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

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Hàn quỹ đạo là một phương pháp hàn ống tự động hiện đại, sử dụng cơ cấu truyền động để quay điện cực 360 độ quanh ống cần hàn Có ba phương pháp hàn quỹ đạo chính: TIG, MIG và Plasma, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Dưới đây là phân tích chi tiết về từng phương pháp hàn quỹ đạo.

Hàn TIG quỹ đạo là phương pháp hàn phổ biến nhất, sử dụng điện cực vonfram để tạo hồ quang và nung nóng kim loại Phương pháp này thường được áp dụng cho hàn inox và nhôm, đặc biệt hiệu quả cho các vật liệu mỏng nhờ khả năng tạo mối hàn sạch Tuy nhiên, hàn TIG quỹ đạo có chi phí cao hơn so với hàn MIG/MAG (hàn CO2) và hàn cắt plasma, chủ yếu do yêu cầu trang thiết bị chuyên dụng và thời gian hoàn thành mối hàn lâu hơn.

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

Hàn MIG quỹ đạo sử dụng điện cực kim loại để tạo hồ quang, giúp hàn các kim loại với độ dày lớn nhờ khả năng tạo mối hàn vững chắc Mặc dù phương pháp này mang lại hiệu quả cao, chi phí cho hàn MIG quỹ đạo thường cao hơn so với các phương pháp hàn khác do yêu cầu về trang thiết bị chuyên dụng.

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

Hàn Plasma quỹ đạo sử dụng điện cực plasma để tạo ra hồ quang, làm nóng kim loại cần hàn, và thường được áp dụng cho hàn titan cũng như các vật liệu khó hàn khác Phương pháp này rất hiệu quả cho hàn vật liệu mỏng nhờ vào khả năng tạo ra mối hàn sạch Mặc dù mang lại hiệu suất và chất lượng mối hàn vượt trội, hàn plasma quỹ đạo đòi hỏi đầu tư ban đầu cao cho thiết bị và công nghệ chuyên biệt so với các phương pháp hàn truyền thống.

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

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, mang lại cuộc cách mạng trong ngành hàn từ những năm 60 Phương pháp này sử dụng hồ quang từ điện cực không nóng chảy quay quanh chi tiết cần hàn với dòng điện hàn tự động điều chỉnh Ngày nay, công nghệ hàn quỹ đạo đã tiến bộ, cho phép hàn với độ chính xác cao và đường kính rất nhỏ, chỉ vài milimét Hàn quỹ đạo được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất, đặc biệt là thực phẩm và đồ uống, nơi độ thẩm mỹ và độ bền của mối hàn rất quan trọng Hệ thống hàn quỹ đạo hiện đại có thể được điều khiển bằng bộ điều khiển tích hợp máy tính, cho phép lưu trữ thông số hàn cho nhiều ứng dụng khác nhau, và người vận hành chỉ cần thao tác qua màn hình cảm ứng để hệ thống thực hiện quá trình hàn tự động.

Hàn quỹ đạo là thành quả của nghiên cứu và cải tiến liên tục từ các nhà khoa học và kỹ sư toàn cầu Các nhà sản xuất hàn quỹ đạo, như Orbitalum với thiết bị Smart Welder OM180, đã tích hợp công nghệ hiện đại, cho phép nhập liệu và truy xuất dữ liệu hàn, đồng thời hỗ trợ chia sẻ thông qua kết nối mạng công nghiệp, phù hợp với xu hướng IoT và Industry 4.0 Thiết bị này hoạt động với điện áp từ 110V đến 230V và tần số 50/60Hz, không cần nguồn điện công nghiệp chuyên biệt Bộ điều khiển KEPUNI giúp giảm thiểu phơi nhiễm bức xạ cho người lao động và tự động hóa cài đặt thông số hàn từ cơ sở dữ liệu chuyên gia, hỗ trợ người mới trong việc thực hiện mối hàn chất lượng cao Ngoài ra, TITANIUM 230 AC/DC FV cung cấp giải pháp hàn đa năng, kết hợp AC và DC, tăng cường hiệu suất hàn cho nhiều loại vật liệu và hỗ trợ nhiều phương pháp hàn khác nhau, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong công nghiệp.

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 đang nỗ lực nghiên cứu và phát triển công nghệ hàn quỹ đạo, với Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đóng góp quan trọng trong lĩnh vực này Các nhóm nghiên cứu và sinh viên không ngừng sáng tạo, cải tiến mẫu đầu hàn quỹ đạo và tích hợp công nghệ điều khiển vào sản xuất 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, khẳng định tiềm năng phát triển công nghệ hàn quỹ đạo tại Việt Nam.

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

Đại học Sao Đỏ tiên phong trong phát triển công nghệ hàn quỹ đạo với dự án “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hàn Orbital tự động” Mục tiêu của dự án là cải thiện chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất trong điều kiện khó khăn, đồng thời đảm bảo an toàn cho công nhân Dự án này không chỉ nâng cao năng lực sản xuất mà còn mở ra cơ hội cho các nhà sản xuất máy hàn tại Việt Nam tiếp cận công nghệ mới, tạo sự kết nối giữa nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tiễn.

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

Dự án này đánh dấu bước tiến quan trọng trong ngành công nghệ hàn quỹ đạo tại Việt Nam, mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp hàn Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức và tiềm năng lớn chưa được khai thác Để nâng cao hiệu suất và tối ưu hóa chi phí trong sản xuất công nghiệp, việc tăng cường đầu tư cho nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực hàn quỹ đạo là rất cần thiết.

Lý do chọn đề tài

Trong sản xuất thiết bị bằng thép không gỉ, hàn quỹ đạo với khí bảo vệ, đặc biệt là công nghệ hàn TIG quỹ đạo, được sử dụng rộng rãi nhờ vào tính ứng dụng đa dạng và hiệu quả vượt trội Do đó, nghiên cứu và phát triển thiết bị liên quan đến công nghệ hàn này là vấn đề cấp thiết trong ngành công nghiệp.

Trong hàn TIG quỹ đạo, việc điều khiển cường độ dòng hàn, tốc độ hàn, thời gian xung hồ quang, vị trí bắt đầu và hướng quay là rất quan trọng vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn Đánh giá tác động của các thông số này là cần thiết để nâng cao chất lượng Công nghệ TIG quỹ đạo hiện nay đã phát triển, hướng tới việc tạo ra bộ điều khiển thông minh hơn, có khả năng giám sát và điều chỉnh các thông số hàn theo thời gian thực Nhiệt độ mối hàn là yếu tố cần được chú trọng, việc dự đoán các vị trí quá nhiệt thông qua thu thập và xử lý dữ liệu cho phép điều chỉnh tốc độ và dòng hàn hợp lý Nhóm chúng tôi đã chọn đề tài “Cải tiến bộ điều khiển đầu hàn ống tự động” nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng hàn tự động trong công nghiệp Chúng tôi sẽ nghiên cứu và phát triển các thuật toán cùng phần mềm để tối ưu hóa năng suất, đảm bảo độ chính xác cao, giảm thiểu thiệt hại cho vật liệu và cải thiện hiệu suất năng lượng, từ đó tiết kiệm chi phí và thời gian thi công, cũng như nâng cao độ đồng đều và độ bền của mối hàn.

Mục tiêu đề tài

- Nghiên cứu và cải tiến một bộ điều khiển có khả năng điều chỉnh và giám sát ổn định các thông số hàn

Bằng cách sử dụng các phương pháp thực nghiệm Taguchi kết hợp với phần mềm Minitab, chúng tôi đã đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số như dòng hàn, vận tốc hàn và thời gian xung của hồ quang.

Thu thập dữ liệu nhiệt độ và đánh giá chất lượng mối hàn dựa trên kết quả thực nghiệm Từ đó, đề xuất các phương án điều khiển hợp lý nhằm tối ưu hóa chất lượng mối hàn.

Phương pháp nghiên cứu

Tổng hợp thông tin từ các báo cáo và bài báo về hàn quỹ đạo giúp rút ra những kết luận quan trọng, từ đó nâng cao hiểu biết và ứng dụng hiệu quả 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 các phương pháp thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của từng thông số đến chất lượng mối hàn, từ đó điều chỉnh các thông số nhằm đạt được mục tiêu đã đề ra.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Sau khi phân tích các số liệu ban đầu, nhóm đã quyết định cải tiến bộ điều khiển hàn ống nhằm phục vụ cho mục đích nghiên cứu thử nghiệm, với các tiêu chí cụ thể được xác định rõ ràng.

- Tốc độ hàn từ 0 ÷ 20 mm/s

- Đo nhiệt độ mối hàn trong khoảng từ 0÷ 975 o C.

Kết cấu đồ án

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

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

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về công nghệ hàn quỹ đạo Orbital

Lịch sử hàn quỹ đạo bắt đầu từ những năm 1950, khi ngành công nghiệp hàng không vũ trụ tìm cách giảm thiểu mất nhiên liệu của máy bay siêu thanh Để nâng cao độ bền cho bồn nhiên liệu, các kỹ sư đã thử nghiệm một phương pháp hàn mới Kết quả là hàn quỹ đạo đã phát triển thành một phương pháp hàn đáng tin cậy và hiệu quả, thay thế cho các phương pháp hàn truyền thống.

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

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

Hàn quỹ đạo hiện nay là một phương pháp hàn tiên tiến, áp dụng nhiều kỹ thuật khác nhau như hàn hồ quang vonfram (TIG), hàn CO2 (MIG) và cắt Plasma Mỗi phương pháp đều mang lại những ưu điểm và ứng dụng riêng biệt trong ngành công nghiệp.

Hàn TIG là phương pháp hàn quỹ đạo quan trọng và phổ biến nhất, mang lại các mối hàn sạch sẽ và chính xác vượt trội so với các phương pháp khác Phương pháp này không tạo ra chất thải hay khói bụi, do đó trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng yêu cầu sự sạch sẽ và độ chính xác cao, đặc biệt trong ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và hàng không vũ trụ.

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, cho phép điện cực quay 360° Khi hàn, điện cực nhấp nhả hồ quang trong môi trường khí trơ, tạo ra mối hàn đồng đều và liên tục xung quanh ống, điều mà quy trình hàn thủ công khó có thể đạt được.

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 giúp người vận hành thực hiện các chức năng tương tự như máy hàn truyền thống, đảm bảo và giám sát quá trình hàn diễn ra ổn định, đồng thời tối ưu hóa chất lượng của mối hàn.

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

Trong công nghệ hàn quỹ đạo, có hai loại đầu hàn chủ yếu: 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 lợi ích quan trọng cho ngành công nghiệp và sản xuất, bao gồm khả năng tạo ra mối hàn chất lượng cao, giảm thiểu biến dạng vật liệu, và tăng cường hiệu suất sản xuất Quy trình này cũng giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời cải thiện độ chính xác trong các ứng dụng hàn.

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

Quá trình hàn quỹ đạo đảm bảo chất lượng mối hàn cao và đồng đều, đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về chất lượng hàn.

Hàn quỹ đạo mang lại tính linh hoạt và đa dạng trong ứng dụng, cho phép hàn nhiều loại chi tiết và hình dạng khác nhau, bao gồm hàn ống tròn và hàn vuông góc, từ đó đảm bảo hiệu quả trong quy trình sản xuất.

Hàn quỹ đạo giúp tiết kiệm chi phí hiệu quả bằng cách tăng năng suất và giảm thiểu lỗi do người vận hành, mặc dù đầu tư ban đầu có thể cao.

Hàn quỹ đạo nâng cao độ an toàn bằng cách cho phép thợ hàn giám sát quy trình từ xa, giúp họ tránh xa khu vực làm việc nguy hiểm.

