2. Thiết kế máy hàn Inverter một chiều điều khiển
2.11. Phần bảo vệ nhiệt
Để đảm bảo an toàn cho máy hàn trong mọi điều kiện làm việc không bị sự cố khi quá nhiệt, nhóm đề tài sử dụng loại cảm biến nhiệt độ dạng đặt mức cố định
tiếp điểm công tắc đã tích hợp sẵn thành modul, ở đây chúng tôi sử dụng 2 cảm
biến loại T90 để lắp cho biến áp và bóng bán dẫn IGBT, bảo đảm khi nhiệt độ v−ợt quá 800 máy sẽ ngừng hoạt động và cảnh báo quá nhiệt, lúc này ng−ời sử dụng phải đợi máy tự làm mát bằng gió rồi tắt nguồn và bật lại để máy làm việc tiếp.
2.12. Phần giao tiếp với máy tính.
Máy hàn của đề tài là sản phẩm vừa nghiên cứu, thử nghiệm, vừa từng b−ớc
hoàn chỉnh. Trong quá trình thử nghiệm và hoàn chỉnh này, phần mềm cho chíp vi điều khiển phải sửa đổi cả hàng chục lần. Nếu mỗi lần sửa đổi lại phải rút chíp ra khỏi bản mạch của nó, sau đó lại cắm lại thì dễ dẫn đến một vài chân cắm trong số 40 chân của chíp có thể bị gãy. Để tránh việc th−ờng xuyên phải rút ra, cắm vào này, nhóm đề tài đã thiết kế thêm mạch giao tiếp với máy tính qua cổng R–S232.
Hình 21. Mạch giao tiếp máy tính.
Cũng nhờ cổng giao tiếp này mà sau này khi cần cải tiến, thay đổi tính năng của máy hàn ta cũng có thể dễ dàng thực hiện. Lúc đấy chỉ cần một bộ dây cắm kết nối với cổng COM của máy tính, rồi qua máy tính ta có thể thay đổi toàn bộ ch−ơng trình phần mềm của chíp vi điều khiển mà không cần tháo chíp ra khỏi máy. Cổng kết nối đ−ợc thiết kế với tốc độ làm việc 19200 bit/s.
Ngoài ra để có thể nạp đ−ợc phần mềm ngay khi máy đang hoạt động, mạch
này còn đ−ợc thiết kế thêm một mạch Reset từ chân số 7 của cổng COM máy tính. Mạch này chỉ tốn 1 Tranzitor Q10 và 2 điện trở R48, R49.
R51 VDD S12 Reset Vpp C1+ 1 C2- 2 C1- 3 C3+ 4 C3- 5 C4- 6 Rx5 12 Tx5 11 Rx5 9 Tx5 10 Rx12 14 Tx12 13 Rx12 7 Tx12 8 VDD 16 GND 15 U7 MAX232 C26 10/16 C25 10/16 C23 10/16 C24 10/16 VDD 1 6 2 7 3 8 4 9 5 RS232 DB9 RX TX R48 1k R49 10k 1 1 2 2 D9 LED_PRO VDD Q10 C828
2.13. Mạch in.
Các mạch điện mang tính chất điều khiển và hiển thị đ−ợc thiết kế, chế tạo ở dạng mạch in. Có 4 bản mạch ( board mạch ) đ−ợc thiết kế ở dạng mạch in: mạch hiển thị và bàn phím, mạch điều khiển, mạch nắn cao tần, mạch vi xử lí. Mạch in vi xử lí gồm nhiều phần mạch: mạch ổn áp nguồn, mạch kết nối máy tính, mạch cảnh báo, mạch điều chế tín hiệu đo dòng.
