Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống hàn Robot và quy trình chế tạo dầm lớn

Khám phá đồ án thiết kế hệ thống hàn tự động dầm lớn bằng robot. Bao gồm quy trình công nghệ chế tạo, thiết kế đồ gá và điều khiển PLC chi tiết.

• Tác giả: Trịnh Văn Luyến
• Người hướng dẫn: PGS. TS. Bùi Văn Hạnh
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Hàn Tự Động Dầm Kích Thước Lớn Bằng Robot Và Quy Trình Công Nghệ Chế Tạo Dầm
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống hàn tự động dầm lớn bằng Robot

Hệ thống hàn tự động dầm lớn bằng robot là giải pháp hiện đại trong lĩnh vực chế tạo kết cấu thép. Đây là một công nghệ hàn tiên tiến kết hợp robot công nghiệp với đồ gá xoay thông minh, được điều khiển bằng PLC (Programmable Logic Controller). Hệ thống này được phát triển để đáp ứng nhu cầu sản xuất dầm kích thước lớn với độ chính xác cao và hiệu suất tối ưu. Ứng dụng của robot hàn tự động không chỉ nâng cao chất lượng mối hàn mà còn giảm đáng kể thời gian sản xuất và chi phí nhân công. Công nghệ này đã trở thành xu hướng phát triển chủ đạo trong ngành cơ khí hiện đại, đặc biệt là trong lĩnh vực chế tạo kết cấu thép quy mô lớn.

1.1. Đặc điểm của công nghệ hàn robot hiện đại

Công nghệ hàn robot mang đến nhiều ưu điểm vượt trội: độ ổn định cao, khả năng lặp lại chính xác, giảm khuyết tật hàn, và tăng năng suất lao động. Robot hàn có thể làm việc liên tục, không bị ảnh hưởng bởi những yếu tố con người, đảm bảo chất lượng mối hàn đồng nhất cho mỗi sản phẩm.

1.2. Ứng dụng trong sản xuất dầm kích thước lớn

Dầm kích thước lớn yêu cầu quá trình hàn phức tạp với nhiều mối hàn dài. Hệ thống hàn tự động cho phép xử lý hiệu quả, giảm biến dạng, và đảm bảo độ bền cơ học của sản phẩm cuối cùng.

II. Thiết kế đồ gá hàn dầm bằng robot

Đồ gá hàn dầm là thành phần quan trọng trong hệ thống hàn tự động robot. Nó được thiết kế để định vị và giữ cố định dầm trong quá trình hàn, đảm bảo độ chính xác cao. Đồ gá bao gồm các cơ cấu chuyển động như xi-lanh thủy lực, động cơ giảm tốc, và hệ thống bánh răng. Thiết kế đồ gá xoay cho phép dầm xoay theo các hướng khác nhau, giúp robot hàn tiếp cận tất cả các mối hàn một cách dễ dàng. Vật liệu sử dụng chủ yếu là thép cấu trúc, được chế tạo bằng công nghệ hàn và gia công chính xác. Hệ thống này được điều khiển bằng PLC, cho phép tự động hóa toàn bộ quy trình vận hành.

2.1. Cơ cấu chuyển động và lựa chọn vật liệu

Cơ cấu chuyển động của đồ gá bao gồm xi-lanh thủy lực cung cấp lực ấn, động cơ giảm tốc điều khiển quay, và hệ thống bánh răng truyền lực. Vật liệu được chọn là thép cacbon có độ bền cao, phù hợp để chế tạo khung và các chi tiết chịu lực.

2.2. Ưu điểm của đồ gá xoay trong hàn tự động

Đồ gá xoay cho phép dầm xoay 360 độ, giúp robot hàn tiếp cận mọi vị trí mối hàn mà không cần thay đổi vị trí cố định. Điều này tăng hiệu suất sản xuất và giảm thời gian chu kỳ sản xuất.

III. Hệ thống điều khiển và quy trình hàn tự động

Hệ thống điều khiển PLC là trái tim của hệ thống hàn tự động dầm. PLC FX2N-48MR được lựa chọn để điều khiển toàn bộ quy trình hàn, bao gồm vận hành đồ gá, điều khiển robot, và giám sát các cảm biến. Quy trình hàn dầm lớn sử dụng công nghệ Tandem MIG hoặc FCAW, cho phép hàn với tốc độ cao và chất lượng ổn định. Chế độ hàn được tính toán dựa trên kích thước chi tiết, độ dày vật liệu, và vị trí mối hàn. Toàn bộ quá trình từ chế tạo phôi, hàn đính, đến hàn hoàn thiện được tự động hóa, giảm sai sót con người và đảm bảo chất lượng mối hàn.