Mặc dù hàn quỹ đạo Orbital mang lại nhiều lợi ích, nhưng phương pháp này cũng gặp phải một số nhược điểm và thách thức Một số nhược điểm chính của hàn quỹ đạo Orbital bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu thiết bị chuyên dụng và kỹ thuật viên có tay nghề cao, cũng như khó khăn trong việc áp dụng cho các vị trí hàn khó tiếp cận.

Hệ thống hàn quỹ đạo yêu cầu một khoản đầu tư ban đầu cao hơn so với các phương pháp hàn thủ công, đặc biệt là khi áp 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

Hàn quỹ đạo đòi hỏi một không gian làm việc rộng rãi và các điều kiện an toàn nghiêm ngặt, đặc biệt khi thực hiện trong những môi trường khó tiếp cận.

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

Bộ điều khiển trong hệ thống hàn TIG quỹ đạo đóng vai trò quan trọng, cho phép người hàn điều chỉnh chính xác các thông số như dòng điện, điện áp, tốc độ hàn và thời gian xung hồ quang Với các tính năng tự động và đa chế độ, bộ điều khiển 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 nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu lỗi trong quá trình hàn, đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng khắt khe.

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 Những thông số hàn quan trọng này đóng vai trò quyết định trong việc tối ưu hóa chất lượng hàn và nâng cao hiệu suất sản xuất.

Cường độ dòng hàn là thông số quan trọng nhất trong quá trình hàn hồ quang, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ cháy điện cực, độ sâu và hình dạng của mối hàn Nó quyết định hình dạng, tốc độ và chất lượng của mối hàn, do đó cần được kiểm soát chính xác bởi bộ điều khiển Thông số này phụ thuộc vào tính chất vật liệu, độ dày ống hàn, tốc độ hàn và khí bảo vệ, và được tính toán theo công thức cụ thể.

Khi hàn ống có độ dày 1.5 mm, dòng hàn cần chọn là 60 Apm; đối với ống dày 2 mm, dòng hàn nên là 80 Apm.

Việc tích lũy nhiệt độ trong ống hàn có thể dẫn đến tình trạng quá nhiệt, gây ra mối hàn không đồng nhất Để khắc phục vấn đề này, cần áp dụng biện pháp điều chỉnh cường độ dòng hàn kết hợp với cảm biến nhiệt độ, nhằm đảm bảo quá trình hàn diễn ra ổn định và tạo ra mối hàn đồng đều.

Tốc độ hàn trong kỹ thuật hàn TIG là tốc độ di chuyển của điện cực, 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 250 mm/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 là quá trình bắt đầu hàn, trong đó điện cực quay quanh ống hàn và tạo ra hồ quang liên tục với sự luân phiên giữa các xung cao và xung thấp Sự thay đổi này đảm bảo độ xuyên thấu của mối hàn luôn ổn định Cường độ dòng hàn và tốc độ hàn trong chương trình này sẽ quyết định mức độ chồng lấp của mối hàn.

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

Khí bảo vệ đóng vai trò quan trọng trong hàn TIG quỹ đạo, ngăn ngừa quá trình oxy hóa bằng cách tạo ra môi trường bảo vệ quanh mối hàn, giúp tránh tiếp xúc giữa oxy trong không khí và kim loại nóng chảy Nó cũng duy trì hồ quang ổn định, cho phép hàn diễn ra liên tục và đồng đều, đồng thời cải thiện chất lượng mối hàn bằng cách bảo vệ khỏi tạp chất, tạo ra các mối hàn sạch sẽ và chắc chắn Argon là loại khí bảo vệ chủ yếu được sử dụng trong hàn TIG quỹ đạo nhờ chi phí hợp lý và khả năng khởi động hồ quang tốt, với khả năng ion hóa thấp giúp sản sinh hồ quang ban đầu ở tần số cao và ổn định hơn so với khí Helium.

2.2.3 Phương pháp điều khiển động cơ bước

Trong hệ thống hàn TIG quỹ đạo, việc điều khiển động cơ bước là yếu tố then chốt để đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong quá trình hàn Động cơ bước được sử dụng để điều chỉnh chuyển động một cách chính xác, góp phần nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm hàn.

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 phổ biến nhất nhờ vào độ chính xác cao Phương pháp này không chỉ nâng cao hiệu suất hoạt động mà còn giảm thiểu tiếng ồn khi động cơ hoạt động ở tần suất cao.

Encoder gồm 2 pha A và B lệch pha nhau thường là 90 độ để xác định số vòng quay được và chiều quay hiện tại của động cơ

Hình 2.14: Hình ảnh các chế độ đọc xung encoder

Quy ước động cơ quay theo chiều thuận thì pha A sớm hơn pha B, và ngược lại Có ba chế độ đọc xung encoder: x1, x2, và x4 Trong chế độ x1, chỉ đọc xung cạnh lên của pha A; chế độ x2 đọc cả xung cạnh lên và cạnh xuống của pha A; còn chế độ x4 đọc cả xung cạnh lên và cạnh xuống của cả pha A và pha B Do đó, chế độ x4 mang lại độ phân giải cao nhất.

Phương pháp thu thập thông số thực nghiệm

2.3.1 Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi

Việc thu thập và phân tích các thông số thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá ảnh hưởng của từng thông số hàn đến đối tượng Nhờ đó, chúng ta có thể điều chỉnh các thông số hàn để đạt được mục tiêu mong muốn Trong nghiên cứu này, phương pháp Taguchi được áp dụng để thu thập các thông số thực nghiệm.

Tiến sĩ Taguchi từ Nhật Bản đã phát triển phương pháp thiết kế bền vững, hay còn gọi là Robust Design, với mục tiêu tạo ra quy trình hoặc sản phẩm ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố gây sai lệch chất lượng Phương pháp này tập trung vào việc tối ưu hóa các tham số để đảm bảo hiệu suất chất lượng tốt nhất Bằng cách sử dụng các mảng trực giao trong kế hoạch thực nghiệm, phương pháp Taguchi giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết, giúp nhanh chóng đánh giá tác động của các tham số lên kết quả và điều chỉnh chúng 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 khác biệt giữa giá trị thực tế và giá trị mục tiêu của một biến số là một dạng tổn thất cần được giảm thiểu Ông đã đề xuất sử dụng hàm bậc hai để đo lường tổn thất này, với công thức liên quan được trích dẫn từ tài liệu [6].

Với 𝑘, 𝑦, 𝑦 0 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), và kết quả thử nghiệm được phân tích bằng tỷ lệ Tín hiệu/Nhiễu (S/N) Tỷ lệ S/N đo lường ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào lên hàm mục tiêu, với mục tiêu tối đa hóa tỷ lệ này để giảm tổn thất và nâng cao chất lượng hệ thống Việc tối ưu hóa dựa vào đặc tính chất lượng của hệ thống cho thấy rằng tỷ lệ S/N càng lớn thì yếu tố đầu ra có đặc tính càng tốt.

Bảng 2.1: Các trường hợp chất lượng theo Taguchi

Trong bài viết này, S/N, D và n lần lượt đại diện cho tỷ lệ tín hiệu so với nhiễu, phương sai và tổng số thử nghiệm cần thực hiện Giá trị trung bình của kết quả các lần đo 𝑦 𝑖 được ký hiệu là 𝑦̅ và được tính toán theo công thức cụ thể.

Phương pháp Taguchi không yêu cầu sử dụng tất cả các tổ hợp thử nghiệm, do đó 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, phương pháp này chỉ ra xu hướng và mức độ ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến kết quả Những thông tin này hỗ trợ các nhà nghiên cứu nhanh chóng xác định tổ hợp thông số công nghệ tối ưu nhằm đạt được hiệu quả đầu ra mong muốn.

Minitab là phần mềm thống kê dễ sử dụng, hỗ trợ nhà nghiên cứu, kỹ sư và chuyên gia trong phân tích dữ liệu và quản lý chất lượng Được phát triển năm 1972 tại Đại học Pennsylvania bởi Barbara F Ryan, Thomas A Ryan, Jr và Brian L Joiner, Minitab là phiên bản rút gọn của OMNITAB, phần mềm phân tích thống kê của NIST.

Minitab hiện nay là phần mềm phổ biến trong việc áp dụng hệ thống 6 sigma và các phương pháp cải tiến quy trình thông qua công cụ thống kê Theo thống kê, Minitab được sử dụng tại hơn 4.000 trường đại học và cao đẳng trên toàn thế giới, khẳng định vị thế của nó là phần mềm hàng đầu trong giảng dạy.

Phần mềm Minitab là một công cụ thống kê mạnh mẽ, được nhiều chuyên gia phân tích dữ liệu và kiểm soát chất lượng tin dùng Nó giúp người dùng phân tích và cải thiện chất lượng thông qua các công cụ và tính năng thống kê đa dạng, cho phép khám phá, trực quan hóa và phân tích dữ liệu một cách dễ dàng và hiệu quả.

Trường hợp Tên gọi Biểu thức

1 Lớn hơn thì tốt hơn 𝑆

2 Đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố

3 Nhỏ hơn thì tốt hơn 𝑆

Hình 2.15: Phần mềm thống kê ứng dụng Minitab Ứng dụng phần mềm Minitab:

Minitab cung cấp các công cụ thiết kế thí nghiệm (DOE) theo phương pháp Taguchi, giúp người dùng xác định và tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và quy trình sản xuất.

Phân tích độ biến thiên trong Minitab thường sử dụng phương pháp ANOVA và các công cụ khác để đánh giá tác động của các yếu tố đến sự biến động của kết quả Việc áp dụng các phương pháp này giúp xác định những yếu tố nào có ảnh hưởng đáng kể đến độ biến thiên, từ đó hỗ trợ trong việc ra quyết định và cải thiện quy trình.

Kiểm soát và cải tiến chất lượng là những yếu tố quan trọng trong quản lý, bao gồm các chức năng như biểu đồ kiểm soát, phân tích khả năng xử lý và thiết kế công cụ thử nghiệm Các phương pháp này giúp đảm bảo rằng sản phẩm và dịch vụ đạt tiêu chuẩn chất lượng cao, đồng thời tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả hoạt động.

- 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 trong Minitab cho phép xác định và đánh giá mối quan hệ giữa các biến số thông qua đồ thị, từ đó hỗ trợ người dùng trong việc đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu phân tích.

Minitab cung cấp khả năng phân tích và đánh giá dữ liệu từ các thử nghiệm và quy trình khác nhau, giúp người dùng đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu chính xác và khoa học.

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 yêu cầu lắp đặt đầu đọc của cảm biến nhiệt trực tiếp vào bề mặt đối tượng cần đo Sử dụng cặp nhiệt điện (Thermocouples) và nhiệt điện trở (RTD - resistance temperature detector), cảm biến chuyển đổi năng lượng nhiệt thành tín hiệu điện để xác định nhiệt độ chính xác.

Phương pháp không tiếp xúc là kỹ thuật đo nhiệt độ bề mặt của vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt Để xác định nhiệt độ, các thiết bị như nhiệt kế hồng ngoại, hỏa quang kế, cảm biến hồng ngoại và camera nhiệt được sử dụng.

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 nghiên cứu về cảm biến nhiệt độ dạng tiếp xúc, việc chọn lựa một loại cảm biến tiêu biểu là rất quan trọng Cặp nhiệt điện (Thermocouples) đã được chọn làm đối tượng nghiên cứu do sự tương đồng về hình dạng và cấu trúc lắp đặt của nó.

Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ thermocouple bao gồm hai dây kim loại với chất liệu khác nhau, được hàn lại tại hai điểm: điểm nóng (hot junction) và điểm lạnh (cold junction).

Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên hiệu ứng Seebeck, tạo ra một sức điện động V khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nóng và lạnh.

