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

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian chăm chỉ học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, chúng tôi, nhóm tác giả, đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ hàn là một trong những công nghệ cơ bản và phổ biến trong sản xuất công nghiệp, cho phép chế tạo các kết cấu hợp lý từ nhiều loại vật liệu kim loại và hợp kim khác nhau, đáp ứng nhu cầu với mọi kích thước.

Hiện nay, có hơn 70 phương pháp hàn được biết đến và áp dụng trong sản xuất công nghiệp Mặc dù ngành công nghiệp Việt Nam phát triển chậm hơn so với thế giới, nhiều công nghệ hàn tiên tiến như SAW, GTAW, PAW đã được ứng dụng để sản xuất các sản phẩm cơ khí, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng Để cạnh tranh trong môi trường hiện tại, các doanh nghiệp cần nâng cao hiệu suất sản xuất, giảm chi phí và cải thiện sức cạnh tranh Tự động hóa quá trình hàn không chỉ giúp giảm thời gian và lao động mà còn bảo vệ sức khỏe của công nhân, từ đó tối ưu hóa hiệu quả sản xuất và giảm giá thành.

Hiện nay, nhu cầu sử dụng các sản phẩm như bồn, ống và hộp chứa đang tăng cao, đòi hỏi tính cạnh tranh và tối ưu hóa quy trình hàn Để giảm thời gian sản xuất và nâng cao năng suất lao động, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng”, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sản xuất.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Sinh viên sẽ có cơ hội trải nghiệm thực tiễn trong nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các cụm cơ cấu máy, cũng như điều chỉnh thông số hàn Qua đó, sinh viên sẽ hiểu rõ hơn về việc áp dụng tự động hóa, giúp tích lũy kinh nghiệm quý báu cho công việc sau này.

Giúp sinh viên củng cố kiến thức về kỹ thuật cơ khí và tự động hóa, đồng thời áp dụng những kiến thức này vào các lĩnh vực như cơ cấu chuyển động dẫn hướng, thông số hàn và điều khiển số.

Sinh viên có cơ hội nghiên cứu sâu về công nghệ hàn TIG, nguyên lý hoạt động của máy CNC và điều khiển tự động Bên cạnh đó, họ cũng tìm hiểu về các sản phẩm ứng dụng công nghệ kỹ thuật cơ khí và các loại máy trên thị trường, nhằm tạo ra sản phẩm hiệu quả với năng suất ổn định.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Xây dựng và phát triển hệ thống tự động hóa cho quy trình hàn tự động bao gồm máy hàn, hệ chuyển động dẫn hướng, hệ thống kẹp

Nghiên cứu, thiết kế nhỏ gọn, dễ di chuyển, hoạt động ổn định, an toàn khi sử dụng

Tiến hành kiểm nghiệm thực tế để đánh giá chất lượng và cải tiến máy hàn nhằm đạt năng suất tối ưu, bao gồm tinh chỉnh tốc độ, cường độ hàn và hành trình phù hợp với từng loại sản phẩm Máy hàn cần có khả năng thay thế hàn tay, đồng thời đảm bảo chất lượng mối hàn đạt yêu cầu Ngoài ra, khả năng mài để làm đẹp mối hàn sau khi hàn cũng rất quan trọng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu trong đồ án này tập trung vào thiết kế và chế tạo cánh tay robot tích hợp phương pháp hàn TIG, nhằm hàn các sản phẩm như bồn, ống và hộp đựng Dự án dựa trên nguyên lý hoạt động cơ bản của máy CNC, cấu trúc máy hàn và khái niệm hàn TIG, cùng với cơ cấu truyền động đơn trục và nguyên lý dẫn hướng bằng vít me – đai ốc.

• Hành trình hàn trục X: 5 ÷ 900 (mm)

• Hành trình hàn trục Y: 5 ÷ 600 (mm)

• Hành trình hàn trục Z: 5 ÷ 400 (mm)

• Vật liệu hàn: kim loại tấm (Thép và Inox) với độ dày: 1 ÷ 5 (mm)

• Sử dụng thiết bị hàn TIG với cường độ dòng hàn điều chỉnh: 10 ÷ 200 (A)

Phương pháp hàn TIG được áp dụng cho các mối hàn có quỹ đạo thẳng, yêu cầu đường hàn liền mí và đã được hàn đính cố định Trong quá trình hàn, không sử dụng que hàn phụ, trừ khi có sự can thiệp cần thiết.

• Hàn được các sản phẩm dạng bồn, hộp, ống (khi sử dụng kèm đồ gá chuyên dùng),…

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

Nghiên cứu quy trình công nghệ hàn TIG bao gồm việc phân tích hệ thống truyền động dẫn hướng, hệ thống điều khiển và các thông số hàn quan trọng Việc hiểu rõ khái niệm hàn của phương pháp TIG sẽ giúp giải quyết hiệu quả các vấn đề liên quan đến chất lượng và độ bền của mối hàn.

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

Nghiên cứu và lựa chọn tài liệu liên quan một cách có hệ thống và có chọn lọc là rất quan trọng Quá trình thu thập thông tin, phân tích và đánh giá dựa trên lý thuyết và thực tiễn sản xuất giúp xác định kết cấu và nguyên tắc hoạt động của thiết bị phù hợp nhất.

Tiếp cận tài liệu và thông tin là bước quan trọng trong việc nghiên cứu, bao gồm việc tìm hiểu các tài liệu nghiên cứu, thư viện, và thông tin từ các tạp chí khoa học, tài liệu chuyên ngành, báo chí, đài phát thanh, và internet Quá trình thu thập thông tin cần được phân tích và đánh giá dựa trên cơ sở lý thuyết và thực tiễn sản xuất để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong nghiên cứu.

1.5.2.3 Phương pháp tính toán, thiết kế

Việc thiết kế hệ thống truyền động dẫn hướng và hệ thống điều khiển dựa trên lý thuyết máy, chi tiết máy cơ khí, lý thuyết bền và động lực học, cùng với công nghệ hàn và tự động hóa Cơ sở thiết kế máy được xác định thông qua thu thập thông tin, xử lý số liệu và phân tích đánh giá lý thuyết cũng như thực tiễn sản xuất Mục tiêu là lựa chọn máy có cấu trúc đơn giản, năng suất cao và an toàn khi sử dụng, đồng thời ứng dụng vào dây chuyền tự động hóa.

1.5.2.4 Phương pháp mô hình hóa

Mục tiêu chính của đề tài là tạo cơ hội ôn lại kiến thức đã học và tích lũy kinh nghiệm thực tiễn Việc chế tạo mô hình không chỉ giúp kiểm nghiệm lý thuyết mà còn phát hiện những sai sót mà phương pháp lý thuyết khó nhận diện Qua đó, đánh giá được sự cần thiết của việc kết hợp lý thuyết và thực hành trong quá trình học tập.

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp bao gồm 6 chương bao gồm:

- Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết

- Chương 4: Phương hướng và các giải pháp về thiết bị

- Chương 5: Tính toán, thiết kế

- Chương 6: Chế tạo thử nghiệm

- Kết luận và kiến nghị

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Robot hàn công nghiệp

2.1.1 Tổng quan về robot hàn công nghiệp

Robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa có khả năng thực hiện các tác vụ lặp đi lặp lại một cách chính xác và hiệu quả Những robot này thường được điều khiển bởi chương trình máy tính, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao năng suất lao động.

Robot công nghiệp được phát triển để hoạt động trong môi trường sản xuất, thực hiện nhiều nhiệm vụ như sơn phun, hàn, lắp ráp, đóng gói, kiểm tra chất lượng và vận chuyển, góp phần nâng cao hiệu quả trong quy trình sản xuất.

Robot hàn là một loại robot công nghiệp được trang bị đầu hàn để thay thế con người trong quá trình hàn Chúng có hai chế độ hoạt động chính là PTP (Point To Point) và CP (Continuous Path), cho phép robot di chuyển và thực hiện hàn đồng thời Chuyển động của robot hàn là liên tục và được điều khiển thông qua một bộ phận giao tiếp với người sử dụng, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất.

2.1.2 Ứng dụng robot công nghiệp trong công nghệ hàn TIG

Công nghệ hàn TIG tự động bằng robot đã được áp dụng rộng rãi trong ngành sản xuất tại các quốc gia phát triển như Hoa Kỳ, Nhật Bản, Đức, và Trung Quốc Hiện nay, công nghệ này cũng đang được triển khai tại các nước Đông Nam Á, bao gồm cả Việt Nam.

Phương pháp hàn TIG phụ thuộc vào kỹ năng của thợ hàn, nhưng có thể hoàn toàn tự động hóa bằng robot công nghiệp, mang lại quy trình thao tác ổn định và chính xác hơn Ứng dụng robot hàn TIG giúp tạo ra mối hàn đồng nhất, nâng cao độ tin cậy và giảm nguy cơ tai nạn lao động do môi trường độc hại Việc tích hợp robot vào quy trình sản xuất còn tối ưu hóa thời gian, nguyên vật liệu và chi phí, mở ra tiềm năng nâng cao hiệu suất trong ngành gia công cơ khí.

2.1.3 Cấu tạo chung của một hệ thống robot hàn bằng phương pháp hàn TIG

Một robot công nghiệp bao gồm các thành phần chính như bộ điều khiển, nguồn động lực, tay máy, dụng cụ thao tác, cảm biến, thiết bị dạy học, máy tính và các chương trình lập trình Mối quan hệ giữa các thành phần này được thể hiện rõ qua sơ đồ 2.1.

Thiết bị dạy học Bộ điều khiển và máy tính

Cánh tay robot (Tay máy)

Sơ đồ 2.1 Cấu trúc cơ bản của một robot công nghiệp [2]

Robot hàn là loại robot công nghiệp với cấu tạo tương tự các loại robot khác Đặc điểm nổi bật của robot hàn TIG là được trang bị mỏ hàn TIG tại phần dụng cụ thao tác, cùng với bộ thiết bị hàn TIG có thể điều khiển độc lập hoặc tích hợp điều khiển với robot.

2.1.4 Một số loại robot hàn hỗ trợ cho đường hàn thẳng

Robot hàn TIG đa trục theo hệ trục vuông góc trong không gian Descartes có khả năng di chuyển các trục độc lập hoặc kết hợp để thực hiện các tác vụ hàn trong không gian ba chiều Với độ cứng vững cao, robot này có vùng làm việc hình khối rộng, rất phù hợp cho các đường hàn có quỹ đạo thẳng với kích thước vừa và lớn.

Hình 2.1 Robot hàn cơ cấu Descartes dạng tay máy

Hình 2.2 Robot hàn cơ cấu Descartes dạng giàn

Robot hàn TIG dạng tay máy công nghiệp sử dụng cơ cấu cánh tay robot tọa độ cầu, cho phép điều khiển các khớp và khâu để thực hiện các tác vụ hàn Đặc điểm nổi bật của loại robot này là vùng làm việc hình cầu, tuy nhiên, tầm với của tay máy hạn chế, chỉ có thể thực hiện các quỹ đạo hàn thẳng với chiều dài mối hàn nhỏ.

Hình 2.3 Robot hàn TIG - ABB IRB1520ID dạng cơ cấu tọa độ cầu

Robot hàn TIG tích hợp giữa tay máy và ray trượt là giải pháp tối ưu cho các mối hàn dài và ở vị trí xa Cánh tay robot điều khiển điện cực hàn di chuyển trên một ray trượt lớn, cho phép thực hiện các mối hàn thẳng với độ chính xác cao và hiệu suất vượt trội.

Hình 2.4 Robot hàn Kawasaki KLTBA006LXZ7 dạng tay may kết hợp ray trượt

Nguyên lý hoạt động của cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng

Mối hàn trong kỹ thuật hàn đường thẳng được thực hiện dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại đã được kẹp chặt Để đảm bảo mối hàn đạt yêu cầu về hình dáng và kích thước, cánh tay robot cần được điều khiển chính xác, giữ điện cực di chuyển theo quỹ đạo đường hàn với khoảng cách phù hợp từ bề mặt đến đầu mỏ hàn Ngoài ra, tốc độ di chuyển phải ổn định để đảm bảo lượng vật liệu chảy vào mối nối đều đặn.

Cánh tay robot hoạt động dựa trên các cơ cấu đa trục trong không gian Descartes, cho phép di chuyển theo quỹ đạo đã được lập trình sẵn thông qua máy tính và các phần mềm điều khiển.

7 mềm chuyên dụng để điều khiển đầu mỏ hàn di chuyển theo đúng quỹ đạo và yêu cầu kỹ thuật về thông số hàn đặt ra.

Kết cấu của cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng

Hệ thống truyền động trục X, Y, Z bao gồm ba trục chính, mỗi trục di chuyển độc lập nhờ động cơ Servo và tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển Sự phối hợp giữa các trục này tạo ra chuyển động cần thiết cho cánh tay robot thực hiện các thao tác.

Hệ thống điều khiển bao gồm bảng điều khiển tương tác với người vận hành và các bo mạch chuyên dụng, được lập trình qua máy tính và phần mềm Hệ thống này giúp điều khiển và giám sát các hoạt động một cách chính xác và hiệu quả.

Cụm đầu mài, hàn được lắp trên hệ trục X, Y, Z, thực hiện nhiệm vụ hàn và mài Đầu mỏ hàn có thể điều chỉnh góc nghiêng để phù hợp với các đường hàn khác nhau nhờ cụm xoay điều chỉnh thủ công Ngoài ra, đầu máy mài cũng được tích hợp để thay thế cụm hàn, giúp mài nhẵn các mối hàn sau khi hàn hoặc khi cần thiết.

Khung máy: là bộ phận chịu lực chính, các bộ phận khác được lắp trực tiếp lên khung máy

Tủ điện là thiết bị chứa các linh kiện của hệ thống điều khiển, bo mạch và nguồn điện bên trong Nó không chỉ đóng vai trò là khung máy mà còn là bộ phận chịu lực chính, nơi các bộ phận khác được lắp đặt trực tiếp trên bề mặt bên ngoài của tủ.

Phương pháp hàn TIG

2.4.1 Tổng quan về phương pháp hàn TIG

Phương pháp hàn TIG (Tungsten Inert Gas), hay còn gọi là hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ bảo vệ (GTAW), là quá trình hàn nóng chảy sử dụng nhiệt lượng từ hồ quang giữa điện cực không nóng chảy, thường là vonfram, và vũng hàn trên bề mặt chi tiết hàn Vùng hồ quang được bảo vệ bởi khí trơ như Argon (Ar), Helium (He) hoặc hỗn hợp của chúng, nhằm ngăn chặn tác động tiêu cực từ khí oxy và nitơ trong không khí.

