Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống hàn ống tự động

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

HUTECH 1Ot.»93

University

PHAN LE DUY

NGHIÊN CỨU, THIẾT KE VA CHE TAO HE THONG HAN ONG TU DONG

LUAN VAN THAC SI Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện tử

Mã số ngành: 60 52 01 14

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Thanh Phương

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoahọc: TS Nguyễn Thanh Phương =

TS Nguyén Van Hiéu

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 28 tháng 03 năm 2015

Cán bộ chấm nhận xét l: TS V6 Hoang Duy“ !'“*)

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Võ Tường Quân “ P4 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đông chấm bảo vệ Luận văn Thạc si) 1 PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Chủ tịch Hội đồng

2 TS Võ Hoàng Duy Phan bién 1

3 TS V6 Twong Quan Phan bién 2

4 TS Nguyén Hing Uy vién

5 TS V6 Dinh Ting Uy vién, Thu ky

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (néu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Quản lý chuyên ngành

hoe

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHONG QLKH - DTSDH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP HCM, ngày 05 tháng 01 năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHAN LÊ DUY Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 05/06/1985 Nơi sinh: Hà Tĩnh

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện tử MSHV: 1341840006

I- TÊN DE TAI:

NGHIEN CUU, THIET KE VA CHE TẠO HE THONG HAN ONG TY DONG

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- _ Thiết kế và chế tạo hệ thống hàn ống tự động

- Làm chủ công nghệ hàn nối các đường ống tự động phục vụ kỹ thuật hàn nối các đường ống lại với nhau hay giữa mặt bích kim loại với đầu đường ống kim loại

HI- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 08/2014

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/12/2014 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Thanh Phương

TS Nguyễn Văn Hiếu

Cán bộ hướng dẫn khoa học Quản lý chuyên ngành

ee

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng Luận văn với nội dung “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thông hàn Ông tự động” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của T5 Nguyễn Thanh Phương và TS Nguyễn Văn Hiếu

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tín trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, có nguôn trích dẫn và chưa từng được ai công bố trong bắt cứ công trình nào khác

Tp Hà Chí Minh, ngày 05 tháng 01 năm 2015 Học viên thực hiện luận văn

Trang 5

ii

LOI CAM ON

Trong quá trình thực hiện luận văn, tuy gặp nhiều khó khăn nhưng nhờ sự hướng dẫn tận tình của Thầy TS.Nguyễn Thanh Phương, Thầy TS.Nguyễn Văn Hiếu, tơi đã hồn thành luận văn đúng thời gian quy định Để hoàn thành cuốn luận văn này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy TS.Nguyễn Thanh Phương, Thầy TS.Nguyễn Văn Hiếu, Thầy là người tận tâm hết lòng vì học viên, hướng dẫn nhiệt tình và cung

cấp cho tôi những tài liệu vô cùng quý giá trong thời gian thực hiện luận văn

Xin chân thành cám ơn tập thể thầy cô giáo trường Đại học Công Nghệ TP Hồ

Chí Minh, đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi, giúp tôi học tập và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại trường

Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý Khoa học - Đào tạo sau đại học cùng các phòng ban của trường Đại học Công Nghệ TP Hồ Chí Minh, đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học tại trường

Xin chân thành cảm ơn các anh, chị đồng nghiệp đã hỗ trợ giúp đỡ cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn các bạn học viên lớp cao học chuyên ngành “Kỹ thuật Cơ

Điện tử -12SCĐ11” đã đóng góp ý kiến cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn nay

TP Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 01 năm 2015

Học viên thực hiện luận văn

Trang 6

iii

TOM TAT LUAN VAN

Han ống là một quá trình hàn khó và đòi hỏi tay nghề của người công nhân khá

cao Quá trình hàn là một quá trình rất độc hại do đó cần phải tự động hoá quá trình này để giải phóng sức lao động của con người và làm tăng chất lượng của quá trình hàn Đề tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống hàn ống tự động được thực hiện đê giải quyết vân để nêu trên

