Công nghệ lắp ráp ô tô pot

Nhận dạng một số khác biệt Quy tắc định vị và kẹp chặt trong đồ gá lắp ráp có một số khác biệt so với quy tắc định vị đồ gá trong chế tạo máy ở các đặc điểm : 1 Các phần cần liên kết gá

CÔNG NGHỆ LẮP RÁP ÔTÔ

1 Giới thiệu :

Việc sản xuất ôtô là một quá trình lắp ráp các tấm kim loại phức tạp theo kết cấu phức hợp của ôtô Một thân xe trung bình được tạo nên từ 150

-250 tấm kim loại và được lắp ráp trong khoảng 60-1700 trạm làm việc với

1700 đến 2100 các kiểu khác nhau của locator (trụ gá, chốt gá, kềm kẹp) theo [3-3] Việc thiết kế chính xác đồ gá sẽ giảm được sai số kích thước trong quá trình lắp ráp

2 Quy tắc định vị trong đồ gá lắp ráp và sự khác biệt với đồ gá gia công trong chế tạo máy :

2.1 Nhận dạng một số khác biệt

Quy tắc định vị và kẹp chặt trong đồ gá lắp ráp có một số khác biệt so với quy tắc định vị đồ gá trong chế tạo máy ở các đặc điểm :

(1) Các phần cần liên kết gá đặt lên phải chính xác về vị trí tương quan kích thước không chỉ với đồ gá mà còn tương quan với nhau

(2) Các phần gá đặt lên nhau tuỳ theo dạng mối ghép sẽ khống chế bậc tự

do theo yêu cầu và chúng khống chế bậc tự do lẫn nhau (lap-to-lap, butt-to-butt, butt-to-lap joins) phân tích ở phần 6.2

(3) Điểm đặc biệt là quy tắc định vị N-2-1 là một sự mở rộng thêm cho quy tắc định vị 3-2-1 trong chế tạo máy và trong lắp ráp

(4) Định vị tại điểm nào, kẹp chặt tại điểm đó bao gồm trong NC blocks

2.2 Quy tắc định vị N-2-1 cho các tấm kim loại dễ biến dạng:

Quy tắc định vị N-2-1 được giáo sư Wayne Cai đưa ra trong tập san khoa

học với tựa đề “Deformable Sheet Metal Fixturing : Principles, Algorithms,

and Simulation” vào năm 1996 Đối với một sản phẩm được lắp ráp, các nhà

thiết kế dụng cụ quyết định số lượng, vị trí các khối Nc block và các chốt định

vị, nói chung đều dựa trên nguyên tắc định vị 3-2-1 để định vị một vật thể dạng lăng trụ hay một vật thể cứng như hình 1

Hình 1 mô tả định vị 6 bậc tự do trong không gian

Hay để làm rõ hơn khi ta định vị một tấm như hình 2 Với 3 clamp là 3 kềm kẹp khống chế 3 bậc tự do ở mặt đầu tiên, hole là một chốt trụ khống chế

2 bậc tự do ở mặt phẳng thứ hai và slot là chốt trám định vị vào lỗ khống chế một bậc tự do ở mặt phẳng thứ ba, tạo cho vật thể bị khống chế 6 bậc tự do hoành chỉnh

Hình 2 sơ đồ định vị một tấm theo quy tắc 3-2-1

Theo [15-6] do sự thiếu cứng vững của nhiều bộ phận được dập tấm và trong lắp ráp, thường các nhà sản xuất đã vi phạm quy tắc 3-2-1 bằng cách dùng thêm các locator đối với vị trí các phần không ổn định, từ đó một phát triển thêm của quy tắc định vị dùng trong thép tấm là N-2-1 để giảm sự biến dạng cho các bề mặt N thể hiện cho số locator từ 3 đến N định vị cho bề mặt đầu tiên Sự ràng buộc thêm này thì khác nhau giữa các nhà sản xuất ví dụ như hình 3 trình bày một mảng được thiết kế giống nhau bởi hai nhà sản xuất, công

ty C (company C) dùng đến 10 locator để khống chế, trong khi công ty E dùng đến 20 locators