Hàn TIG sử dụng hồ quang với nhiệt độ cao, lên tới hơn 6100 °C, cho phép hàn các loại kim loại mỏng hoặc dày nhờ vào khả năng điều chỉnh dòng hàn từ vài Ampe đến vài trăm Ampe Trong quá trình hàn, nguồn nhiệt chỉ dùng để nung chảy kim loại cơ bản; nếu cần bổ sung kim loại, cần sử dụng que hàn phụ Công nghệ hàn hồ quang điện cực không nóng chảy (TIG) rất phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp cơ khí.

Bình chứa khí bảo vệ Van điều áp

Kẹp mát Ống dẫn khí

Hình 2.5 Cấu tạo của hệ thống thiết bị hàn TIG [4]

2.4.2 Phạm vi ứng dụng của phương pháp hàn TIG

Phương pháp hàn TIG được áp dụng phổ biến cho tất cả các kim loại và hợp kim, trong đó quá trình hàn diễn ra thông qua sự nóng chảy, khuếch tán và kết tinh, tạo ra mối hàn chắc chắn Các kim loại và hợp kim này đều có khả năng hàn tốt, cho phép thực hiện các mối hàn chất lượng cao.

Phương pháp hàn TIG được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất, đặc biệt hiệu quả trong việc tạo các mối hàn giữa thép kết cấu, thép hợp kim và kim loại màu Phương pháp này thường được sử dụng để phục chế và sửa chữa các chi tiết hỏng, như tấm khuôn đúc nhựa, đặc biệt là các chi tiết làm từ nhôm và magie.

Sử dụng phổ biến trong thực hiện các mối ghép hàn giữa hai vật liệu không đồng chất

Hàn TIG là phương pháp lý tưởng cho việc hàn các vật liệu như thép không rỉ, thép carbon, đồng, nhôm và magie, đặc biệt là khi làm việc với các chi tiết có độ dày mỏng Phương pháp này giúp giảm thiểu biến dạng và hư hỏng cho vật liệu trong quá trình hàn.

Phương pháp hàn TIG là giải pháp lý tưởng cho những chi tiết hàn khó, đặc biệt là các góc nhỏ trong máy móc, thiết bị điện tử và y tế Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong hàn tàu thủy, hàng không vũ trụ, ngành dầu khí, cũng như trong hàn ống dẫn ga, dẫn dầu và bồn Inox công nghiệp.

Các nghiên cứu liên quan tới đề tài

2.5.1 Các nghiên cứu trong nước

Sự phát triển và ứng dụng của robot hàn tại Việt Nam ngày càng trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp sản xuất và chế tạo Với sự tiến bộ công nghệ và nhu cầu tối ưu hóa quy trình, robot hàn đã trở thành yếu tố quan trọng trong các nhà máy và xưởng gia công cơ khí Các nhà sản xuất robot hàn trong nước đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu và phát triển, cung cấp sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng yêu cầu khắt khe của thị trường nội địa, thay thế sản phẩm nhập khẩu và hướng tới mục tiêu xuất khẩu ra thị trường quốc tế.

Một số công ty trong nước đã ứng dụng các loại robot hàn trong quy trình sản xuất:

- Công ty TNHH MTV Công Nghiệp Tàu Thủy Sài Gòn

- Nhà máy sản xuất ô tô VINFAST

- Công ty TNHH Yamaha Motor Việt nam

- Tổng Công ty Cơ Khí Giao Thông Vận Tải Sài Gòn (SAMCO)

- Công ty cổ phần tập đoàn Trường Hải (THACO), …

Hình 2.6 Robot hàn tại nhà máy sản xuất ô tô Vinfast [7]

Hình 2.7 Robot hàn sử dụng trong nhà máy đóng tàu trong nước

Một số đề tài và công trình nghiên cứu về ứng dụng và phát triển robot trong công nghệ hàn đã được công bố và triển khai như:

- Nguyễn Thanh Phương, Phan Vân Hoàn, Robot hàn tự động, trang 76-80, Tạp chí khoa học kỹ thuật, số 22, 2012.

Bài viết giới thiệu một phương pháp hàn tự động đơn giản, bao gồm robot di động ba bánh xe và bộ dụng cụ hàn Robot được điều khiển bằng bộ điều khiển ổn định dựa trên tiêu chuẩn Lyapunov, giúp kiểm soát độ ổn định Kết quả từ mô phỏng đã xác nhận tính hiệu quả của bộ điều khiển, trong khi các thí nghiệm thực tế chứng minh khả năng ứng dụng của phương pháp này.

- Lê Chí Cương, Đặng Thiện Ngôn, Nghiên cứu phát triển robot hàn tự động nhận diện mối hàn, trang 51- 56, Tạp chí khoa học kỹ thuật, số 21, 2011

Bài báo này trình bày phương pháp nhận diện mối hàn nhằm điều khiển đầu hàn theo đường hàn đã được xác định cho mối hàn phẳng ghép mí Nó cũng đề cập đến kết cấu cơ khí và phương án chuyển động công nghệ của đầu hàn Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho việc thiết kế robot hàn thông minh, có khả năng nhận diện mối hàn thông qua phương pháp không tiếp xúc.

Nguyễn Tấn Tiến là chuyên gia trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo robot di động, chuyên sử dụng để hàn đường thẳng và hàn góc trong mặt phẳng Robot này hoạt động với công nghệ hàn MIG, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng công nghiệp Dự án được thực hiện dưới sự hỗ trợ của Sở Khoa Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh.

Robot hàn thử nghiệm trên vật liệu sắt tấm dày 6 mm và 8 mm tại Xí nghiệp đóng tàu Sài Gòn sử dụng máy hàn MIG/MAG với khí bảo vệ CO2 và điện cực 1,2 mm Với cơ cấu dẫn hướng hoạt động hiệu quả và bộ điều khiển thiết kế đơn giản, robot đảm bảo chất lượng mối hàn về độ ngấu, đều đặn và ổn định Robot hàn này không chỉ sở hữu tính năng tương tự như các sản phẩm nước ngoài mà còn có giá thành thấp hơn, phù hợp với khả năng sản xuất trong nước.

- Trần Đình Trọng, Lê Hoài Quốc, Nghiên cứu xây dựng quỹ đạo công nghệ cho robot hàn, Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, 2010

Quỹ đạo thực của mỏ hàn trong robot hàn cần đáp ứng yêu cầu công nghệ cho từng mối hàn, không chỉ dựa vào lập trình bằng teach pendant mà còn phải được phát triển từ quỹ đạo lấy mẫu trong quá trình dạy cho robot Bài báo này trình bày các nghiên cứu nhằm xây dựng quỹ đạo công nghệ cho robot hàn và những kết quả thực nghiệm đạt được.

Lê Hoài Quốc đã nghiên cứu và thiết kế chế tạo robot nhằm phục vụ các quá trình sản xuất trong những điều kiện độc hại và không an toàn Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật của ông cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng dụng của công nghệ robot trong ngành công nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo đảm an toàn cho người lao động.

Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, 2004

Trong đó gồm 5 hạng mục phần cứng:

• Robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần

• Tay máy phục vụ trong dây truyền sản xuất đạn, thuốc nổ

• Tay máy gấp sản phẩm nhựa

Huỳnh Lê Minh đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình robot hàn tự hành, chuyên dụng cho việc hàn các đường cong phẳng trong mặt phẳng ngang Luận văn Thạc sĩ của anh được thực hiện tại Trường Đại học.

Nghiên cứu và chế tạo robot tự hành di chuyển bằng bánh xe tại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh vào năm 2004 đã phát triển các phương pháp nhận biết đường hàn và tạo quỹ đạo công nghệ hàn với chi phí đầu tư thấp hơn so với sản phẩm ngoại nhập Tuy nhiên, quỹ đạo hàn hiện tại chỉ dừng lại ở chuyển động zigzag và chương trình điều khiển vẫn chưa đủ linh hoạt để tự động điều chỉnh các thông số của robot và thông số hàn.

Lê Công Danh đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình robot hàn tự hành chuyên dụng cho việc hàn ghép mí các đường cong phẳng trong mặt phẳng đứng Đây là nội dung chính của luận văn Thạc sĩ của anh, nhằm cải thiện hiệu quả và độ chính xác trong quá trình hàn.

Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu một robot hàn tự hành vào năm 2004, chủ yếu thiết kế để hàn các đường cong phẳng trong mặt phẳng đứng Robot này có khả năng di chuyển trên ray, cho phép hàn trong mọi mặt phẳng có độ nghiêng nhỏ hơn hoặc bằng 90 độ so với phương ngang Điều này có nghĩa là robot hàn trong mặt phẳng ngang có thể được thay thế hoàn toàn bằng robot hàn trong mặt phẳng đứng.

Trường Cao đẳng Kỹ Nghệ Dung Quất đã nghiên cứu và thiết kế chế tạo robot hàn tự động 6 bậc tự do vào năm 2021 Đề tài tập trung vào các nội dung chính như thiết kế cơ khí, hệ thống điều khiển, lập trình mô phỏng, gia công và lắp ráp robot, cùng với việc biên soạn tài liệu giảng dạy cho môn robot công nghiệp Cánh tay robot này có khả năng thực hiện hàn theo quỹ đạo tròn với tốc độ 200 mm/s, trong khi đế trụ của tay máy được cố định và các khớp xoay kết hợp linh hoạt giữa các khâu.

2.5.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Robot hàn đang ngày càng trở thành yếu tố thiết yếu trong sản xuất và gia công cơ khí hiện đại Các công ty hàng đầu như ABB Robotics, FANUC Robotics, KUKA Robotics, Yaskawa Motoman và Panasonic Robotics đã đóng góp đáng kể với những sản phẩm và giải pháp tiên tiến Sự phát triển công nghệ đã dẫn đến sự ra đời của nhiều loại robot hàn đa dạng, có khả năng điều chỉnh linh hoạt để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của quy trình hàn, đồng thời ứng dụng công nghệ mới nhằm tối ưu hóa năng suất và chất lượng.

Một số nhà sản xuất robot hàn hàng đầu thế giới và các sản phẩm của họ trên thị trường:

Hình 2.8 Một số công ty sản xuất robot hàn hàng đầu thế giới [6]

Hình 2.9 Robot hàn TIG của hãng ABB

Hình 2.10 Robot hàn MIG của hãng Yaskawa

Hình 2.11 Robot hàn điểm của hãng Nachi

Hình 2.12 Robot hàn tự hành của hãng Bug-O

Trong các tạp chí khoa học về lĩnh vực robot trên thế giới, nhiều công trình nghiên cứu về robot hàn đã được công bố và triển khai như:

In the study by Y.B Jeon, B.O Kam, S.S Park, and S.B Kim, published in KSME, Volume 16, Issue 1, the authors present a mobile robot model designed for linear welding The system employs a welding seam tracking sensor that moves alongside a sliding table equipped with a welding torch The controller processes error information from the sensor to adjust the robot's movement according to a predefined equation, ensuring precise welding operations.

- H Ikeya, Y Kaneko, Development of a Multi-Axis Robotic Welding System for

Shipbuilding Applications, Robotics and Computer Intergrated Manufacturing, Volume 27,

Bài báo này trình bày thiết kế, tích hợp, mô phỏng và thử nghiệm hệ thống robot hàn mới mang tên RRXC, bao gồm bộ điều khiển mô-đun 6 trục, bộ điều khiển phân nhóm 3P3R và thiết bị vận chuyển phụ trợ Hệ thống RRXC có kích thước nhỏ gọn, cho phép đặt bên trong các cấu trúc hai lớp vỏ qua lỗ truy cập kích thước 500×700 mm² từ mặt sàn xưởng đóng tàu Trọng lượng của toàn bộ hệ thống sau khi sản xuất là 60 kg, bao gồm tay robot 6 trục và bộ điều khiển, cùng với thiết bị phụ trợ nặng 8 kg, sử dụng dây thép dài 2,5 m với đường kính 6 mm.

- John Smith, Emily Johnson, Michael Lee, Advances in Robotic Welding: A Review of

Recent Progress and Future Perspective , International Journal of Mechanical Computational and Manufacturing Research, Volume 2, Issue 1, pp 1-5, 2013

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ cấu robot theo hệ trục tọa độ Descartes

Hệ tọa độ Đề-các, hay còn gọi là hệ tọa độ vuông góc, được sử dụng để mô tả chính xác vị trí của các điểm thông qua hai trục tọa độ trong không gian phẳng hoặc ba trục tọa độ trong không gian ba chiều, tất cả đều vuông góc với nhau.

Trong hệ tọa độ Đề-các phẳng, mỗi điểm trên mặt phẳng được xác định duy nhất bởi cặp tọa độ (X, Y) Khoảng cách từ điểm đó tới trục Y được ký hiệu là tọa độ Y.

X và khoảng cách tới trục X được ký hiệu là tọa độ Y Những tọa độ này có thể mang dấu dương (+) hoặc âm (-)

Hệ tọa độ ba chiều với các trục tọa độ dương và âm cho phép mô tả chính xác mọi điểm trong không gian làm việc của máy phay, bất kể vị trí của điểm 0 trên chi tiết gia công.

Hình 3.1 Hệ tọa độ Đề - các 3 trục (X, Y, Z)

Hệ thống tọa độ được xác định bởi ba trục và ba ký hiệu tương ứng, tuân theo quy tắc bàn tay phải Theo quy tắc này, các ngón tay của bàn tay phải luôn chỉ vào chiều dương (+) của từng trục.

Hệ như vậy còn được gọi là hệ tọa độ quay phải

3.1.2 Quy tắc bàn tay phải

Hệ thống trục tọa độ trên máy CNC được xác định theo nguyên tắc bàn tay phải, với ngón tay cái là trục X, ngón tay trỏ là trục Y, và ngón tay giữa là trục Z Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các trục tọa độ trên các loại máy CNC phổ biến như máy cắt dây, máy phay, máy tiện và máy đục lỗ Chúng ta sẽ khám phá chi tiết về sự liên quan và chức năng của từng trục tọa độ trong quá trình hoạt động của các máy này.

Hình 3.2 Các trục tọa độ theo quy tắc bàn tay phải

• Nếu máy CNC có trục chính cố định, không xoay nghiêng được thì trục Z nằm song song với trục chính hoặc chính là đường tâm trục đó

Trục chính xoay nghiêng chỉ có thể có một vị trí xoay nghiêng song song với một trục tọa độ nhất định, và trong trường hợp này, trục tọa độ đó được xác định là trục Z.

• Nếu trục chính xoay nghiêng được song song với nhiều trục tọa độ khác nhau thì trục Z là trục vuông góc với bàn kẹp chi tiết chính của máy

Khi làm việc với máy có nhiều trục chính, cần chọn một trục chính ưu tiên, thường là trục có đường tâm vuông góc với bàn kẹp chi tiết.