Hệ thống hàn ống tự động gồm 2 phần chính là: Phần cơ khí được thiết kế để giữ và xoay ống để đảm bảo vận tốc hàn có định và phần điện — điện tử và điều khiển Một nguồn hàn được thiết kế để giữ ổn định dòng hàn trong suốt quá trình hàn, một hệ định

vị 2 trục được thiết kế để di chuyển đầu mỏ hàn và theo mong muốn và theo chế độ

Trang 7

iv

ABSTRACT

Trang 8

MỤC LỤC Tên đề mục Trang IUfcri E0 — 11111 i I- 0 — sa ii Tóm tắt luận văn - - 5s c5s< c2 An iil ` 0n IV Mục lục . -c -cserierierirerrriiirirrirrtrrrrrrririiriirreiem Vv Danh mục các từ viết tắt - ccerneierrtrrirrrrierrrriiiiiiiiiiririin vii Danh mục các sơ d6, binh anb sesesssssssssscssssescseseseseeseeeesesnserssssssssssssnnanansnssssnnanen viii Chương 1: Tổng quan về hướng nghiên cứu -5 -°+tetrerrtrrrre 1 11 Đặtvấn đề eeerrrriiirrrrrirrrrrrerrrrrrrrrrrrriiio 1 1.2 Tính cấp thiết của để tài ecerriiirrrerrrriiirrrrririirrriree 2

1.3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu -+e 4

Na n 4 1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu -c:c+scscrreererrrrrtre 4 1.3.3 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu -. . -: 4

1⁄4 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu -:©cscetsriterrteerritrririrrrieriie 5

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới - -+ccsseeteerrerrerrrrre 5

1.4.2 Tinh hinh nghiên cứu trong nƯỚc - -+«c«eeeeirerrerrrrrrririr 7 1.5 Tóm tất luận văn -rrrrtrrrtrtrrtrrrirriiriiririrrrrrrrree 8

Trang 9

vi

2.1 Phần cơ khí của hé thong .c.scescsssessscsssesseeseeceserscserssessenssnecasesnenseeenessseene 10 2.2 Phần điện và điều khiển của hệ thống . -. - 16

2.2.1 Ngudm at csccecsescssccseccsecsseseeseesseessesseesecesecsseeseesseeueecuseaeesneseneeserens 16

2.2.1.1 Mô hình hoá hệ thống dây cấp - - -55c 55c ccsrerrrrree 20

2.2.1.2 Mô hình động học của nguồn i00 22

2.2.1.3 Thiết kế bộ điều khiển ¬ 23

2.2.2 Động cơ trục chính - - sec seserhrHrreiereerrirrrrire 28

2.2.2.1 Chọn lựa động cơ trục chính - -<cerieerrrre 28 2.2.2.2 Điều khiển động cơ trục chính và động cơ định vị 2 trục 29

2.2.3 Bộ điều khiển trung tâm 6-72ccceerserrietrrrrrritrirrrire 33

2.2.4 Nguồn cung cấp cho hệ thống - 5-55: cctserritrrrierrirrrre 37

Trang 10

Vii

DANH MUC CAC TU VIET TAT

DC - Direct current : Dong dién mét chiéu AC - Alternating current : Dòng điện xoay chiéu

IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor : Bộ điều khiển công suat

Trang 11

Hình 1.1: Hinh 1.2: Hinh 1.3: Hinh 1.4: Hinh 1.5: Hinh 1.6: Hinh 1.7 Hinh 1.8 Hinh 1.9 Hinh 2.1: Hinh 2.2: Hinh 2.3: Hinh 2.4: Hinh 2.5: Hinh 2.6: Hinh 2.7: Hinh 2.8: Hinh 2.9: Hinh 2.10 Hinh 2.11 Hinh 2.12 Hinh 2.13 Hinh 2.14 Hinh 2.15 Hinh 2.16 Hinh 2.17 vill

DANH MỤC CÁC LUU DO, HiINH ANH

Các loại công nghệ han

Ứng dụng trong hàn CO; các đường ống dẫn khí vào đất liền Các tiêu chuẩn kích thước chính khi hàn mặt bích và hàn nối ống Kỹ thuật dịch chuyển que hàn đối với quá trình hàn ống

Các loại máy hàn trên thị trường Châu Au

Các loại máy hàn ống trên thị trường Trung Quốc Máy hàn ống sản xuất tại Hàn Quốc