Các mạch in này đ−ợc thiết kế và chế tạo bằng phíp thủy tinh, mạch đồng 2
lớp để thu gọn kích th−ớc và tăng c−ờng khả năng chống nứt,vỡ. Các lỗ để lắp chân linh kiện đ−ợc khoan sẵn và mạ xuyên lỗ. Bề mặt của bản mạch đ−ợc phủ lớp bảo vệ lắc xanh cách điện, lớp lắc này có tính chịu đ−ợc hoá chất và chịu nhiệt. Mặt lắp linh kiện đ−ợc in chữ vị trí các kinh kiện. Với thiết kế này mạch in chịu đ−ợc tốt các tác động khắc nghiệt của môi tr−ờng nh− nóng, ẩm, bụi, nhiễu công nghiệp… Mạch bằng phíp thủy tinh 2 lớp không bị cong vênh do độ ẩm cao và nhiệt độ thay đổi, việc mạ xuyên lỗ giúp mối hàn ở chân linh kiện ăn xuyên suốt 2 lớp phíp, nên rất chắc chắn, nhờ thế loại bỏ hẳn những hỏng hóc do long mối hàn ở chân linh kiện, là điều th−ờng xảy ra đối với mạch 1 lớp phíp không mạ xuyên lỗ.
2.14. Phần vỏ máy và khung gá linh kiện.
Trong máy hàn bộ phận nóng nhất cần làm mát c−ỡng bức là bộ nắn cao tần
rồi đến biến áp công suất fe-rit, tiếp theo là bộ nắn dòng đàu vào và đầu ra. Để luồng gió làm mát có thể làm mát tốt nhất các bộ phận này và chúng không gây cản trở khả năng đ−ợc làm mát của nhau, vỏ máy nơi đặt quạt nghiêng xuống 20o so với mặt phẳng thẳng đứng ( INV.160 – 01 – 00 ). Trên mặt đáy tính từ đằng sau lại là biến áp công suất fe-rit, rồi đến tấm tản nhiệt của bộ nắn cao tần, trên nó là các bóng bán dẫn IGBT cần làm mát, tiếp theo sau tấm tản nhiệt của IGBT là tấm tản nhiệt chung của các diot nắn dòng đầu vào và đầu ra. Tấm tản nhiệt của bộ nắn cao tần ở vị trí thẳng đứng trên chân đỡ cách mặt đáy 3 cm. Tấm tản nhiệt của các diot
nắn dòng lại nằm ngang các mặt đáy 1 cm. Nhờ góc nghiêng của quạt nên một nửa luồng gió từ quạt làm mát trực tiếp thổi lên tấm tản nhiệt, nửa kia lên biến áp fe-rit. Luồng gió theo chiều nghiêng sau khi làm mát biến áp và bộ nắn cao tần, luồn xuống d−ới tấm tản nhiệt của bộ nắn cao tần thổi vào tấm tản nhiệt của các diot nắn dòng. Hai bên vỏ máy và mặt tr−ớc nơi gần tấm tản nhiệt của các diot nắn dòng có các khe thông gió, để luồng gió sau khi làm mát bộ nắn dòng thì thoát ra ngoài. Mặt d−ới của máy đ−ợc gắn 4 chân cao su cao 3 cm, để tạo nên khe hở với mặt nền.
Tấm đáy của máy đ−ợc thiết kế nhiều lỗ nhỏ để dòng khí tự nhiên tham gia làm
mát máy bằng dòng đối l−u tự nhiên. ( Bản vẽ INV.160 – 01.00 ).
Do máy nhỏ, thấp, nên tầm nhìn của ng−ời thợ hàn luôn cao hơn mặt máy, để
cho ng−ời thợ nhìn thấy tốt màn hình hiển thị, thì mặt tr−ớc, nơi đặt màn hình hiển thị, nghiêng lên so với mặt thẳng đứng 20o. Tấm trần là nơi lắp các mạch in cùng biến áp nhỏ nuôi các vỉ mạch. Vỏ máy làm bằng tôn 1 mm, đ−ợc lắp ghép đơn giản nh−ng chắc chắn và đ−ợc sơn tĩnh điện.