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

90 o , 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 )

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

- Độ chính xác cao: cảm biến đo nhiệt độ tiếp xúc thường có độ chính xác cao, đặc biệt khi được hiệu chuẩn đúng cách

- Phạm vi đo nhiệt độ rộng: cảm biến đo nhiệt độ tiếp xúc thường có thang đo rộng, phù hợp với nhiều ứng dụng

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

Nhiễu điện có thể ảnh hưởng đến cặp nhiệt điện, làm cho chúng dễ bị tác động bởi nhiễu điện từ (EMI) Điều này có thể dẫn đến tín hiệu nhiễu và gây ra 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, hoạt động dựa trên nguyên lý bức xạ nhiệt để xác định nhiệt độ của vật thể Điểm đo của hỏa quang kế phụ thuộc vào hệ thống quang học và khoảng cách từ bề mặt được kiểm tra Thông thường, điểm đo được xác định bằng con trỏ laser, có thể ở dạng điểm trung tâm hoặc hình chữ thập để đánh dấu đường kính của điểm đo.

The main components of a pyrometer include an optical lens, a reference temperature lamp, an absorption screen, a red filter, and a rheostat.

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

Hỏa quang kế hoạt động dựa trên định luật Plăng, đo nhiệt độ bằng cách so sánh cường độ phát xạ quang học của vật thể với nguồn sáng chuẩn tại cùng bước sóng và hướng phát xạ Khi cường độ phát xạ của hai nguồn tương đương, nhiệt độ của chúng được xác định là bằng nhau Đồ thị phụ thuộc giữa cường độ phát xạ và bước sóng không đơn trị, vì vậy bước sóng thường được cố định ở 0,65μm, nơi đặc tính phát xạ của vật liệu ổn định và dễ so sánh nhất.

Hình 2.20:Định luật Plăng Hình 2.21: Sự phụ thuộc giữa cường độ phát xạ và bước sóng

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

Phương án gá đặt hỏa kế cần được thực hiện sao cho hướng của nó trực tiếp vào mối hàn, điều này giúp đo nhiệt độ mối hàn một cách chính xác mà không cần tiếp xúc.

Hình 2.23: Phương án gá đặt hỏa kế Ưu điểm:

- Không tiếp xúc: có thể đo nhiệt độ từ xa, tránh nguy cơ hư hỏng

- Phạm vi nhiệt độ rộng: thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi đo nhiệt độ rất cao

- Phản hồi nhanh: tốc độ đáp ứng và cung cấp kết quả nhanh chóng

- Ảnh hưởng bởi môi trường: bụi, hơi nước, hoặc khói có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo

- Yêu cầu hiệu chuẩn: cần được hiệu chuẩn định kỳ để đảm bảo độ chính xác

- Độ chính xác: độ chính xác có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trong đặc tính bề mặt của vật thể

- Giới hạn về vật liệu: vật liệu inox có thể không phản xạ hồng ngoại tốt như các vật liệu khác, ảnh hưởng đến kết quả đo

2.4.3 Phương án sử dụng Camera nhiệt độ bằng hình ảnh

Camera nhiệt độ bằng hình ảnh, hay camera hình ảnh nhiệt, hoạt động dựa trên việc thu thập năng lượng hồng ngoại phát ra từ các đối tượng và chuyển đổi năng lượng này thành hình ảnh có thể nhìn thấy.

Camera nhiệt hoạt động dựa trên nguyên lý rằng mọi vật thể có nhiệt độ trên 0 Kelvin đều phát ra bức xạ hồng ngoại Thiết bị này sử dụng bộ cảm biến hồng ngoại để thu nhận bức xạ và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện.

25 tín hiệu điện được xử lý để tạo ra hình ảnh nhiệt, trong đó các màu sắc khác nhau biểu thị các mức nhiệt độ khác nhau

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

Phương án gá đặt là thiết kế một hệ thống giữ camera cố định, cho phép điều chỉnh góc quay nhằm tối ưu hóa góc nhìn Camera sẽ thực hiện việc đo nhiệt độ bằng cách thu thập hình ảnh trong quá trình hàn ống.

Hình 2.25: Phương án gá đặt Camera đo nhiệt độ Ưu điểm:

- Phát hiện nhanh điểm quá nhiệt: camera nhiệt giúp xác định các điểm nóng trên bề mặt ống, giúp ngăn chặn quá nhiệt và hạn chế hư hại

Trong quá trình hàn ống, việc kiểm tra đồng đều nhiệt độ là rất quan trọng Sử dụng camera nhiệt giúp theo dõi nhiệt độ trên toàn bộ chiều dài ống, từ đó đảm bảo chất lượng hàn đạt tiêu chuẩn.

- Không tiếp xúc: có thể đo nhiệt độ từ xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp với vật thể, giúp tránh rủi ro và an toàn hơn

- Kích thước lớn: camera nhiệt thường có kích thước lớn so với ống hàn 50mm

- Giá thành cao: chi phí của các camera nhiệt chất lượng cao thường khá đắt

- Giới hạn khoảng cách: camera nhiệt có giới hạn khoảng cách đo nhiệt độ Để đảm bảo độ chính xác, cần đặt camera ở khoảng cách gần với ống hàn

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

Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại là thiết bị đo nhiệt độ từ xa mà không cần tiếp xúc Chúng hoạt động dựa trên bức xạ hồng ngoại phát ra từ đối tượng để xác định nhiệt độ chính xác.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Thực trạng của bộ điều khiển

- Thiếu encoder để kiểm tra chính xác việc phân độ của đầu hàn

- Bộ điều khiển thiếu sự linh hoạt trong việc tùy chỉnh các thông số hàn theo thời gian thực

Cần cải tiến và khắc phục các khuyết điểm của mô hình đầu hàn thiết kế cũ nhằm nâng cao hiệu suất và hiệu quả sử dụng của sản phẩm.

Các vấn đề cần cải tiến

Trong những năm gần đây, các bộ truyền động đã được nghiên cứu và thiết kế với việc sử dụng các cặp bánh răng trung gian, bánh răng C, dây đai hoặc bánh răng thẳng nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

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

Trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật TPHCM

Trong dự án cải tiến bộ điều khiển hàn ống tự động, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển bộ truyền động sử dụng bánh răng trụ răng thẳng, nhờ vào những ưu điểm nổi bật của bộ đầu hàn này.

- Tất cả các bánh răng đều tiếp xúc trực tiếp với bánh răng trục quay của động cơ, tạo thành một hệ thống hoạt động đồng nhất

Trong trường hợp có sự cố kỹ thuật trong quá trình vận hành, hậu quả sẽ không gây nguy hiểm cho người sử dụng và không ảnh hưởng nghiêm trọng đến toàn bộ hệ thống.

Bánh răng trụ răng thẳng nổi bật với độ bền cao, hiệu suất truyền tải lớn và độ chính xác tốt Ngoài ra, loại bánh răng này còn dễ dàng gia công và lắp đặt, không cần phải căng đai hay điều chỉnh góc nghiêng như bánh răng trụ răng nghiêng.

- Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc sử dụng bánh răng vẫn đi kèm với nhược điểm là tạo ra tiếng ồn trong quá trình vận hành

Hình 3.2 Bộ truyền động bánh răng thẳng

Mặc dù bộ truyền động đầu hàn đã có những cải tiến đáng kể về cơ khí, nhưng vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục Hiện tại, đầu hàn hoạt động theo cơ chế điều khiển mở, dẫn đến thiếu hồi tiếp chính xác Để nâng cao hiệu suất và độ chính xác, việc tích hợp bộ mã hóa là cần thiết để cung cấp thông tin hồi tiếp thời gian thực về vị trí và trạng thái của đầu hàn Điều này cho phép bộ điều khiển điều chỉnh các tham số hoạt động một cách linh hoạt và chính xác hơn, cải thiện khả năng kiểm soát quá trình hàn Do đó, nhóm nghiên cứu đã chọn lại động cơ điện để đảm bảo tính tương thích với việc lắp đặt bộ mã hóa.

Tích hợp encoder và động cơ

Trong lĩnh vực tự động hóa, độ chính xác trong điều khiển hệ thống cơ khí là rất quan trọng Bộ đầu hàn ống hiện tại chưa đạt yêu cầu về độ chính xác, vì vậy việc tích hợp encoder vào động cơ là giải pháp cần thiết Encoder cung cấp thông tin hồi tiếp về vị trí quay của điện cực trên bánh răng C, cho phép hệ thống điều chỉnh chính xác vị trí của điện cực trên đường ống Nhờ đó, encoder không chỉ nâng cao độ tin cậy của bộ đầu hàn mà còn tối ưu hóa quá trình hàn, giảm sai số và tăng cường khả năng lặp lại của các mối hàn với độ chính xác cao.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển cơ cấu gá đặt encoder cho động cơ bước 2 trục, dựa trên thiết kế đầu hàn ống của động cơ bước NEMA 17.

Hình 3.3: Encoder trục âm Hình 3.4: Encoder trục dương

Việc tích hợp động cơ với encoder trục âm là một giải pháp khả thi, giúp đảm bảo sự ổn định và liên tục trong quá trình vận hành, đồng thời duy trì tính liền mạch của bộ đầu hàn.

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

Tính toán công suất và tốc độ tại chi tiết làm việc

Dựa trên điều kiện hoạt động thực tế của đầu hàn: v = 1 ÷ 10 (mm/s) Chọn v = 10 (mm/s)

Hình 3.6: Hình ảnh ống gá vào bánh răng C

Với chu vi của ống cần hàn C = 𝑑 × 𝜋 = 38 × 3,14 = 119,32 (mm), ta được:

Ta có, công thức liên hệ giữa vận tốc góc và vận tốc dài:

- 𝜔: là vận tốc góc (rad/s)

- v: là vận tốc dài (mm/s)

- R: là khoảnh cách từ tâm tới đầu kim hàn (R = 38

Theo tài liệu [29], với công thức tính momen quán tính của vật rắn hình vành khăn là:

2 , suy ra momen quán tính của bánh răng C với mC = 0.13 (kg), R1C = 35 (mm) và R2C = 49.5 (mm):

2 ≈ 2,3889 × 10 −4 (𝐾𝑔 𝑚 2 ) (3.3) Áp dụng phương trình cơ bản của chuyển động quay trong tài liệu [30], ta có:

- I: momen quán tính của vật rắn hình vành khăn (𝐾𝑔 𝑚 2 )

- 𝛽: Gia tốc góc của vật rắn (rad/𝑠 2 ) Ống ∅38 Bánh răng C

Lực ma sát sinh ra giữa bánh răng C và tấm ép được tính theo công thức:

- F msn : độ lớn của lực ma sát nghỉ (N)

- à n : Hệ số ma sỏt nghỉ

- N: Độ lớn áp lực (phản lực) (N)

- m: khối lượng của cụm bánh răng lớn (0,13kg)

Suy ra momen của lực ma sát nghỉ là

- r : là khoảng cách từ điểm đặt lực 𝐹 𝑚𝑠𝑛 đến tâm bánh răng

Từ (3.4) và (3.6) ta có tổng momen như sau:

𝑀 = 𝑀 1 + 𝑀 2 = 1,1541 × 10 −4 + 0,021 ≈ 0,0211 (𝑁 𝑚) (3.7) Theo tài liệu [31], trong chuyển động quay, thời gian ∆𝑡, góc quay ∆𝜑, vận tốc góc 𝜔 dưới tác dụng của momen M thì công suất là:

∆𝑡 = 𝑀 × 𝜔 = 0,0211 × 0,4854 = 10,24 (𝑚𝑊) (3.8) Với công suất, momen và tốc độ đã được xác định ở phần trên:

M = 0,0211 (N.m) Hiệu suất dẫn động của hệ thống:

- Hiệu suất bánh răng trụ răng thẳng: 0,98 η = 𝜂 1 𝜂 2 = 𝜂 𝑏𝑟 3 𝜂 𝑜𝑙 4 = 0.98 3 0,99 4 = 0,9; công thức 2.9 trang 19 tài liệu [2] Công suất cần thiết trên trục động cơ:

Tham khảo tỉ số truyền nên dùng tại bảng 2.4 trang 21 của tài liệu [2] Nhóm chọn sơ bộ tỉ số truyền cho hệ thống: usb = 5

Suy ra, số vòng quay sơ bộ: vđcsb = usb.vlv = 5×5,0285 = 25,1425 (rpm)

Chọn động cơ phải thỏa điều kiện:

Pđc ≥ Pct Pđc ≥ 11,37 (mW) vđc ≥ vđcsb => vđc ≥ 25,1425 (rpm)

Khi lắp đặt encoder cho động cơ bước, cần đảm bảo động cơ có hai trục và đáp ứng các tiêu chí sau: công suất Pđc ≥ 11,32 (mW), tốc độ vđc ≥ 25,1425 (rpm), và mô men Mđc ≥ 0,0211 (N.m) Động cơ bước được lựa chọn là "NEMA 17 SM010" với các thông số kỹ thuật phù hợp.