Hình 3 sự khác nhau về phương pháp định vị của cả hai công ty C và E

Để tối ưu hoá vấn đề này, trong thực tế sản xuất người ta dùng máy CMM hay OCMM để kiểm tra sai số và có biện pháp điều chỉnh thích hợp Còn trong phòng thí nghiệm ta có thể dùng máy Scan 3D với đầu dò vẽ lại hình dạng vật thể dạng 3D để có được một tập tin IGE chứa dữ liệu sau đó đưa vào phần mềm Mechanical Desktop R6 của công ty Autodesk và mô phỏng lại các phương pháp tác dụng lực kẹp, các gối đỡ và dùng phương pháp phần tử hữu hạn cho phần tử dạng tấm để xác định độ dịch chuyển tại vị trí các điểm định

vị của locator và quan sát xem các điểm đó có tiếp xúc tốt không và từ đó đưa

ra các biện pháp thêm bớt hoặc điều chỉnh vị trí các locator sao cho tối ưu

Để nhận xét sâu hơn trong quá trình lắp ráp sẽ được nói đến ở phần kế

3 Các thành phần của đồ gá (locators) :

Theo [1-83] quá trình lắp ráp thân xe yêu cầu việc định vị và kẹp chặt ở mỗi giai đoạn Định vị và kẹp chặt một phần được thực hiện bởi các chốt định

vị (pins), các khối định vị (blocks), và các kềm kẹp chặt (clamps)

Các khối định vị được chế tạo chính xác bởi các máy CNC nên được gọi là các khối định vị NC (NC blocks hay NC locators), hình 4 trình bày một đồ gá mẫu Số lượng NC locators và pins thì khác nhau trong mỗi đồ gá

Nơi định vị của các NC locators phải chính xác và giúp cho việc dùng máy

đo kinh vĩ độ để đo kiểm tra Trên mỗi NC locator có đặt một điểm tam diện ở một góc của nó Hệ tọa độ của điểm này có thể được tính toán từ một bộ phận được lắp ráp và các kích thước của NC blocks Hệ tọa độ này thể hiện cho vị trí của NC blocks nên được dập nổi lên thân NC blocks trong quá trình chế tạo đồ gá

Hình 4 : một đồ gá mẫu

Do việc định vị trí sai của một yếu tố đồ gá ảnh hưởng đến độ chính xác về hình dạng của các mảng thân xe được lắp ráp, do đó sai số tiêu chuẩn cho NC blocks là  0.13 mm và của pins là  0.15 mm được qui định bởi một công ty sản xuất ôtô

3.1 Vật liệu của đồ gá :

Theo [7-14] do việc ảnh hưởng lớn đến quá trình hàn và yêu cầu tiết kiệm trong yêu cầu sản xuất nên đặt ra những yêu cầu sau :

- Không dùng vật liệu như nhôm, bạc, đồng để định vị, vì các vật liệu này dẫn nhiệt khá tốt nên làm giảm nhiệt độ tại các mối hàn

- Các vật liệu đó cũng dẫn điện lớn nên sẽ gây ra dòng điện rẽ qua các phần khác do đó không thể điều khiển dòng điện hàn theo ý muốn

- Vật liệu tốt nhất nên dùng là plastic chịu nhiệt cao mà có thành phần vật liệu ổn định về cơ học

Upper electrode : điện cực hàn trên

Aluminum Fixture : đồ gá bằng nhôm

Multiple weld current paths : nhiều dòng điện rẽ

Hình 5 : mô tả dòng điện rẽ

Plastic fixture : đồ gá bằng plastic

Single weld current path : dòng điện hàn đơn.

