Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử: Cải tiến bộ điều khiển đầu hàn ống tự động.

Trong đó, phương pháp hàn TIG quỹ đạo được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp có sử dụng các loại đường ống inox, vì thế việc nghiên cứu cải tiến thiết bị hàn ống tự động dựa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: THS TRẦN NGỌC THIỆN SVTH: HUỲNH HỮU BẰNG

VÕ HUỲNH DUY THANH NGUYỄN MINH TRÍ

TP Hồ Chí Minh, tháng 7/2024CẢI TIẾN BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐẦU HÀN ỐNG TỰ ĐỘNG

Giảng viên hướng dẫn: ThS TRẦN NGỌC THIỆN

Giảng viên phản biện: TS NGUYỄN XUÂN QUANG

Sinh viên thực hiện: HUỲNH HỮU BẰNG 20146198

VÕ HUỲNH DUY THANH 20146191 NGUYỄN MINH TRÍ 20146540

TP Hồ Chí Minh, tháng 07/2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài: “CẢI TIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐẦU HÀN

ỐNG TỰ ĐỘNG”

Giảng viên hướng dẫn: ThS TRẦN NGỌC THIỆN

Giảng viên phản biện: TS NGUYỄN XUÂN QUANG

Sinh viên thực hiện: HUỲNH HỮU BẰNG 20146198

VÕ HUỲNH DUY THANH 20146191 NGUYỄN MINH TRÍ 20146540

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Bộ môn Cơ Điện tử

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Học kỳ 2/ Năm học 2023 -2024

Giảng viên hướng dẫn: ThS Trần Ngọc Thiện

Sinh viên thực hiện:

- Tên đề tài: “Cải tiến bộ điều khiển đầu hàn ống tự động.”

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Các thông số hàn tự động

- Các công thức tính nhiệt lượng mối hàn

- Đầu hàn tự động và bộ điều khiển

- Cảm biến nhiệt độ

3 Nội dung chính của đồ án:

- Xem xét, đánh giá khắc phục một số vấn đề của đầu hàn và bộ điều khiển hiện có

- Cải tiến đầu hàn để gắn cảm biến nhiệt trong quá trình hàn

- Cải tiến bộ điều khiển để thay đổi các thông số hàn theo thời gian thực

- Thu thập dữ liệu các thông số hàn và đánh giá kết quả

7 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh  Tiếng Việt ☑

 Được phép bảo vệ ………

Liên hệ: SĐT: 035.662.0988 Email: 20146191@student.hcmute.edu.vn

Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (ĐATN): 12/07/2024

Lời cam kết: Chúng tôi xin cam đoan đề tài: Cải tiến bộ điều khiển đầu hàn ống tự động là

công trình do chính nhóm chúng tôi nghiên cứu và thực hiện Chúng tôi không sao chép bất

kỳ một bài viết, một công trình nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Các số

liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực Nếu có bất kỳ sự vi phạm nào,

chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

TP Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 7 năm 2024

iii

LỜI CẢM ƠN

Chúng em chân thành bày tỏ lòng biết ơn đối với Khoa Cơ khí Chế tạo máy, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, vì đã tạo điều kiện thuận lợi để chúng em

có cơ hội học tập và nghiên cứu đề tài này

Đặc biệt, chúng em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Trần Ngọc Thiện, người đã dành thời gian và tâm huyết hướng dẫn, chỉ bảo chúng em những kiến thức về lĩnh vực hàn

và là người truyền cảm hứng để chúng em thực hiện đề tài Cũng xin gửi lời tri ân đặc biệt đến các thầy cô trong Bộ môn Cơ điện tử và Khoa Cơ khí Chế tạo máy nói riêng, cũng như tới các giảng viên trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh nói chung,

vì đã chia sẻ kiến thức và hỗ trợ chúng em một cách nhiệt tình

Chúng em cũng không quên bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, và người thân, những người luôn động viên, quan tâm và hỗ trợ chúng em trong suốt quãng thời gian học tập

và hoàn thiện đồ án Mặc dù đã nỗ lực hết mình để hoàn thiện đồ án, nhưng với thời gian và kinh nghiệm hạn chế, chúng em hiểu rằng sẽ có những thiếu sót Chúng em mong nhận được

sự góp ý và nhận xét quý báu từ thầy cô, để chúng em có thể hoàn thiện kiến thức và kỹ năng của mình

Nhóm sinh viên thực hiện Huỳnh Hữu Bằng

Võ Huỳnh Duy Thanh Nguyễn Minh Trí

iv

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

CẢI TIẾN BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐẦU HÀN ỐNG TỰ ĐỘNG

Hiện nay, ngành công nghiệp hàn đang phải đối mặt với thách thức lớn khi nguồn nhân

lực có tay nghề cao ngày càng khan hiếm, đặc biệt là trong lĩnh vực hàn ống Bởi vì, quá trình

này đòi hỏi sự khéo léo, tỉ mỉ và độ chính xác cao để có thể tạo ra các mối hàn ổn định, chất

lượng tốt Để giải quyết vấn đề này, một số thiết bị và phương pháp hàn phục vụ cho việc hàn

ống tự động đã được ra đời Trong đó, phương pháp hàn TIG quỹ đạo được ứng dụng rộng rãi

trong các ngành công nghiệp có sử dụng các loại đường ống inox, vì thế việc nghiên cứu cải

tiến thiết bị hàn ống tự động dựa trên phương pháp này là điều rất cần thiết

Mục tiêu của đồ án này là nghiên cứu và phát triển một thiết bị có khả năng thu thập

nhiệt độ trong suốt quá trình hàn để có thể thu thập nhiệt độ từ những vị trí khác nhau từ đó

điều chỉnh thông số hàn tại các vị trí khi bị quá nhiệt, có thể dẫn đến khuyết tật Điều này cho

phép nhóm đưa ra các phương án điều chỉnh như tăng tốc độ hàn hoặc giảm dòng hàn dựa

trên nhiệt độ thu được Ngoài ra, bộ điều khiển còn có khả năng lưu trữ dữ liệu để phục vụ

cho quá trình nghiên cứu và tìm ra bộ thông số tối ưu Dựa vào những mục tiêu đã đề ra nhóm

quyết định lựa cảm biến nhiệt hồng ngoại với các ưu điểm như kích thước nhỏ gọn có thể dễ

dàng đặt vào trong ống, có thể đo nhiệt độ mà không cần tiếp xúc

Kết quả là nhóm nghiên cứu đã chế tạo được bộ điều khiển cung cấp giao diện người

dùng thân thiện, đồng thời tích hợp cảm biến nhiệt độ để giám sát và điều chỉnh thông số hàn

theo nhiệt độ thu được Điều này giúp giảm thiểu sai sót và tăng cường hiệu quả sản xuất

v

ABSTRACT

IMPROVEMENT OF ORBITAL TIG WELDING HEAD CONTROLLER

Currently, the welding industry faces a significant challenge due to the increasing scarcity of highly skilled labor, especially in the field of pipe welding This process requires dexterity, meticulousness, and high precision to produce stable and high-quality welds To address this issue, several devices and methods for automatic pipe welding have been developed Among them, orbital TIG welding is widely applied in industries that use stainless steel pipes, making the research and improvement of automatic pipe welding equipment based

on this method essential

The objective of this project is to research and develop a device capable of collecting temperature data throughout the welding process This device can gather temperature readings from various positions, allowing for the adjustment of welding parameters at locations where overheating may occur, potentially leading to defects This enables the team to propose adjustments such as increasing welding speed or reducing welding current based on the collected temperature data Additionally, the controller has the capability to store data for research purposes and to determine the optimal welding parameters Based on these objectives, the team decided to use infrared temperature sensors due to their advantages, such

as compact size, which allows easy placement inside pipes, and the ability to measure temperature without direct contact

As a result, the research team has developed a control unit that provides a user-friendly interface and integrates temperature sensors to monitor and adjust welding parameters according to the collected temperature data This helps minimize errors and enhance production efficiency

vi

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI CAM KẾT ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC BẢNG ix

DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 3

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 3

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 4

1.3 Lý do chọn đề tài 6

1.4 Mục tiêu đề tài 6

1.5 Phương pháp nghiên cứu 7

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7

1.6.1 Đối tượng nghiên cứu 7

1.6.2 Phạm vi nghiên cứu 7

1.7 Kết cấu đồ án 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Tổng quan về công nghệ hàn quỹ đạo Orbital 9

2.1.1 Giới thiệu 9

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của công nghệ hàn quỹ đạo 10

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của hàn quỹ đạo 11

2.1.4 Ứng dụng của công nghệ hàn Orbital 12

2.2 Cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển thiết bị hàn ống tự động 15

2.2.1 Giới thiệu bộ điều khiển trong hệ thống hàn tự động 15

2.2.2 Các thông số quan trọng trong hàn ống 15

2.2.3 Phương pháp điều khiển động cơ bước 16

2.2.4 Phương pháp đọc encoder 17

vii

2.3 Phương pháp thu thập thông số thực nghiệm 18

2.4 Tìm hiểu các phương án sử dụng cảm biến và vị trí lắp đặt 20

2.4.1 Phương án sử dụng cảm biến đo nhiệt độ tiếp xúc 21

2.4.2 Phương án sử dụng hỏa kế ghi nhiệt độ mối hàn 22

2.4.3 Phương án sử dụng Camera nhiệt độ bằng hình ảnh 24

2.4.4 Phương án sử dụng cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc 26

2.4.5 Chọn lựa phương án sử dụng 28

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 29

3.1 Thực trạng của bộ điều khiển 29

3.2 Các vấn đề cần cải tiến 29

3.3 Lên ý tưởng cơ cấu thiết kế bộ gá đặt cảm biến 35

3.3.1 Cơ cấu gá đỡ cố định 35

3.3.2 Cơ cấu gá đỡ linh hoạt 36

3.3.3 Kết luận 36

3.4 Thiết kế bộ gá cảm biến 37

3.4.1 Thiết kế ống cách nhiệt cảm biến 37

3.4.2 Thiết kế gá đỡ cảm biến 37

3.4.3 Thiết kế nút định vị 37

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀN KHIỂN VÀ ĐIỆN 39

4.1 Tổng quan hệ thống điều khiển 39

4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển 39

4.2.1 Lưu đồ giải thuật tổng quát 39

4.2.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển quỹ đạo hàn 43

4.2.3 Lưu đồ điều khiển thông số hàn 44

4.3 Lựa chọn các thiết bị của bộ điều khiển 45

4.3.1 Giới thiệu về PLC 45

4.3.2 PLC FX3U - 14MT 46

4.3.3 Màn hình điều khiển HMI 47

4.3.4 Aptomat CB 48

4.3.5 Bộ lọc nguồn 49

4.3.6 Driver điều khiển động cơ bước 49

4.3.7 Relay 51

4.3.8 Lựa chọn cảm biến nhiệt hồng ngoại 51

viii

4.3.9 Bộ nhiệt kế cảm biến nhiệt độ 54

4.3.10 Lọc nhiễu Ferrite 55

4.3.11 Điện áp và dòng điện của các linh kiện 56

4.3.12 Sơ đồ kết nối giữa các thiết bị 57

4.3.13 Mô hình tủ điện khiển 58

4.4 Thiết kế giao diện HMI 59

4.5 Bộ điều khiển PID 63

CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 66

5.1 Thiết lập bảng thông số thực nghiệm theo phương pháp Taguchi 66

5.2 Kiểm tra, đánh giá ngoại quan mối hàn 71

5.3 Thực nghiệm đối sánh kết quả 85

5.4 Kiểm nghiệm khả năng điều khiển thông số hàn theo nhiệt độ đo được 98

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 103

6.1 Kết quả về điều khiển thông số theo góc độ 103

6.2 Kết quả về phương án điều khiển thông số hàn theo nhiệt độ 106

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 108

7.1 Kết luận 108

7.1.1 Kết quả đạt được 108

7.1.2 Hạn chế của đề tài 108

7.2 Đề xuất và hướng phát triển đề tài 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

PHỤ LỤC 1: HƯỚNG DẪN QUY TRÌNH VẬN HÀNH MÁY 1

PHỤ LỤC 2: TẬP BẢNG VẼ ĐIỆN 4

ix

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Các trường hợp chất lượng theo Taguchi 19

Bảng 3.1: Bảng thông số kỹ thuật của động cơ bước 34

Bảng 3.2: Bảng thông số kỹ thuật của encoder 34

Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật PLC FX3U-24MT 47

Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật HMI DOP - B 48

Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật Aptomat 49

Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật bộ lọc nguồn 49

Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật TB6600 50

Bảng 4.6: Thông số cài đặt dòng . 50

Bảng 4.7: Thông số điện cài đặt vi bước 50

Bảng 4.8: Thông số kỹ thuật relay 51

Bảng 4.9: Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt PC151MT-0 52

Bảng 4.10: Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt PUA2-151-LT 52

Bảng 4.11: Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt ES-MIR-01 53

Bảng 4.12: Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt CT-SF22 53

Bảng 4.13: Thông số kỹ thuật bộ nhiệt kế 54

Bảng 4.14: Thông số điện áp và dòng điện của các linh kiện 56

Bảng 4.15: Thông số kỹ thuật Balluff – BAE0005 24V - 2,5A 56

Bảng 5.1: Giá trị các nhân tố trong thực nghiệm 68

Bảng 5.2: Bảng thông tính bậc tự do 68

Bảng 5.3: Bảng thông số hàn theo phương pháp Taguchi 69

Bảng 5.4: Bảng giá trị bề rộng tại những vị trí khác nhau 84

Bảng 5.5: Bảng kết quả thực nghiệm và xử lí kết quả theo Taguchi 85

Bảng 5.6: Bảng ảnh hưởng trung bình của của S/N đến bề rộng mối hàn 85

Bảng 5.7: Bảng kết quả thực nghiệm theo phương pháp Taguchi 87

Bảng 5.8: Điều kiện đầu vào của bài toán 87

Bảng 5.9: Bảng thông số hàn tối ưu bằng phần mềm Minitab 89

Bảng 5.10: Bảng thông số thay đổi dòng hàn hàn 94

Bảng 5.11: Bảng thông số thay đổi tốc độ hàn 96

Bảng 5.12: Bảng thông số thay đổi tốc độ hàn theo nhiệt độ 99

x

DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH

Sơ đồ 4.1: Sơ đồ khối hệ thống 39

Sơ đồ 4.2: Lưu đồ giải thuật chính 40

Sơ đồ 4.3: Lưu đồ giải thuật về home 41

Sơ đồ 4.4: Lưu đồ giải thuật điều khiển bằng tay 42

Sơ đồ 4.5: Lưu đồ giải thuật điều khiển tự động 43

Sơ đồ 4.6: Lưu đồ giải thuật điều khiển quỹ đạo hàn 44

Sơ đồ 4.7: Lưu đồ giải thuật điều khiển cường độ dòng hàn 45

Sơ đồ 4.8: Sơ đồ kết nối thiết bị 57

Sơ đồ 4.9: Sơ đồ kết nối nguồn điện 57

Hình 1.1: Hệ thống hàn TIG quỹ đạo của công ty Orbitec (Đức) (Nguồn: 3ntechvietnam.com) 1

Hình 1.2: Hệ thống hàn MIG quỹ đạo của HELIX® M85 (Trung Quốc).(Nguồn: uni-group)2 Hình 1.3: Hệ thống hàn Plasma quỹ đạo (Trung Quốc) (Nguồn: mart-trader) 2

Hình 1.4: Bộ điều khiển của công ty Orbitalum (Đức) (Nguồn: Orbitalum) 4

Hình 1.5: Bộ điều khiển của công ty KEPUNI (Trung Quốc) (Nguồn: Kepuniwelder) 4

Hình 1.6: Hệ thống đầu hàn quỹ đạo được nghiên cứu thiết kế tại Trường Đại học Sư phạm kĩ thuật TP.HCM 5