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

Khi chọn bộ mã hóa encoder cho động cơ bước, kích thước đường kính trục là yếu tố quan trọng cần xem xét Đối với động cơ bước có đường kính trục 5 mm, bộ mã hóa phải có đường kính trục d tối thiểu bằng hoặc lớn hơn 5 mm để đảm bảo tương thích và kết nối chắc chắn Dựa trên tiêu chí này và các sản phẩm có sẵn trên thị trường, bộ mã hóa “KH40 - 8 - 0600 - ZC - 1” được nhóm lựa chọn với các thông số kỹ thuật phù hợp.

Bảng 3.2: Bảng thông số kỹ thuật của encoder

Sản phẩm KH40 - 8 - 0600 - ZC - 1 Nguồn cấp DC +5[V] ~ +24[V] Điện tiêu thụ 150mA Max Kích thước D40 × 29 mm Điện áp ra > 18V (với điện áp vào 24V) Dòng điện ra < 10mA

Hình 3.8: Encoder KH40 Series (Nguồn: denic)

Mô men xoắn 0.44 nm Kích thước 42 × 42 × 48 mm Đường kính trục 5 mm

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

3.3.1 Cơ cấu gá đỡ cố định

Hình 3.9: Gá đỡ thép không gỉ

Gá đỡ thép là một trong những loại gá đỡ phổ biến và được sử dụng rộng rãi Chúng thường được chế tạo từ vật liệu chắc chắn, giúp nâng cao độ bền và kéo dài tuổi thọ của cảm biến.

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

- Dễ lắp đặt: việc lắp đặt thường đơn giản hơn vì không yêu cầu cơ cấu điều chỉnh phức tạp

- Ổn định: cảm biến được giữ chắc chắn, giảm thiểu rung động và di chuyển, từ đó tăng cường độ chính xác của đo lường

Cảm biến không linh hoạt, không thể điều chỉnh vị trí sau khi lắp đặt, dẫn đến hạn chế khả năng thích ứng với các điều kiện làm việc khác nhau.

- Khó thay thế: nếu cảm biến hỏng hoặc cần nâng cấp, việc tháo gỡ và thay thế có thể trở nên khó khăn hơn

Giới hạn của ứng dụng này là không phù hợp cho những ứng dụng yêu cầu điều chỉnh cảm biến thường xuyên nhằm đạt được kết quả đo lường tối ưu.

3.3.2 Cơ cấu gá đỡ linh hoạt

Hình 3.11: Cơ cấu sử dụng gá đỡ linh hoạt

Bộ gá đặt cảm biến này mang lại nhiều ưu điểm nhưng cũng có những nhược điểm riêng Ưu điểm:

- Dễ lắp đặt: việc lắp đặt thường đơn giản hơn vì không yêu cầu cơ cấu điều chỉnh phức tạp

- Ổn định: cảm biến được giữ chắc chắn, giảm thiểu rung động và di chuyển, từ đó tăng cường độ chính xác của đo lường

Việc thay đổi cảm biến hoặc điều chỉnh vị trí trong hệ thống rất dễ dàng, cho phép thực hiện mà không cần tháo lắp toàn bộ thiết bị.

- Hạn chế nhiệt: vật liệu cách nhiệt giúp hạn chế ảnh hưởng nhiệt lên cảm biến, tăng độ chính xác của phép đo

- Độ bền: có thể không bền bỉ như gá đặt cố định do các bộ phận di động có thể mòn theo thời gian

- Phức tạp trong thiết kế và sản xuất: cần thiết kế cơ cấu phức tạp hơn và có thể đắt đỏ hơn so với gá đặt cố định

Rủi ro rung động là một yếu tố quan trọng cần xem xét, vì các bộ phận di động có thể tạo ra rung động, ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, việc thiết kế chắc chắn cho các bộ phận này là rất cần thiết.

Nhằm đạt được mục tiêu thiết kế bộ gá cảm biến cho phép đọc nhiệt độ với độ chính xác cao, ổn định và khả năng điều chỉnh linh hoạt, nhóm chúng em đã lựa chọn sử dụng cơ cấu gá cảm biến linh hoạt với nhiều ưu điểm nổi bật.

Thiết kế bộ gá cảm biến

3.4.1 Thiết kế ống cách nhiệt cảm biến

Nhóm đã thiết kế và lắp đặt bộ phận cách nhiệt cho cảm biến nhằm đo nhiệt độ mối hàn bên trong ống một cách chính xác Bộ phận này không chỉ giúp cách nhiệt mà còn đảm bảo cảm biến được gá đặt đồng tâm, tránh ảnh hưởng từ nhiệt độ mối hàn và rung lắc, từ đó cải thiện độ chính xác trong quá trình đo nhiệt độ.

Bộ phận cách nhiệt cảm biến được thiết kế với chất liệu nhựa POM, đảm bảo nhẹ và không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ trong quá trình hàn Nhựa POM nổi bật với độ bền cao, khả năng chịu mòn, chịu nhiệt tốt và dễ gia công, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật.

3.4.2 Thiết kế gá đỡ cảm biến

Gá đỡ là bộ phận thiết yếu giúp bảo vệ và kết nối với ống cách nhiệt, giữ cố định cảm biến Chất liệu gá đỡ được làm từ nhựa POM, nổi bật với những ưu điểm vượt trội.

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

3.4.3 Thiết kế nút định vị Để dễ tháo lắp bộ gá cảm biến, nút định vị đóng vai trò quan trọng trong việc này Nút định vị 1 kết hợp với nút định vị 2, để giữ ống cách nhiệt cảm biến Hai nút định vị được thiết

Kích thước của 38 kế gần bằng với đường kính bên trong ống, giúp đảm bảo cảm biến đo không bị lệch và không ảnh hưởng đến hoạt động của nó Nút định vị được làm từ nhựa PU, một chất liệu có tính cơ học tốt, chịu nhiệt, đàn hồi và dễ gia công Nhờ vào tính đàn hồi, nút định vị có khả năng nén lại, giúp cố định bộ gá cảm biến một cách hiệu quả.

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

Sau khi hoàn thiện các chi tiết bên trong, chúng được lắp ghép lại với nhau, cùng với các chi tiết nhỏ khác để máy trở nên hoàn thiện hơn Hình 4.12 mô tả cách gá cảm biến.

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

Hình 3.16: Hình ảnh gá đặt bên trong ống hàn

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀN KHIỂN VÀ ĐIỆN

Tổng quan hệ thống điều khiển

Dựa trên các cụm bộ phận cơ khí và mục tiêu đề tài đã được đề cập, nhóm đã đề xuất các giải pháp điều khiển hiệu quả nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.

- PLC chịu trách nhiệm quản lý toàn bộ hệ thống

- HMI tạo ra giao diện giữa người dùng và thiết bị.

- Hai động cơ step giúp vận hành đầu hàn và điều chỉnh dòng hàn một cách tự động dựa vào bộ xử lý trung tâm

- Đọc cảm biến nhiệt độ gửi về bộ xử lý trung tâm

- Điều khiển hai thông số thời gian hồ quang và dòng hàn của máy hàn TIG dựa vào bộ xử lý trung tâm

Từ giải pháp điều khiển trên, sơ đồ khối của hệ thống hàn ống tự động được phác họa như sau:

Sơ đồ 4.1: Sơ đồ khối hệ thống.

Lưu đồ giải thuật điều khiển

4.2.1 Lưu đồ giải thuật tổng quát

Dựa trên sơ đồ khối mà đã nêu ra, giải thuật điều khiển chung của hệ thống hàn tự động được xác định như sau:

Sơ đồ 4.2: Lưu đồ giải thuật chính

Sau khi khởi động máy, người vận hành thiết lập các thông số hàn như tốc độ, thời gian xung hồ quang, góc hàn và dòng hàn để đảm bảo chất lượng mối hàn Tiếp theo, người điều khiển thiết lập vị trí Home (vị trí ban đầu) và Zero (vị trí bắt đầu hàn) Sau khi hoàn tất thao tác “Set Home” và “Set Zero”, người vận hành nhấn “Run Home” để máy di chuyển đến vị trí Home, sau đó nhấn “Run Zero” để máy chuyển đến vị trí Zero Khi bánh răng đã ở vị trí Zero, người vận hành chỉ cần nhấn “Start” để bắt đầu quá trình hàn theo các thông số đã nhập.

4.2.2 Lưu đồ giải thuật về home

Sơ đồ 4.3: Lưu đồ giải thuật về home

Hình 4.1: Quỹ đạo di chuyển về home

Khi nhấn nút “Run Home” chương trình sẽ tiến hành so sánh vị trí hiện tại với các mốc

Nếu vị trí hiện tại nhỏ hơn 90 độ, điều khiển động cơ quay ngược một góc a1 về vị trí Home Nếu vị trí nằm trong khoảng từ 90 đến 270 độ, động cơ sẽ quay thuận một góc a2 về Home Cuối cùng, nếu vị trí hiện tại nằm trong khoảng từ 270 đến 360 độ, động cơ sẽ quay ngược một góc a3 về Home.

4.2.3 Lưu đồ điều khiển bằng tay

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

Nút JOG trên động cơ cho phép quay thuận hoặc ngược tùy thuộc vào cách sử dụng của người vận hành với JOG hoặc JOG+ Nút TACK trên bộ điều khiển có chức năng đóng ngắt rơ le kích máy hàn để thực hiện kiểm tra hồ quang.

4.2.4 Lưu đồ điều khiển tự động

Khi nhấn nút “Start”, quá trình hàn sẽ bắt đầu theo các thông số đã nhập, với động cơ điều khiển bánh răng chữ C mang điện cực quay quanh ống cần hàn Rơ le sẽ đóng ngắt theo thời gian hồ quang đã thiết lập để tạo vảy hàn Trong suốt quá trình hàn, encoder và cảm biến nhiệt độ liên tục gửi tín hiệu về bộ điều khiển để giám sát quỹ đạo và nhiệt độ Nếu xảy ra sự cố như điện cực dính vào ống hàn hoặc bánh răng bị kẹt, hệ thống sẽ ngay lập tức dừng lại để đảm bảo an toàn cho người vận hành.

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

4.2.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển quỹ đạo hàn

Lưu đồ giải thuật mô tả cách điều khiển chuyển động của bộ điều khiển trong chu trình hàn Người vận hành bắt đầu bằng cách nhập góc quay và sử dụng lệnh JOG+ hoặc JOG- để điều chỉnh bánh răng đến vị trí mong muốn Sau khi thiết lập vị trí Zero, họ sẽ nhấn Start để khởi động quá trình hàn theo các thông số đã được cài đặt trước đó.