Copper electrode : điện cực hàn đồng

Hình 6 : mô tả dòng điện khi dùng đồ gá bằng plastics

3.2 Phân loại các locator trong đồ gá dùng trong lắp ráp

Theo [3-2] các nhà chế tạo đồ gá ngày nay chia các locators thành các dạng sau:

(1) Chốt định vị 2 hướng (2-way pins) : khống chế 1 bậc tự do trong mặt phẳng thứ

(2) Chốt định vị 4 hướng (4-way pins): khống chế 2 bậc tự do trong mặt phẳng thứ

(3) Chốt có vai (Cross-section of grip locator) : khống chế 3 bậc tự do ở hình 7

Hình 7 Chốt có vai (4) Các Nc locator với kềm kẹp (NC locator with clamp) : khống chế 1 bậc tự

do thường dùng trong mặt phẳng đầu tiên

(5) Các Nc locator không có kềm (NC locator without clamp): tương tự

Hình 8 : mô tả các kiểu locators

Và phần tiếp theo ta sẽ đi vào phân tích tổng hợp các tài liệu trong việc thiết kế đồ gá lắp ráp trước tiên ta phải hiểu biết về các dạng mối hàn lắp ráp trong xe rồi mới xác định các phương pháp thiết kế đồ gá

4 Các dạng mối hàn trong lắp ráp :

Theo [3-2] trong việc lắp ráp thân xe, mỗi phần được lắp ráp cấu tạo từ

3 kiểu mối hàn khác nhau như : (1) lap-to-lap joints (hai tấm phẳng đặt lên nhau), (2) butt-to-butt joints (hai phần mép gờ của hai tấm đặt lên nhau), (3) lap-to-butt joints (một phần mép gờ của một tấm đặt lên một tấm phẳng theo hình 9 Và các mối ghép hàn trên một bộ phận của thân xe thực tế như hình 10

Hình 9 : các dạng mối ghép hàn

Hình 10 : các mối hàn trên một bộ phận được lắp ráp Mỗi kiểu mối hàn mang một đặc điểm khác nhau và tính chất khác nhau Lap-to-lap joints có xu hướng cho phép các tấm liên kết trượt lên nhau Butt-to-butt joints có xu hướng ràng buộc sự di chuyển của hai tấm kim loại Lap-to-butt joint có xu hướng tổng hợp các đặc điểm trên của hai dạng mối ghép Theo tài liệu [9] với tựa đề “ A PARAMETRIC STUDY OF JOINT PERFORMANCE IN SHEET METAL ASSEMBLY” của 2 giáo sư S Jack Hu và S Charles Liu vào tháng 7 năm 1995 cho ta thấy rõ tác dụng thực tế dựa trên tính toán và phân tích sâu về đặc điểm của các kiểu mối ghép này dẫn đến việc sai số trong lắp ráp cuối cùng có sự đóng góp sai số của các thành phần như hình 11 : (1) hình dạng và vật liệu các tấm, (2) các định dạng của đồ gá, (3) sơ đồ lắp ghép, (4) nguồn gốc của sai số, từ sai số trước hay từ sai số dụng cụ

Hình 11 mô tả sai số của quá trình lắp ráp Dựa vào phân tích trong tài liệu [9] và hình 11 ta có thể tóm lại như sau :

- Lap-to-lap joints thì nhạy với sai số của dụng cụ lắp ghép (máy hàn và đồ gá) khi hai phần có độ dày so với nhau Sai số của việc điều chỉnh dụng cụ (máy hàn) thì ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước cao trong lắp ráp với mối ghép này Khi hai phần có độ dày khác nhau thì sai số của phần dày hơn chiếm tỷ lệ lớn hơn trong sai số lắp ráp

- Butt-to-butt joints không nhạy với sai số dụng cụ Nói cách khác, sai số của các phần, đặc biệt là kích thước các mép gờ thì ảnh hưởng nhất đến sai số lắp ráp với butts joins