Hệ thống quay ống Pipe Bully

Pipe Bully Model PB2005 của All-Fab Corp Hệ thống hàn ống Hệ thống hàn ống đã thực hiện Kích thước hệ thống Mâm kẹp Mâm kẹp trên bệ đỡ có định Mâm kẹp trên bệ đỡ di động Động cơ trục chính

Hệ thống đi chuyển đầu hàn

Hệ thống di chuyển đầu hàn đã thực hiện

: Hệ thống hàn hồ quang kết hợp CO; : Đầu hàn hồ quang CO;

: Dac tinh V-A

: Lưu đồ quá trình hàn

: Sơ đồ mô tả của nguồn han

: Sơ đồ khối của nguồn hàn

Trang 12

Hình 2.18: Hình 2.19: Hình 2.20: Hình 2.21: Hình 2.22: Hình 2.23: Hình 2.24: Hình 2.25: Hình 2.26: Hình 2.27: Hình 2.28: Hình 2.29: Hình 2.30: Hình 2.31: Hình 2.32: Hình 2.33: Hình 2.34: Hình 2.35: 1X

Sơ đồ mạch thay thế của nguồn hàn

Sơ đồ khối của hệ điều khiển bộ phun dây

Hệ thống điều khiển nguồn hàn Sơ đồ khối của hệ thống nguồn hàn Sơ đồ chỉ tiết của máy hàn

Mạch điều khiển của nguồn hàn Mạch động lực của nguồn hàn

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiến tốc độ động cơ trục chính

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vị trí động cơ di chuyển đầu hàn

Lưu đồ giải thuật điều khiển tốc độ động cơ trục chính

Lưu đồ giải thuật điều khiển vị trí động cơ di chuyển đầu hàn

Sơ đồ chỉ tiết bộ điều khiển động cơ trục chính và động cơ định vị Lưu đồ giải thuật của bộ điều khiển trung tâm

Lưu đồ giải thuật của chương trình manual Sơ đồ mạch chỉ tiết

Board điều khiển chính

Sơ đồ điện cấp cho nguồn hàn

Sơ đồ mạch động lực

Trang 13

Chương Í

TONG QUAN VE HƯỚNG NGHIÊN CỨU

1.1 Đặt vấn đề

Công nghệ hàn là một lĩnh vực còn ít phát triển tại Việt Nam nguyên nhân ở đây là do các thông tin về lĩnh vực ngành nghề này còn hạn chế, thường khi nghĩ đến ngành hàn người ta thường nghĩ đến những người thợ hàn làm việc với các bình khí Tuy nhiên ngày nay công nghiệp Việt Nam ngày càng phát triển nhu cầu và công nghệ ngành hàn ngày càng tăng, mức lương nhân lực trong ngành ngày càng cao đi cùng với đòi hỏi số lượng lớn nhân lực Hiện nay nước ta thiếu nguồn nhân lực về thợ hàn rất lớn, đòi hỏi các doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực hàn thường ứng dụng các công nghệ hàn tiên tiến để tăng năng suất và chất lượng sản phẩm hàn

Trong công nghệ hàn, lĩnh vực hàn đường ống có nhu cầu cao, có ứng dụng cao trong hầu hết các ngành kỹ thuật Nhu cầu chế tạo một máy hàn tự động trong lĩnh vực hàn đường ống là cần thiết và mang lại hiệu quả kinh tế lớn Các máy hàn đường ống tự động hỗ trợ doanh nghiệp hoạt ứng dụng công nghệ hàn nâng cao chất lượng mối hản, tăng năng suất hàn so với hàn thủ công, giúp giảm chỉ phí giá thành sản phẩm, tính an toàn lao động cao Như vậy, quá trình nghiên cứu, ứng dụng và chế tạo thiết bị tự động hàn đường ống thành công cũng sẽ góp phần đem lại hiệu quả kinh tế chung cho toàn xã hội

Trang 14

IŒIFŒA) Hình 1.1 Các loại công nghệ hàn 1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Trang 15

Hình 1.2 Ứng dụng trong hàn CO; các đường ông dẫn khí vào đất lên từ các dần khoan dầu