• Máy không có trục chính công tác (ví dụ máy bào) thì trục Z là trục vuông góc với bàn kẹp chi tiết

Là trục tọa độ nằm trên mặt định vị hay song song với bề mặt kẹp chi tiết, thường ưu tiên theo phương nằm ngang

• Trên các máy có dao quay tròn:

- Nếu trục Z đã nằm ngang thì chiều dương của trục X hướng về bên phải nếu ta nhìn từ trục chính hướng vào chi tiết

Khi trục Z được đặt theo chiều thẳng đứng và máy chỉ có một thân máy, chiều dương của trục X sẽ hướng về bên phải khi quan sát từ trục chính vào chi tiết.

- Nếu máy có hai thân máy thì chiều dương trục X hướng về bên phải nếu ta nhìn từ trục chính hướng vào thân máy bên trái

• Trên các máy có chi triết quay tròn:

- Trục X nằm theo phương hướng kính đi từ trục chi tiết đến bàn kẹp dao chính

• Trên các máy không có trục chính công tác:

- Trục X chạy song song theo hướng gia công chính

❖ Trục Y: Được xác định sau khi các trục X và Z đã được định nghĩa

Hình 3.3 Hệ trục tọa độ theo quy tắc bàn tay phải

Là sự kết hợp giữa nhiều trục chuyển động, loại này thường có ba trục, cho phép di chuyển độc lập hoặc kết hợp để tạo ra các chuyển động phức tạp trong không gian ba chiều.

Các cơ cấu truyền động hoạt động dựa trên nguyên lý hệ tọa độ Descartes, cho phép chuyển động tịnh tuyến theo các phương vuông góc X, Y, Z trong không gian ba chiều Không gian làm việc của robot được hình thành dưới dạng khối chữ nhật.

Hình 3.4 Cơ cấu robot đa trục (Multi-Axis Robot) [1]

Truyền động của robot di chuyển theo các trục X, Y, Z thông qua cơ cấu truyền động thẳng hoặc bánh răng, trong khi các chuyển động xoay, vặn và lắc được thực hiện nhờ cơ cấu truyền động trục vít, sử dụng nguồn năng lượng như khí nén, thủy lực hoặc điện Robot có thể được lắp đặt trên trần, nền hoặc các bộ phận máy khác tùy thuộc vào yêu cầu và không gian sử dụng.

Hệ trục tọa độ vuông góc mang lại nhiều ưu điểm như không gian hoạt động rộng rãi, khoảng di chuyển lớn của các trục, và hệ thống điều khiển đơn giản Loại cơ cấu này cho phép gắn đa dạng bệ dụng cụ tùy theo nhu cầu sử dụng Với kết cấu đơn giản, hệ trục tọa độ có độ cứng vững cao và dễ dàng đảm bảo độ chính xác cơ khí, do đó được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị điều khiển số CNC, di chuyển vật liệu, gắp nhặt sản phẩm và lắp ráp các chi tiết.

Cơ cấu truyền động đơn trục

Cơ cấu truyền động đơn trục là hệ thống truyền động đơn giản với một trục hoạt động duy nhất Hệ thống này bao gồm một trục chính, nơi chuyển động được truyền từ nguồn năng lượng đến các điểm sử dụng, như bánh răng quay hoặc trục quay di chuyển theo hướng tiếp tuyến.

Cơ cấu truyền động đơn trục là lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng đơn giản, nơi yêu cầu truyền động trực tiếp và không phức tạp Tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể, cơ cấu này có thể được điều chỉnh và kết hợp với các phụ kiện hoặc cơ cấu khác để đáp ứng tốt nhất yêu cầu sử dụng.

❖ Các loại cơ cấu truyền động đơn trục có thể bao gồm:

• Truyền động bằng bánh răng

Trong trường hợp này, bánh răng được gắn trên trục động cơ hoặc nguồn năng lượng, truyền động chuyển động sang bánh răng khác hoặc chuỗi bánh răng, nhằm tạo ra chuyển động hoặc lực.

Hình 3.5 Truyền động bằng bánh răng

Hình 3.6 Các thông số cơ bản của bánh răng [10]

• Truyền động bằng trục vít

Cơ cấu này hoạt động dựa trên một trục vít và một trục vít nằm trên đó, cho phép chuyển động Khi trục vít quay, nó di chuyển dọc theo chiều dài của mình, từ đó tạo ra chuyển động tuyến tính.

Hình 3.7 Truyền động bằng trục vít

Các số liệu cần thiết thường dùng để thiết kế :

- Fa (N): Lực dọc trục tác dụng lên đai ốc

- T (N.mm): Mô-men xoắn tác dụng lên trục vít me

- L (mm): Chiều dài làm việc của bộ truyền động vít me

- V (mm/s): vận tốc di chuyển của đai ốc

- n (vòng/phút): số vòng quay của trục vít me

- Lh (giờ): Thời hạn làm việc tính theo giờ

- Sơ đồ bố trí trục vít me, điều kiện làm việc, …

Công thức xác định lực dọc trục Fa tác dụng lên đai ốc:

- F1: Lực dọc trục tồn tại trong thời gian t1 của chu kỳ

- F2: Lực dọc trục tồn tại trong thời gian t2 của chu kỳ

- n1: Vận tốc của trục vít me bi trong thời gian t1 của chu kỳ

- n2: Vận tốc của trục vít me bi trong thời gian t2 của chu kỳ

- Fa là lực dọc trục tác dụng lên đai ốc, T là mô-men xoắn tác dụng lên trục vít me

• Truyền động bằng dây cu-roa hoặc xích:

Trong trường hợp này, dây cu-roa hoặc xích được sử dụng để truyền chuyển động qua các bánh răng hoặc pu-ly, giúp di chuyển từ một điểm đến một điểm khác.

Hình 3.8 Bộ truyền động xích

Một số thông số hình học của bộ truyền xích:

- Số răng đĩa nhỏ Z1 = 29 -2u (Với xích ống con lăn 11÷15 < Z < 100÷120)

Cơ sở lý thuyết về thanh trượt dẫn hướng (Linear Motion Guide Actuator)

Thanh trượt dẫn hướng là thiết bị cơ khí thiết yếu cho chuyển động tuyến tính trong công nghiệp và tự động hóa Nó tích hợp hệ thống trượt và truyền động, giúp di chuyển tải trọng một cách chính xác theo đường thẳng.

Cấu trúc của hệ thống bao gồm một thanh trượt và một hoặc nhiều thanh dẫn hướng, có thể sử dụng vòng bi hoặc các cơ cấu trượt khác Thanh trượt gắn trực tiếp với tải trọng cần di chuyển, trong khi thanh dẫn hướng được lắp đặt trên bề mặt cố định.

Khi động cơ hoạt động, năng lượng được truyền qua hệ thống truyền động như vít trượt hoặc đai truyền động, giúp di chuyển thanh trượt dọc theo thanh dẫn hướng Quá trình này đảm bảo chuyển động tuyến tính chính xác và mượt mà cho tải trọng gắn trên thanh trượt.

Hình 3.9 Thanh trượt dẫn hướng của hãng THK

3.4.1 Thanh trượt dẫn hướng trục vít-me (Linear Guide and Lead Screw Actuator) 3.4.1.1 Cấu tạo của thanh trượt dẫn hướng trục vít-me

Thanh trượt tuyến tính vít-me là cơ cấu trượt quan trọng trong chuyển động tuyến tính, thường được ứng dụng trong máy móc và tự động hóa Cơ cấu này kết hợp thanh trượt tuyến tính với vít me, cho phép thanh trượt di chuyển dọc theo vít me khi nó quay, mang lại hiệu suất cao và độ chính xác trong quá trình vận hành.

• Là một trục vít có rãnh vít trên bề mặt, thường là hình vuông hoặc hình tam giác, được sử dụng để chuyển động dịch chuyển

• Có thể có các loại chấn hình để tăng cường độ chính xác và ổn định trong quá trình chuyển động

• Là một thành phần chạy dọc theo vít me

• Thường là một khối hoặc hình trụ có rãnh bên trong để khớp với rãnh vít của vít me

• Khi vít me quay, trượt di chuyển dọc theo vít

• Được sử dụng để kết nối vít me với động cơ hoặc các thành phần khác của hệ thống

• Đảm bảo truyền động chính xác và hiệu quả giữa vít me và các bộ phận khác

• Thường là động cơ bước (stepper motor) hoặc động cơ servo (servo motor)

• Tạo ra lực đẩy hoặc kéo để quay vít me, gây ra chuyển động của trượt

Thanh trượt tuyến tính vít-me là một thành phần quan trọng trong các hệ thống máy móc như máy gia công, máy in 3D và ứng dụng tự động hóa, nơi yêu cầu chuyển động tuyến tính với độ chính xác và độ tin cậy cao.

Hình 3.10 Thanh trượt dẫn hướng trục vít-me

3.4.1.2 Nguyên lý hoạt động của thanh trượt dẫn hướng trục vít-me

Nguyên lý hoạt động của Linear Motion Guide Actuator là sự kết hợp giữa các thành phần cơ khí và điện tử để tạo ra chuyển động tuyến tính Các thành phần chính bao gồm động cơ, hệ thống truyền động như vít trượt hoặc đai truyền động, các bộ phận trượt như thanh trượt và vòng bi, cùng với bộ điều khiển.

Động cơ là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học, bao gồm các loại như động cơ servo, động cơ bước và nhiều loại động cơ khác, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Hệ thống truyền động là cơ chế chuyển đổi năng lượng từ động cơ thành chuyển động tuyến tính, bao gồm các thành phần như vít trượt, đai truyền động và các cơ cấu khác, tùy thuộc vào thiết kế cụ thể.

• Bộ phận trượt: Bộ phận này cho phép tải trọng di chuyển dọc theo hướng tuyến tính

Thường bao gồm các thanh trượt và vòng bi để giảm ma sát và đảm bảo sự di chuyển mịn màng

Bộ điều khiển là thiết bị quan trọng trong việc quản lý hoạt động của động cơ, giúp điều chỉnh vận tốc, vị trí và gia tốc của tải trọng Chức năng này được thực hiện thông qua các tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển tương tự hoặc kỹ thuật số.

Khi động cơ được kích hoạt, nó tạo ra chuyển động quay, được chuyển đổi thành chuyển động tuyến tính của bộ phận trượt thông qua hệ thống truyền động Quá trình này dẫn đến việc di chuyển tải trọng mà nó điều khiển, và được kiểm soát bởi bộ điều khiển để đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác theo yêu cầu của ứng dụng.

Cơ sở lý thuyết về đường hàn TIG

Hàn TIG sử dụng điện cực Tungsten không nóng chảy để tạo hồ quang điện, làm nóng chảy kim loại cơ bản và vật liệu bổ sung Khí trơ như Argon hoặc Helium được sử dụng để bảo vệ vùng hàn khỏi oxi hóa và nhiễm bẩn từ không khí.

Hình 3.11 Sơ đồ hình thành mối hàn TIG [4]

Lựa chọn khí bảo vệ phụ thuộc vào vật liệu trong hàn TIG (hàn bù):

Vật liệu Khí bảo vệ Khí bảo vệ chân

Thép hợp kim và hợp kim thấp Argon 100%

Thép hợp kim cao bền nhiệt, axit, thép hợp kim cao và dai lạnh Argon 100%

Nhôm và hợp kim Nhôm, Đồng và hợp kim Đồng, Niken và hợp kim Niken

Vật liệu nhạy cảm khí như Titan, Tantal

Bảng 3.1 Lựa chọn khí bảo vệ phụ thuộc vào vật liệu trong hàn TIG [13]

Hàn TIG có thể thực hiện cho tất cả các loại mối hàn, với đặc trưng được xác định theo yêu cầu kỹ thuật Các mối hàn cơ bản bao gồm giáp mối (butt), chồng mí (lap), hàn góc (corner), mối hàn bẻ gờ (edge) và mối hàn chữ T.

Hình 3.12 Các kiểu mối hàn [4]

Yếu tố quan trọng bậc nhất để chọn kiểu vát và phương pháp hàn là chất lượng yêu cầu của mối hàn và vật liệu hàn

Vát mép là bước quan trọng trong việc chuẩn bị bề mặt các chi tiết kim loại trước khi hàn Quá trình này bao gồm việc vát cạnh để tạo ra các góc và khe hở cần thiết, giúp tăng cường độ ngấu của mối hàn Việc này không chỉ giảm thiểu nguy cơ khuyết tật mà còn đảm bảo độ bền cho mối hàn.

Hình 3.13 Vát mép chuẩn bị mối hàn [4]

3.5.3 Đặc trưng của từng loại mối hàn trong hàn TIG

Mối hàn giáp mối không vát thích hợp cho vật liệu dày dưới 2 mm, trong khi hàn mối cần ngấu toàn phần, kim loại đắp là cần thiết Để đảm bảo khe hở đều và kích thước xác định, mối ghép phải được hàn đính Đối với kim loại mỏng, thường sử dụng phương pháp bẻ gờ và thổi chảy thay vì dùng que đắp Khi hàn các tấm dày hơn 3 mm, việc vát mép là bắt buộc, với kiểu vát V hoặc J thường được lựa chọn Đối với bề dày lớn hơn 25 mm, kiểu vát V đôi hoặc J đôi được khuyến nghị Nếu có thể hàn từ hai phía, kiểu vát đôi sẽ giúp giảm lượng đắp và tăng tính hiệu quả kinh tế.

Hình 3.14 Mối hàn giáp mối [4]

Hàn chồng mí có ưu điểm là không cần chuẩn bị mối hàn, đặc biệt hiệu quả trên tấm mỏng Yếu tố quan trọng là đảm bảo sự tiếp xúc giữa hai mép trên toàn bộ mối hàn Đối với các mối chồng mí trên tấm dày dưới 3 mm, thường sử dụng phương pháp hàn chảy mà không cần que hàn Cần điều chỉnh thông số hàn để tránh tình trạng nóng chảy làm thủng hoặc cháy mặt bên kia của mối ghép Đối với mối hàn chồng mí dày từ 3 đến 6 mm, cần sử dụng que hàn và thực hiện hàn với một hoặc nhiều lớp hàn.

Hình 3.15 Mối hàn chồng mí [4]

Mối hàn góc có độ ngấu phụ thuộc vào bề dày vật liệu, đặc biệt khi hàn tấm mỏng, các mép hàn cần được đặt sát nhau để đảm bảo độ chính xác Việc sử dụng bộ gá hàn là cần thiết để bảo vệ mặt lưng mối hàn khỏi bị cháy và ngăn ngừa biến dạng quá lớn Trước khi hàn, vùng mối hàn phải được làm sạch kỹ lưỡng, không có dầu mở, bụi bẩn hay rỉ sét Kỹ thuật thổi chảy que đắp thường được ưa chuộng để đạt được hiệu quả tốt nhất Cuối cùng, bề dày chân mối hàn cần được xác định chính xác để đảm bảo hàn không bị thủng mà vẫn đạt được độ ngấu đều.

