiết di n dây thứ cấp 29 A / mm2 : 6500 / 29 - Hệ số khép kín từ thông: - Tiết di n dây sơ cấp : = 224mm2 0.85 224 / (15,2 x 0.85) = 21 mm2 - Hệ số thẩm thấu K :Trong giải từ 35 đến 45, ta chọn K = 40 (mức trung bình) - Số vòng / vôn : N = K / St = 40 / 200 = 0,2 vòng/vol -. .. 3Led cuối cùng Nếu màn hình đang ở chế độ hiển thị dòng hàn đo đợc hoặc thời gian cấp dòng thực hoặc hiển thị điện áp nguồn thì không tự chuyển về Menu dòng hàn đặt khi không tác động gì Các chế độ hiển thị màn hình sau khi chế tạo hoàn thiện máy cho kết quả nh dới đây: 27 Menu dòng hàn đặt Menu hiển thị dòng hàn thực Menu thời gian cấp dòng đặt Menu thời gian cấp dòng thực Menu hiển thị điện áp nguồn... có dòng hàn, xuống 0 khi dòng hàn về 0 22 Chân 23 (22.) Khi dòng hàn lên đến dòng đặt quá tải thì chân này lên mức 1, cảnh báo quá tải và ngắt xung ra ở chân 14 và 15 buộc phải ngắt nguồn và khởi động lại Chân 24 (35.) Khi chân này lên mức 1 là bắt đầu chu trình hàn, máy sẽ cấp dòng và tính thời gian từ khi có tín hiệu báo mối hàn đã tiếp xúc tốt ở chân 17 Đủ thời gian đặt thì máy tự động ngắt dòng. .. Hình 6.b 11 - Tiết di n thô của lõi từ : St = e.b/100 = 200 x 100 / 100 = 200 cm2 - Hệ số lấp đầy lõi từ : M = 0,99 - Tiết di n thực của lõi từ : S = St.M = 200 x 0,99 - Số phiến Fe-Si loại A: 0,3e.M.2 = 200 / 0,3 x 0,99 x 2 = 1320 phiến - Số phiến Fe-Si loại B: 0,3e.M = 200 / 0,3 x 0,99 - Số phiến Fe-Si loại C: 0,3e.M.2 = 200 / 0,3 x 0,99 x 2 = 1320 phiến - Số phiến Fe-Si loại D: 0,3e.M = 200 / 0,3 x... chân 24 vẫn đang ở mức 1 Thiết kế phần hiển thị màn hình và các menu cài đặt: 1 Menu dòng hàn đặt: Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 4Led cuối cùng sẽ nhấp nháy và cho phép thay đổi bằng các phím (+) hoặc (-) trong khoảng từ 0000 đến 6500 Hình 9 2 Chế độ hiển thị dòng hàn đo đợc: Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 4Led cuối cùng sẽ hiển thị giá trị điện áp đo đợc ở chân dòng phản hồi chân 12... góc mở phù hợp sao cho dòng phản hồi đo đợc có giá trị bằng dòng đặt Chân 12 (2.) Chân này nhận tín hiệu dòng phản hồi đã qua mạch điều chế thành điện áp trong khoảng từ 0 đến 5V Chân 13 (10.) Chân ra Logic cho cấp tín hiệu điều khiển van nớc, ban đầu chân này ở mức 0, khi có dòng hàn chân này lên mức 1 và duy trì đến khi ngắt dòng hàn đợc một khoảng thời gian bằng thời gian cấp dòng rồi hạ xuống mức... ch cn gỏn: 18 SPIOUT[x-1]=Font_7T[t-48]; danh sách công cụ làm việc: -Trỡnh dch ASM v mụi trng son tho: MPLAB -Trỡnh dch C ca HITECH: HTPIC18 -Mch np GTP_USB -Chip PIC18F458-I/P Thiết kế cấu hình cứng và chức năng từng chân chíp: Bảng 2 Khả Số năng chân Số chân cần trên thiết chip đáp Cấu hình cần đáp ứng ứng thực kế tế 1 2 3 4 5 6 7 8 37.38.39 Chân vào logic cho các phím ấn (+) (-) (UP) 40.36 Đạt (DOWN)... 10 3 Menu đặt thời gian cấp dòng : 23 Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 3Led cuối cùng sẽ nhấp nháy và cho phép thay đổi bằng các phím (+) hoặc (-) trong khoảng từ 0,01s đến 2,55s Hình 11 4 Chế độ hiển thị thời gian cấp dòng thực : Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 3Led cuối cùng sẽ hiển thị thời gian cấp dòng đặt và giảm dần về 0,00 khi cấp dòng 5 Hình 12 Chế độ hiển thị điện áp nguồn:... GTP_USB thông qua giao di n ICSP Cấu hình sử dụng cho máy hàn đề tài: - Dao ng thch anh 10 mhz v h s nhõn tn l 4 (PLLx4) - S dng module Watchdog(reset li khi treo) - S dng mc thp ngun reset l 2.7V - Hai kờnh ADC 10 bit o dũng hn v o biờn in li Thi gian ly mu ca dũng hn l 0.5 ms/ mu - S dng module DAC_PWM 10 bit a ra in ỏp kiờm tra - Dựng ngt ngoi INT0 xỏc nh thi im pha khụng 14 - Dựng ngt timer 0 . quan chủ trì: Viện Công nghệ Chủ nhiệm đề tài: KS. trần thanh tuyền 6795 12/4/2008 Hà Nội, 03 - 2008 Nh÷ng ng−êi thùc hiÖn 1. KS. TrÇn Thanh TuyÒn