- Sai số của mép gờ thì ảnh hưởng đến việc duy trì sự chính xác kích thước cao trong lắp ráp với butt-to-lap joints khi tấm có mép gờ dày hơn tấm phẳng Tuy nhiên, sai số của dụng cụ (súng hàn) thì ảnh hưởng khi tấm phẳng có kích thước dày hơn

Lắp ráp với lap-to-lap joints

Lắp ráp với butt-to-butt joints

Lắp ráp với butt-to-lap joint

Hình 12 mô tả công việc lắp ghép với các kiểu mối hàn

Từ đặc tính của các dạng mối hàn ta đề đưa ra các quy tắc và nhận xét trong việc định vị và kẹp chặt trong thiết kế đồ gá lắp ghép

5 Phân tích thiết kế công việc định vị và kẹp chặt các tấm cho lắp ráp :

5.1 Yêu cầu về việc định vị và kẹp chặt trong lắp ráp :

 Nói chung việc định vị và kẹp chặt trong thiết kế đồ gá lắp ráp đều tuân theo nguyên tắc 3-2-1 cho việc định vị vật thể cứng theo nhận xét của tài liệu [13-794-phần 2] Việc ứng dụng nguyên tắc định vị N-2-1 chỉ cho vật thể mà nó 0không ở tình trạng cứng trong một mặt phẳng tọa độ nào đó, để làm cho tình trạng của tấm trở nên cứng ta phải bổ sung thêm N số NC locators, các mặt phẳng toạ độ còn lại của vật thể thì vẫn theo nguyên tắc 2-1 nếu nó ở tình trạng cứng

 Định vị NC locator tại đâu thì kẹp chặt ngay tại điểm đó

 Thường phải kẹp chặt ngay mép ngoài của mảng nhỏ hơn

 Do thẩm mỹ và yêu cầu sự chính xác về hình dáng của bề mặt ngoài nên ta phải định vị mặt ngoài lên các locators và kẹp chặt mặt trong

 Chỉ đặt lực kẹp và định vị ờ các vị trí có độ cứng vững cao (các phần kết cấu của thân xe) như các khung đặc dày và những chỗ có từ 3 lớp liên kết trở lên) và kẹp hai bên đầu đường cần hàn để giảm khe hở

 Theo tài liệu [10-171] của thầy Nguyễn Văn Siêm năm 1970, giá trị khe hở cho phép tuỳ thuộc vào tính cứng vững cho phép của kết cấu (độ dày và hình dáng) chiều dài phần có khe hở và phương pháp hàn, khe hở thường khoảng 0.1- 2 mm Chi tiết càng dày, phần chiều dài càng ngắn thì khe hở cho phép càng phải nhỏ Ví dụ khi hàn điểm thép hợp kim dày 1mm, khe hở

nhỏ hơn 0.4mm trên 100mm chiều dài và 1.2mm trên 300mm chiều dài; còn khi chiều dày còn 3mm khe hở đó giảm đến 0.3 và 0.9mm

 Khoảng cách giữa các vị trí kẹp tùy thuộc vào kim loại, chiều dày và tính cứng vững của chi tiết, chất lượng yêu cầu lắp ráp và phương pháp hàn Hệ số dãn dài càng lớn thì sự cong phồng của kết cấu càng lớn, do đó khoảng cách giữa các vị trí kẹp càng nhỏ Đối với dạng tấm chiều dày tử 0.5-4mm, thì bước kẹp như sau : hợp kim nhẹ 70-150cm, thép và hợp kim Titan 50-80

cm, hàn đường phồng mạnh nên bước kẹp phải nhỏ hơn

 Các mối hàn dài phải kẹp ở giữa và kẹp ra ngoài mép; các kết cấu hàn có độ cứng vững thay đổi thì ban đầu phải kẹp ở phần có độ cứng vững lớn nhất Kẹp dọc theo đường hàn trước khi tiến hành hàn