Sau khi hoàn thành quá trình hàn kết thúc thì nhấn “Run Home” để quay về vị trí Home và lấy ống ra khỏi đầu hàn

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

4.2.3 Lưu đồ điều khiển thông số hàn

Lưu đồ giải thuật mô tả quy trình điều khiển dòng hàn, cho phép người vận hành lựa chọn giữa chế độ tự động và chế độ bằng tay tùy theo mục đích sử dụng Khi hệ thống không hoạt động ở chế độ tự động, dòng hàn sẽ được điều chỉnh thủ công thông qua ô cường độ dòng hàn trong trang Set up, và ngược lại.

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

Lựa chọn các thiết bị của bộ điều khiển

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình phổ biến trong ngành tự động hóa, cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic linh hoạt qua ngôn ngữ như Ladder Logic và Structured Text Thiết bị này thu thập thông tin từ cảm biến và điều khiển các thiết bị như robot và băng chuyền, giúp con người giám sát và kiểm soát quy trình sản xuất theo trình tự đã lập trình Với khả năng ứng dụng đa dạng, PLC trở thành một thành phần thiết yếu trong hệ thống tự động hóa công nghiệp hiện đại.

- Linh hoạt: dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển mà không cần thay đổi phần cứng

- Độ tin cậy: khả năng chống nhiễu tốt, tuổi thọ cao, thích hợp cho môi trường công nghiệp khắc nghiệt

- Khả năng liên kết: cấu trúc dạng module, cho phép thay thế dễ dàng, mở rộng

Input/Output và các module mở rộng khác

- Tốc độ xử lý: PLC có thể không đáp ứng được so với các bộ điều khiển chuyên dụng hoặc vi điều khiển

- Giới hạn: khả năng xử lý số liệu phức tạp còn nhiều hạn chế

- Chi phí: phần cứng có giá thành cao và ở một số hãng để lập trình cần mua phần mềm của họ

PLC FX3U-14MT là giải pháp tối ưu cho tự động hóa công nghiệp, với thiết kế linh hoạt và hiệu quả Sản phẩm này đáp ứng nhu cầu điều khiển với các đặc điểm kỹ thuật nổi bật, bao gồm đầu ra transistor, lý tưởng cho các ứng dụng cần tốc độ chuyển đổi cao và độ bền cơ học.

Với 14 điều khiển đầu ra kỹ thuật số, FX3U-14MT cho phép người sử dụng linh hoạt kết nối và điều khiển nhiều thiết bị khác nhau trong quá trình tự động hóa Cùng với khả năng tương thích cao, board mạch này hỗ trợ nhiều cổng giao tiếp, giúp dễ dàng tích hợp vào các hệ thống mạng công nghiệp hiện đại Người sử dụng có thể dễ dàng lập trình và duy trì chương trình điều khiển thông qua môi trường lập trình tiện lợi

PLC FX3U-14MT kết hợp độ tin cậy, hiệu suất và tính linh hoạt, là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp Nó tối ưu hóa quy trình sản xuất và kiểm soát, đồng thời board mạch mở rộng cho phép dễ dàng nâng cấp và thích ứng với sự phát triển công nghệ cũng như yêu cầu sản xuất.

Trong đề tài này, PLC đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm, giúp việc giao tiếp và điều khiển các thiết bị như động cơ bước, driver và cảm biến nhiệt độ trở nên dễ dàng hơn.

Hình 4.2: PLC FX3U–14MT (Nguồn: Codienhaiau) Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật PLC FX3U-24MT

Ngõ vào analog 6 ngõ vào analog, độ chính xác 12bit, A0-AD2: 0-10V, A3-AD5:

Ngõ ra analog 2 ngõ ra analog, độ chính xác 12bit, ngõ ra vôn: 0-10V

Giao tiếp HMI RS232 (1 Cổng)/ RS485 (1 Cổng)

4.3.3 Màn hình điều khiển HMI

HMI (Giao diện giữa người và máy) là thiết bị quan trọng trong tự động hóa, giúp người vận hành giám sát và điều khiển hệ thống thông qua giao diện đồ họa trực quan Thiết bị này cho phép người dùng theo dõi và điều chỉnh các thông số kỹ thuật của quá trình sản xuất một cách hiệu quả, sử dụng biểu đồ, đồ thị và biểu tượng Trong hệ thống điều khiển hàn TIG quỹ đạo, HMI cung cấp giao diện dễ sử dụng, cho phép giám sát và điều chỉnh các thông số như dòng điện hàn, tốc độ hàn, thời gian xuất xung và giá trị cảm biến nhiệt độ Hơn nữa, HMI hỗ trợ lập trình và lưu trữ quy trình hàn, đồng thời tích hợp hệ thống cảnh báo để nâng cao hiệu quả vận hành.

48 phát hiện sự cố kịp thời Với giao diện đồ họa dễ sử dụng và hỗ trợ đa ngôn ngữ, HMI giúp tối ưu hóa quá trình hàn

Hình 4.3: Màn HMI DOP-B (Nguồn: Thietbidelta) Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật HMI DOP - B

Kiểu màn hình 7-inch TFT LCD (65536 colors) Độ phân giải 800 x 480 pixels MCU 32-bit RISC Micro-controller Nguồn cấp 24VDC (-10% ÷ +15%) Công suất Max 3.5W

Giao tiếp RS232 / RS422 / RS485

Aptomat CB (Circuit Breaker) là thiết bị thiết yếu trong hệ thống điện, có chức năng ngắt mạch tự động khi phát hiện sự cố quá tải hoặc ngắn mạch Thiết bị này giúp bảo vệ các thiết bị điện khỏi hư hỏng và giảm thiểu nguy cơ cháy nổ.

Nhóm đã quyết định sử dụng Aptomat CB của Schneider để bảo vệ các thành phần thiết yếu trong hệ thống điều khiển như PLC, HMI, Driver, động cơ và cảm biến, nhằm đảm bảo quy trình hàn hoạt động ổn định và liên tục.

Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật Aptomat

Dòng dịnh mức (A) 10 Điện áp (VAC) 230

Hình 4.4: Aptomat CB (Nguồn: anlacphat)

Bộ lọc nguồn được thiết kế để loại bỏ nhiễu điện từ (EMI) trong các hệ thống điện, nhằm bảo vệ thiết bị điện tử khỏi tín hiệu nhiễu không mong muốn Chức năng chính của bộ lọc là giảm thiểu nhiễu và ổn định nguồn điện, từ đó cải thiện hiệu suất hoạt động của các thiết bị và hệ thống điện tử.

Do môi trường hàn có nhiều tác nhân gây nhiễu, nên nhóm đã quyết định sử dụng bộ lọc nguồn 1 pha nhằm hạn chế các tác nhân này

Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật bộ lọc nguồn

Sản phẩm Nguồn lọc 1 pha 6A

Dòng dịnh mức (A) 1 ÷ 9 Điện áp (VAC) 115/250

Loại Lọc nguồn AC 1 pha

Hình 4.5: Bộ lọc nguồn (Nguồn: Thegioiic)

4.3.6 Driver điều khiển động cơ bước

Driver TB6600 là một giải pháp phổ biến cho việc điều khiển động cơ bước, thường được sử dụng trong các ứng dụng như CNC, máy Laser và thiết bị tự động Nó hỗ trợ nhiều loại động cơ, bao gồm động cơ 2 pha và 4 dây, với khả năng điều chỉnh dòng điện tối đa lên đến 4A và điện áp tối đa 42VDC.

Nhóm quyết định chọn driver TB6600 do độ phân giải cao lên đến 6400 xung/vòng, giúp điều khiển chính xác quỹ đạo hàn Bên cạnh đó, với dòng điện chỉ 0.5A, driver này giúp giảm thiểu tỏa nhiệt trong quá trình hoạt động của động cơ bước.

Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật TB6600

- VCC, GND: Nối với nguồn điện từ 9 – 40VDC

- A+, A-, B+, B-: Nối lần lượt vào các cặp cuộn dây của động cơ bước

- PUL+, PUL-: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ

- DIR+, DIR-: Tín hiệu cấp xung đảo chiều

- ENA+, ENA-: khi cấp tín hiệu cho cặp này động cơ sẽ không có lực momen giữ và quay

Cách cài đặt thông số:

Bảng 4.6: Thông số cài đặt dòng Bảng 4.7: Thông số điện cài đặt vi bước

Dòng tối đa (A) Max 4 Điện áp vào (V) 9 ÷ 42

Relay là một thiết bị điện tử quan trọng, có chức năng điều khiển việc mở và đóng mạch điện thông qua tín hiệu từ vi điều khiển, PLC hoặc cảm biến Nó có khả năng kiểm soát các thiết bị công suất lớn và cung cấp chức năng bảo vệ quá tải và ngắn mạch, giúp bảo vệ thiết bị điện và đảm bảo an toàn cho hệ thống Với những ưu điểm này, relay trở thành thiết bị cần thiết trong việc điều khiển các thiết bị công suất lớn như máy hàn, đồng thời bảo vệ an toàn cho bộ xử lý trung tâm.

Do đó, nhóm đã chọn sử dụng model OMRON G2R-1-E 24V 16A

Bảng 4.8: Thông số kỹ thuật relay

Hình 4.7: Rellay Omron (Nguồn: linhkienvietnam)

4.3.8 Lựa chọn cảm biến nhiệt hồng ngoại

Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại là công cụ đo lường không tiếp xúc phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất Việc sử dụng cảm biến này không chỉ tăng hiệu suất và độ chính xác trong đo lường nhiệt độ mà còn giảm thiểu chi phí nhân công Với khả năng đo từ xa, cảm biến hồng ngoại là lựa chọn lý tưởng cho các vị trí khó tiếp cận hoặc trong môi trường nguy hiểm Chúng cũng cải thiện quá trình điều khiển nhiệt độ trong máy móc và thiết bị tự động hóa, giúp máy móc hoạt động ổn định và giảm thiểu hư hỏng Khi lựa chọn cảm biến nhiệt độ hồng ngoại, cần lưu ý đến tính chính xác, khoảng nhiệt độ đo, khoảng cách đo, điều kiện môi trường, cũng như độ ổn định và độ tin cậy Cảm biến này có nhiều dải đo phù hợp với các bề mặt khác nhau, thường là từ -40 đến 2000 độ C, và có nhiều loại cảm biến hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.

Thông số sản phẩm Slim Power Relay Dòng điện định mức (A) 12 Điện áp định mức (VDC) 24

Cảm biến PC151MT-0 CALEX

Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại CALEX cung cấp đa dạng model để đo nhiệt độ của nhiều loại vật liệu như phi kim, kim loại, giấy, bao bì, và nhựa Sản phẩm này còn được sử dụng để đo nhiệt độ của động cơ, máy móc, vòng bi, ru lô, kính, bản mạch và linh kiện điện tử.

Bảng 4.9: Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt

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

Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại PyroUsb là thiết bị lý tưởng để đo nhiệt độ bề mặt của các loại kim loại như tôn kẽm, sắt thép, nhôm và các bề mặt kim loại bóng như inox, thép cuộn, phôi thép, lò nung và lò nhiệt.

Bảng 4.10: Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt

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

Nhiệt độ hoạt động (°C) 0 ÷ 70 Phạm vi quang phổ (μm) 8 ÷ 14

Ngõ ra (mA) 4 ÷ 20 Độ chính xác ± 1 °C hoặc ± 1 % Thời gian phản hồi (ms) 240

Nhiệt độ hoạt động (°C) 0 ÷ 100 Phạm vi quang phổ (μm) 2,2

Ngõ ra (mA) 4 – 20 Độ chính xác ± 0.5 °C hoặc ± 0.5 % Thời gian phản hồi (ms) 300

Thiết kế giao diện HMI

Giao diện điều khiển HMI gồm 3 tab: Set up, Control, Datalog:

Cài đặt thông số ống hàn là bước quan trọng, bao gồm việc xác định đường kính, độ dày và loại vật liệu Ngoài ra, cần điều chỉnh các thông số liên quan đến góc độ, tốc độ và chế độ hàn để đảm bảo chất lượng và hiệu quả của quá trình hàn.