Công nghệ hàn ống đòi hỏi tay nghề bậc thợ cao đặc biệt thường có hai dạng mối hàn đó là mối hàn nối 2 ống và nối ống với mặt bích Kỹ thuật hàn này đòi hỏi các kích thước I, 2, 3, 4, 5 và 6 phải đạt theo tiêu chuẩn cho phép, các mối hàn không chuẩn do tay nghề thợ sẽ mat rất nhiều thời gian để chỉnh sửa, tốn nguyên vật liệu thay thế hoặc bỏ đi

Trang 16

Đo vậy, phương án điều khiển kích thước các mối hàn chính xác này băng cách ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động và dùng vi điều khiển xử lý tín hiệu dòng điện hàn để tạo ra bộ điều khiển máy mỏ hàn, nguồn hàn Như vậy bộ điều khiển này vừa đảm bảo tính chính xác kích thước tiêu chuẩn, vừa điều khiển theo phương zigzag để điều khiển kim loại nóng chảy điền đầy các khe hở đường ống

Hình 1.4 Kỹ thuật dịch chuyển que hàn đối với quá trình hàn ống Việc ứng dụng vi điều khiển điều khiển vị trí mỏ hàn có nhiều ưu việt, giá thành bộ điều khiển hàn chế tạo sẽ thấp so với thiết bị tự động hóa ứng dụng trong công nghiệp Khả năng áp dụng này phù hợp khả năng triển khai công nghệ trong nước, tính phù hợp của công nghệ đối với phương án sản xuất và yêu cầu của thị trường

1.3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu 1.3.1 Mục tiêu của dé tài

- Thiết kế và chế tạo hệ thống hàn ống tự động

Trang 17

Trên cơ sở tổng hợp các công nghệ và thiết bị hàn ống trong và ngoài nước để thiết lập cầu hình hệ thống hàn ống thích hợp

1.3.3.2 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

1.4 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Những năm đầu thế kỷ XX, ngành công nghiệp hàn cắt kim loại của các

nước công nghiệp trên thế giới rất phát triển Đặc biệt các thiết bị hệ thống hàn

phục vụ cho công nghiệp xe hơi, đóng tàu, xây dựng, ngành dầu khí với các robot thay thế cho thợ hàn thủ công đạt độ chính xác cao đã phát triển từ

những thập niên năm mươi khi kỹ thuật máy điện toán điều khiển số ra đời

Trang 18

Hình 1.5 Các loại máy hàn ống trên thị trường châu Âu

Một số mẫu máy của Trung quốc đang được chào bán bởi công ty TNHH Thiết Bị Công Nghiệp Đông Phong

Hình 1.6 Các loại máy hàn ống trên thị trường Trung Quốc

Mẫu máy hàn ống sản xuất tại Hàn Quộc đang được sử dụng nhiêu tại các tập đoàn công nghiệp lớn Hàn Quốc:

„ Hình 1.7 Máy hàn ống sản xuất tại Hàn Quắc

Trang 19

Hình 1.8 Hệ thống quay ống Pipe Bully dé han cia All-Fab Corp thi lai 6 cầu trúc đơn giản và không tự động

Hình 1.9 Pipe Bully Model PB2005 của All-Eab Corp 1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trang 20

điều khiển, tự động hóa, điều khiển số v.v để làm tăng chât lượng môi hàn, cat chinh xác

Các nghiên cứu trong nước đã ứng dụng chế tạo thành công robot bám theo đường dẫn hướng, robot hàn tự hành được điều khiển bằng phần mềm máy tính hay tích tích hợp bộ điều khiển để “đạy học” robot thực hiện quá trình hàn Các robot ứng dụng trong ngành đóng tàu, hàn khung xe trên dây chuyền hàn xe hơi, thay thế công nhân làm việc trong môi trường độc bại cho đến công việc hàn cần độ chính xác cao, chỉ tiêu lớn cho các đường ống tròn Tuy nhiên, các thiết bị hàn, cắt các chỉ tiết kim loại dạng ống hiện nay chủ yếu được nhập từ ngoài nước Các doanh nghiệp trong nước thường nhập