3.1. Vai trò của PLC trong tự động hóa quy trình

PLC nhận tín hiệu từ cảm biến tiệm cận, công tắc nút nhấn, và điều khiển hoạt động của van điện tử, động cơ. Chương trình điều khiển được viết theo sơ đồ thuật toán, đảm bảo trình tự vận hành chính xác và an toàn.

3.2. Lựa chọn công nghệ hàn và vật liệu hàn

Công nghệ Tandem MIG được ưa chuộng cho hàn dầm lớn vì có năng suất cao và chất lượng tốt. Vật liệu hàn được chọn phù hợp với thành phần hóa học và cơ tính của dầm, đảm bảo độ bền liên kết hàn.

IV. Quy trình chế tạo và đảm bảo chất lượng dầm

Quy trình chế tạo dầm kích thước lớn bao gồm các giai đoạn chính: kiểm tra vật liệu, cắt chi tiết, hàn đính, hàn tự động, xử lý nhiệt, và kiểm tra chất lượng cuối cùng. Kiểm tra vật liệu ban đầu đảm bảo thành phần hóa học phù hợp. Cắt chi tiết được thực hiện bằng công nghệ cắt hiện đại để đảm bảo độ chính xác. Kỹ thuật xử lý trước hàn rất quan trọng, bao gồm làm sạch bề mặt, sơ tát, và điều chỉnh nhiệt độ. Sau hàn, sản phẩm trải qua xử lý nhiệt, kiểm tra bằng siêu âm hoặc tia X, và đánh giá cơ tính mối hàn. Toàn bộ quy trình được ghi chép chi tiết để đảm bảo tính truy xuất.

4.1. Các giai đoạn sản xuất dầm từ phôi đến thành phẩm

Quy trình bắt đầu từ chế tạo phôi (cắt, hàn đính các chi tiết), tiếp theo là hàn hoàn thiện bằng robot hàn tự động. Sau đó là xử lý nhiệt để loại bỏ ứng suất, cuối cùng là kiểm tra chất lượng và vận chuyển.

4.2. Biện pháp đảm bảo chất lượng mối hàn

Kiểm tra chất lượng hàn bao gồm kiểm tra ngoài quan (hình dạng mối hàn), kiểm tra bằng siêu âm (phát hiện khuyết tật bên trong), và kiểm tra cơ học (kéo, uốn). Kỹ thuật xử lý sau hàn giúp cải thiện tính chất của vùng ảnh hưởng nhiệt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỒ GÁ HÀN DẦM KÍCH THƯỚC LỚN 1. Tổng quan về thị trường kết cấu thép Thép là một trong hai loại vật liệu quan trọng nhất trong xây dựng ở Việt Nam hiện tại, cùng với vật liệu bê tông cốt thép. Đặc biệt trong các năm gần đây, việc sử dụng thép đã phát triển nhanh chóng, thay thế cho bê tông cốt thép (BTCT) trong phần lớn nhà xưởng, nhà nhịp lớn và nhiều công trình công cộng khác.

Cùng với đó có cầu thì cũng cần phải có cung, các nhà máy thép kết cấu đang có xu hướng phát triển phản ánh một cách tích cực đối với công nghệ sản xuất thép của nước ta hiện nay. Hiện tại, không dừng lại ở lĩnh vực công nghiệp cho nhà xưởng nhà máy sản xuất đơn thuần, thị trường nhà thép tiền chế còn khá phổ biến trong lĩnh vực dân dụng như nhà hàng, khách sạn, nhà ở dân dụng, các trung tâm dịch vụ công cộng: sân vận động, trạm thu phí, sân bay, trường học… Các hướng phát triển của kết cấu thép là: • Nhà tiền chế tiếp tục được sử dụng ngày càng nhiều ở các công trình xây dựng phục vụ cho ngành công nghiệp; • Kết cấu thép nhẹ, bao gồm kết cấu thành mỏng tạo hình nguội, kết cấu hợp kim nhôm, kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép và thép; • Các nhà thấp tầng trong các công trình dân dụng đang cũng đang có thế mạnh. • Kết cấu sử dụng thép ống, bao gồm cả kết cấu dàn không gian; • Kết cấu thép nhà cao tầng, trung tâm dịch vụ công cộng 14 GVHD: PGS. Bùi Văn Hạnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ BỘ MÔN HÀN & CN KIM LOẠI Tuy đang trong thời gian phát triển nhưng thời gian gần đây, giá thép thế giới đang tăng cao cùng với đó giá vật liệu và nhân công cũng bị kéo theo.

Nó đã đặt ra một thách thức mới cho các doanh nghiệp của nước ta, cần phải cải tiến công nghệ, tăng năng suất và giảm thiểu chi phí sản xuất. Cải tiến đồ gá – một bước ngoặt quan trọng Trong sản xuất ngày này, để tăng thêm tốc độ và năng suất làm việc, con người đã thiết kế ra các đồ gá để gá các sản phẩm theo một chuẩn nào đó, sao cho khi làm việc sẽ cho tốc độ nhanh nhất và dễ dàng nhất. Khi chúng ta cần gia công lắp ghép nhiều chi tiết lại với nhau. Yêu cầu độ chính xác của các sản phẩm là giống nhau.