Hình 1.7: Hệ thống hàn quỹ đạo được nghiên cứu chế tạo tại Trường Đại học Sao Đỏ (Nguồn: ngheandost.gov) 5

Hình 2.1: Mối hàn quỹ đạo (Nguồn: 3ntechvietnam) 9

Hình 2.2: Nguyên lý hàn quỹ đạo 10

Hình 2.3: Bộ điều khiển hàn quỹ đạo tự động KEPUNI (Nguồn: vi.made-in-china) 10

Hình 2.4: Đầu hàn quỹ đạo hệ hở 11

Hình 2.5: Đầu hàn quỹ đạo hệ kín 11

Hình 2.6: Mối hàn quỹ đạo trong công nghiệp hàng không vũ trụ (Nguồn: Polysoude) 12

Hình 2.7: Hàn quỹ đạo được ứng dụng trong các ngành thực phẩm (Nguồn: Alamy) 13

Hình 2.8: Hàn quỹ đạo ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm (Nguồn: Lks360exim) 13

Hình 2.9: Hàn quỹ đạo ứng dụng trong công nghiệp bán dẫn (Nguồn: Magnatechllc) 14

Hình 2.10: Hàn quỹ đạo ứng dụng trong các nhà máy hạt nhân (Nguồn: Arcmachine) 14

Hình 2.11: Ghép nối đường ống trong nhà máy bằng đầu hàn quỹ đạo (Nguồn: Axxair) 15

xi

Hình 2.12: Ảnh hưởng tần số xung đến mối hàn (Nguồn: Morganitech) 16

Hình 2.13: Hình ảnh cấu tạo động cơ bước 17

Hình 2.14: Hình ảnh các chế độ đọc xung encoder 17

Hình 2.15: Phần mềm thống kê ứng dụng Minitab 20

Hình 2.16: Các phương pháp đo lường nhiệt độ trong lúc hàn ống 21

Hình 2.17: Cặp nhiệt điện loại K (Nguồn: Flukestore) 21

Hình 2.18: Phương án gá đặt cặp nhiệt điện, cảm biến điện trở 22

Hình 2.19: Cấu tạo hỏa quang kế (Nguồn: Electricindustrypro) 23

Hình 2.20:Định luật Plăng 23

Hình 2.21: Sự phụ thuộc giữa cường độ phát xạ và bước sóng 23

Hình 2.22: Hỏa quang kế Keller PA30 AF1.(Nguồn: Emin) 23

Hình 2.23: Phương án gá đặt hỏa kế 24

Hình 2.24: Camera đo nhiệt độ không tiếp xúc FLIR E5 (Nguồn: STI) 25

Hình 2.25: Phương án gá đặt Camera đo nhiệt độ 25

Hình 2.26: Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ hồng ngoại 26

Hình 2.27: Cảm biến đo nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc (Nguồn: Rs-online) 27

Hình 2.28: Phương án gá đặt cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc 27

Hình 2.29: Phương án gá đặt cảm biến được lựa chọn 28

Hình 3.1 Các bộ truyền động đầu hàn quỹ đạo được nghiên cứu, thiết kế tại 29

Trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật TPHCM 29

Hình 3.2 Bộ truyền động bánh răng thẳng 30

Hình 3.3: Encoder trục âm 31

Hình 3.4: Encoder trục dương 31

Hình 3.5: Hình ảnh đầu hàn thiết kế tích hợp encoder 31

Hình 3.6: Hình ảnh ống gá vào bánh răng C 32

Hình 3.7: NEMA 17 2 trục 34

Hình 3.8: Encoder KH40 Series 34

Hình 3.9: Gá đỡ thép không gỉ 35

Hình 3.10: Cơ cấu sử dụng gá đỡ thép không gỉ 35

Hình 3.11: Cơ cấu sử dụng gá đỡ linh hoạt 36

Hình 3.12: Hình ảnh bộ phận cách nhiệt cảm biến sau khi thiết kế 37

xii

Hình 3.13: Hình ảnh gá đỡ cảm biến sau khi thiết kế 37

Hình 3.14: Hình ảnh nút định vị 1, định vị 2 sau khi thiết kế 38

Hình 3.15: Hình ảnh mô hình bộ gá cảm biến sau khi lắp ghép 38

Hình 3.16: Hình ảnh gá đặt bên trong ống hàn 38

Hình 4.1: Quỹ đạo di chuyển về home 41

Hình 4.2: PLC FX3U–14MT (Nguồn: Codienhaiau) 47

Hình 4.3: Màn HMI DOP-B (Nguồn: Thietbidelta) 48

Hình 4.4: Aptomat CB 49

Hình 4.5: Bộ lọc nguồn (Nguồn: Thegioiic) 49

Hình 4.6: Driver TB6600 50

Hình 4.7: Rellay Omron 51

Hình 4.8: Cảm biến nhiệt PC151MT-0 (Nguồn: Sensors) 52

Hình 4.9: Cảm biến nhiệt PUA2-151-LT (Nguồn: Sensors) 52

Hình 4.10: Cảm biến nhiệt ES-MIR-01 (Nguồn: Epcb) 53

Hình 4.11: Cảm biến nhiệt ST-SF22 (Nguồn: Vinasas) 53

Hình 4.12: Bộ nhiệt kế CT-SF22-C3 54

Hình 4.13: Lọc nhiễu Ferrite 55

Hình 4.14: Hình ảnh tổng quan hệ thống điện 58

Hình 4.15: Hỉnh ảnh bảng điện 58

Hình 4.16: Hình ảnh Tab Set up 59

Hình 4.17: Hình ảnh sau khi chọn chế độ 1 60

Hình 4.18: Hình ảnh sau khi chọn chế độ 2 60

Hình 4.19: Hình ảnh sau khi chọn chế độ 3 61

Hình 4.20: Hình ảnh khi chọn chế độ 4 61

Hình 4.21: Hình ảnh khi chọn chế độ 5 62

Hình 4.22: Hình ảnh Tab Control 62

Hình 4.23: Hình ảnh Tab Datalog 63

Hình 4.24: Hình ảnh bộ điều khiển PID.(Nguồn: Wikipedia) 63

Hình 4.25: Kết quả điều khiển vận tốc 65

Hình 5.1: Hình ảnh vị trí Tack 66

Hình 5.2: Một số bảng lựa chọn ma trận trực giao 69

xiii

Hình 5.3: Dãy đo của cảm biến CT-SF22 70

Hình 5.4: Đồ thị tương quan giữa khoảng cách và kích thước điểm đo của cảm biến 70

Hình 5.5: Khoảng cách đo của cảm biến 71

Hình 5.6: Biểu đồ thể hiện sự phù hợp của các hàm trong dữ liệu nhiệt độ mối hàn 1,2,3 72

Hình 5.7: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt mối hàn số 1 73

Hình 5.8: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt mối hàn số 2 74

Hình 5.9: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt mối hàn số 3 75

Hình 5.10: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt mối hàn số 4 76

Hình 5.11: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt mối hàn số 5 77

Hình 5.12: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt mối hàn số 6 78

Hình 5.13: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt mối hàn số 7 79

Hình 5.14: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt mối hàn số 8 80

Hình 5.15: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt mối hàn số 9 81

Hình 5.16: Tiêu chuẩn AWS D18.1 của mối hàn 83

Hình 5.17: Đo độ rộng mối hàn 4 tại vị trí 900 và 2700 84

Hình 5.18: Biểu đồ ảnh hưởng chính cho tỷ lệ SN (lớn hơn là tốt hơn) 86

Hình 5.19: So sánh phương pháp Taguchi, PTHQ bậc 1 và bậc 2 87

Hình 5.20: Kết quả chạy tối ưu PTHQ bậc 2 trên phần mềm Minitab 88

Hình 5.21: Đồ thị tối ưu hóa đa mục tiêu 88

Hình 5.22: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt độ mối hàn 10 90

Hình 5.23: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt độ mối hàn 11 91

Hình 5.24 : Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt độ mối hàn 12 92

