Đồ án HCMUTE: Nghiên cứu và Chế tạo Máy Hàn Cell Pin Tự Động
Trường đại học
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí MinhChuyên ngành
Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện TửNgười đăng
Ẩn danhThể loại
Đồ án tốt nghiệp2023
145
0
0
Phí lưu trữ
30.000 VNĐMục lục chi tiết
Tóm tắt
I. Khám phá dự án Máy Hàn Cell Pin HCMUTE đột phá nhất
Dự án Máy Hàn Cell Pin HCMUTE là một công trình nghiên cứu khoa học sinh viên tiêu biểu, thể hiện sự sáng tạo và năng lực kỹ thuật của sinh viên Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Đề tài này không chỉ là một đồ án tốt nghiệp Sư phạm Kỹ thuật thông thường mà còn là một giải pháp thực tiễn, giải quyết các vấn đề tồn tại trong quy trình đóng pin lithium-ion hiện nay. Sản phẩm tập trung vào việc tự động hóa quá trình hàn điểm, một công đoạn quan trọng quyết định đến chất lượng, hiệu suất và độ bền của các khối pin. Thay vì các phương pháp thủ công hoặc bán tự động, máy hàn này được thiết kế với cơ cấu 3 trục (X, Y, Z) điều khiển CNC, cho phép định vị và thực hiện mối hàn một cách chính xác, đồng đều và nhanh chóng. Nghiên cứu này mở ra một hướng đi mới cho việc chế tạo thiết bị chuyên dụng tại Việt Nam, giảm sự phụ thuộc vào các máy móc nhập khẩu đắt đỏ và phức tạp. Bằng cách kết hợp kiến thức cơ điện tử, lập trình và cơ khí chính xác, nhóm sinh viên đã tạo ra một sản phẩm hoàn chỉnh, từ khâu lên ý tưởng, thiết kế, lựa chọn linh kiện, gia công, lắp ráp cho đến thử nghiệm và đánh giá. Đây là minh chứng cho chất lượng đào tạo và khả năng ứng dụng kiến thức vào thực tiễn của sinh viên HCMUTE.
1.1. Tầm quan trọng của kỹ thuật hàn cell pin hiện đại
Trong bối cảnh bùng nổ của xe điện, thiết bị lưu trữ năng lượng và các thiết bị điện tử di động, nhu cầu đóng pin lithium-ion chất lượng cao ngày càng tăng. Kỹ thuật hàn cell pin chính là công đoạn cốt lõi, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ an toàn của khối pin. Một mối hàn kém chất lượng có thể gây ra điện trở nội cao, làm giảm hiệu suất sạc xả, gây nóng và thậm chí dẫn đến nguy cơ cháy nổ. Do đó, việc sở hữu một máy hàn điểm cell pin chính xác, ổn định là yêu cầu cấp thiết. Các phương pháp hàn thủ công không còn đáp ứng được yêu cầu về năng suất và độ đồng đều. Máy hàn tự động, như dự án này, đảm bảo mỗi mối hàn có cùng một lực ép, thời gian và dòng điện, từ đó tạo ra các khối pin có chất lượng đồng nhất và đáng tin cậy. Công nghệ này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu lỗi do con người và nâng cao tính cạnh tranh cho các doanh nghiệp sản xuất pin trong nước.
1.2. Tổng quan đồ án tốt nghiệp Sư phạm Kỹ thuật ấn tượng
Đồ án "Nghiên cứu và Chế tạo Máy Hàn Cell Pin" của nhóm sinh viên Lê Khắc Đỉnh, Phạm Văn Thiệu, và Nguyễn Đức Duy là một công trình nghiên cứu toàn diện. Mục tiêu của đồ án không chỉ dừng lại ở việc chế máy hàn điểm mà còn hướng tới việc tạo ra một hệ thống tự động hoàn toàn. Dựa trên các tài liệu và nghiên cứu trước đó, đề tài xác định rõ các yêu cầu kỹ thuật: khả năng hàn các loại pin phổ biến như pin 18650, 26650, 32650; công suất khoảng 1800W; sử dụng nguồn điện 220V và cơ cấu truyền động 3 trục X, Y, Z. Quá trình thực hiện bao gồm các bước: tìm hiểu thị trường, thiết kế cơ khí 3D, thiết kế hệ thống điện, lập trình điều khiển và chế tạo cơ cấu cấp phôi. Sản phẩm cuối cùng không chỉ là một báo cáo khoa học mà còn là một chiếc máy hàn cell pin hoạt động hiệu quả, chứng minh năng lực ứng dụng của sinh viên từ lý thuyết đến thực tiễn.
