Máy hàn hồ quang tay ảo cho phép người học thực hiện các thao tác như khi hàn trên máy hàn hồ quang tay thật. Máy hàn hồ quang tay ảo gồm có phần kết cấu máy và phần mềm mô phỏng. Phần kết cấu máy với cơ cấu quay và nâng hạ màn hình tự động cho phép người học thực hành được các tư thế hàn khác nhau với loại mối hàn giáp mối và mối hàn góc.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 038-042 Nghiên cứu chế tạo máy hàn hồ quang tay ảo Study and Fabrication of Virtual Shielded Metal Arc Welding Machine Nguyen Tien Duong Hanoi University of Science and Technology Đến Tòa soạn: 24-5-2015; chấp nhận đăng: 28-9-2018 Tóm tắt Máy hàn hồ quang tay ảo cho phép người học thực thao tác hàn máy hàn hồ quang tay thật Máy hàn hồ quang tay ảo gồm có phần kết cấu máy phần mềm mơ Phần kết cấu máy với cấu quay nâng hạ hình tự động cho phép người học thực hành tư hàn khác với loại mối hàn giáp mối mối hàn góc Phần mềm mô cho phép người thực hành hàn lựa chọn thơng số q trình hàn, đồng thời đánh giá thao tác người thực hành hàn ảo thông qua kỹ mồi hồ quang, mồi lại hồ quang, trì chiều dài hồ quang, vận tốc hàn, dạng chuyển động mỏ hàn góc nghiêng que hàn Từ khóa: Hàn hồ quang tay, hàn ảo, thiết bị hàn mô phỏng, thực hành hàn Abstract The virtual shielded metal arc welding machine permits welding learner to perform the operations as in welding on the real shielded metal arc welding machine This machine consists of machine structure and simulation sofware The machine structure with the automatic screen turning, raising and lowering mechanism, allows the welding learner to be practiced the different positions with butt weld and fillet weld The simulation software permits welding practice learner to select welding parameters, and it evaluates also the operations of learner via the skills of welding arc ignition, welding arc re-ignition, the maintenance of arc length, welding speed, weave pattern of holder and electrode angle Keywords: Shielded metal arc welding, virtual welding, simulation welding equipment, welding practice Mở đầu Để góp phần giảm chi phí đào tạo thực hành, tiết kiệm lượng, nguyên vật liệu ngoại tệ cho đất nước, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo máy hàn hồ quang tay ảo nước nhu cầu cấp bách Việc tự chế tạo máy hàn hồ quang tay ảo cho phép làm chủ cơng nghệ, chủ động việc chuyển giao công nghệ, bảo hành, bảo trì sửa chữa mà khơng phụ thuộc vào nước ngồi Đồng thời góp phần xanh hóa đào tạo nghề hàn Chi phí cho đào tạo thực hành hàn hồ quang tay cao [1], bao gồm chi phí cho máy móc, trang thiết bị (buồng hàn, máy hàn, máy hút khói hàn, trang thiết bị bảo hộ, ), nguyên vật liệu (phôi hàn, que hàn, ) chi phí cho nhiên liệu (điện), Ngồi thực hành máy hàn hồ quang tay thật hồ quang hàn khí hàn độc hại với người học người dạy, gây ô nhiễm môi trường * Để đáp ứng nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực hàn, đặc biệt thợ hàn ngày lớn góp phần giảm chi phí đào tạo, tiết kiệm lượng, giảm thiểu ô nhiễm, độc hại nên số nước công nghiệp phát triển Anh, Mỹ, Đức, Pháp, Nhật, Canađa,… đầu tư nghiên cứu chế tạo thành công máy hàn hồ quang ảo [2, 3] Ở Việt Nam, chưa có sở chế tạo máy hàn hồ quang tay ảo mà nhập máy hàn ảo trang bị cho trường phục vụ cho việc đào tạo thực hành hàn Chi phí cho việc nhập thiết bị, chuyển