các thiết bị hàn dạng này từ các nước Đức, Mỹ, Hàn Quốc, Thái Lan với giá

thành, chi phí vận hành và bảo dưỡng khá cao Dé tiép cận với công nghệ tự động này, thường chỉ có các công ty có vốn đầu tư nước ngoài, tập đồn, cơng ty lớn mới có khả năng đầu tư các thiết bị này Các nghiên cứu trong nước đã và đang tập trung nghiên cứu thiết bị hàn tự động để đáp ứng nhu cầu cao trong nước Khoa cơ khí trường Đại học Bách khoa Hà Nội cũng đã nghiên cứu, chế tạo thành công hệ thống thiết bị robot hàn tự động dùng cho ngành đóng tàu Năng suất hàn của thiết bị hàn tự động cao gấp bốn lần so với thiết bị hàn bán tự động đang được sử dụng cho ngành đóng tàu Robot hàn tự hành có các chỉ tiêu và tính năng kỹ thuật tương đương với thiết bị cùng loại của các nước như Hàn Quốc, Thái Lan nhưng giá thành chỉ bằng 50% (nguồn www baodatviet.vn) Sinh viên khoa Cơ — Điện — Điện tử trường Đại học Kỹ thuật công nghệ Tp HCM cũng chế tạo thành công robot tự hành mang thiết bị hàn bám theo góc giữa hai mép chỉ tiết cần hàn để hàn chính xác các tâm kim loại với nhau v.V

1.5 Tóm tắt luận văn

Trang 21

Chương 1: “Tổng quan về hướng nghiên cứu” Trình bày một cách khái quát về công nghệ hàn ống, tình hình phát triển và nhu cầu thực tế nghiên cứu trong và ngoài nước Nêu rõ mục đích, nhiệm vụ, phương pháp cũng như giới hạn phạm vi nghiên cứu của đề tài liên quan đến công nghệ hàn ống tự động

Chương II: “Thiết kế hệ thống” Trình bày kết cấu, nguyên lý của hệ

thống hàn ống tự động Thiết lập các hệ phương trình và thuật tốn mơ tả hệ

thống của nguồn hàn Tính toán thiết kế bộ điều khiển phun dây, bộ điều khiển

điện áp nguồn hàn Thiết kế điều khiển động cơ trục chính, động cơ định vị 2 trục, bộ điều khiển trung tâm

Trang 22

10 Chương 2 THIET KE HE THONG Yêu cầu tính toán thiết kế hệ thống hàn ống tự động: - Kích thước: 2500 x 650 x 1300 (mm) - Đầu mỏ hàn di chuyển theo phương x 0-1000 mm, theo phương y từ 0-200 mm, xoay tir -45° dén 45°, - Đường kính ống 20-200 (mm)

- Phần mềm điều khiển hệ thống hàn, dòng hàn: Điều khiển định vị đầu han sai số cố định +0,5 mm; điều khiển ôn định dòng hàn +5%

Hệ thống hàn ống là một hệ cơ điện tử gồm 3 phần: Phần cơ khí, phan

điện — điện tử và phan điều khiển

2.1 Phần cơ khí của hệ thống (chỉ tiết theo Hình 2.1)

Hệ thống hàn ống gồm 2 mâm kẹp ống để đảm bảo đồng tâm và giữ

ống để cố định ống trong quá trình hàn Hình 2.2 thể hiện bản vẽ 3D và hệ

Trang 24

780

12

Khung giàn chính của hệ thống được thiết kế để đỡ 2 ụ đỡ mâm kẹp và hệ định vị 2 trục Khung giàn chính được cấu tạo từ thép CT3 dày 5mm Hình 2.3 Kích thước hệ thống

Trang 26

14

Trang 28

16

VN

Hình 2.9 Hệ thống di chuyển đầu hàn

2.2 Phần điện và điều khiển của hệ thống

Cấu trúc phần điện và điều khiển của hệ thông hàn như sau: Bộ điều khiển trung tâm | Ỷ Ỷ Ỷ | Bộ điều khiển = ah uz xà iz Nguén han động cơ trục Bộ điều khiến Bộ điêu khiến chính định vị trục y định vị trục x 2.2.1 Nguồn hàn