 Các chi tiết và kết cấu hàn không lớn, hình dáng đơn giản phải định vị vững chắc trên đồ gá lắp hàn Tiến hành hàn liên tiếp các điểm từ giữa ra tới mép và từ các điểm có độ cứng vững cao đến các vị trí kém cứng vững hoặc hàn đồng thời các điểm bằng phương pháp hàn nhiều điểm

 Các lỗ được dập khá chính xác trên thân xe nên được dùng rộng rãi trong việc định vị bằng chốt trụ (4-way pins) và chốt trám (2-way pins) và lưu ý phải đặt phương của chốt vuông góc với mặt phẳng chức lỗ cần định vị

5.2 Các nhận xét rút ra từ việc mô phỏng sơ đồ gá đặt trong việc lắp ghép các phần theo yêu cầu :

Các sơ đồ rút ra từ tài liệu [3-4] của giáo sư D Ceglarek như sau :

Định vị cho lap-to-lap joints :

T a I : ký hiệu cho locator của phần a và I thể hiện cho số thứ tự locator

T b I : tương tự

Hình 13 :lap-to-lap joints

 Dựa trên sơ đồ ta thấy đây là mối ghép hàn dạng lap-to-lap joints cho phép hai tấm trượt lên nhau

 Tuân theo sơ đồ định vị 3-2-1 hoàn hảo với : 3 locator khống chế 3 bậc tự

do, chốt tại Ta2 khống chế 2 bật tự do và chốt tại Ta1 khống chế 1 bậc tự do

 Do chốt Ta1 không khống chế tấm trượt theo hướng X nên cho phép mối ghép lap-to-lap joints thực hiện theo yêu cầu

 Điểm định vị locator nên đặt ở gần vị trí hàn để bảo đảm độ cứng vững Và quá trình lắp ráp 3 phần ở hai trạm làm việc để thành sản phẩm hoàn chỉnh theo sơ đồ phân cấp lắp ráp ở hình 14 dẫn đến việc lắp ráp các phần diễn ra ở hình 15,16,17 :

Station là trạm làm việc diễn ra quá trình lắp ráp các phần (part)

Hình 14 : sơ đồ phân cấp lắp ráp bên trái và sản phẩm hoàn chỉnh bên phải

Butt-to-lap joints

Hình 15: lắp ráp ở trạm 1 và các ký hiệu giải thích sự khống chế của các

locators theo hướng di chuyển của các phần được liên kết

Theo hình 15 các nhận xét được đưa ra :

 Đây là mối ghép butt-to-lap joints nên có các đặc điểm định vị đặc trưng

 Tấm a phẳng và được định vị như mối ghép lap-to-lap joints ở hình 15 với

Ta1 là 4-way pin và Ta4 là 2-way pin và 3 NC locators

 Tại hai locator Ta3 và Ta2 các locators này có trang bị kềm kẹp chặt hai phần lắp ráp với nhau nên trên hình thể hiện việc khống chế 2 hướng của mỗi locator

 Do đó phân tích tấm b ta thấy: trong mặt phẳng XOZ đã bị khống chế 2 bậc tự do tại mối ghép, mặt phẳng XOY bị khống chế 3 bậc tự do bởi 3 locator , cuối cùng trong mặt phẳng YOZ phải khống chế 1 bậc tự do nên chốt Tb3 bắt buộc phải là chốt 2-way pin

Butt-to-butt joints

Từ hai dạng mối ghép này ta suy ra đối với mối ghép butt-to-butt joints thì

ta sẽ tiến hành định vị như tấm b

Khi hai phần được ráp lại và di chuyển đi đến trạm sau

Hình 16 mô tả việc định vị khi hai tấm đã được lắp ghép lại với nhau với lưu

ý rằng tại Tc3 có một chốt 2-way pin

Hình 16 : ở trạm 2 và sơ đồ định vị của phần được lắp ráp trước

Từ hình 16 ta có thể rút ra nhận xét :