giao công nghệ, sửa chữa bảo dưỡng tốn Đánh giá trình hàn hồ quang tay ảo Bộ thông số hàn hồ quang tay thật gồm các thông số chế độ hàn (đường kính que hàn, cường độ dòng điện hàn, điện áp hàn, tốc độ hàn số lớp hàn) thông số kỹ thuật hàn (các chuyển động mỏ hàn, góc nghiêng que hàn, kỹ thuật mồi, mồi lại hồ quang thao tác kết thúc hồ quang) Với mục tiêu để người học thực hành hàn rèn luyện thao tác hàn nên hệ thống thiết bị hàn hồ quang tay ảo ta đánh giá thông số liên quan đến kỹ người học hàn hồ quang tay gồm: Chiều dài hồ quang, mồi mồi lại hồ quang, kết thúc hồ quang, chuyển động mỏ hàn, góc nghiêng que hàn Địa liên hệ: Tel: (+84) 914362850 Email: duong.nguyentien@hust.edu.vn * 38 Tạp chí Khoa học Công nghệ 129 (2018) 038-042 đánh giá thông qua trì chiều dài hồ quang Nếu chuyển động mà nhanh quá, làm cho que hàn chạm vào vật hàn, hồ quang bị tắt Ngược lại, chuyển động mà chậm quá, chiều dài hồ quang lớn Lhq > mm hồ quang tắt 2.1 Chiều dài hồ quang Trong trình hàn, để đảm bảo hồ quang ổn định, người thợ hàn ln phải trì chiều dài hồ quang khoảng 1,5÷5 mm [4-5] Ta lựa chọn phạm vi cho phép chiều dài hồ quang sau: < lhq ≤ mm Nếu chiều dài hồ quang lhq = lhq > mm hồ quang bị tắt, tính lỗi trì hồ quang phải mồi lại hồ quang 2.4.2 Chuyển động dọc theo trục mối hàn Chuyển động dọc theo trục mối hàn (V2) để hàn hết chiều dài đường hàn Đây chuyển động để đảm bảo vận tốc hàn yêu cầu 2.2 Mồi mồi lại hồ quang Để người học làm quen với vận tốc hàn nhanh chậm khác nhau, ta đưa mức vận tốc hàn: Khi bắt đầu hàn phải mồi hồ quang Khi hàn mà hồ quang bị tắt phải mồi lại hồ quang Mồi mồi lại hồ quang thực cách cho que hàn chạm vào vật hàn sau nhấc lên Hồ quang mồi mồi lại rãnh hàn, cách đầu đường hàn cách điểm hồ quang bị tắt, phía chưa hàn đoạn 10 mm [5] Khi hồ quang hình thành di chuyển ngược lại đầu đường hàn vị trí hồ quang bị tắt để bắt đầu hàn lại - Tốc độ thấp: V2 = 10±1 [cm/phút] - Tốc độ trung bình: V2 = 20±2 [cm/phút] - Tốc độ cao: V2 = 35±3,5 [cm/phút] Ứng với mức tốc độ lựa chọn, tốc độ hàn thực tế không nằm phạm vi cho phép đánh giá tốc độ hàn sai ngược lại tốc độ hàn Ta lựa chọn phạm vi cho phép vị trí mồi mồi lại hồ quang rãnh hàn, cách đầu đường hàn cách điểm hồ quang bị tắt, phía chưa hàn khoảng 8÷12 mm Nếu vị trí mồi hay mồi lại hồ quang mà khơng nằm phạm vi tính lỗi mồi hay mồi lại hồ quang 2.4.3 Dao động ngang Dao động ngang (V3) để đảm bảo chiều rộng mối hàn Khi hàn khơng có dao động ngang chiều rộng mối hàn đạt khoảng (0,8÷1,5)d [5], với d đường kính que hàn Như hàn có khe hở vát mép rộng khoảng phải có dao động ngang Khi có dao động ngang, chiều rộng mối hàn đạt (3÷5)d [5] Với đường kính que hàn thơng dụng lớn mm [5] biên độ dao động ngang lớn cho phép 30 mm 2.3 Kết thúc hồ quang Kết thúc hồ quang cách tăng dần chiều dài hồ quang sau dừng chuyển động khác que hàn Với chiều dài hồ quang tối đa 10 mm chiều dài hồ quang > 10 mm, hồ quang tắt 2.4 Các chuyển động mỏ hàn Để người học làm quen với dao động ngang (V3) ứng với phạm vi khác ta lựa chọn mức độ dao động ngang để người học lựa chọn: 2.4.1 Chuyển động dọc trục que hàn Đây chuyển động (V1) để trì chiều dài hồ quang ổn định Đây tốc độ cháy que hàn - Khơng có dao động ngang: V3 = 0; Tốc độ cháy que hàn phụ thuộc chủ yếu vào loại que hàn, đường kính que hàn, cường độ dòng điện hàn