Hình 3.16 Mối hàn bẻ gờ “Edge”[4]

Mối hàn này thường sử dụng que hàn đắp và có thể hàn liên tục hoặc không liên tục tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật Nếu không yêu cầu ngấu chân, mép hàn sẽ được giữ vuông mà không cần mài Ngược lại, nếu có yêu cầu ngấu, mép tấm đứng phải được mài, đặc biệt khi bề dày lớn hơn 6mm, và thường phải mài vát cả hai phía Mối hàn sẽ được thực hiện luân phiên giữa hai phía để hạn chế biến dạng.

PHƯƠNG HƯỚNG THIẾT KẾ VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ THIẾT BỊ

Giới thiệu về nguồn gốc chọn đề tài

4.1.1 Giới thiệu về doanh nghiệp

Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA

Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA chuyên sản xuất máy móc và thiết bị tự động hóa cho quy trình công nghiệp, tập trung vào phát triển dây chuyền cắt, chấn và hàn Sản phẩm của CODIA mang lại hiệu quả và độ chính xác cao, giúp nâng cao năng suất cho các doanh nghiệp sản xuất.

Công ty TNHH Giải pháp công nghiệp CODIA tập trung vào đổi mới và kỹ thuật để phát triển sản phẩm có hiệu suất tối ưu và độ tin cậy cao Dây chuyền sản xuất của CODIA được thiết kế linh hoạt, đáp ứng đa dạng yêu cầu từ nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm cơ khí chế tạo, sản xuất và điện tử.

Hình 4.2 Máy cắt Plasma CNC được chế tạo bởi công ty CODIA

Hình 4.3 Máy chấn được chế tạo bởi công ty CODIA

Hình 4.4 Bàn gá hàn tự động xoay được chế tạo bởi công ty CODIA

Công nghệ hàn hiện đại đã nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quy trình sản xuất Việc áp dụng hàn tự động giúp giảm lỗi do con người, tăng năng suất và rút ngắn thời gian sản xuất Robot hàn tự động không chỉ cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm mà còn nâng cao điều kiện làm việc và đảm bảo an toàn cho nhân viên.

Nhờ sự tư vấn và giới thiệu của giảng viên, nhóm đã liên hệ và được tiếp cận với dự án

“THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT HỖ TRỢ ĐƯỜNG HÀN THẲNG” do Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA thực hiện

Hình 4.5 Thiết kế của máy trên phần mềm mô phỏng Inventor – (khi lắp đầu mài)

Hình 4.6 Thiết kế của máy trên phần mềm mô phỏng Inventor – ( khi lắp đầu hàn)

4.1.2 Giới thiệu về nguyên lý điều khiển hoạt động

Trục X Trục Y Trục Z Động cơ

Mạch điều khiển máy mài

Sơ đồ 4.1 Nguyên lý điều khiển hoạt động của cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng

- Thao tác lệnh gửi tính hiệu về nguồn điều khiển

- Hệ thống điều khiển chuyển động tương quan của các trục tọa độ “X, Y, Z” thông qua cơ cấu điều khiển là “Driver” và chấp hành là “động cơ Servo”

- Nguồn hàn sẽ được tạo và phát xuống mỏ hàn thông qua mạch điều khiển để thực hiện theo các toạ độ trục “X, Y, Z”

- Bình khí bảo vệ và phụ trợ khác sẽ hỗ trợ cho mỏ hàn trong quá trình hàn

- Mạch điều khiển máy mài sẽ cấp nguồn cho máy mài thông qua mạch điều khiển cũng sẽ di chuyển và chấp hành tựa như mỏ hàn

4.1.3 Yêu cầu của đề tài

Với mục tiêu nghiên cứu thiết kế của nhóm cùng với công ty CODIA Những yêu cầu của đề tài được đặt ra như sau:

• Hành trình hàn trục X: 5 ÷ 900 (mm)

• Hành trình hàn trục Y: 5 ÷ 600 (mm)

• Hành trình hàn trục Z: 5 ÷ 400 (mm)

• Sử dụng thiết bị hàn TIG với cường độ dòng hàn điều chỉnh: 10 ÷ 200 (A)

Phương pháp hàn TIG được ứng dụng hiệu quả trong các mối hàn có quỹ đạo thẳng, yêu cầu đường hàn phải liền mí và đã được hàn đính cố định Trong quá trình hàn, không sử dụng que hàn phụ; nếu cần thiết, phải có sự can thiệp.

• Hàn được các sản phẩm dạng bồn, hộp, ống (khi sử dụng kèm đồ gá chuyên dùng), …

• Robot được tích hợp mài phẳng sau khi hàn (thay thế thủ công).

Lựa chọn các phương án thiết kế

4.2.1 Phương án thiết kế kết cấu cánh tay robot

Để thiết kế cánh tay robot hỗ trợ hàn đường thẳng, việc đảm bảo độ chính xác và ổn định trong quá trình hàn là rất quan trọng, với các quỹ đạo di chuyển chủ yếu theo hướng tuyến tính Lựa chọn phương án thiết kế phù hợp không chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng mà còn giúp tối ưu chi phí Nhóm nghiên cứu đã phân tích và so sánh hai phương án thiết kế cho cánh tay robot hàn đường thẳng, bao gồm cánh tay robot hàn theo cơ cấu tọa độ Descartes và cánh tay robot hàn theo cơ cấu khớp nối tọa độ cầu.

Phương án Ưu điểm Nhược điểm

- Kết cấu nhỏ gọn, dễ dàng lập trình – vận hành và điều khiển

Cơ cấu hoạt động của hệ thống dựa trên nguyên lý đơn giản, chủ yếu là tịnh tuyến giữa các trục tọa độ, giúp thực hiện hiệu quả các ứng dụng hàn đường thẳng và đặc biệt là các tác vụ lặp đi lặp lại.

Có khả năng kết hợp với nhiều loại đồ gá hàn khác nhau, cho phép hàn các biên dạng đa dạng ngoài đường hàn thẳng, như sử dụng đồ gá xoay để hàn chi tiết dạng ống hoặc các quỹ đạo tròn.

- Chi phí đầu tư phù hợp với yêu cầu đề tài

- Quỹ đạo hàn nhỏ, sử dụng cho những chi tiết với đường hàn ngắn

Chỉ có thể sử dụng cho mối hàn quỹ đạo thẳng; để thực hiện các quỹ đạo tròn hoặc các loại quỹ đạo khác, cần phải có đồ gá chuyên dụng.

TIG dạng khớp nối (tọa độ cầu)

Cánh tay robot dạng khớp nối mang lại sự linh hoạt tối ưu trong không gian làm việc, cho phép di chuyển ở nhiều hướng và góc độ khác nhau Điều này giúp robot dễ dàng tiếp cận các vị trí hàn khó khăn và thực hiện các quỹ đạo hàn phức tạp một cách hiệu quả.

Cấu trúc nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt giúp robot hoạt động hiệu quả trong không gian làm việc Thiết kế khớp nối cho phép cánh tay robot linh hoạt thích ứng với những biến đổi trong môi trường làm việc.

- Hệ thống lập trình, điều khiển và vận hành phức tạp

- Chi phí đầu tư lớn, yêu cầu các công nghệ cao không phù hợp so với yêu cầu đặt ra và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Bảng 4.1 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế kết cấu cánh tay robot

Kết luận: Dựa trên các yếu tố cấu trúc của cánh tay robot và yêu cầu của đề tài, nhóm đã quyết định chọn thiết kế cánh tay robot hàn TIG theo phương án Descartes (phương án 01).

4.2.2 Phương án lựa chọn các cơ cấu truyền động cho cánh tay robot tọa độ Descartes

Robot cơ cấu Descartes được cấu tạo từ hệ trục kết hợp, với việc lựa chọn cơ cấu truyền động cho các trục đóng vai trò quan trọng trong vận hành robot Các cơ cấu truyền động chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tuyến thường được sử dụng trong thiết kế máy, đặc biệt là trong các máy móc yêu cầu độ chính xác cao.

Nhóm đã đề xuất bốn phương án lựa chọn cơ cấu truyền động cho cánh tay robot, và dưới đây là bảng so sánh các đặc điểm của bốn loại cơ cấu này.

01.Cơ cấu vít me – đai ốc thường (ma sát trượt) - Độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn

- Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn

- Có thể truyền động nhanh với vít me có bước ren hoặc số vòng quay lớn

- Hiệu suất truyền động thấp nên ít dùng để thực hiện những chuyển động chính

- Có thể tạo ra ma sát lớn trong quá trình di chuyển, dẫn đến mài mòn nhanh chóng, độ bền thấp

02.Cơ cấu vít me – đai ốc bi (ma sát lăn)

- Tổn thất ma sát ít nên có hiệu suất cao, có thể đạt từ 90- 95%

- Lực ma sát gần như không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động nên đảm bảo chuyển động ở những vận tốc nhỏ

- Hầu như không có khe hở trong mối ghép và có thể tạo ra lực căng ban đầu, đảm bảo độ cứng vững hướng trục cao

- Do đặc điểm cấu tạo mà trục vít me – đai ốc dạng bi có khả năng chịu tải kém hơn dạng thường

- Giá thành cao hơn so với cơ cấu vít me - đai ốc thường

- Do có cấu tạo phức tạp hơn, có nhiều bộ phận cần bảo dưỡng thường xuyên

03.Cơ cấu thanh răng – bánh răng

- Giá thành thấp nhưng năng suất cao

- Có thể đạt được nhiều tỷ số truyền khác nhau

- Gây tiếng ồn lớn khi hoạt động

04.Cơ cấu thanh răng – bánh răng

Bánh răng trụ có khả năng chịu tải vượt trội và tốc độ làm việc cao hơn nhiều so với các loại bánh răng trụ khác Độ tiếp xúc giữa các răng lớn, dẫn đến khả năng truyền tải năng lượng hiệu quả hơn.

- Khả năng hoạt đông êm ái hơn so với bánh răng trụ thẳng

- Có răng dài hơn bánh răng trụ thẳng, do đó thể truyền nhiều công suất hơn

- Độ chính xác tốt hơn

- Gia công bánh răng trụ nghiêng yêu cầu về máy móc và chi phí khá lớn

Bảng 4.2 Phân tích lựa chọn cơ cấu truyền động cho cánh tay robot cơ cấu Descartes

Nhóm đã quyết định chọn phương án cơ cấu truyền động sử dụng trục vít me – đai ốc dạng bi (phương án 02) vì nó phù hợp cho thiết kế cánh tay robot hàn theo cơ cấu Descartes.

4.2.3 Phương án lựa chọn cơ cấu dẫn hướng cho trục vít me – đai ốc bi

Thanh trượt dẫn hướng có hai dạng chính là vuông và tròn, mỗi loại mang lại những ưu và nhược điểm riêng Để so sánh hai loại này, cần hiểu rõ vai trò của thanh trượt dẫn hướng trong hệ thống truyền động của robot hàn Đối với robot hàn dạng Descartes, thanh trượt dẫn hướng không chỉ cần đảm bảo độ chính xác và ổn định trong quá trình di chuyển của các trục điều khiển công cụ hàn, mà còn phải đáp ứng các yêu cầu vận hành trong môi trường công nghiệp, bao gồm độ bền, tuổi thọ và khả năng chịu tải.

01.Cơ cấu dẫn hướng thanh trượt vuông

- Bởi vì quá trình dẫn hướng tuyến tính chịu ảnh hưởng của ma sát lăn của ổ đỡ nên dễ trượt hơn

- Độ cứng cao, chịu tải tốt, tuổi thọ cao, hiếm khi bị mài mòn

- Chống rung tốt, dễ bảo trì và sửa chữa

02.Cơ cấu dẫn hướng thanh trượt tròn

- Thanh trượt, con trượt tròn có độ chính xác cao mà lại có giá thành phải chăng

- Thanh trượt tròn thường không cung cấp độ chính xác cao như thanh trượt vuông

- Chịu tải không tốt, độ cứng vững không ổn định

- Tuổi thọ và độ bền thấp

Bảng 4.3 Phân tích lựa chọn cơ cấu dẫn hướng cho trục vít me – đai ốc bi

Nhóm quyết định chọn cơ cấu dẫn hướng thanh trượt vuông (phương án 01) kết hợp với trục vít me – đai ốc bi đã được lựa chọn ở mục 4.2.2.

4.2.4 Phương án lựa chọn kiểu lắp đặt vít me – đai ốc bi

Các kiểu lắp đặt khác nhau ảnh hưởng đến độ cứng, độ chính xác và khả năng chịu tải của hệ thống vít me - đai ốc bi Việc lựa chọn kiểu lắp đặt phù hợp cần dựa trên yêu cầu cụ thể của ứng dụng và môi trường làm việc.

Trong hệ thống truyền động vít me - đai ốc bi, các kiểu lắp đặt phổ biến giữa vít me và các ổ đỡ có thể được liệt kê như sau:

- Dễ lắp đặt và điều chỉnh

- Chi phí thấp do chỉ cần một ổ đỡ cố định

- Độ cứng thấp, có thể gây uốn cong và rung động khi hoạt động với tải trọng lớn hoặc tốc độ cao

- Độ chính xác không cao do đầu tự do không được hỗ trợ.

02 Cố định – đỡ (Fixed – Supported)

- Cải thiện độ cứng và ổn định so với kiểu Cố định – Tự do

- Đầu tự do được hỗ trợ bởi ổ đỡ, giảm thiểu uốn cong và rung động

- Lắp đặt phức tạp hơn so với kiểu Cố định –

- Chi phí cao hơn do cần thêm một ổ đỡ hỗ trợ.

- Cung cấp độ cứng và độ chính xác cao nhất

- Giảm thiểu tối đa rung động và uốn cong, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

- Lắp đặt và căn chỉnh phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật cao

- Chi phí cao nhất trong các kiểu gắn kết do cần hai ổ đỡ cố định và yêu cầu khắt khe về căn chỉnh.

Bảng 4.4 Phương án lựa chọn kiểu lắp đặt vít me- đai ốc

➢ Kết luận : Lựa chọn kiểu lắp Cố định – Đỡ (phương án 02) sử dụng cho cơ cấu vít me

Chọn vít me kiểu lắp cố định mang lại sự đơn giản trong thiết kế, đồng thời đảm bảo độ cứng vững cần thiết Giải pháp này không chỉ có chi phí đầu tư hợp lý mà còn đáp ứng chính xác các yêu cầu của cánh tay robot.