Hình 5.25 : Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt độ mối hàn 13 93

Hình 5.26: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt độ mối hàn 14 95

Hình 5.27 : Hình ảnh kích thước nhỏ nhất và lớn nhất mối hàn 14 95

Hình 5.28: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt độ mối hàn 15 97

Hình 5.29: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt độ mối hàn 16 98

Hình 5.30 : Đồ thị tương quan giữa bốn mối hàn 99

Hình 5.31: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt độ mối hàn 17 100

Hình 5.32: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt độ mối hàn 18 101

Hình 6.1: Hình ảnh thực tế hệ thống hàn ống tự động 103

xiv

Hình 6.2: Hình ảnh mối hàn 4 bị quá ngấu 103

Hình 6.3: Hình ảnh mối hàn 6 chưa bị ngấu 104

Hình 6.4: Hình ảnh mối hàn 7 bị quá ngấu 104

Hình 6.5: Hình ảnh mối hàn 10 quá ngấu ở vị trí 180 0 104

Hình 6.6: Hình ảnh mối hàn 11 quá ngấu khi quay về vị trí bắt đầu 105

Hình 6.7:Hình ảnh mối hàn 17 không bị quá ngấu 105

Hình 6.8: Mối hàn thay đổi theo nhiệt độ 106

HMI Human Machine Interface

(Giao diện máy của con người)

(Công nghệ hàn TIG quỹ đạo)

PCM Pulse Code Modulation

(Điều chế xung mã)

PLC Programmable Logic Contronller

(Bộ điều khiển logic)

(Điều chế độ rộng xung)

TIG Tungsten Inert Gas

(Khí trơ vonfram)

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Hàn quỹ đạo là phương pháp hàn hàn ống tự động hiện đại sử dụng cơ cấu truyền động

để quay điện cực 3600 quanh đường ống cần hàn Có ba phương pháp hàn quỹ đạo chính là TIG, MIG và Plasma, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Dưới đây là các phân tích chi tiết hơn về từng phương pháp hàn quỹ đạo

Hàn TIG quỹ đạo

Hàn TIG quỹ đạo là phương pháp hàn được sử dụng rộng rãi nhất trong số các loại hàn quỹ đạo Phương pháp này sử dụng điện cực vonfram để tạo hồ quang và nung nóng kim loại cần hàn Hàn TIG quỹ đạo thường xuyên được áp dụng cho việc hàn inox và nhôm, và là lựa chọn tối ưu cho việc hàn các loại vật liệu mỏng do khả năng tạo mối hàn sạch Tuy nhiên, hàn TIG quỹ đạo thường gây ra chi phí cao hơn so với các phương pháp khác như hàn MIG/MAG (hàn CO2) hoặc hàn cắt plasma., nguyên nhân chủ yếu về trang thiết bị chuyên dụng và độ hoàn thành mối hàn sẽ chậm hơn các phương pháp hàn khác

Hình 1.1: Hệ thống hàn TIG quỹ đạo của công ty Orbitec (Đức) (Nguồn:

3ntechvietnam.com)

Hàn MIG quỹ đạo

Hàn MIG quỹ đạo sử dụng điện cực kim loại để tạo hồ quang, làm nóng và hàn kim loại Phương pháp này thích hợp cho việc hàn các vật liệu có độ dày lớn hơn bởi khả năng tạo mối hàn vững chắc Tuy nhiên, chi phí cho hàn MIG quỹ đạo có thể cao hơn so với các phương pháp khác do yêu cầu về trang thiết bị chuyên dụng

2

Hình 1.2: Hệ thống hàn MIG quỹ đạo của HELIX® M85 (Trung Quốc).(Nguồn: uni-group)

Hàn Plasma quỹ đạo

Hàn Plasma quỹ đạo dùng điện cực plasma để tạo hồ quang, làm nóng kim loại cần hàn Phương pháp này thường được ứng dụng cho việc hàn titan và các vật liệu có độ khó hàn cao Nó cũng phù hợp cho hàn vật liệu mỏng do khả năng tạo mối hàn sạch Mặc dù hàn plasma quỹ đạo mang lại hiệu suất và chất lượng mối hàn vượt trội, nhưng điều này đồng nghĩa với việc đầu tư ban đầu cho thiết bị và công nghệ chuyên biệt có thể cao hơn so với các

phương pháp hàn khác

Hình 1.3: Hệ thống hàn Plasma quỹ đạo (Trung Quốc) (Nguồn: mart-trader)

3

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hàn quỹ đạo là công nghệ hàn đột phá của thế kỷ 20, đã mang đến cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp hàn từ những năm 60 Đây là phương pháp hàn sử dụng hồ quang

từ điện cực không nóng chảy quay xung quanh chi tiết cần hàn và dòng điện hàn được điều chỉnh tự động Ngày nay, công nghệ hàn quỹ đạo hiện đại đã tiến bộ đáng kể, cho phép hàn các chi tiết với độ chính xác cao và đường kính rất nhỏ, thậm chí chỉ vài milimét Hàn quỹ đạo được sử dụng rộng rãi trong ngành sản xuất ngoài nước, đặc biệt là trong ngành thực phẩm và đồ uống, nơi độ thẩm mỹ và độ bền của mối hàn đóng vai trò quan trọng Hệ thống hàn quỹ đạo orbital hiện đại có thể được điều khiển bằng những bộ điều khiển tiến tiến được tích hợp với máy tính để có thể lưu trữ các thông số hàn phục vụ cho nhiều ứng dụng hàn khác nhau Người vận hành chỉ cần thao tác qua màn hình cảm ứng và hệ thống sẽ thực hiện quá trình hàn một cách tự động

Hàn quỹ đạo là kết quả của sự nghiên cứu và cải tiến liên tục của các nhà khoa học và

kỹ sư trên toàn thế giới Các nhà sản xuất hàn quỹ đạo Orbital đến từ nhiều quốc gia khác nhau như: Châu Âu, Bắc Mĩ, Trung Quốc đã không ngừng cải tiến và tích hợp những tính năng hiện đại nhằm đem lại sự thuận tiện và dễ dàng cho người sử dụng Điển hình, Orbitalum Smart Welder OM180 (Hình 1.2) là một thiết bị hàn quỹ đạo có hệ thống điều khiển tiên tiến, cho phép nhập liệu và truy xuất dữ liệu quan trọng liên quan đến quá trình hàn Hệ thống này cũng hỗ trợ chia sẻ dữ liệu thông qua các kết nối mạng công nghiệp tương thích với xu hướng IoT và Industry 4.0 Thiết bị này có khả năng hoạt động với điện áp đầu vào từ 110V đến 230V và tần số 50/60Hz, hoặc sử dụng điện một pha mà không yêu cầu nguồn điện công nghiệp chuyên biệt Thêm vào đó, bộ điều khiển do KEPUNI cung cấp có khả năng giảm thiểu phơi nhiễm bức xạ đối với người lao động, thông qua việc giảm bớt sự tiếp xúc trực tiếp của thợ hàn với thiết bị Hệ thống này còn hỗ trợ người vận hành bằng cách tự động hóa việc cài đặt thông số hàn từ cơ sở dữ liệu chuyên gia, giúp người mới làm quen với công việc có thể thực hiện các mối hàn chất lượng cao một cách nhanh chóng Cuối cùng, nhà sản xuất của TITANIUM 230 AC/DC FV đã phát triển một giải pháp hàn đa năng, kết hợp giữa nguồn điện xoay chiều (AC) một pha và một chiều (DC), nhằm tăng cường hiệu suất hàn trên nhiều loại vật liệu như nhôm, thép, thép không gỉ, đồng và các hợp kim của chúng Thiết bị này cũng được thiết kế để hỗ trợ nhiều phương pháp hàn khác nhau, bao gồm hàn giáp mép (BW), hàn nghiêng (FW), hàn góc trong (BP), hàn góc ngoài và hàn dây, đáp ứng nhu cầu đa dạng của các ứng dụng hàn công nghiệp

4

Hình 1.4: Bộ điều khiển của công ty Orbitalum (Đức) (Nguồn: Orbitalum)