Qua tính tốn hàn thực nghiệm với que hàn thường dùng loại E6013 có đường kính 3,2 mm với giá trị cường độ dòng điện phạm vi cho phép 70÷130 [A] [4, 6-7] ta thấy tốc độ cháy que hàn sau: Với I = 70 A: V1 ≈ 15 [cm/phút]; Với I = 100 A: V1 ≈ 20 [cm/phút]; Với I = 130 A: V1 ≈ 30 [cm/phút] Để phù hợp với người bắt đầu học hàn ta lựa chọn tốc độ cháy que hàn ứng với mức tốc độ cháy sau: - Dao động ngang biên độ hẹp: V3 = 10 mm; - Dao động ngang biên độ rộng: V3 = 30 mm Chuyển động mỏ hàn thực theo nhiều cách phối hợp ba chuyển động [5] Đối với người học hàn ta lựa chọn dạng đơn giản dao động ngang dạng cưa [5] Trong trình hàn, phạm vi biên độ dao động ngang không nằm khoảng cho phép ±1 mm giá trị biên độ dao động ngang lựa chọn tính lỗi bám đường hàn - Tốc độ cháy chậm: V1 = 10 [cm/phút]; 2.5 Góc nghiêng que hàn - Tốc độ cháy trung bình: V1 = 15 [cm/phút]; Trong hàn thật, góc nghiêng que hàn xác định mặt phẳng vật hàn [4-8] Trong hàn ảo, ta quy ước góc nghiêng que hàn xác định mặt phẳng hình Hệ tọa độ OXY mặt phẳng hình có trục OX nằm ngang - Tốc độ cháy nhanh: V1 = 30 [cm/phút]; Để đánh giá thao tác chuyển động dọc trục que hàn người thực hành hàn hồ quang tay ảo ta 39 Tạp chí Khoa học Công nghệ 129 (2018) 038-042 hướng từ trái sang phải, trục OY thẳng đứng hướng từ lên Góc α góc que hàn với trục OX Góc β góc que hàn trục OY Khi góc nghiêng que hàn khơng nằm phạm vi cho phép loại mối hàn, tư hàn đề cập có thơng báo hình lỗi góc nghiêng que hàn để người học nhanh chóng tự điều chỉnh góc nghiêng cho phù hợp - Màn hình: Bộ phận hiển thị trao đổi thơng tin người học xử lý thông tin Các giao diện hình hỗ trợ cho người sử dụng Sau thực hành, hình thực hành cung cấp công cụ hỗ trợ giúp người học phân tích kết thực hành đồng thời biết sai sót mà họ mắc phải trình thực hành 2.5.1 Mối hàn giáp mối tư hàn sấp (1G) Màn hình tư nằm ngửa (Hình 1), hai phơi hàn vẽ nằm ngang hình Phạm vi cho phép α β: α=75º÷80º; β=90º±2o [5, 7-8] 2.5.2 Mối hàn góc tư hàn sấp (1F) Màn hình tư nằm ngửa, hai phôi hàn vẽ ngang vng góc với tạo với hình góc 45o Phạm vi cho phép α β: α=75º÷80º; β=90º±2o [7-8] Hình Máy hàn hồ quang ảo 2.5.3 Mối hàn giáp mối tư hàn ngang (2G) - Hệ thống camera: Bộ phận thu thập thông tin để truyền vào CPU xử lý Hệ thống camera thu thập vị trí góc nghiêng que hàn qua cho phép xác định thơng số vị trí hồ quang, chiều dài hồ quang, tốc độ hàn, biên độ dao động ngang, góc nghiêng que hàn, Ở hệ thống camera thiết bị cảm biến chuyển động 3D “Leap motion” có camera hồng ngoại Màn hình tư đứng (Hình 2), hai phơi hàn vẽ nằm ngang hình (Hình 7) Phạm vi cho phép α β: α=75º÷80º; β=95º÷100o [5-8] 2.5.4 Mối hàn góc tư hàn ngang (2F) Màn hình tư đứng, hai phơi hàn vng góc với vẽ nằm ngang hình vng góc với hình Phạm vi cho phép α β: α=75º÷80º; β=45º±2o [7-8] - Khung máy: Để đỡ tồn hệ thống thiết bị Đây khung bàn hàn Kích thước khung máy (dài x rộng x cao = 600x500x800 mm) thiết kế dựa kích thước bàn hàn chuẩn để đảm bảo thuận tiện thoải mái cho người học Để đảm bảo độ cứng vững, tính thấm mỹ giảm khối lượng vật liệu, khung giá đỡ hàn từ thép hộp vuông mạ kẽm kích thước 40x40x3 mm 2.5.5 Mối hàn giáp mối tư hàn đứng (3G) Màn hình tư đứng, hai phôi hàn vẽ nằm dọc hình Phạm vi α β: Hàn lên (3Gu): α=90º±2o; β=105÷110º [5-8]; Hàn xuống (3Gd): α=90º±2o; β=105÷110º [5-8] Mặt