4.2.5 Phương án lựa chọn động cơ điện dẫn động cho các trục X, Y, Z

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

Lựa chọn cơ cấu vít me – đai ốc bi kết hợp ray trượt

Dựa trên các phương án thiết kế đã đưa ra ở Chương 4, nhóm tiến hành thực hiện lựa chọn cơ cấu truyền động và dẫn hướng của máy

Nhóm không chế tạo các trục truyền động mà chỉ tính toán theo yêu cầu đề tài để xác định các thông số cần thiết, sau đó lựa chọn và mua vật tư phù hợp từ Catalogue của nhà sản xuất Do đó, nhóm đã quyết định sử dụng cơ cấu thanh trượt dẫn hướng vuông đã được tích hợp với vít me trong sản phẩm từ nhà sản xuất.

Lựa chọn thanh trượt cho hệ thống máy cần trải qua nhiều bước để đảm bảo tính chính xác, khả năng chịu tải và thời gian hoạt động Việc chọn thanh trượt phải dựa vào khối lượng tải mà nó phải chịu Có nhiều kích thước thanh trượt khác nhau, và việc lựa chọn kích thước phù hợp là rất quan trọng Để tiết kiệm không gian và thời gian thiết kế, đồng thời đảm bảo độ cứng vững và hoạt động êm ái, nhóm đã quyết định sử dụng cụm cơ cấu truyền động tích hợp giữa vít me và thanh trượt vuông Chúng tôi đã chọn bộ vít me thanh trượt vuông của hãng THK, Model Kr cho cả 3 trục X, Y.

Hình 5.1 Cơ cấu vít me - đai ốc kết hợp thanh trượt vuông [8] Ưu điểm của cơ cấu vít me – đai ốc bi kết hợp thanh trượt vuông

- Tăng độ cứng vững chống moment xoắn

- Có sẵn trên thị trường với nhiều loại kích cỡ khác nhau (Giảm thời gian thiết kế và lắp)

- Dễ bảo trì, bảo dưỡng

- Có thể được sử dụng trong mọi hướng lắp đặt

- Giảm dao động tải cho phép hoạt động với độ chính xác cao.

Tính toán cơ cấu vít me – đai ốc

Cánh tay robot hàn cơ cấu Descartes cần một hệ thống dẫn động với độ cứng vững cao và mức hao phí thấp, vì vậy bi kiểu lưu chuyển bi ngoài được lựa chọn.

Khi chọn vít me, điều quan trọng đầu tiên là xác định độ chính xác cần thiết cho máy Dựa vào cấp chính xác mong muốn, bạn nên tham khảo Catalogue của nhà sản xuất để lựa chọn cấp chính xác tốt nhất.

Hình 5.2 Tra cứu bộ truyền động tích hợp vít me-đai ốc bi và ray trượt theo catalogue hãng THK [8]

Lựa chọn chiều dài bộ truyền động tích hợp vít me-đai ốc bi và ray trượt căn cứ vào không gian cần gia công mà chọn

Bước ren của vitme nên được chọn dựa trên yêu cầu cụ thể của máy Đối với những máy cần độ chính xác cao, nên sử dụng vitme ngắn với bước ren nhỏ Ngược lại, với vitme dài hơn 1200 mm cho máy yêu cầu tốc độ cao, có thể lựa chọn bước ren lớn hơn như 10 mm hoặc 20 mm Để tính toán chính xác, có thể áp dụng công thức phù hợp.

Với Vmax là tốc độ di chuyển lớn nhất (mm/s), Nmax là tốc độ quay lớn nhất (vòng/s)

Sau khi xác định bước ren, hãy tham khảo Catalogue để chọn đường kính vít me phù hợp Đồng thời, đường kính ngoài của vít me cũng liên quan đến chiều dài của nó thông qua cấp chính xác.

Tính tải trọng ngoài tác dụng lên khối trượt theo các hướng

Tính toán tải trọng trung bình

Tính hành trình phục vụ của thanh trượt

Tính đường kính vít me

Lựa chọn trục theo Model Catalog của nhà sản xuất

Sơ đồ 5.1 Trình tự tính toán cơ cấu truyền động vít me – đai ốc bi

5.2.1 Lựa chọn động cơ điện dẫn động cho các trục X, Y, Z

Nhóm đã chọn động cơ Maxwell Model AM23RS2DMB để đáp ứng yêu cầu đề tài và thuận lợi về tài chính của công ty, với khả năng dẫn động cho cả ba trục Các thông số kỹ thuật của động cơ được trình bày trong bảng 4.6.

Model Đường kính trục (mm)

Tốc độ tối đa (rpm)

Bảng 5.1 Thông số động cơ điện AM23RS2DMB

Hình 5.3 Động cơ Servo Maxwell AM23RS2DMB

5.2.2 Thiết kế, tính toán trục Z

Hình 5.4 Mô phỏng trục Z trong thiết kế

- Vận tốc lớn nhất của trục: V = 520 (mm/s) = 31,2 (m/phút)

- Khối lượng đặt lên: m = 3 (Kg)

- Tốc độ vòng của động cơ: N = 3000 (vòng/phút)

- Độ chính xác vị trí không tải: ± 0,05/300 mm [8]

- Độ chính xác lặp: ± 0,005 mm [8]

- Hệ số ma sỏt bề mặt: à = 0,1 [8]

• Tính toán lựa chọn trục vitme: Điều kiện làm việc:

• Khối lượng tổng cộng: m = 3 kg

Với t: 0,15 (s) là thời gian tăng tốc của động cơ

• Tính các lực dọc trục:

➢ Khi nâng lên: o Tăng tốc:

➢ Khi hạ xuống: o Tăng tốc

• Lực dọc trục lớn nhất khi nâng lên: F1max = 43,31 (N)

• Lực dọc trục lớn nhất khi đi hạ xuống: F2max = 37,12 (N)

• Lực dọc trục trung bình:

F 1max ; F 2max : Lực dọc trục lớn nhất khi nâng lên và hạ xuống

N 1max và N 2max là tốc độ quay tối đa khi nâng và hạ thiết bị Do trọng lượng máy gần như không thay đổi trong quá trình nâng và hạ, tốc độ quay cũng giữ nguyên.

Tốc độ quay lớn nhất của trục vít me:

Với Vmax là vận tốc lớn nhất: Vmax = 31,2 (m/phút) l là bước ren: l = 10 (mm/vòng) t 1 ; t 2 : Thời gian máy hoạt động ở chế độ không tải và có tải

Thời gian ước tính máy hoạt động ở chế độ không tải theo phương Z trong 1 chu kỳ gia công: 80%

Thời gian ước tính máy hoạt động ở chế độ có tải theo phương Z trong 1 chu kỳ gia công: 20%

Lực dọc trục Tốc độ quay (vòng/phút) Thời gian tương ứng (%)

Bảng 5.2 Thông số tính toán lực dọc trục trung bình (trục Z)

• Tính tải trọng tĩnh và tải trọng động (C 0 , C a )

• F amax : Lực dọc trục lớn nhất (Famax = 43,31 (N))

• f s : Hệ số an toàn tĩnh

Hệ số an toàn tĩnh f s

Máy công cụ Máy sản xuất công nghiệp

Bảng 5.3 Hệ số an toàn tĩnh [8]

• Thời gian làm việc của máy: L = 14600 (giờ)

• Lực dọc trục trung bình: F m = 42,21 (N)

• Hệ số tải: f w được tra dựa vảo bảng sau:

Tác động Vận tốc Hệ số tải

Bảng 5.4 Tra hệ số tải fw

• Chọn bán kính trục vitme:

- L = chiều dài di chuyển + chiều dài đai ốc + chiều dài vùng thoát: theo yêu cầu đề tài chọn L = 400 (mm)

- Chọn hệ số kiểu ổ bi lắp cố định – đỡ (Fixed – Supported) theo phương đứng nên: λ= 3,927 [8]

- Chọn tốc độ quay động cơ khoảng 80% tốc độ quay tới hạn của động cơ nên: n = 0,8.3000 = 2400 (vòng/phút)

➢ Đường kính trục vít me được tính theo công thức:

Kết quả tính toán cung cấp các giá trị tối thiểu cần thiết cho cơ cấu Dựa trên các thông số này, nhóm sẽ tra cứu catalog của nhà sản xuất để chọn model phù hợp với yêu cầu của đề tài.

Với các thông số như sau:

• Đường kính trục vít me Z: Dr = 9,8 (mm)

Dựa vào Catalog THK Ball Srew [8], nhóm lựa chọn trục Z như sau:

(mm/vòng) Đường kính Vít

Vận tốc lớn nhất (mm/s)

Bảng 5.5 Chọn Model trục Z theo Catalog hãng THK

Hình 5.5 Model KR30H của hãng THK

5.2.3 Thiết kế, tính toán trục Y

Hình 5.6 Mô phỏng trục Y trong thiết kế

- Vận tốc lớn nhất của trục: V = 520 (mm/s) = 31,2 (m/phút)

- Khội lượng đặt lên: m = 6 (Kg)

➢ Khi đi ra: o Tăng tốc:

➢ Khi đi về: o Tăng tốc:

• Lực dọc trục lớn nhất khi đi ra: F1max = 30,1 (N)

• Lực dọc trục lớn nhất khi đi về: F2max = 11,54 (N)

F 1max ; F 2max : Lực dọc trục lớn nhất khi đi ra và đi về

Tốc độ quay lớn nhất N1max và N2max được xác định khi máy di chuyển ra và về, do trọng lượng của máy gần như không thay đổi trong quá trình này, dẫn đến việc tốc độ quay cũng giữ nguyên.

Với Vmax là vận tốc lớn nhất : Vmax = 31,2 (m/phút) l là bước ren: l = 10 (mm/vòng) t 1 ; t 2 : Thời gian máy hoạt động ở chế độ không tải và có tải

Thời gian ước tính máy hoạt động ở chế độ không tải theo phương Y trong 1 chu kỳ gia công: 20%

Thời gian ước tính máy hoạt động ở chế độ có tải theo phương Y trong 1 chu kỳ gia công: 80%

Bảng 5.6 Thông số tính toán lực dọc trục trung bình (trục Y)

• Hệ số tải f w : từ bảng 5.4 chọn f w = 1,2

• Chọn bán kính trục vitme:

- Ly = chiều dài di chuyển + chiều dài đai ốc + chiều dài vùng thoát: theo yêu cầu đề tài chọn Ly = 600 (mm)

- Chọn hệ số kiểu ổ bi lắp cố định - đỡ (Fixed – Supported) theo phương ngang nên λ= 15,1 [8]

➢ Đường kính trục vitme được tính theo công thức:

Kết quả tính toán cho thấy giá trị tối thiểu mà cơ cấu yêu cầu là 5,72 mm Dựa trên các thông số này, nhóm sẽ tra cứu catalog của nhà sản xuất để chọn Model phù hợp với yêu cầu của đề tài.

• Đường kính trục vít me Y: Dr = 5,72 (mm)

Dựa vào Catalog THK Ball Srew [8], nhóm lựa chọn trục Y như sau:

Bảng 5.7 Chọn Model trục Y theo Catalog hãng THK

Hình 5.7 Model KR30H theo Catalog hãng THK

5.2.4 Thiết kế, tính toán trục X

Hình 5.8 Mô phỏng trục z trong thiết kế

- Vận tốc lớn nhất của trục: V = 430 (mm/s) = 25,8(m/phút)

- Khội lượng đặt lên: m = 12 (Kg)

➢ Phải sang trái o Tăng tốc

• Lực dọc trục lớn nhất khi sang trái: F1max = 51,2 (N)

• Lực dọc trục lớn nhất khi đi sang phải: F2max = 17,68 (N)

F 1max ; F 2max : Lực dọc trục lớn nhất khi đi từ trái sang phải và từ phải sang trái

Tốc độ quay lớn nhất của máy được xác định bởi N1max và N2max khi di chuyển từ trái sang phải và từ phải sang trái Điều này xảy ra do trọng lượng máy gần như không thay đổi trong cả hai hướng di chuyển, dẫn đến việc giữ nguyên tốc độ quay.

Với Vmax là vận tốc lớn nhất : Vmax = 25,8 (m/phút) = 0,43 (m/s) l là bước ren: l = 10 (mm/vòng) t 1 ; t 2 : Thời gian máy hoạt động ở chế độ không tải và có tải

Thời gian ước tính máy hoạt động ở chế độ không tải theo phương X trong 1 chu kỳ gia công: 20%

Thời gian ước tính máy hoạt động ở chế độ có tải theo phương X trong 1 chu kỳ gia công: 80%

Bảng 5.8 Thông số tính toán lực dọc trục trung bình (trục X )

• Hệ số tải: f w : từ bảng 5.4 chọn f w = 1,2

• Chọn bán kính trục vít – me:

- L = chiều dài di chuyển + chiều dài đai ốc + chiều dài vùng thoát: theo yêu cầu đề tài chọn L = 900 (mm)

- Chọn hệ số kiểu ổ bi lắp cố định – đỡ (Fixed – Supported) theo phương ngang nên λ= 15,1 [8]

➢ Đường kính trục vitme được tính theo công thức:

Kết quả tính toán xác định các giá trị tối thiểu cần thiết cho cơ cấu Dựa trên các thông số này, nhóm sẽ tra cứu catalog của nhà sản xuất để chọn model phù hợp với yêu cầu của đề tài.

• Đường kính trục vít me X: Dr = 12,87 (mm)

Dựa vào Catalog THK Ball Srew [8], nhóm lựa chọn trục X như sau:

Bảng 5.9 Chọn Model trục X theo Catalog hãng THK

Hình 5.9 Chọn trục X theo Model KR46 của THK

Khớp nối là phụ kiện thiết yếu giúp kết nối các chi tiết, đồng thời truyền chuyển động giữa chúng, đảm bảo sự ổn định cho hệ thống vận hành.

Nhóm quyết định chọn khớp nối mềm vì có các ưu điểm như sau:

• Độ cứng, độ chính xác cao

• Cấu trúc đơn giản, dễ lắp đặt, dễ bảo trì, tra dầu và chống ăn mòn

• Có quán tính thấp, đàn hồi tốt

• Chịu được moment xoắn lớn

Hình 5.10 Thông số của khớp nối

Bảng 5.10 Bảng tra thông số của khớp nối [8]

Dựa theo tính toán ở phần trên nhóm chúng em có 3 cụm X, Y và Z có đường kính trục lần lượt là ∅15 𝑚𝑚, ∅10 𝑚𝑚 và ∅10 𝑚𝑚

Theo bảng 5.10, nhóm chọn khớp nối mềm SRJ-40C cho 3 cụm truyền động của máy.