- Control: dùng để vận hành quá trính hàn, thiết lập vị trí home và vị trí zero và chức năng Jog+, Jog-

- Datalog: dùng để ghi lại tất cả các thông số trong suốt quá trình hàn

Chức năng của các nút nhấn trong Tab Set up:

- Number of levels: cho phép người dùng lựa chọn các chế độ hàn khác nhau

- Sampling time: thời gian lấy giá trị nhiệt độ

- Diameter: nhập đường kính của ống cần hàn

- Wall: nhập độ dày ống cần hàn

- Material: nhập vật liệu ống cần hàn

- Angle: nhập góc độ khi Jog+, Jog-

- Speed: nhập tốc độ khi Jog+, Jog-

- Amperage: nhập cường độ dòng hàn khi Tack

Trong đó, Number of levels gồm các chế độ như sau:

Hình 4.16: Hình ảnh Tab Set up

Chế độ 1: Quá trình hàn sẽ được diễn ra với một tốc độ, cường độ hàn và thời gian xung hồ quang

Hình 4.17: Hình ảnh sau khi chọn chế độ 1

Chế độ 2 cho phép chia quỹ đạo hàn thành hai phần bằng nhau, với tốc độ, cường độ hàn và thời gian nhấp nhả hồ quang được cài đặt riêng biệt cho từng phần.

Chế độ 3 cho phép quỹ đạo hàn được chia thành ba phần bằng nhau, với tốc độ, cường độ hàn và thời gian nhấp nhả hồ quang được điều chỉnh riêng biệt cho từng phần.

Chế độ 4 cho phép chia quỹ đạo hàn thành bốn phần bằng nhau, với các thông số như tốc độ, cường độ hàn và thời gian nhấp nhả hồ quang được cài đặt riêng biệt cho từng phần.

Hình 4.20: Hình ảnh khi chọn chế độ 4

Chế độ 5 cho phép người dùng chia quỹ đạo hàn thành bốn phần với kích thước tùy chọn Các thông số như tốc độ, cường độ hàn và thời gian nhấp nhả hồ quang được cài đặt riêng cho từng phần, mang lại sự linh hoạt và chính xác trong quá trình hàn.

Hình 4.21: Hình ảnh khi chọn chế độ 5

Chức năng trong tab Control:

- SET HOME: để thiết lập vị trí ban đầu

- SET ZERO: để thiết lập vị trí bắt đầu hàn

- RUN HOME: để di chuyển đầu hàn về vị trí home

- RUN ZERO: để di chuyển đầu hàn về vị trí zero

- JOG+/JOG-: để di chuyển đầu hàn một góc bất kì cùng hoặc ngược chiều kim đồng hồ được nhập từ ô Angle

- START: để bắt đầu quá trình hàn với các thông số đã được nhập ở phần parameter

- STOP: để dừng quá trình hàn

- RESET: dừng để reset lại các thông số của quá trình chạy được lưu trong thanh ghi

Hình 4.22: Hình ảnh Tab Control

Chức năng của các nút nhấn trong Tab Datalog:

- SAVE DATA: lưu dữ liệu vào trong USB

- REMOVE USB: ngắt kết nối USB

- DELETE DATA: xóa dữ liệu hiện có trong bảng

Hình 4.23: Hình ảnh Tab Datalog.

Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một giải pháp hiệu quả để điều chỉnh các biến quá trình trong hệ thống điều khiển tự động, nhằm duy trì giá trị mong muốn (setpoint) thông qua cơ chế phản hồi vòng điều khiển PID kết hợp ba thành phần điều khiển: tỷ lệ, tích phân và vi phân, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.

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

Khâu tỷ lệ (Proportional) - P là phần phản ứng trực tiếp với sai số giữa giá trị thực tế và giá trị mong muốn Nó điều chỉnh đầu ra dựa trên mức độ sai số, với mức sai lệch càng lớn thì đầu ra càng lớn, giúp hệ thống nhanh chóng đạt được giá trị mong muốn Khâu tỷ lệ được tính theo công thức cụ thể.

Trong đó: Kp là hệ số tỉ lệ e(t) là sai số tại thời điểm t

Khâu tích phân (Integral) là quá trình tính tổng tất cả các sai số nhằm loại bỏ sai số duy trì Việc điều chỉnh đầu ra được thực hiện để đảm bảo rằng sai số tích lũy được giảm thiểu Công thức tính Khâu Tích phân đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa kết quả.

Trong đó: Ki là hệ số tích phân

∫ 𝑒𝜏𝑑𝜏 0 𝑡 là tích phân sai số từ thời điểm ban đầu đến thời điểm t

Khâu vi phân (Derivative) - D là phần điều chỉnh phản ứng với tốc độ thay đổi của sai số, nhằm giảm dao động và cải thiện độ ổn định Nó điều chỉnh đầu ra dựa trên sự thay đổi nhanh chóng của sai số và được tính toán theo công thức cụ thể.

Trong đó: Kd là hệ số vi phân

𝑑𝑡 là đạo hàm của sai lệch tại thời điểm t

Tính PID theo Phương pháp Ziegler-Nichols

Thiết lập thông số đầu vào để tìm điểm dao động tới hạn (KU) và chu kỳ dao động tới hạn (TU):

- Cho giá trị KI và KD bằng 0

- Tăng giá trị KP cho đến khi hệ thống bắt đầu dao động liên tục với biên độ không thay đổi (điểm dao động tới hạn – KU )

- Sau đó đo chu kỳ dao động tới hạn (TU)

Sau khi tiến hành khảo sát nhóm thu được KU = 9, Tu = 1,5 s Sử dụng các công thức Ziegler-Nichols để tính ta thu được giá trị PID:

- TD = TU.0,125 = 1,5.0,125 = 0,1875 s => KD = KP.TD = 0,1875.5,4 = 1,01

Kết quả điều khiển vận tốc

Hình 4.25: Kết quả điều khiển vận tốc

QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM

Thiết lập bảng thông số thực nghiệm theo phương pháp Taguchi

Chuẩn bị vật liệu hàn

Trong thí nghiệm này, ống inox 304 với đường kính 38 mm và độ dày 1 mm được sử dụng để đánh giá hiệu suất và độ chính xác của bộ điều khiển Các ống được cắt thành đoạn dài khoảng 100 mm và ghép nối tại góc 180 độ, tạo thành mối hàn giữa hai ống Mối hàn cần đảm bảo độ lệch giữa hai ống không vượt quá 15% độ dày của ống.

Hình 5.1: Hình ảnh vị trí Tack

Quá trình hàn thép không gỉ sử dụng điện cực WT20 với đường kính 2,4mm, lưu lượng khí đạt 15 LPM và chiều dài hồ quang là 1,7mm.

Để xác định thông số hàn tối ưu, giám sát nhiệt độ là yếu tố quyết định cho chất lượng mối hàn Dự đoán các vị trí quá nhiệt, có thể gây khuyết tật, thông qua thu thập và xử lý dữ liệu là rất quan trọng Việc này giúp điều chỉnh các yếu tố như tốc độ hàn và dòng hàn dựa trên nhiệt độ đo được Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ, bao gồm cảm biến nhiệt và camera nhiệt Tuy nhiên, do hệ thống hàn trong nghiên cứu này là khép kín, camera nhiệt có kích thước lớn không phù hợp, vì vậy nhóm chúng tôi đã chọn cảm biến nhiệt với kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt trong ống.

Nhiệt độ của mối hàn và nhiệt lượng đầu vào có mối quan hệ chặt chẽ; khi nhiệt lượng đầu vào tăng, nhiệt độ mối hàn cũng tăng theo, và ngược lại, khi giảm nhiệt lượng đầu vào, nhiệt độ sẽ giảm Nhiệt lượng đầu vào của mối hàn có thể được tính theo công thức [5.1] (Heat Input, HI) trong tài liệu [8].

- U là điện áp sử dụng (V)

- I là dòng điện được sử dụng (A)

- V S là tốc độ di chuyển của điện cực hàn (mm/s)

Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã đề cập đến nhiệt lượng đầu vào thông qua công thức Heat input, như nghiên cứu của Merrin John Varkey và cộng sự về tối ưu hóa các tham số quy trình hàn TIG cho thép không gỉ Austenitic (AISI 316L) Tuy nhiên, vẫn còn thiếu các nghiên cứu cụ thể về việc đo nhiệt độ hàn trong ống, gây khó khăn cho việc xây dựng mô hình thực nghiệm Do đó, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm để tìm hiểu mối quan hệ giữa nhiệt độ và chất lượng mối hàn, nhằm đề xuất phương pháp điều chỉnh tham số hàn phù hợp Để đảm bảo tính khách quan và hiệu quả, nhóm đã áp dụng phương pháp Taguchi, giúp thu hẹp phạm vi nghiên cứu và phân tích nhiều tham số mà không cần số lượng thử nghiệm lớn.

Xác định các nhân tố có thể ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn:

Dựa trên các nghiên cứu khoa học, đặc biệt là bài báo “Tối ưu hóa thông số trong hàn TIG vòng cho ống thép không gỉ SUS 304” của giảng viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, nhóm nghiên cứu đã xác định rằng tốc độ hàn, dòng hàn và thời gian hồ quang là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Bên cạnh đó, các yếu tố khác như vật liệu hàn, đường kính và độ dày của ống, khoảng cách từ điện cực đến ống, cùng với khí bảo vệ cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng mối hàn.

Cơ sở để chọn mức giá trị

Based on the scientific article “A Computational Approach in Optimizing Process Parameters Influencing the Heat Input and Depth of Penetration of Tungsten Inert Gas Welding of Austenitic Stainless Steel (AISI 316L) Using Response Surface Methodology,” the research team identified the necessary heat input range to be between 200 and 1000 J/mm With a fixed arc length, they determined the voltage value to be U = 19.5 V Utilizing this information in their calculations, they established that the welding current should range from 60 to 80 A, while the welding speed should be between 4 and 6 mm/s The technique of arc pulsing involves rapidly alternating the welding current from a high peak value to a low background value within a very short duration This method effectively reduces the heat input during the welding process and enhances the quality of the weld, meeting the requirements for overlap of weld points.

Thời gian xung hồ quang được chọn nằm trong khoảng từ 200 ms đến 400 ms, tương ứng với giá trị nằm trong khoảng 50% đến 90% Nhóm đã lập bảng nhân tố thực nghiệm dựa trên các khoảng giá trị này.

Bảng 5.1: Giá trị các nhân tố trong thực nghiệm

STT Thông số thiết kế Kí hiệu nhân tố

Mức độ thông số công nghệ Khoảng thay đổi

3 Thời gian hồ quang (ms) t 200 300 400 200

Xác định nhân tố gây nhiễu

Nhân tố gây nhiễu: chất lượng vật liệu được hàn, yếu tố gá đặt, kẹp chặt, độ sạch của bề mặt ống…

Chọn bảng thông số thực nghiệm theo phương pháp Taguchi

Cách chọn ma trận trực giao

- Số lượng thí nghiệm nên lớn hơn hoặc bằng tổng số bậc tự do

- Tổng số bậc tự do bằng tổng số các giá trị dưới:

+ Số bậc tự do trung bình tổng thể luôn bằng 1

+ Số bậc tự do của từng biến bằng số mức thí nghiệm trừ đi 1

+ Với hai biến có tương tác với nhau số bậc tự do bằng tích số bậc tự do của 2 biến

- Phân biệt biến độc lập và biến phụ thuộc:

Biến độc lập, hay còn gọi là biến yếu tố hoặc yếu tố điều khiển, là những yếu tố mà nhà nghiên cứu có khả năng kiểm soát và điều chỉnh trong quá trình thí nghiệm Việc thay đổi các biến này giúp quan sát tác động của chúng đến kết quả thí nghiệm.