khung máy lắp mặt bàn gỗ vừa có tác dụng bảo vệ hình, che bụi cho phận máy không làm việc đồng thời dùng làm mặt bàn cho người học Mặt bàn thiết kế hai nửa gấp lại nhờ lề lắp lề với khung máy Khi làm việc, mặt bàn gấp đơi lật phía sau khung máy 2.5.6 Mối hàn góc tư hàn đứng (3F) Màn hình tư đứng, hai phôi hàn vẽ đứng vng góc với tạo với hình góc 45o Phạm vi cho phép α β: Hàn lên (3Fu): α=90º±2o; β=90º÷95º [6, 8]; Hàn xuống (3Fd): α=90º±2o; β=90º÷95º [8] - Khung hình: Đây phận để lắp đặt hình gắn hệ thống camera Để tăng tính thẩm mỹ giảm khối lượng vật liệu, khung hình làm thép hộp kích thước 10x6x1,5 mm, loại thép không gỉ Máy hàn hồ quang tay ảo Máy hàn hồ quang tay ảo (Hình 1) gồm phận sau: - Bộ lưu giữ xử lý thông tin (CPU) Đây nơi lưu giữ phần mềm điều khiển, xử lý truyền dẫn thơng tin sau thu nhận từ hình hệ thống camera Khi người học thực thao tác thực hành, thông tin lưu vào máy sau người học người dạy mở để kiểm tra kết thực hành - Cơ cấu nâng hạ hình: Để điều chỉnh chiều cao hình cho phù hợp với người học Sử dụng động không đồng pha nguồn AC 220V50Hz kết hợp với cấu bánh - để nâng hạ khung hình Sử dụng mạch điều khiển 40 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 038-042 dùng dòng 24V với rơ le điện từ để đảo chiều quay động Để kết cấu mỏ hàn gọn, tăng tính thẩm mỹ đảm bảo đầu mỏ hàn không bị nặng cân đối, động đặt tay cầm cần có trục truyền dài để truyền chuyển động cho bánh ma sát nằm đầu mỏ hàn Để điều khiển chiều chạy tốc độ chạy que hàn ứng với mức tốc độ khác ta sử dụng động bước pha 12V loại 28BYJ4812-300-01 điều khiển mạch điều khiển Modul ULN2003 (Hình 4) - Cơ cấu quay hình: Để xoay hình tư đứng nằm ngửa phù hợp với tư hàn khác Sử dụng động chiều DC 24V đảo chiều quay cách đổi cực dòng điện vào động cơ, kết hợp với cấu vít me – đai ốc để đẩy quay khung hình Cơ cấu nâng hạ xoay hình thiết kế đồng thời vừa nâng hạ vừa quay (Hình 2) Trong mạch điều khiển có rơ le hành trình để đảm độ xác độ an tồn cho hệ thống thiết bị Hình Mạch điều khiển động kéo que hàn - Tủ điều khiển: Chứa linh kiện mạch điều khiển động nâng hạ hình động quay hình, đổi dòng, Phần mềm hàn hồ quang ảo 4.1 Phần mềm hàn hồ quang tay ảo Sơ đồ thuật toán phần mềm hàn hồ quang tay ảo thể hình Hình Cơ cấu nâng hạ xoay hình - Mỏ hàn hồ quang tay ảo: Có cấu tạo cho người thực hành hàn ảo thực chuyển động (V1, V2 V3) hàn hồ quang tay thật Để thực chuyển động V2 V3 người thực hành hàn cần dịch chuyển theo chuyển động Khi hàn thật, hồ quang cháy làm đầu que hàn nóng chảy, làm tăng chiều dài hồ quang Để trì hồ quang, người thợ hàn phải có chuyển động V1 đưa que hàn xuống Trong hàn hồ quang tay ảo, que hàn khơng cháy nên để ngắn lại ta thiết kế phận kéo que hàn chạy ngược lại với hướng V1 với vận tốc tốc độ cháy que hàn V1 Để làm việc ta sử dụng cụm bánh ma sát gồm bánh chủ động hai bánh bị động để kẹp chặt, truyền chuyển động cho que hàn, vừa định hướng cho que hàn chuyển động thẳng (Hình 3) Hình Sơ đồ thuật tốn hàn hồ quang ảo Khi thực thực hành, phần mềm cho phép lựa chọn loại mối hàn thực (mối hàn giáp mối hay mối hàn góc), đến lựa chọn tư hàn (có tư hàn cho loại mối hàn: Tư hàn sấp, tư hàn ngang, tư hàn đứng bao gồm hàn đứng từ lên hàn đứng từ xuống) Sau phần mềm cho phép lựa chọn chế độ hàn, biên độ dao động ngang Tốc độ cháy que hàn lựa chọn thông