Bắt buộc ta phải sử dụng các đồ gá để giảm sức lao động và tăng độ chính xác khi gia công các chi tiết. Đồ gá trong sản xuất thép kết cấu đã xuất hiện từ nhiều năm về trước nhưng chúng có đặc điểm chung là khá nhỏ, và còn thô sơ chỉ phù hợp với những sản phẩm nhỏ, nhẹ không quá phức tạp và có thể thao tác thủ công. Hình 1: Đồ gá dầm kích thước nhỏ Do nhu cầu của việc sản xuất những sản phẩm có kích thước và tải trọng lớn thì những đồ gá này không thể đáp ứng được. Vì vậy yêu cầu đặt ra là cần có những đồ gá lớn, cùng với khả năng tự động hóa có thể giúp trong việc xoay-lật dầm trở nên đơn giản và đạt năng xuất cao hơn.

Bùi Văn Hạnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ BỘ MÔN HÀN & CN KIM LOẠI Trên thế giới, loại đồ gá này đã xuất hiện từ nhiều năm trước, hỗ trợ rất nhiều trong quá trình sản xuất của các công ty sản xuất kết cấu thép. Hình 2: Đồ gá xoay lật dầm Beam-Master Ở Việt Nam cũng đã có những doanh nghiệp kết cấu thép đã trang bị loại đồ gá này cho nhà máy để phục vụ việc sản xuất, nhưng đa số có nguồn gốc từ Trung Quốc và hiện tại gặp rất nhiều vấn đề không thể sử dụng. Hình 3: Đồ gá dầm kích thước lớn tại Việt Nam 16 GVHD: PGS. Bùi Văn Hạnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ BỘ MÔN HÀN & CN KIM LOẠI Nhận thấy tầm quan trọng của đồ gá tự động và nhu cầu cao của thị trường kết cấu Miền Bắc, Công ty Công ty CP Nhà Khung thép và Thiết bị công nghiệp SEICO đã đặt vấn đề với PGS.TS Bùi Văn Hạnh nghiên cứu và phát triển cho thiết bị đồ gá này.

Dưới sự hướng dẫn và định hướng của thầy, nhóm tác giả đã cùng nhau lên phương án thiết kế và chế tạo thiết bị đồ gá này. Dưới đây là hình ảnh thực tế một sản phẩm đồ gá lật dầm của hãng KOBELCO (Nhật Bản), nhóm tác giả đã tham khảo và lên ý tưởng thiết kế để phù hợp với thị trường Việt Nam. Hình 4: Hệ thống xoay- lật dầm của hãng KOBELCO Hệ thống dầm mà nhóm tác giả đang thực hiện cũng dựa trên nguyên lý kẹp và xoay dầm để đưa dầm tới các vị trí có thể dễ dàng thực hiện các công việc hàn. Hệ thống có thể phù hợp với các loại dầm cỡ lớn, có chiều dài lên tới 12m và chiều cao lên tới 1m, theo kích thước tiêu chuẩn của các loại dầm phổ biến hiện nay trên thế giới.

Dưới đây là hình ảnh tổng quan về đồ gá dầm của nhóm tác giả, được thiết kế và dựng mô hình 3D dựa trên phần mềm Solid-works 17 GVHD: PGS. Bùi Văn Hạnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ BỘ MÔN HÀN & CN KIM LOẠI Hình 5: Ảnh tổng quát đồ gá lật dầm 18 GVHD: PGS. Bùi Văn Hạnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ BỘ MÔN HÀN & CN KIM LOẠI CHƯƠNG II. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHỌN VẬT LIỆU CƠ BẢN Sau khi tìm hiểu và lựa chọn tác giả quyết định chọn các cơ cấu chuyển động sau: 1.

Lựa chọn các cơ cấu chuyển động 1. Động cơ liền giảm tốc trục vít bánh vít Do chi tiết cần hàn là loại dầm to dài dùng đồ gá 2 bên để gá, không dùng động cơ servo mà dùng bộ truyền bánh răng và hộp giảm tốc trục vít bánh vít để đảm bảo có thể hãm được. Khi truyền chuyển động giữa hai trục thẳng góc với tỉ số giảm tốc lớn và tải trọng lớn, ta dùng cặp bánh vít – trục vít. Cơ cấu truyền động này rất gọn, truyền động ổn định và có tính tự hãm tốt Với sản phẩm đang thiết kế nhóm tác giả dùng hộp giảm tốc liền trục bởi sự dễ dàng khi lắp đặt đồng thời có sự chính xác cao, bôi trơn làm mát, hay bảo trì dễ dàng Hình 6: Động cơ liền trục giảm tốc trục vít – bánh vít 19 GVHD: PGS.