3. Khảo nghiệm máy hàn
3.01. Máy hàn Inverter đ−ợc thiết kế, chế tạo.
Máy hàn đ−ợc chế tạo theo thiết kế riêng của nhóm đề tài, dựa vào các
nghiên cứu trên lí thuyết cũng nh− khảo sát các máy hàn Inverter đang đ−ợc sử dụng ở n−ớc ta. Máy đ−ợc chế tạo dùng để thực hiện công nghệ hàn que. Dòng hàn đ−ợc thiết kế theo chế độ hàn liên tục ( chu kì tải 100 % ) là 160 A, trong khi các loại máy hàn que nói chung th−ờng đ−ợc thiết kế với chế độ làm việc 40 – 60 %, nh− vậy nếu theo chế độ làm việc thông th−ờng này, máy hàn đ−ợc thiết kế có thể hàn với dòng lớn hơn 160 Am-pe đến 1,3 lần, tức là có thể hàn với que hàn lớn hơn so với yêu cầu.
Máy hàn sau khi đ−ợc chế tạo và hiệu chỉnh đã đ−ợc khảo nghiệm ở Trung Tâm Đào Tạo Viện Công Nghệ và Công ty TNHH Cơ khí và Xây dựng Chung Diện ở Từ Liêm Hà nội. Tại những nơi này đã có nhiều thợ hàn khác nhau sử dụng máy hàn, máy đã đ−ợc đ−a vào thực hiện các nhiệm vụ sản xuất của đơn vị, làm việc liên tục trong suốt ca sản xuất và đã đ−ợc đánh giá tốt. Khi hàn: mồi hồ quang dễ, hồ quang cháy êm, đều. Chất l−ợng mối hàn tốt: mối hàn ngấu, xung quang đ−ờng hàn ít có giọt kim loại bị bắn toé dính vào. Có thể hàn với que hàn có đ−ờng kính từ 2 đến 4 mm, với tất cả các que hàn: từ que hàn th−ờng ( E 6013 ), đến que hàn chịu lực cao ( E 7018 ). Máy nhỏ, nhẹ chỉ khoảng 14 kg nên việc di chuyển máy rất dễ dàng. Máy đ−ợc điều khiển bằng kỹ thuật số và có màn hình hiển thị nên việc cài đặt các thông số cho máy dễ dàng và chính xác. Máy có nhiều tiện ích phục vụ cho việc ngăn chặn các sự cố nh− khống chế quá tải, quá áp, quá nhiệt…
So sánh với các máy hàn que Inverter có ở n−ớc ta thì máy hàn của đề tài có tính năng cơ bản t−ơng đ−ơng. Máy hàn của đề tài ngoài nhiều chế độ hiển thị và cảnh báo còn có thêm 3 chế độ nhớ để l−u trữ thông tin. Việc tăng thêm các chế độ hiển thị, cảnh báo và bộ nhớ không đòi hỏi thêm nhiều vật t−, mà chủ yếu đòi hỏi ng−ời lập trình phần mềm cho chip vi điều khiển phải có kinh nghiệm và trình độ chuyên môn sâu…
Một số vật t− chủ chốt của máy hàn Inverter nh−: lõi fe-rit, bộ IGBT có tính năng phù hợp còn rất khó kiếm ở n−ớc ta, vì vậy chúng còn bị đội giá lên cao, nên ảnh h−ởng đến khả năng sản xuất và tính cạnh tranh. Nếu giải quyết đ−ợc việc sản xuất các vật t− này trong n−ớc, hoặc chí ít thì nhập khẩu với khối l−ợng lớn để cho giá rẻ, thì với thiết kế đã đ−ợc hoàn chỉnh, chúng tôi tin rằng máy hàn Inverter
3.02. H−ớng dẫn sử dụng máy hàn Inverter một chiều điều khiển kỹ thuật số,
đạt dòng hàn 160 A.
1. Máy dùng để thực hiện công nghệ hàn que với que hàn từ 2 đến 4 mm.
2. Nguồn điện cho máy là điện l−ới 1 pha, 220 V.
3. Khi hàn tùy vào công việc cụ thể mà có thể đấu mỏ hàn vào cực âm hay d−ơng của máy, còn bộ phận kẹp mát đấu vào cực còn lại.