 Sơ đồ định vị vẫn phải tuân theo quy tắc 3-2-1

 Các vị trí định vị của locator trong phần được lắp ráp từ hai tấm nên thừa kế lại sơ đồ vị trí định vị mỗi tấm thành phần Nhưng phải loại đi những locator gây siêu định vị trong quy tắc 3-2-1

Vaø cuoâi cuøng ôû hình 17 ta thaây taâm c hoaøn toaøn thoûa mạn quy taĩc ñònh vò 3-2-1 thoạ maõnTái Tc1, Tc 2, Tc 4 vaø Tc5 caùc NC locators bao goăm keăm, caùc choât

Tc7 vaø Tc6 laø 2-way pins

Keât luaôn :

 Vieôc thieât keâ ñònh vò ñoă gaù neđn chia nhoû ra caùc phaăn ñeơ thieât keẩ ñôn giạn hoaù

 Phại nghieđn cöùu kyõ 3 loái moâi gheùp roăi môùi daên ñeân vieôc ñònh vò vaø kép chaịt

 Quy taĩc ñònh vò 3-2-1 chư aùp dúng cho taâm ñôn giạn, neâu taâm quaù phöùc táp vaø lôùn ta neđn duøng phöông phaùp N-2-1 baỉng caùch ñöa theđm caùc NC locators vaøo

Hình 17 : Vieôc laĩp raùp ôû trám 2

Thaôt ra quaù trình laĩp raùp thađn xe phại qua raât nhieău quaù trình nhoû ñeơ laøm giạm söï phöùc táp cụa quaù trình laĩp raùp cuõng nhö vieôc deê daøng tìm ra sai soâ maø seõ ñöôïc mođ tạ ôû phaăn tieâp theo

6 Caùc quaù trình thieât keâ ñoă gaù :

Quá trình thiết kế đồ gá phải thông qua các bước :

(1) Phân tích kỹ các thành phần của BIW từ lớn đến nho về kích thước hình học, kiểu mối ghép hàn, thuộc dạng cấu trúc hay không cấu trúc, chú ý đến các vị trí lỗ Trình tự thực hiện là nghiên cứu kỹ thứ tự lắp ráp các mảng, sau đó nghiên cứu các điểm phải hàn để bố trí lực kẹp rồi mới đến định vị bằng chốt

(2) Tiến hành tạo nhóm phân cấp HGs : các mảng, các điểm hàn trên các thành phần lắp ráp kẹp chặt va øcác vị trí định vị bằng chốt và nơi một trạm lắp ráp được thành lập

(3) Chế tạo đồ gá dựa trên phân tích nhóm HG và thiết lập bản vẽ mô phỏng

(4) Tính sai số gá đặt của đồ gá,

(5) Lắp ráp đồ gá lên sàn phân xưởng và dùng máy đo kinh vĩ độ để thẩm định, (6) Thiết kế và chế tạo đồ gá kiểm tra

7.1 Dùng Robot trong việc lắp ráp :

Theo tài liệu [5] sẽ nói rõ về việc ứng dụng Robot trong công nghiệp lắp ráp ôtô Các dụng cụ kẹp chặt cố định chi tiết được thiết kế đặc biệt được gọi là đồ gá thì được cần trong việc lắp ráp các tấm kim loại trong sản xuất ô tô và máy bay Các đồ gá này dùng để định vị các phần dùng cho hàn bấm và tán rivê Do số lượng các tấm kim loại liên quan với nhau lớn, khoảng 300 đến 500 trên một xe ôtô và ứng với đó thì yêu cầu một số lượng đồ gá tương ứng Khi một mẫu mới được sản xuất, các đồ gá mới phải được thiết kế, chế tạo và lắp đặt trong nhà máy Hoạt động lặp lại này thì rất hao tốn Một cách giải quyết