Hình 1.5: Bộ điều khiển của công ty KEPUNI (Trung Quốc) (Nguồn: Kepuniwelder)

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Việt Nam là một trong những quốc gia đang nỗ lực nghiên cứu và phát triển công nghệ hàn quỹ đạo Trong đó, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã có những đóng góp quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển kỹ thuật này tại Việt Nam Các nhóm nghiên cứu, sinh viên của các trường đại học không ngừng sáng tạo và cải tiến các mẫu đầu hàn quỹ đạo hiện có, đồng thời tích hợp thêm những tính năng, công nghệ điều khiển chế độ hàn và quỹ đạo vào việc sản xuất các hệ thống thiết bị hàn tự động Những nỗ lực này

đã được ghi nhận qua các công bố khoa học và bài báo chuyên ngành

và đảm bảo an toàn cho người vận hành Đồng thời, dự án cũng mở ra một hướng đi mới cho các nhà sản xuất máy hàn tại Việt Nam góp phần tiếp cận và làm chủ công nghệ mới, đảm bảo sự kết nối mật thiết giữa nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tiễn trong sản xuất

Hình 1.7: Hệ thống hàn quỹ đạo được nghiên cứu chế tạo tại Trường Đại học Sao Đỏ

(Nguồn: ngheandost.gov)

6

Dự án này đánh dấu một bước tiến đáng kể trong ngành công nghệ hàn quỹ đạo ở Việt Nam, mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp hàn Mặc dù vậy, vẫn còn đó những thách thức, rào cản và tiềm năng lớn chưa được khám phá hết Để hiệu suất và tối ưu hóa chi phí trong sản xuất công nghiệp thì việc tăng cường đầu tư cho nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực hàn quỹ đạo là điều hết sức cần thiết

1.3 Lý do chọn đề tài

Trong quá trình sản xuất các thiết bị bằng thép không gỉ, từ đường ống đến hệ thống

xả khí trên xe hơi và các thiết bị dùng trong ngành công nghiệp hóa chất, phương pháp hàn quỹ đạo với khí bảo vệ được sử dụng khá phổ biến Trong đó, công nghệ hàn TIG quỹ đạo được biết đến với khả năng ứng dụng đa dạng và đem lại hiệu quả vượt trội Vì vậy việc nghiên cứu và phát triển những thiết bị liên quan đến công nghệ này là một vấn đề cấp thiết

Trong lĩnh vực hàn TIG quỹ đạo, việc điều khiển các thông số hàn như cường độ dòng hàn, tốc độ hàn, thời gian xung hồ quang, vị trí bắt đầu hàn, và hướng quay đóng vai trò đặc biệt quan trọng vì những thông số này quyết định trực tiếp đến chất lượng mối hàn Vì vậy việc đánh giá ảnh hưởng của các thông số này đến chất lượng mối hàn là một vấn đề cần thiết Hiện nay công nghệ TIG quỹ đạo đã phát triển đến một trình độ nhất định và hướng tới việc làm cho bộ điều khiển thông minh hơn, linh hoạt hơn và thích nghi tốt hơn với những ứng dụng trong công nghiệp bằng cách giám sát và điều chỉnh các thống số hàn theo thời gian thực hoặc điều chỉnh thông số hàn theo quy luật nhất định thông qua quá trình thực nghiệm Một trong những yếu tố cần được đặc biệt quan tâm trong quá trình hàn đó chính là nhiệt độ mối hàn Việc dự đoán các vị trí bị quá nhiệt, có thể dẫn đến khuyết tật, thông qua việc thu thập, quan sát và xử lý dữ liệu là rất cần thiết Điều này cho phép chúng ta đưa ra các phương án điều chỉnh như tăng tốc độ hàn hoặc giảm dòng hàn dựa trên nhiệt độ thu được Vì vậy, nhóm

chúng em đã chọn đề tài “Cải tiến bộ điều khiển đầu hàn ống tự động” Đây là một giải

pháp cải tiến hiệu suất và chất lượng của quá trình hàn tự động trong các ngành công nghiệp

Để thực hiện giải pháp này, chúng em sẽ nghiên cứu và phát triển các thuật toán và sử dụng phần mềm để tối ưu hóa năng suất và chất lượng hàn Sự tối ưu này bao gồm đảm bảo độ chính xác cao, giảm thiểu thiệt hại cho vật liệu và cải thiện hiệu suất năng lượng Điều này không những giúp tiết kiệm chi phí và thời gian thi công, mà còn nâng cao độ đồng đều và độ bền của mối hàn

7

- Thu thập dữ liệu nhiệt độ và dựa vào kết quả thực nghiệm để đánh giá theo các tiêu chuẩn chất lượng mối hàn, từ đó đề xuất phương án điều khiển hợp lý nhằm tối ưu hóa chất lượng mối hàn

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Tổng hợp thông tin từ các báo cáo, bài báo liên quan đến hàn quỹ đạo và rút ra những kết luận cần thiết để bám sát hơn vào phương pháp hàn này

- Thu thập dữ liệu trong quá trình thực nghiệm, phân tích dữ liệu, giải thích nhằm kiểm chứng kết quả

- Áp dụng một số phương pháp thực nghiệm, để đánh giá sự ảnh hưởng của từng thông

số đến chất lượng mối hàn Từ đó, điều chỉnh các thông số để đạt được mục tiêu đã đặt ra

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.6.1 Đối tượng nghiên cứu

Báo cáo đồ án nhóm xây dựng được chia làm 6 chương, với nội dung như sau:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI: Nêu lên tính cấp thiết và lý

do hình thành đề tài, mục tiêu đề tài, phương pháp nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, giới hạn đề tài, kết cấu luận văn và phân định nội dung của vấn đề nghiên cứu

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT: Giới thiệu tổng quan về công nghệ quỹ đạo

Orbital và cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ: Tính toán và thiết kế phần

cứng bao gồm: nêu lên tiêu chí thiết kế, lựa chọn phương án thiết kế, tính toán và thiết kế bộ

gá cảm biến, lựa chọn động cơ và cảm biến

8

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀN KHIỂN VÀ ĐIỆN: Tổng quan hệ

thống điều khiển, lưu đồ giải thuật điều khiển, thiết kế giao diện HMI, lựa chọn thiết bị cho

bộ điều khiển

CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM: Quá trình thực nghiệm và đối sánh

kết quả thu được

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN: Chỉ ra kết quả và các đóng góp của đề

tài

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ: Kiểm nghiệm lại kết quả và đúc kết lại

quá trình làm đồ án

Hàn quỹ đạo là quy trình tự động hóa ít phụ thuộc vào người vận hành Phương pháp này sử dụng điện cực vonfram được gắn trên một rotor để thực hiện các mối hàn vòng quanh Thay vì sử dụng mỏ hàn và que hàn, hàn quỹ đạo sử dụng phương pháp hàn khí bảo vệ bằng khí TIG (Tungsten Inert Gas) và hàn hồ quang để tạo ra các mối hàn Rotor xoay quanh ống hoặc ống thép, tạo ra các mối hàn liền mạch và bền chặt Bằng cách này, các thợ hàn đã giảm thiểu mất nhiên liệu của máy bay siêu thanh mà vẫn đảm bảo sự chính xác và độ bền của mối hàn

Hình 2.1: Mối hàn quỹ đạo (Nguồn: 3ntechvietnam)

Hiện nay hàn quỹ đạo là một phương pháp hàn tiên tiến được áp dụng sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như TIG (hàn hồ quang vonfram), MIG (hàn CO2) và cắt Plasma Mỗi phương pháp này đều có các ưu điểm và ứng dụng riêng biệt trong ngành công nghiệp

Trong đó, Hàn TIG được coi là phương pháp quan trọng và phổ biến nhất trong hàn quỹ đạo, mang lại các mối hàn sạch sẽ và chính xác hơn so với các phương pháp khác Nó cũng không tạo ra chất thải hay khói bụi, là lựa chọn hàng đầu trong các ứng dụng yêu cầu sự sạch sẽ và độ chính xác cao như trong ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và hàng không vũ trụ