Bùi Văn Hạnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ BỘ MÔN HÀN & CN KIM LOẠI Nhóm tác giả quyết định chọn bộ truyền trục vít bánh vít để sử dụng truyền chuyển động cho cơ cấu xoay - lật dầm 1. Cơ cấu xi-lanh thủy lực Xi lanh thủy lực hay còn gọi là động cơ thủy lực tuyến tính đóng vai trò là thiết bị chấp hành quan trọng trong hệ thống thủy lực. Cụ thể, thiết bị này được dùng để chuyển đổi nguồn năng lượng của dầu, chất lỏng thủy lực thành động năng để có lực ở đầu cần, tác động nhằm thực hiện những nhiệm vụ như: kéo, đẩy, ép, nén, nghiền,. Ưu điểm của xi lanh thủy lực • Cấu tạo khá đơn giản, gọn gàng, thuận tiện cho việc kết nối các phụ kiện như: ống dẫn dầu, co nối,.và dễ dàng lắp đặt sử dụng cũng như sửa chữa khi có hỏng hóc.

• Cho tác động lực mạnh, nhanh và phù hợp với những hệ thống làm việc nặng nhọc, cho công suất lớn. • Trong những công trình xây dựng thì xi lanh thủy lực có khả năng ứng dụng đa dạng trong các máy móc. • Các loại xi lanh của hệ thống thủy lực khá đa dạng về kiểu dáng, mẫu mã, kích cỡ để khách hàng dễ dàng lựa chọn nhất. Bên cạnh đó xi lanh thủy lực giá bán cũng được phân thành nhiều khoảng khác nhau, đáp ứng mọi nhu cầu của người mua.

• Có thể kiểm soát được sự quá tải bằng việc lắp đặt van an toàn, rất phù hợp với những môi trường độc hại, tải trọng nặng, công suất cao và hoạt động liên tục. Do đó mà khách hàng thường yêu cầu xi lanh thủy lực mini hay xi lanh thủy lực cỡ lớn đều có độ chính xác gần như tuyệt đối. • Thiết bị có tuổi thọ cao, rất ít phát sinh hư hỏng tròn khi hoạt động, không đòi hỏi bảo dưỡng quá nhiều. • Không cần lo lắng về khối lượng của thiết bị bởi nó có thể giảm bớt khi người dùng thay đổi áp suất thủy lực.

• Có thể quan sát và theo dõi áp suất của dầu thủy lực trong hệ thống thông qua áp kế hoặc đồng hồ đo áp suất. Bùi Văn Hạnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ BỘ MÔN HÀN & CN KIM LOẠI Nhược điểm của xi lanh thủy lực • Do tính chất nén của dầu và tính đàn hồi của ống dẫn mà vận tốc tiến và lùi của xi lanh sẽ bị thay đổi khi phụ tải thay đổi. • Một số xi lanh của hệ thống sẽ bị giảm hiệu suất và phạm vi ứng dụng bởi sự rò rỉ và thất thoát của đường ống. • Trong khi mới khởi động, hệ thống chứa được ổn định nên thay đổi nhiệt độ làm cho độ nhớt của dầu cũng thay đổi theo làm cho độ chính xác khi tác động của xi lanh giảm đi đáng kể, sau đó sẽ ổn định lại.

Tham khảo phân loại của hãng Amech ta lựa chọn loại xi-lanh sau: + Loại: xi lanh tác dụng kép, dầu thủy lực có thể tác động cả 2 phía của piston. + Có giảm chấn: Giảm chấn được thiết kế ở cuối xi lanh có tác dụng như một van tiết lưu khi xi lanh chạy gần hết hành trình nhằm làm giảm tốc độ xi lanh hạn chế va đập. + Lắp hai đầu bi cầu (AMP) Hình 7: Xi-lanh thủy lực AMP 1. Bộ truyền bánh răng trụ, răng thẳng Hình 8: Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng 21 GVHD: PGS.

Bùi Văn Hạnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ BỘ MÔN HÀN & CN KIM LOẠI Truyền động bánh răng dùng để truyền động giữa các trục, thông thường có kèm theo sự thay đổi về trị số và chiều của vận tốc hoặc momen. Ưu điểm của bộ truyền là: • Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn • Tỉ số truyền không thay đổi • Hiệu suất cao, có thể đạt 0,97 – 0,99 • Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy. • Tuy nhiên truyền động bánh răng có các nhược điểm sau: • Chế tạo tương đối phức tạp • Đòi hỏi độ chính xác cao • Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn 1. Các chi tiết khác 1.