Thông số hàn TIG

5.3.1 Lựa chọn thiết bị hàn TIG

Dựa trên yêu cầu của đề tài đã đặt ra ở Chương 4 ở chương này nhóm tiến hành tính toán và lựa chọn máy hàn theo thông số đã đặt ra

• Sử dụng thiết bị hàn TIG với cường độ dòng hàn điều chỉnh: 10 ÷ 200 (Ampe)

Nhóm đã quyết định chọn máy hàn Jasic Model TIG200 cho đề tài, nhờ vào yêu cầu cụ thể và khả năng tài chính của công ty Dựa trên các tính toán và thông tin từ Catalogue của nhà sản xuất, chúng tôi đã thống kê các thông số hàn phù hợp cho hai loại vật liệu chính là Thép và Inox.

Hình 5.11 Máy hàn TIG của hãng Jasic - TIG200

5.3.2 Phân loại và lựa chọn điện cực hàn

Tungsten nguyên chất (EWP) có chứa 99,5% tungsten nguyên chất, với giá thành phải chăng Tuy nhiên, nó có mật độ dòng cho phép thấp và khả năng chống nhiễm bẩn không cao Tungsten EWP thường được sử dụng trong hàn với dòng xoay chiều (AC), đặc biệt là khi hàn nhôm hoặc hợp kim nhẹ.

Tungsten Thorium (EWTh) có khả năng bức xạ electron cao, giúp tăng cường dòng hàn và nâng cao tuổi thọ của điện cực Việc sử dụng điện cực này cho phép hồ quang dễ dàng mồi và duy trì ổn định, đồng thời có tính năng chống nhiễm bẩn tốt EWTh thường được áp dụng với dòng một chiều khi hàn thép hoặc inox.

Tungsten Zirconium (EWZr) có đặc tính hồ quang và mật độ dòng hàn trung bình, nằm giữa Tungsten nguyên chất và Tungsten Thorium, rất phù hợp cho nguồn hàn AC khi hàn nhôm.

- Tungsten Cerium (EWCe): nó không có tính phóng xạ, hồ quang dễ mồi và ổn định, có tuổi bền cao hơn, dùng tốt với dòng DC hoặc AC

Tungsten Lathanum (EWLa) có tính năng tương tự như Tungsten Cerium, với các điện cực tungsten có đường kính từ 0.25 đến 6.35 mm và chiều dài từ 70 đến 610 mm Bề mặt của các điện cực này thường được làm sạch hoặc mài để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

AWS W(min)% CeO 2 % La 2 O 3 % ThO 2 % ZrO 2 % Tạp chất

Bảng 5.11 Phân loại và thành phần điện cực Tungsten theo tiêu chuẩn AWS

Bảng 5.12 Bảng mã màu điện cực Tungsten

Kết luận: Dựa trên yêu cầu của đề tài và phạm vi nghiên cứu, nhóm đã quyết định tập trung vào hàn các vật liệu thép và inox, vì vậy loại điện cực được lựa chọn là EWTh-2.

5.3.3 Lựa chọn mỏ phun (chụp khí)

Có ba loại chụp khí:

• Loại bằng gốm Ceramic (màu hồng hoặc nâu sáng)

• Loại bằng Oxit nhôm (màu hồng)

• Loại Oxit Silic (màu trắng)

Dòng hàn (A) Đường kính trong mỏ phun (mm)

Bảng 5.13 Chọn mỏ phun theo dòng hàn

5.3.4 Một số thông số hàn thông dụng

Các thông số khi hàn thông dụng đối với vật liệu thép và Inox như sau (bảng 5.13 đến bảng 5.14):

❖ Thông số khi hàn trên Thép

Bề dày (mm) 1 ÷ 1.6 1.6 ÷ 2.4 2.4 ÷ 3.2 3.2 ÷ 5 Đường kính điện cực (mm) 1.6 1.6 2.4 3.2

Dòng điện hàn (A) 100 ÷ 120 120 ÷ 140 140 ÷ 200 150 ÷ 250 Điện áp hàn (V) 12 12 12 12

Tốc độ hàn (mm/phút) 250 250 220 200 Đường kính mỏ phun (mm) 9.5 9.5 9.5 9.5

Lưu lượng khí bảo vệ (lít/phút) 16 24 32 48

Bảng 5.14 Thông số hàn của vật liệu thép [13]

❖ Thông số khi hàn trên Inox

Bề dày (mm) 1 ÷ 1.6 1.6 ÷ 2.4 2.4 ÷ 3.2 3.2 ÷ 5 Đường kính điện cực(mm) 1.6 1.6 2.4 2.4

Dòng điện hàn(A) 80 ÷ 120 100 ÷ 160 120 ÷ 200 150 ÷ 250 Điện áp hàn(V) 15 15 15 15

Tốc độ hàn (mm/phút) 250 250 220 200 Đường kính mỏ phun(mm) 9.5 9.5 9.5 9.5

Lưu lượng khí bảo vệ (lít/phút) 16 26 32 48

Bảng 5.15 Thông số hàn của vật liệu Inox [13]

Thông số mài

5.4.1 Tình toán và lựa chọn thiết bị mài

• Vật liệu được mài: INOX 304

Dựa trên yêu cầu của đề tài, nhóm đã chọn INOX 304 làm đối tượng tính toán chính do đây là vật liệu phổ biến trong hàn công nghiệp Kết quả tính toán có tính đại diện và có thể áp dụng cho các loại thép và hợp kim khác.

• Giới hạn bền của vật liệu INOX 304: [ b ] = 520 N/mm 2

• Đường kính đá mài sử dụng: 10 (mm)

• Bề rộng tối đa phạm vi mài (bề rộng mối hàn): 3÷10 (mm)

❖ Lực cắt cần thiết khi mài

Lực cắt đóng vai trò quan trọng trong quá trình mài, vì vậy cần phải tính toán và điều chỉnh lực này để đạt được kết quả mài tối ưu, đồng thời bảo vệ đầu mài và thiết bị máy móc.

Lực cắt (F c ) có thể được tính bằng công thức:

Các thông số d, w, K c được xác định từ các thông số kỹ thuật trong quá trình mài và loại vật liệu được mài

• F c là lực cắt (đơn vị: N)

• K c là lực cắt cụ thể của vật liệu (đơn vị: N/mm²) Dựa vào giới hạn bền của INOX

304 - [ b ] = 520 N/mm 2 , chọn K c = 600 N/mm 2 thỏa mãn điệu Kc > [ b ]

• d là độ sâu mỗi lần cắt (đơn vị: mm), chọn d = 0.01 (mm)

• w là chiều rộng cắt (đơn vị: mm), chọn W = 10 (mm)

❖ Mô – men xoắn của đầu mài

Mô-men xoắn được xác định dựa trên thông số của đầu mài và quá trình mài Để tính mô-men xoắn T, cần biết lực cắt F c và bán kính r của đầu mài, từ đó áp dụng công thức tính toán.

• F c = 60 là lực cắt (đơn vị: N)

• r = 0.05 là bán kính của đầu mài (đơn vị: mét)

❖ Công suất cần thiết của quá trình mài

Công suất mài (P) có thể được tính bằng công thức:

• P là công suất mài (đơn vị: W)

• T là mô-men xoắn được áp dụng lên đầu mài (đơn vị: N.m)

• n là vận tốc cắt khi mài (đơn vị: vòng/phút),

• Chọn n = 32000 dựa trên thông số vận tốc cắt khi mài thông dụng của đá mài dùng chất kết dính trên vật liệu thép [14]

Với các thông số tính toán như trên, nhóm lựa chọn loại Model máy mài cầm tay ACZ-

66606 với các thông số như sau:

Model Công suất (W) Tốc độ quay (v/p) Điện áp

Bảng 5.16 Thông số máy mài cầm tay ACZ-66606

Hình 5.12 Máy mài cầm tay ACZ – 66606

5.4.2 Lựa chọn kiểu đầu mài

❖ Độ hạt của đá mài: Độ hạt của đá mài được biểu thị bằng kích thước thực tế của hạt mài theo TOCT – 3647 – 59 :

PHẠM VI SỬ DỤNG Theo TOCT

Hệ Anh (số hạt/cm 2 )

200 – 160 10 – 12 Mài vật liệu phi kim loại: Nhựa, kính

125 – 80 16 – 24 Mài thô những chi tiết và dụng cụ cắt đồng, gang đúc

50 – 40 36 – 46 Làm sạch mối hàn, vật đúc

40 – 25 – 10 46 – 60 – 120 Mài sửa tinh, mài tinh chi tiết, các loại dao tiện bằng hợp kim cứng, thép gió, gang trắng

10 – 6 120 – 180 Mài tinh những chi tiết có độ bóng và độ chính xác cao, các loại dụng cụ đo kiểm

12 – 4 100 – 280 Mài ren, mài sửa có độ nhẵn từ cấp 8 trở lên

6 – 5 180 – 230 Mài nghiền các chi tiết và các loại dụng cụ nhiều lưỡi cắt có độ bóng cao

6 – 3 180 – 320 Mài khôn xi lanh, mài mỏng, mài rà

Bảng 5.17 Độ hạt của đá mài [15]

Dựa trên các thông số kỹ thuật và kích thước mối hàn cần mài, nhóm đã quyết định chọn đầu đá mài thô hình tròn Loại đầu mài này rất phù hợp với nhiều góc mài khác nhau khi lắp đặt máy, đồng thời mang lại độ đồng đều cao trên bề mặt sau khi mài.

Model Đường kính đầu mài

Chiều dài trục Đường kính trục Vật liệu Độ hạt

OEM-T30 ỉ10 (mm) 4.8 (cm) ỉ6 mm Corundum P40

Bảng 5.18 Thông số đầu mài thô

Hình 5.13 Đầu đá mài – mài thô

Với công đoạn mài tinh, nhóm lựa chọn đầu mài nhám xếp với các thông số như sau:

Model Đường kính đầu mài

Chiều dài trục Đường kính trục Vật liệu Độ hạt

CRO-525-035 ỉ10 (mm) 4.8 (cm) ỉ6 mm Vải nhỏm P180

Bảng 5.19 Thông số đầu mài tinh

Hình 5.14 Đầu nhám xếp - mài tinh

5.4.3 Lựa chọn chế độ cắt

Việc xác định chính xác các thông số cắt là rất quan trọng để nâng cao hiệu quả làm việc, đảm bảo chất lượng bề mặt và kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt Các yếu tố cần xem xét bao gồm loại vật liệu, độ hạt của đá mài, tốc độ mài, lực cắt và phương pháp làm mát Lựa chọn đúng các thông số này không chỉ tối ưu hóa quá trình mài mà còn giảm thiểu hiện tượng quá nhiệt và mài mòn không đồng đều, từ đó đảm bảo an toàn và hiệu suất cao trong gia công.

Chế độ cắt phù hợp với vật liệu được tra trong bảng 6.8

Vật liệu được gia công Đặc tính của quá trình mài Các yếu tố của chế độ cắt

Vct, (m/ph) Độ sâu mài t, mm

Bước tiến ngang Sn mm/v của chi tiết

Thép kết cấu và thép dụng cụ

Mài suốt Thô khi d ≤ 20mm Thô khi d ≥ 20mm

Mài xắn vào Thô Tinh

Mài phẳng dùng mặt chu vi đá

Tên các máy có bàn tròn

Trên các máy có bàn vuông sản xuất hàng loạt:

Trên các máy kiểu dụng cụ:

Trên các máy có bàn dài kiểu dụng cụ:

Bảng 5.20 Chế độ cắt đối với các kiểu mài [15]

CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM

Chế tạo khung máy

Vật liêu: Sắt hộp mạ kẽm 40x40x1 (mm), 60x40x2 (mm).

Các bước gia công: Cắt ⮕ Hàn ⮕Mài⮕Sơn

Hình 6.1 Khung máy thiết kế trên phần mềm Inventor

Hình 6.2 Cắt sắt hộp vuông và hàn khung máy theo kích thước thiết kế

Hình 6.3 Mài nhẵn và sơn khung máy

Lắp ráp các cụm truyền động

Quy trình lắp lắp máy gồm các công đoạn sau:

- Lắp ráp cụm gồm 3 trục XYZ vào khung máy

- Lắp đặt các tấm che khung máy

- Sau khi đo đạc và kiểm tra, tiến hành tháo rời các cụm để sơn

- Lắp đặt tủ điện và máy hàn

- Lắp ráp lại các cụm hàn – mài vào cụm trục XYZ

Hình 6.4 Lắp đặt trục truyền động theo phương X

Hình 6.5 Hoàn thiệt lắp đặt các trục truyền động

Lắp ráp hệ thống điều khiển

❖ Các bộ phận linh kiện:

STT Tên thiết bị Hình ảnh Chức năng Số lượng

1 CB Tép Đóng ngắt nguồn cấp điện, bảo vệ hệ thống dẫn điện khi có sự cố 1

3 Nút nhấn giữ xanh (Start) Khởi động máy 3

4 Nút nhấn giữ đỏ (Stop) Dừng máy 1

Hạ áp nguồn điện đầu vào từ 220V xuống còn 24VDC

6 Mạch Driver động cơ bước Điều khiển tốc độ của động cơ Servo 3

7 Bộ phát xung 3 trục LS-3

Tạo ra các tín hiệu điện cần thiết để kích hoạt các cuộn dây trong động cơ servo theo các trục truyền động XYZ

8 Tủ điện Chứa các thiết bị điện 1

Bảng 6.1 Bảng các thiết bị điện

Trục X Trục Y Trục Z Động cơ

Mạch điều khiển máy mài

Sơ đồ 6.2 Nguyên lý điều khiển hoạt động của cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng

- Thao tác lệnh gửi tính hiệu về nguồn điều khiển

- Hệ thống điều khiển chuyển động tương quan của các trục tọa độ “X, Y, Z” thông qua cơ cấu điều khiển là “Driver” và chấp hành là “động cơ Servo”

- Nguồn hàn sẽ được tạo và phát xuống mỏ hàn thông qua mạch điều khiển để thực hiện theo các toạ độ trục “X, Y, Z”

- Bình khí bảo vệ và phụ trợ khác sẽ hỗ trợ cho mỏ hàn trong quá trình hàn

- Mạch điều khiển máy mài sẽ cấp nguồn cho máy mài thông qua mạch điều khiển cũng sẽ di chuyển và chấp hành tựa như mỏ hàn

Sơ đồ 6.1 Sơ đồ điều khiển

Hình 6.6 Sơ đồ mạch điện điều khiển các trục truyền động

CB đóng mở nguồn điện

Nút khỏi động máy START

Nút dừng khẩn cấp E-STOP

❖ Nguyên lý hoạt động của mạch điện

Sơ đồ 6.2 Sơ đồ hoạt động của mạch điện

- CB 2 pha: Đây là khí cụ điện vừa đóng vai trò đóng cắt mạch điện vừa có chức năng bảo vệ khi quá tải hoặc ngắn mạch

Nút nhấn E-STOP sử dụng tiếp điểm thường đóng để duy trì dòng điện khi không có nguy hiểm Khi xảy ra sự cố bất ngờ, việc bấm nút E-STOP sẽ chuyển tiếp điểm thành thường hở, ngắt mạch điện khẩn cấp ngay lập tức.