10

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của công nghệ hàn quỹ đạo

Quá trình hàn quỹ đạo bắt đầu bằng việc gá đặt đầu hàn có điện cực vonfram vào một đường ống cố định Điện cực vonfram trong đầu hàn được thiết kế để quay quanh đường ống 360° Khi bắt đầu hàn, điện cực sẽ nhấp nhả hồ quang trong môi trường khí trơ, cho phép hàn đồng đều, liên tục xung quanh ống, điều này có thể khó đạt được bằng quy trình hàn thủ công (Hình 2.3)

Hình 2.2: Nguyên lý hàn quỹ đạo

Hệ thống hàn ống tự động bao gồm hai bộ phận chính: bộ điều khiển và đầu hàn

- Bộ điều khiển cho phép người vận hành thực hiện các chức năng như một máy hàn truyền thống Nó đảm bảo và giám sát quá trình hàn diễn ra ổn định, đồng thời tối ưu hóa chất lượng mối hàn

Hình 2.3: Bộ điều khiển hàn quỹ đạo tự động KEPUNI (Nguồn: vi.made-in-china)

11

- Đầu hàn: Trong công nghệ hàn quỹ đạo, có hai loại đầu hàn chính là đầu hàn hệ hở (Open Arc Welding Head) và đầu hàn hệ kín (Closed Arc Welding Head)

Hình 2.4: Đầu hàn quỹ đạo hệ hở Hình 2.5: Đầu hàn quỹ đạo hệ kín

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của hàn quỹ đạo

Hàn quỹ đạo Orbital mang lại nhiều ưu điểm quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và sản xuất Dưới đây là các ưu điểm chính của quy trình này:

- Tăng năng suất: thiết bị được tự động hóa, giúp tăng hiệu quả so với hàn TIG thủ

công

- Đảm bảo chất lượng: quá trình hàn quỹ đạo cung cấp các mối hàn chất lượng cao và

đồng đều, giúp đáp ứng các tiêu chuẩn chặt chẽ về chất lượng hàn

- Linh hoạt và đa dạng hóa ứng dụng: hàn quỹ đạo có thể áp dụng cho nhiều loại chi

tiết và hình dạng khác nhau như hàn ống tròn, hàn vuông góc, đảm bảo tính linh hoạt trong sản xuất

- Tiết kiệm chi phí: mặc dù đầu tư ban đầu có thể cao, việc sử dụng hàn quỹ đạo có thể

giảm thiểu chi phí do tăng năng suất và giảm thiểu lỗi do người vận hành

- Cải thiện độ an toàn: hàn quỹ đạo có thể cải thiện an toàn bằng cách đưa thợ hàn ra

khỏi khu vực làm việc để giám sát từ xa

Mặc dù quá trình hàn quỹ đạo Orbital mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng có nhược điểm và thách thức riêng Dưới đây là một số nhược điểm chính của phương pháp hàn này:

- Giá thành cao: hệ thống hàn quỹ đạo đòi hỏi một khoản đầu tư ban đầu lớn hơn so

với các phương pháp hàn thủ công, đặc biệt khi sử dụng các hệ thống tự động hóa

- Đòi hỏi kỹ thuật cao: vận hành và bảo trì máy hàn tự động orbital yêu cầu kiến thức

kỹ thuật sâu rộng và kỹ năng cao

12

- Yêu cầu không gian và điều kiện làm việc đặc biệt: hàn quỹ đạo yêu cầu không gian

làm việc rộng và điều kiện an toàn để triển khai, đặc biệt là khi hàn trong môi trường khó tiếp cận

- Khả năng tương thích vật liệu hạn chế: hàn quỹ đạo có thể gặp khó khăn khi hàn

các vật liệu có tính chất khác nhau hoặc vật liệu khó hàn như nhôm và magie

2.1.4 Ứng dụng của công nghệ hàn Orbital

Việc sử dụng công nghệ hàn quỹ đạo đang gia tăng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Hiện nay, các ứng dụng của chúng đang ngày càng tăng Sau đây là danh sách một

số ứng dụng của chúng:

- Hàng không vũ trụ: trong các tàu vũ trụ, hệ thống nhiên liệu là một thành phần quan

trọng Hàn ống quỹ đạo được sử dụng để lắp ráp và liên kết các ống dẫn nhiên liệu và dẫn khí, đảm bảo sự an toàn và hiệu suất của hệ thống

-

Hình 2.6: Mối hàn quỹ đạo trong công nghiệp hàng không vũ trụ (Nguồn: Polysoude)

- Ngành sữa, thực phẩm và nước giải khát: các ngành công nghiệp thực phẩm, sữa và

đồ uống cần hệ thống ống vệ sinh cao, với mối hàn kín hoàn toàn để ngăn vi khuẩn như Listeria phát triển Bề mặt trong ống phải nhẵn để dễ làm sạch và khử trùng, điều này chỉ đạt được bằng hàn quỹ đạo TIG Do đó, các tiêu chuẩn hiện nay yêu cầu sử dụng quy trình này

13

Hình 2.7: Hàn quỹ đạo được ứng dụng trong các ngành thực phẩm (Nguồn: Alamy)

- Công nghiệp dược phẩm và công nghệ sinh học: nhà máy dược phẩm cần hệ thống

đường ống để truyền tải và xử lý sản phẩm, cung cấp hơi nước sạch và nước tiêm Nước tiêm đòi hỏi độ tinh khiết cao, không có dấu vết ăn mòn Các mối hàn quỹ đạo cung cấp khả năng chống ăn mòn lâu dài và bề mặt nhẵn, có thể thụ động hóa để ngăn oxy hóa và ăn mòn

Hình 2.8: Hàn quỹ đạo ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm (Nguồn: Lks360exim)

- Công nghiệp bán dẫn: trong chế tạo thiết bị bán dẫn, các ống thép không gỉ được

đánh bóng bằng điện, có đường kính ngoài 6,3 mm và độ dày thành 0,9 mm, được sử dụng làm đường dẫn khí xử lý Khí siêu tinh khiết phải di chuyển qua các ống này mà không mang theo hơi ẩm, oxy, hạt bụi hay các chất gây ô nhiễm khác Tiêu chí nghiêm

14

ngặt bao gồm mối hàn đồng nhất, nhỏ, xuyên thấu hoàn toàn trên ID và không đổi màu Chỉ những người vận hành có kinh nghiệm với thiết bị hàn quỹ đạo đáng tin cậy mới

có thể thực hiện nhiệm vụ này

Hình 2.9: Hàn quỹ đạo ứng dụng trong công nghiệp bán dẫn (Nguồn: Magnatechllc)

- Đường ống hạt nhân: ngành công nghiệp hạt nhân, với môi trường hoạt động khắc

nghiệt và yêu cầu các mối hàn chất lượng cao, từ lâu đã sử dụng công nghệ hàn quỹ đạo

Hình 2.10: Hàn quỹ đạo ứng dụng trong các nhà máy hạt nhân (Nguồn: Arcmachine)

- Van, bộ điều chỉnh, đường ống và phụ kiện đường ống: hàn quỹ đạo được sử dụng

rộng rãi trong hàn van, bộ điều chỉnh, đường ống và các phụ kiện liên quan Công nghệ

15

này giúp tạo ra các mối hàn chính xác và bền bỉ, đáp ứng các yêu cầu cao về độ chính xác và độ bền trong các ngành công nghiệp như dầu khí, hóa chất và hạt nhân

Hình 2.11: Ghép nối đường ống trong nhà máy bằng đầu hàn quỹ đạo (Nguồn: Axxair)