4. Chức năng của 6 đèn báo ( hình 22 ): - Đèn “ Nguồn “: sáng khi máy có điện. - Đèn “ Hàn “: sáng khi đang hàn.
- Các đèn có số từ 1 đến 3: khi đèn nào sáng, nó cho biết ta đang làm việc với ch−ơng trình có số t−ơng ứng đ−ợc l−u trong bộ nhớ. Trong cùng một thời điểm chỉ 1 trong 3 đèn này sáng. Sau khi khởi động máy thì ch−ơng trình 1 đ−ợc thiết kế là mặc định nên tự động nạp vào phần cài đặt, sẵn sàng làm việc.
- Đèn “ Lỗi “: sáng khi có sự cố nh− quá dòng, quá nóng, quá điện áp… 5. Chức năng của 5 nút bấm ( hình 22 ):
- Nút “ “ và “ “ là 2 nút đặt chuyển chế độ theo chiều thuận và chiều nghịch của 9 chế độ cài đặt và hiển thị, mỗi lần bấm nhanh sẽ chuyển sang 1 chế độ mới, theo thứ tự đã sắp sẵn và theo chiều ta đã chọn. Sau đây là kí hiệu hiển thị chế độ trên màn hình theo đúng thứ tự xuất hiện theo chiều thuận ( chiều mũi tên chỉ xuống):
+ “ I. H … “: dòng hàn đặt, con số chỉ dòng hàn hiện lên ở 3 LED cuối. Trong chế độ này ta có thể cài đặt, thay đổi các con số dòng hàn ta muốn hàn, bằng cách bấm vào nút “ + “ hoặc “ – “. Nút “ + “ là tăng, nút “ – “ là giảm . Mỗi lần bấm nhanh thì thay đổi 1A, bấm đè thì thay đổi liên tục với tốc độ 30A/ s, ( hình 6 )
+ “ I. H.d … “ : dòng hàn đo đ−ợc thực tế trong khi đang hàn. Trong chế độ này ta đọc đ−ợc dòng điện thực tế đang hàn. Vì là dòng đo đ−ợc nên lúc này khi bấm 2 nút “ + “ hoặc “ – “ đều không có tác dụng, ( hình 7 ).
+ “ VoLd … “ : điện áp hàn đo đ−ợc trong khi đang hàn ( hình 8 ). + “ FAN… “ : dòng điện khi quạt làm mát chạy. Trong chế độ này ta có thể đặt dòng hàn tối thiểu mà quạt làm mát phải chạy, nếu ta hàn với dòng nhỏ hơn thì quạt không chạy. Khi ngừng hàn hoặc khi dòng điện hàn hạ xuống d−ới mức đã đặt, quạt vẫn chạy tiếp thêm 2 phút rồi
nguồn Hàn 1 2 3 lỗi luu, Màn hình hiển thị Các đèn báo Các phím bấm Các cực lấy điện hàn Hình 22. Mặt tr−ớc máy hàn.
+ “ Vol … “ : đo điện áp nguồn. Màn hình hiển thị điện áp của nguồn ( hình 10 ).
+ “ ErVo. - … “ : đặt khống chế điện áp mức cao. Trong chế độ này ta sẽ đặt mức điện áp cao nhất mà máy còn đ−ợc phép làm việc ( hình 11 ). + “ ErVo. – … “ : đặt khống chế điện áp mức thấp. Trong chế độ này ta sẽ đặt mức điện áp thấp nhất mà máy còn đ−ợc phép làm việc ( hình 12 ).
+ “ Er. IH … “ : đặt khống chế dòng hàn mức cao. Trong chế độ này ta sẽ đặt mức dòng hàn cao nhất mà máy còn đ−ợc phép làm việc ( hình 13 ).
Sau khi đã đặt 3 chế độ khống chế này, nếu khi hàn xuất hiện 1 trong 3 mức đã nêu thì máy sẽ tự động phát tín hiệu cảnh báo t−ơng ứng trên màn hình kèm theo tín hiệu âm thanh tít tít liên tục và ngắt dòng hàn. + “ Er. To … “ : đặt sử dụng hay không sử dụng chế độ ngừng máy khi bị quá nhiệt. Trong chế độ này, phần bên phải màn hình xuất hiện chữ “ OFF “ khi nhấn nút “ – “, chữ “ ON “ khi nhấn nút “ + “. Nếu ta muốn máy dừng khi quá nhiệt thì cho hiện chữ “ ON “, còn nếu ta vẫn muốn tiếp tục hàn thì cho hiện chữ “ OFF “, bằng cách này lúc cần thiết ng−ời thợ có thể cố hoàn thành nốt khi công việc còn ít, vì máy đ−ợc đặt cảnh báo nhiệt sớm ( hình 14 ).