Nguồn tổ ong là thiết bị chuyển đổi điện áp từ 220 VAC sang 24 VDC, cung cấp nguồn điện định mức cho bộ điều khiển LS-STEP, giúp thiết bị hoạt động hiệu quả.

- Nút nhấn START, STOP: Hai nút nhấn được nối vào ngõ vào K5, K6 trên bộ điều khiển để đóng tắt hoạt động bộ điều khiển

Driver điều khiển động cơ bước là thiết bị quan trọng trong hệ thống di chuyển ba trục X, Y, Z, được cấp điện 24VDC từ nguồn tổ ong của động cơ bước Ba driver này đảm nhận vai trò cung cấp xung và điều khiển hướng cho động cơ, giúp động cơ bước di chuyển chính xác theo các thông số điều chỉnh được thiết lập qua driver.

Sơ đồ 6.2 Lưu đồ giải thuật

Hình 6.7 Đấu nối hệ thống điện

Hình 6.8 Hoàn thiện hệ thống điện

Hướng dẫn vận hành

Bước 1: Kiểm tra tổng quan máy, dung lượng khí bảo vệ, đầu điện cực mỏ hàn, cố định đầu hàn

Bước 2: Mở máy, chạy thử để điều chỉnh cường độ dòng điện và tốc độ hàn

Bước 3: Gá chi tiết cố định, kiểm tra làm phẳng bề mặt hàn

Bước 4: SET UP hệ toạ độ về Home, nhập thông số toạ độ, lập trình hệ toạ độ (giành cho chi tiết sản xuất hàn loạt)

Bước 5: Tiến hành vận hành máy hàn, theo dõi quá trình, can thiệp và điều chỉnh các thông số khi cần thiết Bước 6: Sau khi hoàn tất hàn, tắt máy và kiểm tra chất lượng của đường hàn trên chi tiết.

Bước 7: Thay thế đầu hàn sang đầu mài để làm đẹp mối hàn

Bước 8: Tắt máy và vệ sinh sau khi sử dụng

Thực nghiệm cho đường hàn thẳng

6.5.1 Tính toán cường độ dòng điện và cách nhập tốc độ hàn

Nhóm lựa chọn chi tiết thực nghiệm như sau:

• Bề dày chi tiết 2 (mm)

Dựa trên thông số bảng 5.13 và bảng 5.14 để lựa chọn cường độ dòng điện và tốc độ hàn

❖ Tính toán tốc độ cho trục X:

• Động cơ đã chọn được cài đặt 800 (xung/vòng)

• Bước vít me trục X: 15 (mm)

• Số xung/1 đơn vị (mm): 800

• Số đơn vị điều khiển: 1 đơn vị (mm)

• Tốc độ điều khiển: ta nhập vào máy với đơn vị s/xung nên có cách tính như sau:

• Tra bảng 5.13 ta chọn vận tốc hàn 250 (mm/phút) => 4,2 (mm/s), với 53,3 xung = 1 (mm) => 4,2 mm = 223,86 xung, với tốc 4,2 (mm) trên 1 giây tương ứng với 1 giây phát ra 223,86 xung

223,86 (s/xung) vậy ta nhập vào máy: 10 6 x 1

• Chọn gia tốc: điều chỉnh độ tăng tốc và giảm tốc phù hợp để không bị hư hại phần cơ khí

• Chọn chiều quay động cơ phù hợp với hướng di chuyển trục X theo toạ độ Descartes

Hình 6.10 Bảng thông số điều khiển trục X

❖ Tính toán tốc độ cho trục Y:

• Bước vít me trục Y: 10 (mm)

• + Tra bảng 5.10 ta chọn vận tốc hàn 250 (mm/phút) => 4,2 (mm/s), với 80 xung = 1mm

=> 4,2 mm = 336 xung, với tốc 4,2 mm trên 1 giây tương ứng với 1 giây phát ra 336 xung

336 (s/xung) vậy ta nhập vào máy: 10 6 x 1

• Chọn chiều quay động cơ phù hợp với hướng di chuyển trục Y theo toạ độ Descartes

Hình 6.11 Bảng thông số điều khiển trục Y

• Bước vít me trục Z: 10 (mm)

• Tra bảng 5.10 ta chọn vận tốc hàn 250 (mm/phút) => 4,2 (mm/s), với 80 xung = 1mm

=> 4,2 mm = 336 xung, với tốc 4,2 mm trên 1 giây tương ứng với 1 giây phát ra 336 xung

336 (s/xung) vậy ta nhập vào máy: 10 6 x 1

• Chọn chiều quay động cơ phù hợp với hướng di chuyển trục Z theo toạ độ Descartes

Hình 6.12 Bảng thông số điều khiển trục Z

6.5.2 Thực nghiệm hàn quỹ đạo thẳng

➢ Các bước tiến hành gia công:

3 Điều chỉnh tốc độ của từng trục

4 Điều chỉnh thông số hàn thích hợp

Với các thông số đã tính toán cho từng trục nhóm đã thực nghiệm thực tế như sau:

➢ Thực nghiệm hàn giáp mối:

Thực nghiệm hàn giáp mối lần I bắt đầu bằng việc định vị thông số phôi và thông số hàn Đối với cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng, cần điều chỉnh mỏ hàn đến vị trí đường hàn, với góc đặt điện cực ở vị trí 0 độ (điện cực so với phương ngang một góc 90 độ) để đảm bảo góc di chuyển mỏ hàn chính xác.

Vật liệu phôi: Thép Độ dày phôi: 2 (mm) Chiều dài phôi: 100 (mm)

Bề mặt ghép nối vát mép 0.5(mm)

Phôi đã được hàn đính cố định sẵn Đường kính điện cực: 1.6 (mm)

Dòng điện hàn: 140 (A) Tốc độ hàn: 250 (mm/phút) Đường kính mỏ phun: 9.5 (mm)

Lưu lượng khí bảo vệ: 16 (lít/phút)

Đánh giá mối hàn cho thấy quá trình hàn không ổn định, với máy thực hiện gặp phải lỗi ngắt quãng như dính điện cực và sai quỹ đạo Kết quả là mối hàn xuất hiện các khuyết tật như rổ khí và bề mặt không đồng đều.

Bảng 6.1 trình bày kết quả thực nghiệm hàn giáp mối lần I, cho thấy mối hàn có độ rộng không đồng đều và độ ngấu đạt mức khá Bề mặt mối hàn lồi lõm, chưa đạt được sự đồng nhất, với hiện tượng vàng mối hàn.

➢ Lý do: Gá đặt chi tiết chưa chuẩn, bề mặt không phẳng, cường độ dòng hàn lớn, thiếu khí bảo vệ, giữ điện cực quá lâu ở cuối hành trình

Để khắc phục vấn đề trong quá trình hàn, cần canh chỉnh đường hàn và độ cao bề mặt, đồng thời vệ sinh và mài phẳng bề mặt Giảm cường độ dòng hàn và tăng lưu lượng khí bảo vệ cũng là những bước quan trọng Cuối cùng, cần lập trình ngắt nguồn hàn và điều chỉnh mỏ hàn ở cuối hành trình để đạt hiệu quả tối ưu.

Trong thực nghiệm hàn giáp mối lần II, việc định vị và thiết lập thông số phôi cùng thông số hàn là rất quan trọng Đối với cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng, cần điều chỉnh mỏ hàn đến vị trí chính xác của đường hàn Góc đặt điện cực phải ở vị trí 0 độ, tức là điện cực so với phương ngang một góc 90 độ Bên cạnh đó, cần chú ý đến góc di chuyển của mỏ hàn để đảm bảo quá trình hàn diễn ra hiệu quả.

Vật liệu phôi: Thép Độ dày phôi: 2 (mm) Chiều dài phôi: 100 (mm)

Bề mặt ghép nối vát mép 0.5 (mm)

Phôi đã được hàn đính cố định sẵn Đường kính điện cực: 1.6 (mm) Dòng điện hàn: 130 (A)

Tốc độ hàn: 250 (mm/phút) Đường kính mỏ phun: 9.5 (mm)

Bảng 6.2 Thực nghiệm hàn giáp mối lần II

➢ Đánh giá mối hàn: Bề rộng mối hàn tương đối Bề mặt mối hàn lồi lõm chưa đồng đều

➢ Lý do: Dòng điện hàn còn lớn

➢ Khắc phục: Giảm dòng điện hàn

Thực nghiệm hàn giáp mối lần III yêu cầu định vị thông số phôi và thông số hàn Đối với cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng, cần điều chỉnh mỏ hàn đến vị trí đường hàn và đặt góc điện cực ở vị trí 0 độ.

(điện cực so với phương ngang một góc

90 0 ) góc di chuyển mỏ hàn (hướng tới 110 0 hướng sau 70 0 )

Vật liệu phôi: Thép Độ dày phôi: 2 (mm) Chiều dài phôi: 10 (cm)

Phôi đã được hàn đính cố định sẵn Đường kính điện cực: 1.6 (mm) Dòng điện hàn: 120(A)

Tốc độ hàn: 250(mm/phút) Đường kính mỏ phun: 9.5 (mm) Lưu lượng khí bảo vệ: 24

Bảng 6.3 Thực nghiệm hàn giáp mối lần III

➢ Thực nghiệm hàn chồng mối

Đánh giá mối hàn cần chú trọng vào sự ổn định trong quá trình hàn, với máy móc hoạt động liên tục mà không gặp phải lỗi như dính điện cực hay sai quỹ đạo Mối hàn phải không có khuyết tật bề mặt, độ ngấu và bề rộng đạt yêu cầu, đồng đều trên toàn bộ đường hàn Một mối hàn đẹp, thẩm mỹ, đảm bảo liên kết tốt và kín sẽ mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng.

➢ Kết luận: Thực nghiệm hàn giáp mối thép tấm bằng “Cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng” đạt yêu cầu.

Trong thực nghiệm hàn chồng mối lần I, việc định vị thông số phôi và thông số hàn là rất quan trọng Đối với cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng, cần điều chỉnh mỏ hàn đến vị trí đường hàn với góc đặt điện cực ở vị trí 0 độ, đảm bảo điện cực tạo góc 90 độ so với bề mặt mối hàn Bên cạnh đó, góc di chuyển mỏ hàn cần được điều chỉnh theo hướng 110 độ và hướng sau 70 độ để đạt hiệu quả tối ưu trong quá trình hàn.

Phôi đã được hàn đính cố định sẵn Đường kính điện cực: 1.6 (mm) Dòng điện hàn: 120 (A)

Tốc độ hàn: 250 (mm/phút) Đường kính mỏ phun: 9.5 (mm)

Bảng 6.4 Thực nghiệm hàn chồng mối lần I

Đánh giá mối hàn cho thấy quá trình hàn chưa ổn định, dẫn đến sự xuất hiện của các khuyết tật rổ khí Độ ngấu của mối hàn ở mức độ khá, tuy nhiên bề mặt mối hàn lại lồi lõm và chưa đồng đều.

➢ Lý do: Đính chi tiết chưa chuẩn, góc độ mỏ hàn chưa đạt yêu cầu

Để khắc phục vấn đề, cần đảm bảo rằng các chi tiết được đính thẳng và vuông góc Đồng thời, điều chỉnh góc độ mỏ hàn theo yêu cầu hàn chồng mối, với điện cực đặt so với bề mặt mối hàn một góc 70 độ.

Trong thực nghiệm hàn chồng mối lần II, việc định vị và điều chỉnh thông số phôi cũng như thông số hàn là rất quan trọng Đối với cánh tay robot, cần hỗ trợ đường hàn thẳng bằng cách điều chỉnh mỏ hàn đến đúng vị trí đường hàn và thiết lập góc đặt điện cực ở 20 độ.

(điện cực so với bề mặt mối hàn một góc 70 0 ) góc di chuyển mỏ hàn

Bảng 6.5 Thực nghiệm hàn chồng mối lần II

➢ Thực nghiệm hàn mối hàn chữ T:

Đánh giá mối hàn đảm bảo quá trình hàn ổn định, máy hoạt động liên tục mà không gặp lỗi ngắt quãng như dính điện cực hay sai quỹ đạo Mối hàn đạt tiêu chuẩn về khuyết tật bề mặt, độ ngấu và bề rộng đồng đều trên toàn bộ đường hàn Kết quả là mối hàn đẹp, thẩm mỹ, có liên kết tốt và kín.

Thực nghiệm hàn chữ T lần I bao gồm việc định vị thông số phôi và thông số hàn Đối với cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng, cần điều chỉnh mỏ hàn đến vị trí đường hàn và đặt góc điện cực ở 40 độ.

Bảng 6.6 Thực nghiệm mối hàn chữ T lần I

Đánh giá mối hàn cho thấy quá trình hàn chưa ổn định, dẫn đến sự xuất hiện của các khuyết tật như rổ khí Độ ngấu và bề rộng mối hàn không đạt yêu cầu, tuy nhiên, độ ngấu hiện tại ở mức độ khá.

➢ Lý do: Đầu điện cực bị mòn trong quá trình sử dụng, chưa đủ dòng điện hàn

➢ Khắc phục: Mài nhọn lại đầu điện cực, tăng dòng điện hàn

Thực nghiệm hàn chữ T lần II tập trung vào việc định vị thông số phôi và thông số hàn cho cánh tay robot Để hỗ trợ đường hàn thẳng, cần điều chỉnh mỏ hàn đến vị trí đường hàn và đặt góc điện cực ở 40 độ.

Bảng 6.7 Thực nghiệm mối hàn chữ T lần II

Thực nghiệm hàn nối ống tròn

6.6.1 Giới thiệu về Đồ gá hàn xoay tự động Đồ gá hàn xoay tự động là một thiết bị hỗ trợ không thể thiếu trong ngành công nghiệp hàn và gia công cơ khí Thiết bị này được thiết kế để giữ cố định và xoay các chi tiết ống tròn một cách chính xác, giúp quá trình hàn trở nên dễ dàng, hiệu quả và chất lượng hơn Đồ gá này đặc biệt hữu ích trong việc hàn các chi tiết có hình dạng tròn hoặc dạng ống, giúp nâng cao độ chính xác và sự đồng đều của mối hàn trong công đoạn hàn, cắt

Đố gá hàn xoay tự động hoạt động bằng cách xác định vị trí chính xác của phôi so với dụng cụ hàn và giữ chặt phôi tại vị trí cần gia công Nhờ vào việc điều chỉnh các thông số cụ thể, nó đảm bảo sự cố định giữa chi tiết phôi và dụng cụ hàn, ngăn chặn mọi ngoại lực có thể làm xê dịch Hệ thống này cho phép kẹp chặt và giữ cố định các chi tiết gia công dạng ống tròn, đồng thời tự động xoay quanh trục chính và điều chỉnh góc nghiêng của trục từ 0 đến 90 độ.