Nguồn hàn được sử dụng là loại hàn hồ quang kết hợp khí CO¿ Cấu trúc

Trang 29

17 Electrode Flow Reguiator Control cable Hình 2.10 Hệ thống hàn hồ quang kết hợp CO; Hệ thống hàn hồ quang kết hợp khí CO; là một hệ thống kết hợp chặt chẽ

giữa nguồn hàn DC và bộ cung cấp dây hàn WEFU Trong quá trình hàn thì dây hàn được cung cấp liên tục thông qua WFU Dây hàn bị nấu chảy bởi hồ quang DC tạo ra từ nguồn hàn Khí CO; được dùng để bảo vệ mối hàn chống oxy hóa và làm tăng độ thẩm thấu của mối hàn Khí CO; được cung cấp tới vùng hàn thông qua đầu hàn như hình 2 L1 Solidified weld metal metal

Hình 2.11 Đầu hàn hồ quan CO)

Trang 30

18 Constant current (CC) Power source Constant voltaga (CV) power source La t= = Operating point > 7 ee T——- F ậ Operating point ¥ { i š[Ƒ TT” TT I i 5 3 AV \ l 1 Av \ > | | | Ì ar —| AA | 1 ih ; Current, A Current, A

Hinh 2.12 Dac tuyén V— A

Trong ca 2 dang nguồn hàn, khi có một sự thay đổi nhỏ về khoảng cách giữa điện cực và chi tiết cần hàn thì điện áp hàn sẽ thay đổi và làm cho dòng điện hàn thay đổi theo Như đặc tuyến V — A ở hình 2.12 Khi có một sự thay

đổi điện áp AV thì nguồn áp không đổi sẽ có thay đổi dòng điện lớn trong khi đó thì nguồn dong không đổi sẽ có dòng điện thay đổi nhỏ hơn Sự thay đổi

Trang 31

19 Đặt điện áp Đặt dòng điện Chế độ hàn Bán kinh dây hàn Mở khí CO2 Bắt đầu cấp dây Cáp nguồn han

Hién thị ra LCD Đo điện áp, dòng điện

[ B điều khiến phân tách quá trình cấp dây va điện hàn |

† Y

Điều khiển tốc độ cấp dây để Điều khiển tỷ số chu kỳ của IGBT

dòng hàn bám theo giá trị đặt để điện áp hàn bám theo giá trị đặt Tắt nguồn hàn, ngưng cấp da i Khóa khí tc, TT Hình 2.13 Lưu đồ quá trình hàn

Khi có tín hiệu start: (1) Đặt điện áp, đặt dòng điện, chế độ hàn, bán kính

dây hàn (2) Hiển thị điện áp, dòng điện, chế độ hàn, bán kính dây hàn ra màn hình LCD (3) Sau đó kiểm tra tín hiệu hàn: (4) Nếu không có tín hiệu hàn thì quay lại (1), (5) Nếu có tín hiệu han thì mở khí CÒ¿ (6) Bắt đầu cấp dây (7) Cấp nguồn hàn (8) Do điện áp, dòng điện (9) Hiển thị điện áp dòng điện đo

Trang 32

20

điện hàn: (11) Điều khiển tốc độ cấp dây để dòng hàn bám theo giá trị đặt, (12)

Điều khiển tỉ số chu kì của IGBT để điện áp hàn bám theo giá trị đặt (13)

Kiểm tra xem có còn tín hiệu hàn hay không: (14) Nếu còn tín hiệu hàn thì

quay lại (8), (15) Nếu không còn tín hiệu hàn thì tắt nguồn hàn, ngưng cấp day (16) Khóa khí (17) Kiểm tra chế độ hàn: (18) Nếu còn chế độ hàn thì quay lại

(3), (19) Nếu không còn chế độ hàn thì quay lại (1)

Sơ đỗ mô tả của nguôn hàn: Panel điều l4 Giao tiep |C tung: Tin hiệu khởi ||TIn hiệu Khơi khiên p động hàn ` A Ỷ Ỷ j Đo điện áp hàn > Bộ điều khiên trung tâm nah “2 Đo dòng hàn Ỷ Cấp Điều khiển nguồn WFU Ỷ Mở khí

Hình 2.14 Sơ đồ mô tả nguồn hàn

Sơ đô khôi của nguồn han: Feedback of welding current & voltage Controller for the WFU Microprocessor Unit L L Controller for Inverter of PS-GMAW | ' i AC 220-60Hz 20kHz | Rectifier Inverter based đưỳ ' AC to DC IGBT's module ; 1 ) ' 20Khz nh + DC power? + filter HP opt Lanetemer J