2.2 Cơ sở lý thuyết về bộ điều khiển thiết bị hàn ống tự động

2.2.1 Giới thiệu bộ điều khiển trong hệ thống hàn tự động

Trong hệ thống hàn TIG quỹ đạo, bộ điều khiển thông số hàn đóng vai trò trung tâm, cái mà cho phép người hàn điều chỉnh và kiểm soát chính xác các thông số như dòng điện, điện áp, tốc độ hàn và thời gian xung hồ quang Các tính năng tự động và đa chế độ của bộ điều khiển giúp tối ưu hóa quá trình hàn, đảm bảo mối hàn đạt chất lượng cao và đồng đều Việc sử dụng bộ điều khiển này không chỉ cải thiện hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu các lỗi trong quá trình hàn, đáp ứng được các tiêu chuẩn chất lượng khắt khe của mối hàn

2.2.2 Các thông số quan trọng trong hàn ống

Trong hệ thống hàn quỹ đạo, các thông số hàn tự động được điều chỉnh và giám sát thông qua bộ điều khiển tự động Các thông số hàn quan trọng bao gồm:

- Cường độ dòng hàn: dòng điện hàn là thông số có ảnh hưởng lớn nhất trong quá trình

hàn hồ quang, nó kiểm soát tốc độ cháy điện cực, độ sâu và hình dạng của mối hàn Dòng điện có ảnh hưởng trực tiếp đến hình dạng mối hàn, tốc độ hàn và chất lượng mối hàn Do đó cường độ của nó phải được kiểm soát chính xác bởi bộ điều khiển Thông số cường độ dòng hàn phụ thuộc vào tính chất vật liệu, độ dày ống hàn, tốc độ hàn và khí bảo vệ Trong đó cường độ dòng hàn được tính theo công thức:

Dòng điện hàn = Độ 𝑑à𝑦 ố𝑛𝑔 ℎà𝑛 (𝑚𝑚)

Ví dụ: độ dày của ống là 1.5 mm Theo công thức trên ta phải chọn dòng hàn là 60 Apm

và đối với ống có độ dày là 2 mm thì có dòng hàn là 80Apm Trong quá trình hàn có độ

16

tích lũy nhiệt độ ống hàn, khi đó mối hàn sẽ bị quá nhiệt làm mối hàn không đồng nhất Phương án đưa ra là áp dụng điều chỉnh thông số cường độ dòng hàn kết hợp với cảm biến nhiệt độ, đảm bảo quá trình hàn ổn định, đồng đều mối hàn

- Tốc độ hàn: trong kỹ thuật hàn TIG, tốc độ hàn là tốc độ di chuyển của điện cực và

phụ thuộc vào tốc độ làm đầy vùng chảy và độ dày của chi tiết hàn Thông thường, tốc

độ này dao động từ 100 đến 250mm/phút Để đảm bảo chất lượng mối hàn, việc duy trì tốc độ hàn ổn định là rất quan trọng

- Thời gian xung hồ quang: thi bắt đầu quá trình hàn, điện cực sẽ quay quanh ống hàn

và thực hiện hồ quang liên tục luân phiên dòng điện hàn giữa các xung cao và xung thấp Sự thay đổi này giúp đảm bảo độ xuyên thấu của mối hàn luôn nhất quán Cường

độ dòng hàn và tốc độ hàn trong chương trình hàn này sẽ xác định sự chồng lấp của mối hàn (Hình 2.13)

Hình 2.12: Ảnh hưởng tần số xung đến mối hàn (Nguồn: Morganitech)

- Khí bảo vệ: khí bảo vệ đóng vai trò quan trọng trong quá trình hàn TIG quỹ đạo, nó

ngăn ngừa quá trình oxy hóa bằng cách tạo ra một môi trường bảo vệ xung quanh mối hàn, ngăn không cho oxy trong không khí tiếp xúc với kim loại nóng chảy, từ đó tránh được quá trình oxy hóa không mong muốn Bên cạnh đó, khí bảo vệ giúp duy trì hồ quang ổn định, cho phép quá trình hàn diễn ra liên tục và đồng đều Ngoài ra, khí bảo

vệ còn cải thiện chất lượng mối hàn bằng cách bảo vệ mối hàn khỏi các tạp chất, giúp tạo ra các mối hàn sạch sẽ và chắc chắn Trong hàn TIG quỹ đạo, Argon là loại khí bảo

vệ chủ yếu được sử dụng nhờ vào chi phí hợp lý và đặc tính khởi động hồ quang tốt Với khả năng ion hóa thấp, Argon giúp sản sinh hồ quang ban đầu ở tần số cao tốt hơn

và tạo ra hồ quang ổn định hơn so với khí Helium

2.2.3 Phương pháp điều khiển động cơ bước

Trong hệ thống hàn TIG quỹ đạo, phương pháp điều khiển động cơ bước đóng vai trò quan trọng để đảm bảo chính xác và độ tin cậy trong quá trình hàn Động cơ bước được sử

17

dụng để điều khiển đầu hàn di chuyển xung quanh bề mặt ống hoặc các chi tiết khác cần hàn,

mà không cần sự can thiệp thủ công

Hình 2.13: Hình ảnh cấu tạo động cơ bước

Một số phương pháp điều khiển động cơ bước:

- Full Step Drive: mô men xoắn đạt mức cao và cho phép điều khiển động cơ tải cao

- Half-Stepping Drive: tăng cường độ chính xác, giảm rung cho động cơ nhưng mô men xoắn sẽ giảm xuống

- MicroStepping Drive: là phương pháp điều khiển động cơ bước được sử dụng phổ

biến nhất vì nó có tính chính xác rất cao Đông thời, nó có thể giảm tiếng ồn trong vận

Quy ước động cơ quay theo chiều thuận thì A sớm pha hơn B và ngược lại Có 3 chế

độ đọc xung encoder x1, x2, x4 Như hình 2.15 ta thấy chế độ x1 chỉ đọc xung cạnh lên của pha A, chế độ x2 đọc xung cạnh lên và cạnh xuống của pha A, Chế độ x4 đọc cả xung cạnh lên và cạnh xuống của pha A va pha B Như vậy chế độ x4 sẽ cho độ phân giải cao nhất

18

2.3 Phương pháp thu thập thông số thực nghiệm

2.3.1 Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi

Việc thu thập và phân tích thông số thực nghiệm là rất bước quan trọng để đánh giá sự ảnh hưởng từng thông số hàn đến đối tượng Từ đó, có thể điều chỉnh các thông số hàn để đáp ứng mục tiêu đề ra Phương pháp Taguchi được sử dụng để thu thập các thông số thực nghiệm trong đề tài này

Tiến sĩ Taguchi từ Nhật Bản đã khởi xướng phương pháp thiết kế bền vững, còn gọi là Robust Design, và đề xuất phương pháp thực nghiệm mang tên ông Mục tiêu của phương pháp Taguchi là thiết kế một quy trình (hoặc sản phẩm) ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố gây sai lệch về chất lượng Phương pháp nhằm điều chỉnh các tham số đến mức tối ưu để đảm bảo quy trình (hoặc sản phẩm) hoạt động ở mức chất lượng tốt nhất có thể Phương pháp Taguchi

sử dụng các mảng trực giao trong kế hoạch thực nghiệm để giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết Điều này giúp đánh giá tác động của các tham số lên một kết quả đã chọn của quy trình (hoặc sản phẩm), từ đó nhanh chóng điều chỉnh các tham số đến mức tối ưu

Các đặc điểm phương pháp Taguchi:

1 Phương pháp Taguchi bổ sung cho 2 phương pháp quy hoạch thực nghiệm toàn phần (TNT) và riêng phần (TRT)

2 Phương pháp Taguchi dựa trên ma trận thực nghiệm trực giao xây dựng trước

và phương pháp để phân tích đánh giá kết quả

3 Các nhân tố có thể có 2, 3, 4, 5…8 mức giá trị

4 Phương pháp Taguchi sử dụng tốt nhất với số nhân tố khảo sát từ 3 đến 50, số tương tác ít và khi chỉ có một số ít nhân tố có ý nghĩa

Taguchi cho rằng sự chênh lệch giữa giá trị thực tế và giá trị mục tiêu của một biến số

là một tổn thất cần được giảm thiểu Do đó, ông đã đề xuất sử dụng hàm bậc hai để đo lường tổn thất này, công thức liên quan được trích từ tài liệu [6]:

Với 𝑘, 𝑦, 𝑦0 lần lượt là hệ số tổn thất, giá trị đo và giá trị mục tiêu

Theo phương pháp Taguchi, các yếu tố ảnh hưởng đến hàm mục tiêu được kết hợp qua mảng trực giao (OAS) Kết quả thử nghiệm được phân tích bằng tỷ lệ Tín hiệu/Nhiễu (S/N),

đo lường ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào lên hàm mục tiêu Việc tối đa hóa tỷ lệ S/N giúp giảm tổn thất và nâng cao chất lượng hệ thống, tùy thuộc vào đặc tính chất lượng của hệ thống trong quá trình tối ưu Trong mọi trường hợp S/N càng lớn thì yếu tố đầu ra có đặc tính càng tốt (Bảng 2.1)

19

Bảng 2.1: Các trường hợp chất lượng theo Taguchi

Trong đó: S/N, D, n lần lượt là: tỷ lệ tín hiệu so với nhiễu, phương sai và tổng số thử nghiệm cần thực hiện 𝑦̅ là giá trị trung bình của kết quả các lần đo 𝑦𝑖, được tính như sau:

𝑦̅ = 1

𝑛 ∑ 𝑦𝑖𝑛

𝑖=1

; 𝑠2 = 1

𝑛 − 1 ∑(𝑦𝑖 − 𝑦̅)

2 𝑛

𝑖=1

(2.6)

Phương pháp Taguchi không sử dụng tất cả các tổ hợp thử nghiệm, vì vậy không cung cấp con số chính xác về ảnh hưởng của từng thông số đầu vào đến kết quả cuối cùng Thay vào đó, thông qua tỷ số S/N, nó cho biết xu hướng và mức độ ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến kết quả Những thông tin này giúp các nhà nghiên cứu nhanh chóng tìm ra tổ hợp thông số công nghệ tối ưu để đạt được hiệu quả đầu ra mong muốn

2.3.2 Phần mềm Minitab

Minitab là một phần mềm thống kê hữu ích và dễ sử dụng, được thiết kế để hỗ trợ các nhà nghiên cứu, kỹ sư, và chuyên gia trong nhiều lĩnh vực phân tích dữ liệu và quản lý chất lượng Được phát triển ở Đại học Pennsylvania bởi Barbara F Ryan, Thomas A Ryan, Jr và Brian L Joiner năm 1972 Minitab là phiên bản thu gọn của phần mềm OMNITAB, phần mềm phân tích thống kê của NIST

Ngày nay, Minitab được sử dụng khi áp dụng hệ thống 6 sigma và các phương pháp cải tiến quá trình khác sử dụng các công cụ thống kê Theo số liệu của công ty, Minitab được

sử dụng tại hơn 4.000 trường đại học và cao đẳng trên thế giới và là phần mềm hàng đầu ứng dụng trong việc giảng dạy

Phần mềm Minitab là một công cụ thống kê mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi bởi các chuyên gia phân tích dữ liệu, kiểm soát chất lượng và nhà nghiên cứu để phân tích và cải thiện chất lượng Nó cung cấp các công cụ và tính năng thống kê đa dạng giúp người dùng khám phá, trực quan hóa và phân tích dữ liệu một cách dễ dàng và hiệu quả

- Phân tích độ biến thiên: phân tích độ biến thiên trong Minitab thường dùng ANOVA

và các công cụ khác để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến sự biến động của kết quả

- Kiểm soát và cải tiến chất lượng: hàng loạt các chức năng về kiểm soát và cải thiện chất lượng như biểu đồ kiểm soát, phân tích khả năng xử lý, và thiết kế các công cụ thử nghiệm

- Thử nghiệm giả thuyết Minitab hỗ trợ thực hiện các thử nghiệm giả thuyết để đánh giá tính chính xác của các giả định dựa trên dữ liệu

- Phân tích sơ đồ tương quan: phân tích sơ đồ tương quan trong Minitab giúp xác định

và phân tích mối quan hệ giữa các biến số thông qua đồ thị, hỗ trợ người dùng trong việc đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu phân tích

- Phân tích dữ liệu: minitab cho phép người dùng phân tích và đánh giá dữ liệu từ các thử nghiệm và quy trình khác nha Từ đó, giúp hỗ trợ trong việc ra quyết định dựa trên

dữ liệu chính xác và khoa học

2.4 Tìm hiểu các phương án sử dụng cảm biến và vị trí lắp đặt

Có hai phương pháp đo nhiệt độ chính được sử dụng nhiều trong kĩ thuật:

- Phương pháp tiếp xúc: phương pháp này yêu cầu lắp đặt đầu đọc của cảm biến nhiệt

tiếp xúc trực tiếp vào bề mặt đối tượng cần đo Bằng cách sử dụng cặp nhiệt điện (Thermocouples), nhiệt điện trở (RTD - resitance temperature detector), cảm biến sẽ chuyển đổi năng lượng nhiệt thành tín hiệu điện, để xác định nhiệt độ

- Phương pháp không tiếp xúc: phương pháp này sử dùng các thiết bị đo nhiệt độ bề

mặt đối tượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt phát ra từ vật thể Để xác định nhiệt độ, hệ thống cần sử dụng các thiết bị như nhiệt kế hồng ngoại (Infrared Thermometers), hỏa quang kế (Pyrometer), cảm biến hồng ngoại (Infrared Sensors), camera nhiệt (Thermal Cameras)

21

Hình 2.16: Các phương pháp đo lường nhiệt độ trong lúc hàn ống

2.4.1 Phương án sử dụng cảm biến đo nhiệt độ tiếp xúc

Trong việc áp dụng cảm biến nhiệt độ dạng tiếp xúc, do sự tương đồng về hình dạng

và cấu trúc lắp đặt, việc lựa chọn một loại cảm biến tiêu biểu để tiến hành nghiên cứu là hợp

lý Cụ thể, cặp nhiệt điện (Thermocouples) được chọn làm đối tượng nghiên cứu

Cấu tạo: gồm 2 dây kim loại có chất liệu khác nhau và được hàn lại ở hai điểm Một điểm gọi là điểm nóng (hot junction) và điểm còn lại là điểm lạnh (cold junction)

Nguyên lý hoạt động: cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck, là hiện tượng tạo ra một sức điện động V khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nóng lạnh

Tầm đo: -100 0C ÷ 1400 0C

Hình 2.17: Cặp nhiệt điện loại K (Nguồn: Flukestore)

Phương án gá đặt: gá bốn cảm biến tiếp xúc vào 4 góc khác nhau, cách nhau một góc

90o, đầu đo tiếp xúc với mối hàn ống bên trong ống, điều này giúp cải thiện độ chính xác và

ổn định trong quá trình hàn ( Hình 2.17 )

- Độ trễ: có độ trễ nhất định khi sử dụng và không đáp ứng nhanh

- Nhiễu điện: cặp nhiệt điện dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ (EMI) và có thể tạo ra tín

hiệu nhiễu, dẫn đến sai số trong kết quả đo

- Chiều dài dây dẫn: khi chiều dài dây dẫn cặp nhiệt điện tăng lên, có thể xuất hiện suy

giảm tín hiệu và tăng sai số đo lường

- Giới hạn đo lường: khi đo cần phải tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt mới thu được kết

quả

2.4.2 Phương án sử dụng hỏa kế ghi nhiệt độ mối hàn

Hỏa quang kế (Pyrometer) là thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc, sử dụng nguyên lý bức xạ nhiệt để xác định nhiệt độ của vật thể Điểm đo phụ thuộc vào hệ thống quang học và khoảng cách từ bề mặt được kiểm tra Điểm đo thường được xác định bằng con trỏ mục tiêu laser ở dạng điểm trung tâm hoặc hình chữ thập đánh dấu đường kính của điểm đo

Hỏa quang kế có các thành phần chính như: thấu kính quang học (Objective lens), bóng đèn tham chiếu (Reference tempetura lamp), màn ngăn (Absorption screen), tấm lọc màu đỏ (Red fillter) và biến trở (Rhepstat)