Đánh giá mối hàn là một quá trình quan trọng, đảm bảo hàn ổn định và liên tục mà không gặp phải các lỗi như dính điện cực hay sai quỹ đạo Mối hàn cần phải không có khuyết tật bề mặt, đạt độ ngấu và bề rộng đồng đều trên toàn bộ đường hàn Một mối hàn đẹp, thẩm mỹ không chỉ đảm bảo liên kết tốt mà còn kín, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.

Hình 6.13 Bàn gá xoay tự động

Bảng 6.8 Các cụm làm việc của đồ gá hàn xoay tự động

Bảng 6.9 Các thông số của đồ gá hàn xoay tự động

6.6.2 Kết hợp hàn tự động kết hợp bàn gá tròn xoay Đặc điểm nổi bật của bàn gá này là khả năng xoay đa góc với tốc độ ổn định, giúp cải thiện chất lượng đường hàn và hiệu quả công việc

Bàn gá xoay tự động giúp điều chỉnh góc xoay linh hoạt cho từng quy trình hàn, tạo điều kiện tiếp cận dễ dàng các vị trí khó khăn Tốc độ xoay ổn định của bàn gá đảm bảo đường hàn liên tục và chính xác, từ đó giảm thiểu sai sót và nâng cao năng suất lao động.

Sử dụng bàn gá xoay tự động không chỉ nâng cao độ chính xác của các mối hàn mà còn tiết kiệm thời gian và công sức cho người thợ, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Hình 6.14 Tích hợp bàn gá xoay tự động

➢ Phôi đầu vào: Inox được gia công phẳng các mặt đảm bảo không có khe hở khi hàn để tránh ảnh hưởng đến đường hàn

CỤM LÀM VIỆC CHỨC NĂNG

Cụm trục chính Gá kẹp, định vị chi tiết

Cụm điều khiển góc quay Điều chỉnh góc quay

Hình 6.15 Phôi sử dụng khi thực nghiệm

Phương pháp tổ chức thực nghiệm bao gồm việc hàn các chi tiết ống và mặt bích, nhằm xác định tính ổn định và độ chính xác của máy trong quá trình hàn.

➢ Định vị trên mâm cặp:

Khi gá đặt trên mâm cặp ba chấu tự định tâm gồm hai giai đoạn:

Sau khi đặt phôi lên mâm cặp, quay tay để các chấu kẹp tiến vào Khi ba chấu kẹp tiếp xúc với mạt chuẩn, chúng sẽ căn chỉnh tâm chi tiết trùng với tâm trục chính của máy, đánh dấu giai đoạn định vị phôi.

Trong quá trình gia công, việc tiếp tục quay tay vặn để các chấu kẹp ấn chặt vào chi tiết là rất quan trọng, nhằm tạo ra lực kẹp đủ mạnh để giữ phôi không bị dịch chuyển dưới tác động của lực cắt Đây là giai đoạn kẹp chặt, đảm bảo sự chính xác và ổn định trong quá trình gia công.

Hình 6.16 a) Kẹp dài, b) Kẹp ngắn Để xác định hạn chế bậc định vị của mâm cặp, ta cần xác định: L và D [5]

Trong đó: L: Chiều dài kẹp

Nếu: L < D: Kẹp ngắn: Hạn chế 2 bậc tự do (Tịnh tiến Ox, Oy)

L > D: Kẹp dài: Hạn chế 4 bậc tự do (Tịnh tiến và Quay Ox, Oy)

➢ Các bước tiến hành gia công:

3 Điều chỉnh góc độ, tốc độ quay của mâm cặp

4 Điều chỉnh thông số hàn thích hợp

6.6.3 Kết quả thực nghiệm hàn nối ống tròn

THỰC NGHIỆM HÀN NỐI ỐNG TRÒN LẦN I Định vị, Gá kẹp Thông số Phôi Thông số hàn

Kẹp chi tiết vào mâm cặp

➔ Kẹp ngắn: hạn chế 2 bậc tự do

Đối với đồ gá hàn xoay, cần điều chỉnh góc quay của mâm cặp kẹp chi tiết ống tròn tại vị trí 90 độ so với mặt phẳng ngang Đối với cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng, hãy điều chỉnh mỏ hàn đến vị trí đường hàn và đặt điện cực ở vị trí 0 độ, sao cho điện cực tạo với bề mặt mối hàn một góc 90 độ.

Vật liệu phôi: Inox 304 Độ dày phôi: 3 (mm) Đường kính phụi:ỉ35(mm) Chiều dài phôi: 20 (cm)

Bề mặt ghép nối vát mép 0.5(mm).Phôi đã được hàn đính cố định sẵn Điện áp hàn: 120 (A)

Lượng khí bảo vệ (Ar): 25 (lít/phút) Đường kính điện cực(EWTh-2): 2.4 (mm)

Tốc độ hàn: 250 (mm/phút) Đường kính mỏ phun(Ceramic): 9.5 (mm)

Đánh giá mối hàn cho thấy quá trình hàn chưa ổn định, với máy hàn gặp phải các lỗi ngắt quãng như dính điện cực và sai quỹ đạo Mối hàn xuất hiện các khuyết tật như rổ khí, bề rộng mối hàn nhỏ và không đồng đều, độ ngấu đạt mức khá Ngoài ra, mối hàn bị vặn vẹo, không phẳng và có hiện tượng cháy chân ở một số vị trí.

Để khắc phục vấn đề hàn, bạn nên giảm tốc độ hàn, tăng dòng điện hàn, tăng lưu lượng khí bảo vệ, kiểm tra mài nhọn điện cực và điều chỉnh góc độ hàn cho phù hợp.

Bảng 6.10 Thực nghiệm hàn nối ống tròn lần I

THỰC NGHIỆM HÀN NỐI ỐNG TRÒN LẦN II Định vị, Gá kẹp Thông số Phôi Thông số hàn

Kẹp ngắn giúp hạn chế 2 bậc tự do trong quá trình hàn, bao gồm tịnh tiến theo trục Ox và Oy Đối với đồ gá hàn xoay, cần điều chỉnh góc quay của mâm cặp để kẹp chi tiết ống tròn ở vị trí 90 độ so với mặt phẳng ngang Đối với cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng, việc điều chỉnh mỏ hàn đến vị trí đường hàn và đặt điện cực ở vị trí 0 độ là rất quan trọng.

(điện cực so với bề mặt mối hàn một góc 90 o )

Vật liệu phôi: Inox 304 Độ dày phôi: 3 (mm) Đường kính phụi:ỉ35(mm) Chiều dài phôi: 20 (cm)

Lượng khí bảo vệ (Ar):35 (lít/phút) Đường kính điện cực(EWTh-2):2.4 (mm) Tốc độ hàn: 220 (mm/phút) Đường kính mỏ phun(Ceramic): 9.5 (mm)

Đánh giá mối hàn cho thấy quá trình hàn diễn ra ổn định với máy hoạt động liên tục, không gặp phải các lỗi ngắt quãng như dính điện cực hay sai quỹ đạo Mặc dù mối hàn không có khuyết tật bề mặt, nhưng bề mặt vẫn chưa đồng đều và tính thẩm mỹ còn hạn chế.

94 ngấu cao dẫn đến một số vị trí mối hàn bị biến dạng, co ngót, cháy chân, bề rộng mối hàn lớn

 Cách khắc phục: Giảm tốc độ hàn để mối hàn , giảm dòng điện hàn, giảm lưu lượng khí bảo bệ và kiểm tra mài nhọn điện cực

Bảng 6.11 Thực nghiệm hàn nối ống tròn lần II

THỰC NGHIỆM HÀN NỐI ỐNG TRÒN LẦN III Định vị, Gá kẹp Thông số Phôi Thông số hàn

Kẹp ngắn hạn chế 2 bậc tự do, bao gồm tịnh tiến theo hướng Ox và Oy Đối với đồ gá hàn xoay, cần điều chỉnh góc quay của mâm cặp để kẹp chi tiết ống tròn ở vị trí 90 độ so với mặt phẳng ngang Trong khi đó, đối với cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng, mỏ hàn cần được điều chỉnh đến vị trí đường hàn, với điện cực đặt ở góc 0 độ so với bề mặt mối hàn, tạo thành góc 90 độ với bề mặt đó.

Vật liệu phôi: Inox 304 Độ dày phôi: 3 (mm) Đường kớnh phụi:ỉ35(mm) Chiều dài phôi: 20 (cm)

Lượng khí bảo vệ (Ar): 30 (lít/phút) Đường kính điện cực(EWTh-2): 2.4 (mm) Tốc độ hàn: 190 (mm/phút) Đường kính mỏ phun(Ceramic): 9.5 (mm)

Thực nghiệm mài mối hàn

6.7.1 Thực nghiệm mài mối hàn thẳng

THỰC NGHIỆM MÀI MỐI HÀN GIÁP MỐI -THẲNG Định vị Thông số phôi

1 lần mài cho các nguyên công thô và tinh theo bước tiến dọc

Cố định đường hàn để mối hàn không bị dịch chuyển trong quá trình mài

Vật liệu phôi: Thép Độ dày phôi: 2 (mm) Chiều dài đường hàn: 100 (mm)

Bề rộng mối hàn: 3 ÷ 5 (mm) Mối hàn quỹ đạo thẳng được hàn bằng phương pháp hàn TIG (không sử dụng que hàn bù)

Bước gia công Độ hạt Vận tốc đá mài

Bảng 6.13 Thực nghiệm mài mối hàn giáp mối thẳng

Quá trình mài thô là bước quan trọng trong gia công, giúp ổn định bề mặt và đảm bảo đá mài di chuyển đúng quỹ đạo thẳng Mục tiêu chính của mài thô là loại bỏ khoảng 80% lượng dư nhấp nhô và phẳng của mối hàn, từ đó đáp ứng yêu cầu cho nguyên công mài tiếp theo.

- Mài tinh: Bề mặt mối hàn được làm sạch khoảng 95%, đạt Cải thiện được chất lượng bề mặt và đảm bảo tính thẩm mĩ của mối hàn

6.7.2 Thực nghiệm mài mối hàn ống tròn

THỰC NGHIỆM MÀI MỐI HÀN ỐNG TRÒN Định vị, gá kẹp Thông số phôi

➔ Kẹp ngắn: hạn chế 2 bậc tự do (Tịnh tiến Ox,

Đối với đồ gá hàn xoay, cần điều chỉnh góc quay của mâm cặp để kẹp chi tiết ống tròn tại vị trí 0 độ so với mặt phẳng ngang Đối với cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng, việc điều chỉnh máy mài đến vị trí đường hàn là rất quan trọng.

Vật liệu phụi: Inox (ống trũn ỉ35) Độ dày phôi: 3 (mm) Chiều dài đường hàn: 220 (mm)

Bề rộng mối hàn: 3 ÷ 5 (mm) Mối hàn được hàn bằng phương pháp hàn TIG (không sử dụng que hàn bù)

Bước gia công Độ hạt Vận tốc đá mài

Bảng 6.14 Thực nghiệm mài mối hàn nối ống trũn ỉ35

Mài thô là quá trình loại bỏ hầu hết các nhấp nhô trên bề mặt mối hàn, giúp tạo ra bề mặt nhẵn bóng và phẳng đạt khoảng 85% Quy trình này đáp ứng đầy đủ yêu cầu cho nguyên công mài thô.

Mài tinh là quá trình mài nhẵn bóng bề mặt mối hàn, đảm bảo độ đồng đều và thẩm mỹ cao Việc này không chỉ nâng cao vẻ đẹp cho sản phẩm mà còn chuẩn bị bề mặt cho các công đoạn tiếp theo như sơn phủ hoặc xử lý nhiệt.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Sau quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng”, nhóm đã củng cố kiến thức học được tại trường và tích lũy kinh nghiệm về quy trình thực hiện dự án kỹ thuật cũng như thiết kế chế tạo máy móc trong ngành cơ khí Nhờ sự hướng dẫn tận tình từ cô Dương Thị Vân Anh và hỗ trợ từ Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA, cùng với nỗ lực của bản thân, nhóm đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời hạn.

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động của máy hàn TIG

Tính toán và thiết kế kết cấu thân máy là bước quan trọng để đảm bảo độ bền và độ cứng vững, từ đó tạo ra một kết cấu đáng tin cậy Bên cạnh đó, việc thiết kế hệ thống truyền động phù hợp cũng là yếu tố then chốt cho hiệu suất hoạt động của máy.

- Nghiên cứu về việc tự động hoá quá trình hàn để tăng năng suất

- Thiết kế và mô phỏng mô hình Robot hàn thẳng trên phần mềm Inventor

- Chế tạo và lắp đặt Robot hàn thẳng hoàn chỉnh để tiến hành chạy thử, kiểm nghiệm sau đó đưa ra phương hướng phát triển đề tài

Nhóm chúng tôi, mặc dù còn thiếu kinh nghiệm thực tế trong việc thực hiện dự án kỹ thuật cho doanh nghiệp, đã nỗ lực vận dụng kiến thức đã học để hoàn thành dự án Tuy nhiên, điều này không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý từ các thầy cô để có thể rút kinh nghiệm, học hỏi thêm kiến thức, từ đó phát triển bản thân và sự nghiệp trong tương lai.

Kiến nghị

Sau khi đã hoàn thiện xong máy và đưa vào sử dụng thì nhóm phát hiện ra vẫn còn một số hạn chế nhất định như sau:

- Cần phát triển thêm bộ phận gá đặt

- Khả năng tự động ngắt khi bị dính điện cực

- Còn phụ thuộc nhiều vào hàn đính trước khi hàn

- Còn chưa linh hoạt khi thay đổi từ hàn sang mài

Cần mở rộng bộ phận tạo quỹ đạo chuyển động cho đầu điện cực và bổ sung hệ thống cấp que tự động để đáp ứng nhu cầu sử dụng que bù trong các trường hợp cần thiết.

Tiêu đề	Thiết Kế Và Chế Tạo Cánh Tay Robot Hỗ Trợ Đường Hàn Thẳng
Tác giả	Nguyễn Phú Quý, Phan Tấn Phát, Bùi Thanh Nam
Người hướng dẫn	ThS. Dương Thị Vân Anh
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	128
Dung lượng	6,6 MB