Biến phụ thuộc, hay còn gọi là biến kết quả hoặc biến đáp ứng, là các yếu tố mà nhà nghiên cứu quan sát và đo lường để đánh giá tác động của các biến độc lập Chúng đại diện cho kết quả hoặc phản ứng của hệ thống khi có sự thay đổi ở các biến độc lập.

Trong thí nghiệm này, chúng tôi khảo sát ba biến độc lập: tốc độ hàn (v), dòng hàn (I) và thời gian hồ quang (t), mỗi biến được thực hiện ở ba mức khác nhau Các biến này được xem là các yếu tố điều khiển trong quá trình thí nghiệm Bậc tự do được tính toán theo phương pháp được trình bày trong Bảng 5.2.

Bảng 5.2: Bảng thông tính bậc tự do

Do thí nghiệm có số bậc tự do là 7 nên số thí nghiệm tối thiểu có thể là 7, có thể chọn bảng trực giao L9 hoặc L27

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

Dựa trên điều kiện bài toán không có tương tác giữa các biến, chúng ta lựa chọn bảng trực giao theo phương pháp "Single level design" Với ba mức giá trị cho mỗi biến, có thể chọn L9 hoặc L27 Tuy nhiên, để giảm bớt số lượng thí nghiệm mà vẫn đảm bảo độ tin cậy, L9 là lựa chọn tối ưu giúp tiết kiệm chi phí và công sức Đầu tiên, phần mềm Minitab được sử dụng để tạo ra ma trận trực giao cho ba thông số: tốc độ hàn, dòng hàn và thời gian hồ quang (Bảng 5.3).

Bảng 5.3: Bảng thông số hàn theo phương pháp Taguchi

Vị trí gá cảm biến nhiệt so với mối hàn

Trước khi thu thập dữ liệu nhiệt độ, việc xác định khoảng cách giữa cảm biến và điểm đo là rất quan trọng Trong nghiên cứu này, nhóm sử dụng cảm biến hồng ngoại CT-SF22 để đo nhiệt độ mối hàn Dựa trên tài liệu của nhà sản xuất, nhóm đã xác định khoảng cách cố định nhằm đảm bảo độ chính xác trong việc đo nhiệt độ của mối hàn.

Hình 5.3: Dãy đo của cảm biến CT-SF22

Để xác định chính xác vị trí lắp đặt cảm biến, nhóm nghiên cứu đã tái hiện biểu đồ tương quan các kích thước dựa trên dữ liệu từ hình 5.6, từ đó rút ra công thức cần thiết.

- D: là khoảng cách từ mặt trước của cảm biến đến vật thể (mm)

- S: là kích thước điểm (mm)

Đồ thị trong hình 5.4 thể hiện mối tương quan giữa khoảng cách và kích thước điểm đo của cảm biến Trong nghiên cứu này, ống thử nghiệm có đường kính 38 mm, từ đó suy ra kích thước điểm mong muốn cũng là 38 mm Áp dụng công thức [5.2], khoảng cách từ mặt trước của cảm biến đến mối hàn được xác định là 59,2 mm Để đảm bảo độ chính xác trong việc đo đạc, nhóm nghiên cứu đã tiến hành xác định kích thước của bộ phận gá cảm biến.

Khoảng cách đo D (mm) Đồ thị thể hiện tương quan giữa khoảng cách và kích thước điểm đo của cảm biến

Từ đó, dựa vào kích thước ống và kích thước bộ phận gá cảm biến có thể tính được khoảng cách a để gá cảm biến

Hình 5.5: Khoảng cách đo của cảm biến.

Kiểm tra, đánh giá ngoại quan mối hàn

Nhóm sẽ tiến hành các thí nghiệm theo thứ tự trong bảng 5.1, ghi lại giá trị nhiệt độ và vẽ đồ thị từ các nhiệt độ thu được Mục tiêu là tìm ra quy luật chung về sự biến thiên nhiệt độ của các mối hàn Cụ thể, thí nghiệm được thực hiện với dòng hàn 60A, tốc độ hàn 4mm/s và thời gian hồ quang 200ms.

Góc (độ) Đồ thị biểu hiện nhiệt độcủamối hànsố1

Nhiệt độPoly (Nhiệt độ)Linear (Nhiệt độ)Expon (Nhiệt độ)

Dòng hàn 70A với tốc độ 5mm/s và thời gian hồ quang 300ms cho thấy hiệu suất hàn tốt, trong khi dòng hàn 80A đạt tốc độ 6mm/s và thời gian hồ quang 400ms Hình 5.6 minh họa sự tương thích của các hàm trong dữ liệu nhiệt độ mối hàn 1, 2, 3, cho thấy mối liên hệ giữa các thông số hàn và nhiệt độ.

Dựa theo nhiệt độ thu được của mối hàn số 1, số 2 và số 3, tiến hành vẽ đồ thị hàm bậc

Để xác định phương trình phù hợp nhất cho bậc 2 và hàm mũ, cần quan sát đường biểu diễn sao cho bám sát các dữ liệu nhiệt độ thu được và nằm trong sai số cho phép 5%.

Hàm bậc 2 cho thấy hiệu suất tối ưu nhất trong các hình ảnh đã phân tích Do đó, nhóm đã tiến hành vẽ các đồ thị khác theo dạng hàm bậc 2, với kết quả của các mối hàn được mô tả chi tiết trong bảng 5.3.

Góc (độ) Đồ thị biểu hiện nhiệt độ của mối hànsố2

Nhiệt độ Poly (Nhiệt độ) Linear (Nhiệt độ) Expon (Nhiệt độ)

Nhiệt độLinear (Nhiệt độ)Poly (Nhiệt độ)Expon (Nhiệt độ)

- Kết quả mối hàn số 1: a) Bên ngoài b) Bên trong c) Đồ thị nhiệt độ

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

Góc (độ) Đồ thị nhiệt độbiểu hiện nhiệt độmối hàn số 1

- Kết quả mối hàn số 2: a) Bên ngoài b) Bên trong d) Đồ thị nhiệt độ

- Kết quả mối hàn số 3 a) Bên ngoài b) Bên trong c) Đồ thị nhiệt độ

Góc (độ) Đồ thị biểu hiển nhiệt độcủamối hàn số 4

- Kết quả mối hàn số 5 a) Bên ngoài b) Bên trong e) Đồ thị nhiệt độ

Góc (độ) Đồ thịbiểu hiện nhiệt độcủamối hàn số 6

Góc (độ) Đồ thịbiểu hiện nhiệt độcủamối hàn số 7

Góc (độ) Đồ thị biểu hiện nhiệt độcủamối hàn số 8

Góc (độ) Đồ thịbiểu hiện nhiệt độ của mối hànsố9

Nhiệt độ trong chu trình hàn tăng dần theo thời gian, với tốc độ tăng phụ thuộc vào các thông số như dòng hàn và tốc độ của điện cực Việc kiểm soát các thông số này là rất quan trọng, vì nếu không, nhiệt độ có thể thay đổi quá nhanh hoặc quá chậm, dẫn đến các khuyết tật trong mối hàn như nứt nẻ, rỗ khí hoặc biến dạng Để đảm bảo chất lượng mối hàn đạt tiêu chuẩn, cần xác định các thông số và nhiệt độ tương ứng phù hợp.

Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mối hàn Để đánh giá được chất lượng mối hàn cần phải dựa vào một tiêu chuẩn đáng tin cậy

Do đó, nhóm chúng em đánh giá các mối hàn dựa theo tiêu chuẩn AWS - Hiệp hội Hàn Hoa

Kỳ (American Welding Society) là một tập hợp quy trình, quy định và tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến hàn, được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàn tại Hoa Kỳ.

Tiêu chuẩn AWS D18.1 đặt ra yêu cầu khắt khe trong việc lựa chọn các mối hàn, đặc biệt là trong hàn ống vi sinh Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số hàn nhằm đảm bảo đạt tiêu chuẩn về bề rộng và độ ngấu của mối hàn.

Tiêu chuẩn chung đối với tất cả các mối hàn:

- Mối hàn phải được thực hiện liên tục và đạt độ ngấu hoàn toàn

- Mối hàn không được có nứt, cháy chân, khe hở, lỗ hoặc tạp chất

- Hai đầu ống phải đảm bảo đồng tâm, không lệch quá 15% so với bề dày ống (Hình 5.16 a) Đối với đường ống không tiếp xúc sản phẩm:

- Độ lõm của mối hàn không được vượt quá 0,15mm (Hình 5.16 b)

- Độ lồi (chiều cao) của mối hàn không được vượt quá 0,3mm (Hình 5.16 c)

- Bề rộng của mối hàn tối thiểu phải bằng 2T, với T là bề dày của ống (Hình 5.16 d)

- Đường hàn nên ổn định theo bề rộng, chỗ hẹp nhất không được nhỏ hơn 75% chỗ rộng nhất (Hình 5.16 e) Đối với đường ống có tiếp xúc sản phẩm:

- Độ lồi của mối hàn không được vượt quá 0,3mm (Hình 5.16 f)

- Độ lõm của mối hàn không được vượt quá 0,3mm (Hình 5.16 g)

Trong quá trình kiểm tra chất lượng đường hàn, không được phép có quá 4 hạt li ti có đường kính lớn hơn 1,6mm trong mỗi 100mm chiều dài của đường hàn Tuy nhiên, nếu hạt có đường kính nhỏ hơn 0,4mm, có thể bỏ qua mà không cần xử lý thêm.

Hình 5.16: Tiêu chuẩn AWS D18.1 của mối hàn Đánh giá chất lượng mối hàn

Dựa vào kết quả thực nghiệm, chúng tôi tiến hành đánh giá chất lượng mối hàn theo tiêu chuẩn AWS D18.1 Hình ảnh từ 9 mối hàn (hình 5.7 đến hình 5.15) cho thấy các mối hàn đều đạt tiêu chuẩn khắt khe trong lĩnh vực y sinh, như minh họa trong hình 5.16 (b, c, d, e, f, g) Để đánh giá bề rộng mối hàn, nhóm đã đo tại 4 vị trí: 0°, 90°, 180°, và 270°, với kết quả được trình bày trong Bảng 5.4.

Hình 5.17: Đo độ rộng mối hàn 4 tại vị trí 90 0 và 270 0 Bảng 5.4: Bảng giá trị bề rộng tại những vị trí khác nhau

Mối hàn Vị trí Bề rộng trung bình

So sánh kết quả với tiêu chuẩn AWS D18.1 cho thấy, với độ dày ống thí nghiệm 1 mm, bề rộng tối thiểu của mối hàn phải là 2 mm Hơn nữa, bề rộng hẹp nhất không được nhỏ hơn 75% bề rộng lớn nhất Kết quả đo được cho thấy tất cả các mối hàn đều đáp ứng tiêu chuẩn về bề rộng.

Mặc dù tất cả các mối hàn đều đạt độ ngấu hoàn toàn, một số mối hàn như mối số 1 (Hình 5.7), số 4 (Hình 5.10), và số 7 (Hình 5.13) lại gặp hiện tượng chảy xệ do quá ngấu.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phần mềm Minitab để tìm ra bộ thông số tối ưu cho mối hàn, nhằm đạt được bề rộng tốt nhất và độ ngấu vừa phải.