qua nút bấm bảng mạch điều khiển Hình Mỏ hàn hồ quang tay ảo 41 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 038-042 tốc độ kéo que hàn Sau lựa chọn thơng số, cửa sổ hình hiển thị thông số lựa chọn để người học xem lại, hiệu chỉnh đồng ý bắt đầu hàn (Hình 6) Trong trình thực hành hàn góc bên trái hình hiển thị giá trị góc nghiêng để người học hiệu chỉnh tức 4.3 Hiển thị kết Sau kết thúc thực hành, phần mềm hiển thị kết thực hành hàn, đánh giá thông số như: Lỗi mồi hồ quang, lỗi mồi lại hồ quang, lỗi bám đường hàn (chính lỗi biên độ dao động ngang), lỗi chiều dài hồ quang, lỗi vận tốc hàn, lỗi góc nghiêng que hàn (Hình 8) Kết luận Máy hàn hồ quang tay ảo chế tạo cho phép: - Thực hành nhiều loại mối hàn khác với nhiều loại tư hàn khác Hình Cửa sổ hiển thị thơng số lựa chọn 4.2 Hiển thị trình hàn - Rèn luyện thao hàn hồ quang tay thật với mức độ từ dễ đến khó Khi lựa chọn bắt đầu hàn, hình hiển thị phôi hàn với loại mối hàn, tư hàn lựa chọn (Hình 7) để người học thực hành thực thao tác hàn với thông số lựa chọn Các chuyển động góc nghiêng que hàn nhận diện nhờ thiết bị “Leap motion” Leap motion thiết bị cảm biến chuyển động sử dụng camera đèn cảm ứng hồng ngoại để thu tín hiệu chiều với độ xác 0,01 mm với độ nhạy 200 lần so với thiết bị cảm biến có - Có cảm giác hàn thật, không bỡ ngỡ chuyển từ hàn ảo sang hàn thật - Nhờ hệ thống camera hình hiển thị tức thời mà theo dõi trực tiếp thao tác từ nhanh chóng hiệu chỉnh để hàn yêu cầu - Sau thực hành biết lỗi mắc phải từ rút kinh nghiệm cho thực hành tiếp Ngồi có ưu điểm gọn gàng, thuận lợi, dễ sử dụng, chi phí thấp References [1] Anh Quang, Bất cập chi phí đào tạo nghề, Báo Giáo dục Thời đại, Số 27/06 (2013) [2] Deanna Postethwaite, Community college welding program update, Welding Journal, AWS, April (2012) [3] Claude Choquet, ARC+ & ARC PC welding simulators: Teach welders with virtual interactive 3D technologies, 123 Certification Ins., Canada [4] Larry Jeffus, Welding: Principles and Applications, Fifth edition, Delmar Cengage Learning Publisher (2002) Hình Cửa sổ hiển thị thông số lựa chọn [5] Ngơ Lê Thơng, Cơng nghệ hàn điện nóng chảy, Tập 1: Cơ sở lý thuyết, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật (2004) [6] Gower A Kennedy, Welding Technology, 2nd edition, Glencoe Publishing Company, California (1982) [7] Raymond Sacks, Welding: Principles & Practices, Glencoe Publishing Company, California, USA (1981) [8] Nguyễn Tiến Dương, Nghiên cứu xác định phạm vi cho phép thông số điều khiển q trình hàn hồ quang tay ảo, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số (2014) 64-69 Hình Cửa sổ hiển thị kết thực hành 42 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 038-042 43 ... mềm hàn hồ quang ảo 4.1 Phần mềm hàn hồ quang tay ảo Sơ đồ thuật toán phần mềm hàn hồ quang tay ảo thể hình Hình Cơ cấu nâng hạ xoay hình - Mỏ hàn hồ quang tay ảo: Có cấu tạo cho người thực hành... hồ quang, lỗi mồi lại hồ quang, lỗi bám đường hàn (chính lỗi biên độ dao động ngang), lỗi chiều dài hồ quang, lỗi vận tốc hàn, lỗi góc nghiêng que hàn (Hình 8) Kết luận Máy hàn hồ quang tay ảo. .. tăng chiều dài hồ quang Để trì hồ quang, người thợ hàn phải có chuyển động V1 đưa que hàn xuống Trong hàn hồ quang tay ảo, que hàn không cháy nên để ngắn lại ta thiết kế phận kéo que hàn chạy ngược