- Nút “ – “ : giảm các thông số của chức năng đang hiển thị (trừ giá trị đo đ−ợc ).
- Nút “ + “ : tăng các thông số của chức năng đang hiển thị ( trừ giá trị đo đ−ợc ).
Hai nút tăng, giảm này mỗi lần bấm sẽ thay đổi 1 đơn vị ( đơn vị của dòng là 1A , đơn vị của điện áp là 1V ). Nếu nhấn đè quá 2 giây thì số sẽ thay đổi liên tục với tốc độ 30 đơn vị/ giây.
- Nút “ L−u “ : l−u lại thông số của chức năng đ−ợc cài đặt đang hiển thị trên màn hình vào bộ nhớ, thông số này đ−ợc l−u cho đến khi nạp thông số mới, kể cả khi bị mất điện vẫn không mất. Máy cũng tự động l−u các thông số đ−ợc nạp sau cùng, nếu trong 10 giây không nạp thông số thay thế. Lúc bấm nút l−u, nếu đèn có kí hiệu bằng con số nào đang sáng thì
đè quá 2 giây là chuyển ch−ơng trình theo thứ tự: 1, 2, 3, rồi trở lại 1. Việc chuyển ch−ơng trình chỉ thực hiện đ−ợc khi màn hình đang ở chế độ dòng hàn đặt.
Màn hình hiển thị dòng hàn đặt là màn hình chính, nên nếu sau 15 giây mà ta không nạp thông số gì, thì màn hình tự động chuyển về màn hình dòng hàn đặt ( “ I. H … “ ).
Ngoài ra màn hình còn đ−ợc thiết kế 4 chế độ cảnh báo, đ−ợc hiển thị tự động khi xuất hiện các tr−ờng hợp có hại cho máy, cụ thể:
+ “ OVErLOAd “ : tín hiệu cảnh báo sự cố kèm theo tín hiệu âm thanh tít tít liên tục và ngắt dòng hàn. Giải quyết sự cố xong phải tắt máy rồi khởi động lại. Tín hiệu cảnh báo này xuất hiện khi dòng hàn v−ợt mức giới hạn đã đặt ( hình 13 ).
+ “ Erro to “ : cảnh báo quá nhiệt kèm theo tín hiệu âm thanh tít tít liên tục , lúc này máy có ngắt dòng điện hàn hay không là do chế độ “ Er.To…..” đặt “ ON “ hay “OFF“. Tr−ờng hợp ta hàn với dòng điện nhỏ hơn mức đặt cho quạt chạy nh−ng máy vẫn nóng lên đến mức cảnh báo, thì cùng với tín hiệu cảnh báo quá nhiệt, quạt sẽ tự động chạy trong 2 phút để làm mát ( hình 14 ).
+ “ Err – VOL “ : cảnh báo quá áp kèm theo tín hiệu âm thanh tít tít liên tục và ngắt dòng hàn. Tín hiệu cảnh báo này xuất hiện khi điện áp nguồn v−ợt quá mức điện áp cao đã đặt ( hình 15 ).
+ “ Err__VOL “: cảnh báo thấp áp kèm theo tín hiệu âm thanh tít tít liên tục và ngắt dòng hàn. Tín hiệu cảnh báo này xuất hiện khi điện áp nguồn xuống quá mức điện áp thấp đã đặt ( hình 16 ).
3.03. Các thông số cơ bản của máy hàn:
Điện áp đầu vào 220 V, 1 pha ( AC ).
Kiểu thiết kế cơ bản Inverter, điều khiển kỹ thuật số
Ph−ơng pháp điều khiển
dòng điện hàn