Hình 2.15 Sơ đồ khối của nguồn hàn

2.2.1.1 Mô hình hóa hệ thống cấp dây

Trang 33

21

phương trinh (1):

W,G) bo

G, (s)= n) Vi(s) =o 8s? +ast+ay (1) Trong d6: W,(s) va V,(s) ky higu cho tốc độ phun dây và điện áp đặt

lên động cơ Tốc độ phun dây được điều khiển để giữ ổn định dòng điện hàn

và bám theo dòng hàn mong muốn Trong quá trình hàn, chiều đài của hồ quang được giữ không đổi nhờ hệ định vị 2 trục đo đó tốc độ cấp dây phải bằng với tốc độ chảy của dây hàn

W,=W,, (2) Trong dé W,, téc dé chay cia day han

Tốc độ chảy của dây han W, cé thể được biểu diễn bởi hàm của dòng hàn T„ và điện áp han U,, như phương trình (3): W, =K,1,-K,U, (3) Trong đó K,và K, là các hệ số Từ phương trình (2) và (3), tôc độ phun đây có thể được biểu diễn như sau: W,(s)= KI, -AG (4) Với AG=K,Ú, Vì vậy dòng điện hàn có thể được biểu diễn như sau: _W,(s) AG 7 K, i K, i I (5)

Trong thực tế thì ảnh hưởng của dòng điện hàn ảnh hưởng đến tốc độ

phun dây nhiều hơn điện áp hàn Nếu giả thiết điện áp han là nhiễu thì phương

Trang 34

22

Nếu AG được giả thiết là nhiễu của hệ thống, Hàm truyền G(s) cua hé théng cap day gitta V,,(s) va I, c6 thể được biểu diễn như sau:

_1J@)_ L

GUS) = 0= G„@)+AG,)] (6)

_ 1, (s) = 1 by

G(s)= V„(s) K; = +a,8+d)) TẠO, (7)

V6i AG, =AG/V,

2.2.1.2 Mô hình động học của nguồn hàn: Sơ đồ nguồn hàn được trình bày như hình 2.17 Ặ ot œ2 —k Sen es 108T2 L ° o ° 220 VAC at | : ct = | ——— I ») ồ Oưtpui 0 - 86VDC 2 cT ae 0œ rÌ hàm 3 — a : o DC current feedback a Ư 0 $ pl ~ Setting IGBT gate driver ®©—l Controller L, Feedback

Hinh 2.17 So dé nguén han

Nguồn hàn được thực hiện băng cách chỉnh lưu dòng điện xoay chiều 1 pha thành DC nhờ cầu diode sau đó được nghịch lưu ở tần số 20 KHz bởi bộ nghịch lưu cầu 1 pha dùng IGBT Điện áp xoay chiều với tần số 20KHz được đưa qua biến áp xung làm nhiệm vụ giảm áp và cách ly Điện áp ở thứ cấp của biến áp xung được chỉnh lưu tạo thành nguồn DC để cấp cho điện cực hản

Sơ đồ thay thế dạng mạch điện của hệ thống nguồn hàn như hình 2.18

o6qpas\

Trang 35

23 Welding \ electrode ° o WFU R, Contact tip Rp L U, R = Are Work pice

Hinh 2.18 So dé mach thay thế của nguồn hàn

U,, R„, R,, R, và L ký hiệu cho trị trung bình của điện áp ra của nguồn hàn, điện trở của nguồn hàn, điệnn trở nội sinh, điện trở tiếp xúc giữa đầu hàn và dây hàn, và điện cảm của nguồn hàn Phương trình Kirchhoff 2 cho nguồn hàn như sau:

U,=LS= +(R,+Ñ, + )xl, +(U, +U,„„)<Y (8)

Trong đó U„„ là giá trị hằng số và bằng 14.5V , là hàm được định

nghĩa như sau:

0 if short circuit

we \ if arcis on (9)

2.2.1.3 Thiết kế bộ điều khiển

Bộ điều khiển cho nguồn hàn được phân tách ra thành 2 bộ điều khiến:

Bộ điều khiển tốc độ phun day và bộ điều khiển giữ điện áp hàn như đã thể

hiện trong lưu đồ hình 2.13

- Thiết kế bộ điều khiển phun dây

Trang 36

24 x, =W;, Xx, =X, (10) m X= —G,Xy — AyX, + byt, y=lI, =cx[x, + AG] u, =V,

Với xeR?=[W, W,]' la vector trang thai, y=/, là ngõ ra, va u,=V,, 1a tin hiệu điều khiển cho bé cap day, ¢ =1/K,

Sai số dòng điện e, được định nghĩa như sau: e,=(U,-1,)/e (11) Với 7, là giá trị dòng điện đặt Đạo hàm 2 về phương trình (11): é, =~-x,-AG (12) Dé tim bộ điều khiển trượt cho hệ thống, một mặt trượt được định nghĩa như sau: s=6(t)+Ae,(t) (13) Với 4 là hằng số dương

Dễ đàng thấy rằng e, trong phương trình (13) tiến về zero khi mặt trượt s = 0 Đạo hàm 2 về của phương trình (13):

§=[(A-a,é, +21, —ce,)—byu]+d e (14)

Trong đó đ = —a¿ÁAG ~ aAG ~ AỞ là nhiễu và là tín hiệu bị chặn

Mục tiêu là thiết kế luật điều khiển z„ để ổn định hóa hệ thống và làm cho mặt trượt tiến về 0 Chọn hàm Lyopunov ƒ =1/2s” Luật điều khiển có thể được xác định dựa vào điều kiện Lyopunov:

Ứ=sš;<0 (15)

Tir (15) Luat điều khiển được chọn:

Trang 37

25

Phương trình (16) thỏa mãn diéu kién cua Lyapunov trong phuong trinh(15) nêu cận trên của nhễu được chọn la | <p I 1 e, H, bạ Wy I, 5 i Sliding mode C) tI Ai ` e T controller s+ as + đụ +4 K, | + ‘| Sliding surface

Hình 2.19 Sơ đồ khối của hệ điều khiển bộ phun dây

- _ Thiết kế bộ điều khiến điện áp nguồn hàn

Khi hồ quang được bật lên thì điện áp trung bình của ngõ ra của bộ nguồn hàn trong phương trình (8) được viết lại như sau:

U,=(R,+R,+R,)1, +, +.) (17)

Điện áp trung bình của nguồn hàn có thể được biểu diễn bởi:

U,=2xDx86 (18)

Với D là tỷ số chu kỳ của PWM và D=|0% to 48%] 86 là điện áp

không tải của nguồn hàn khi tỷ số chu kỳ PWM là cực đại Từ phương trình (17) và (18), ta có:

Đ=z— |, +, +), + (U, +, „,)| (19)

Trang 38

26

Với R=R,+R,+RÑ„, Uy, = Rx1,+U„„„, AU = Rxexe, được xem như là nhiễu Nếu AU được xem là nhiễu thì (22) cho thấy rằng luật điều khiển ø„ là tỷ lệ với điện áp U,,

Định nghĩa sai số điện áp e, nhu sau:

e,()=(U,~U,)xK, (23)

Luật điều khển tỷ lệ ø„ được áp dung điều chỉnh điện áp của nguồn hàn theo

điện áp đặt cho trước Luật điều khiển như sau:

Wy) = Baer + K,X®¿-p (2%

Trong đó K,„, K„ là các hằng số đương 1„-¡)› €„¿¡y là giá trị của tín hiệu điều khiên ở thời điểm hiện tại và quá khứ U, +t «4, u -#| K,|>O_— $| Bộ điều khiến | —” w vn =^¬ tỷ lệ Nguồn hàn trình hàn (24) (20) (22) K w

Hình 2.20 Hệ thống điều khiến nguồn hàn

Trang 40

28

Hình 2.24 Mạch động lực của nguồn hàn

2.2.2 Động cơ trục chính

Động cơ trục chính là động cơ truyền động cho hệ thống mâm kẹp để xoay ống trong quá trình hàn Đề đám bảo quá trình hàn và chất lượng mối hàn tốt thì tốc độ hàn cần được điều khiển ổn định Động cơ trục chính được chọn là động cơ DC