Thực nghiệm đối sánh kết quả

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phần mềm Minitab để tối ưu hóa các thông số hàn dựa trên độ ngấu và bề rộng của mối hàn Mục tiêu chính là đạt được bề rộng mối hàn lớn nhất, đồng thời đảm bảo độ ngấu vừa và hoàn toàn.

Tối ưu sử dụng phương pháp Taguchi

Sau khi thực hiện thu thập dữ liệu, quan sát và đánh giá, chúng tôi đã tổng hợp được bảng ảnh hưởng của các thông số đến bề rộng mối hàn Kết quả được xử lý theo phương pháp Taguchi, như thể hiện trong Bảng 5.5.

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

Dựa theo yêu cầu bài toán đặt ra là độ rộng mối hàn càng lớn càng tốt nên tỉ số S/N được tính theo công thức [2.3]:

Tiếp theo, lập bảng ảnh hưởng trung bình của S/N đến bề rộng mối hàn (Bảng 5.6)

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

Sau đó, vẽ biểu đồ ảnh hưởng của S/N đến bề rộng mối hàn (Hình 5.24)

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

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng tốc độ hàn có ảnh hưởng lớn nhất đến giá trị bề rộng mối hàn, tiếp theo là dòng hàn và thời gian xung Hình 5.22 minh họa rằng khi dòng hàn tăng, giá trị bề rộng mối hàn cũng gia tăng Thêm vào đó, các thông số tối ưu cho giá trị bề rộng mối hàn, theo tùy chọn "càng lớn càng tốt", là tốc độ hàn 4 mm/s, dòng điện hàn 80 A và thời gian xung 300 ms.

Theo phương pháp Taguchi, giá trị đáp ứng được đánh giá tại các mức giá trị cụ thể, và mức độ ảnh hưởng của các nhân tố đến thông số đầu ra cũng chỉ được xác định theo các mức này Để tìm giá trị tối ưu, có thể sử dụng PTHQ bậc 1 hoặc bậc 2 Khi áp dụng PTHQ bậc 1, việc nội suy giữa điểm đầu và điểm cuối của miền giá trị nhân tố không cho phép đánh giá đầy đủ sự ảnh hưởng của các nhân tố trong miền giá trị đến thông số đầu ra Để xem xét ảnh hưởng này và xác định giá trị cực trị, PTHQ bậc 2 là lựa chọn thích hợp hơn.

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

Theo hình 5.19, phương trình hồi quy bậc 1 cho thấy giá trị nhỏ nhất của đáp ứng tại x1min, trong khi theo phương pháp Taguchi, giá trị nhỏ nhất nằm tại x10 Ngược lại, phương trình hồi quy bậc 2 xác định rằng giá trị nhỏ nhất nằm trong khoảng (x1min, x10), cho thấy rằng phương trình hồi quy bậc 2 có khả năng cung cấp kết quả chính xác hơn với hai đáp ứng đầu ra.

Tối ưu hóa sử dụng PTHQ bậc 2 Để thu được PTHQ bậc 2 ta thực hiện theo các bước sau:

- Bước 1: Tiến hành nhập bảng kết quả thực nghiệm theo phương pháp Taguchi vào phần mền Minitab

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

Bề rộng TB (mm) Độ ngấu (Penetration)

Trong đó: Độ ngấu 1: mối hàn chưa ngấu (L1) Độ ngấu 2: mối hàn vừa ngấu tới (L2) Độ ngấu 3: mối hàn quá ngấu (L3)

- Bước 2: Nhập bảng 5.11 vào phần mền Minitab

Để tìm phương án tối ưu cho bài toán với hai mục tiêu là bề rộng mối hàn lớn nhất và độ ngấu đạt mức 2, bạn có thể sử dụng tính năng “Response Surface” trong phần mềm Minitab Tính năng này giúp xác định các điều kiện tối ưu nhằm đạt được kết quả mong muốn trong quá trình hàn.

Bảng 5.8: Điều kiện đầu vào của bài toán

Response Goal Lower Target Upper Weight Importance

- Kết quả chạy tối ưu

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

Sau khi chạy tối ưu thì ta thu được kết quả sau: Với thông số thiết lập là: dòng hàn 70

A, tốc độ hàn 5 mm/s, Arc time 400 ms thì bề rộng mối hàn đạt được tối thiểu là 2,809 mm và độ ngấu đạt được ở mức 2 Khoảng tin cậy của độ ngấu và bề rộng mối hàn lần lượt là (1,704; 2,609) và (2,6926; 2,9249) Khoảng dự báo của độ ngấu và bề rộng mối hàn lần lượt là (1,187; 3,126) và (2,5601; 3,0574)

Hình 5.21: Đồ thị tối ưu hóa đa mục tiêu

Thực nghiệm với thông số tối ưu

Sau khi tối ưu hóa bằng phần mềm Minitab, nhóm đã xác định được bộ thông số hàn lý tưởng gồm dòng hàn 70 A, tốc độ điện cực 5 mm/s và thời gian xung hồ quang 400 ms, trùng khớp với mối hàn số 5 trong bảng 5.7 Nhóm đã tiến hành thực nghiệm bốn mối hàn với bộ thông số này (bảng 5.9) để so sánh nhiệt độ và độ ngấu.

Nhóm nghiên cứu đã đánh giá sự tương quan giữa các mối hàn, tập trung vào bề rộng mối hàn, nhiệt độ và độ ngấu Mục tiêu là xây dựng giải thuật điều khiển các thông số theo nhiệt độ để cải thiện chất lượng mối hàn.

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

Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt của bốn mối hàn được tối ưu hóa thông số, như trình bày trong bảng 5.9, cho thấy rõ sự khác biệt giữa bề mặt bên ngoài và bên trong của mối hàn.

90 c) Đồ thị nhiệt độ Hình 5.22: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt độ mối hàn 10 a) Bên ngoài b) Bên trong

Biểu đồ biểu thị nhiệt độ của mối hàn số 10

` c) Đồ thị nhiệt độ Hình 5.24 : Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt độ mối hàn 12 a) Bên ngoài b) Bên trong

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

Dựa trên hình ảnh của bốn mối hàn, hầu hết các vị trí trên đường ống đều đạt độ ngấu vừa phải Tuy nhiên, từ 180° đến 360°, xuất hiện tình trạng quá ngấu, dẫn đến khuyết tật không mong muốn Nhiệt độ tại các vị trí này tăng nhanh, có thể do quá trình tích nhiệt làm mối hàn chảy xệ, tiếp xúc gần với điện cực Để khắc phục, nhóm đã tham khảo tài liệu và ý kiến giáo viên, đề xuất tăng tốc độ hàn và giảm dòng hàn tại các vị trí bị quá ngấu, nhằm hạn chế sự xuất hiện của khuyết tật.

Nhóm tiến hành hàn bằng cách thay đổi thông số dòng hàn và tốc độ điện cực Theo nghiên cứu của Georgi Georgiev, những thay đổi lớn hơn 10% có thể dẫn đến sự khác biệt giữa thực tế và danh nghĩa từ 18-25%, điều này cho thấy sự thay đổi đáng kể và giúp nhóm quan sát sự biến đổi của mối hàn Do đó, nhóm sẽ điều chỉnh thông số hàn với sự khác biệt lớn hơn 10%, bắt đầu với việc thay đổi dòng hàn, như được mô tả trong bảng 5.10.

Góc (độ) Đồ thị biểu hiện nhiệt độ của mối hàn 13

Bảng 5.10: Bảng thông số thay đổi dòng hàn hàn

Mối hàn Vị trí Dòng hàn I

Với sự thay đổi cường độ hàn hàn, mối hàn đạt được độ ngấu vừa phải và thu được biểu đồ nhiệt như sau (Hình 5.26) : a) Bên ngoài b) Bên trong

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

Mối hàn này không đáp ứng tiêu chuẩn của AWS D18.1, cụ thể là đường hàn cần ổn định về bề rộng, với chỗ hẹp nhất không được nhỏ hơn 75% chỗ rộng nhất Trong trường hợp này, chỗ hẹp nhất là 2,31 mm và chỗ rộng nhất là 3,48 mm, dẫn đến tỷ lệ giữa hai vị trí chỉ đạt khoảng 66,37%, không đạt yêu cầu.

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

Góc (độ) Đồ thị biểu thị nhiệt độ của mối hàn số 14

Nhóm sẽ lựa chọn phương án thay đổi tốc độ điện cực nhằm tối ưu hóa chất lượng mối hàn, với các thông số cụ thể được trình bày trong bảng 5.11.

Bảng 5.11: Bảng thông số thay đổi tốc độ hàn

Nhóm nghiên cứu đã thu thập thông số của hai mối hàn như được trình bày trong bảng 5.15 Kết quả cho thấy thông tin về ngoại quan và dữ liệu nhiệt của các mối hàn này, được minh họa qua Hình 5.28 và Hình 5.29, bao gồm cả các đặc điểm bên ngoài và bên trong của mối hàn.

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

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

Dựa trên các thực nghiệm đã thực hiện, nhóm sẽ tiến hành thay đổi tốc độ hàn theo ngưỡng nhiệt độ Để xác định chính xác vị trí trên mối hàn, cần xem xét lại các đồ thị nhiệt độ trước đó, bao gồm bốn mối hàn (mô tả trong Hình 5.22 đến Hình 5.25) với thông số không đổi như được trình bày trong bảng 5.13, cùng với hai mối hàn (Hình 5.28 và Hình 5.29) có tốc độ hàn thay đổi được mô tả trong bảng 5.12.

Góc độ Đồ thị biểu thị nhiệt độ của mối hàn số 16

Hình 5.30 : Đồ thị tương quan giữa bốn mối hàn

Dựa trên đồ thị nhiệt độ của bốn mối hàn, nhiệt độ bắt đầu tăng nhanh chóng từ 120°C tại vị trí 200° Nhóm nghiên cứu sẽ tiến hành thêm các thí nghiệm hàn bằng cách tăng tốc độ điện cực ở vị trí góc này để kiểm tra hiệu quả Theo các đồ thị, khi nhiệt độ vượt mức 120°C, mối hàn vẫn đảm bảo độ ngấu Do đó, nhóm thực hiện các thí nghiệm với sự thay đổi tốc độ hàn tại ngưỡng nhiệt độ 120°C để đánh giá kết quả Sau khi tiến hành thực nghiệm với các thông số, nhóm đã thu được kết quả như được mô tả trong các hình ảnh liên quan.

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

Tốc độ hàn = 6 mm/s khi nhiệt độ đạt 120°C

Góc (độ) Đồ thị biểu thị nhiệt độ của bốn mối hàn với thông số không đổi

Mối hàn 10 Mối hàn 11 Mối hàn 12 Mối hàn 13

100 a) Bên ngoài b) Bên trong c) Đồ thị nhiệt độ Hình 5.31: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt độ mối hàn 17

101 a) Bên ngoài b) Bên trong c) Đô thị nhiệt độ Hình 5.32: Hình ảnh ngoại quan và đồ thị nhiệt độ mối hàn 18

Dựa trên quan sát ba mối hàn, việc điều chỉnh tốc độ hàn ở góc 200° hoặc khi nhiệt độ đạt 120°C giúp tạo ra mối hàn đạt tiêu chuẩn Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng việc kiểm soát tốc độ hàn khi nhiệt độ tăng đến ngưỡng thích hợp sẽ nâng cao chất lượng mối hàn và giảm thiểu khuyết tật.

Tiêu đề	Cải Tiến Bộ Điều Khiển Đầu Hàn Ống Tự Động
Tác giả	Huỳnh Hữu Bằng, Võ Huỳnh Duy Thanh, Nguyễn Minh Trí
Người hướng dẫn	ThS. Trần Ngọc Thiện
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	133
Dung lượng	9,02 MB