II. Thách thức khi chế máy hàn điểm và các giải pháp an toàn
Việc chế máy hàn điểm không chỉ đơn thuần là lắp ráp các linh kiện điện tử, mà còn là một quá trình đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Một trong những khó khăn lớn nhất là kiểm soát năng lượng hàn. Cần phải tạo ra một dòng điện cực lớn (hàng trăm đến hàng nghìn Ampe) trong một khoảng thời gian cực ngắn (vài mili giây) để làm nóng chảy kẽm hàn mà không gây hư hại cho cell pin. Thêm vào đó, việc đảm bảo tính nhất quán của các mối hàn trên một quy mô lớn đòi hỏi một hệ thống cơ khí chính xác và một mạch điều khiển máy hàn cell pin thông minh. Theo tài liệu nghiên cứu, nhóm sinh viên đã phải giải quyết các bài toán về lựa chọn biến áp lò vi sóng phù hợp, thiết kế cơ cấu cơ khí vững chắc để chịu được lực ép và chuyển động liên tục. Hơn nữa, vấn đề an toàn khi hàn pin lithium là ưu tiên hàng đầu. Pin lithium-ion rất nhạy cảm với nhiệt độ và các tác động vật lý, do đó quá trình hàn cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh nguy cơ ngắn mạch hoặc quá nhiệt, có thể dẫn đến cháy nổ. Dự án Máy Hàn Cell Pin HCMUTE đã đề xuất các giải pháp hiệu quả cho những thách thức này.
2.1. Hạn chế của các loại máy hàn và DIY spot welder
Trên thị trường có nhiều loại máy hàn cell pin, từ các mẫu thương mại như SUNKKO, LITH-IP-5000A đến các dự án DIY spot welder (tự chế). Tuy nhiên, mỗi loại đều có những hạn chế nhất định. Các máy thương mại giá rẻ thường là loại bán tự động, yêu cầu người vận hành phải tự tay định vị từng cell pin và kích hoạt hàn bằng tay hoặc bàn đạp. Quá trình này tốn nhiều thời gian, phụ thuộc vào kỹ năng của người thợ và khó đảm bảo sự đồng đều. Trong khi đó, các dự án DIY spot welder thường tập trung vào mạch tạo xung hàn mà bỏ qua hệ thống cơ khí chính xác, dẫn đến lực ép không đều và vị trí hàn không nhất quán. Đồ án này nhận thấy rõ những tồn tại đó và đặt mục tiêu khắc phục bằng cách tự động hóa hoàn toàn cả khâu định vị và khâu hàn, tạo ra một giải pháp vượt trội hơn hẳn.
2.2. Phân tích nguyên lý hoạt động máy hàn điểm an toàn
Nguyên lý hoạt động máy hàn điểm dựa trên hiệu ứng Joule-Lenz: khi một dòng điện rất lớn chạy qua một điện trở nhỏ (tại điểm tiếp xúc giữa hai kim hàn và kẽm hàn), một lượng nhiệt lớn sẽ được sinh ra trong thời gian cực ngắn, làm nóng chảy kim loại và tạo thành mối hàn. Để đảm bảo an toàn khi hàn pin lithium, hệ thống cần kiểm soát chính xác hai yếu tố: thời gian phóng điện và cường độ dòng điện. Đồ án của sinh viên HCMUTE sử dụng SSR (Solid State Relay) để đóng ngắt dòng điện xoay chiều vào cuộn sơ cấp của biến áp. SSR cho phép điều khiển thời gian với độ chính xác cao (đến mili giây), tránh hiện tượng hồ quang và đảm bảo an toàn. Hơn nữa, việc thiết kế cơ cấu cơ khí vững chắc giúp kim hàn tiếp xúc tốt, tránh tia lửa điện và đảm bảo toàn bộ năng lượng được tập trung vào việc tạo mối hàn, giảm thiểu nhiệt lượng truyền vào bên trong cell pin.
III. Phương pháp thiết kế cơ khí máy hàn pin 18650 tối ưu
Thiết kế cơ khí là xương sống của Máy Hàn Cell Pin HCMUTE, quyết định độ chính xác, tốc độ và độ ổn định của toàn bộ hệ thống. Thay vì sử dụng các cơ cấu thủ công, dự án này áp dụng phương pháp thiết kế máy CNC 3 trục. Mục tiêu là tạo ra một khung máy cứng vững, không bị rung động trong quá trình hoạt động, cùng với hệ thống truyền động có khả năng định vị kim hàn với sai số cực nhỏ. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng và tính toán kỹ lưỡng trên phần mềm Solidworks trước khi gia công. Các lựa chọn về vật liệu, kết cấu khung, và các thành phần truyền động đều được cân nhắc để đạt hiệu suất cao nhất với chi phí hợp lý. Cụ thể, hệ thống cơ khí phải đáp ứng các yêu cầu: di chuyển mượt mà trên cả 3 trục X, Y, Z; có khả năng giữ chặt khối pin lớn (lên đến 60 cell pin 18650); và cơ cấu trục Z phải tạo ra một lực ép đồng đều, ổn định tại mọi điểm hàn. Đây là một bước tiến quan trọng so với các hướng dẫn làm máy hàn cell pin thông thường, vốn chỉ tập trung vào phần điện tử mà thiếu đi sự đầu tư vào cơ khí chính xác.
3.1. Lựa chọn hệ thống truyền động vitme và ray trượt vuông
Để đạt được độ chính xác cao, hệ thống truyền động là yếu tố then chốt. Đồ án đã lựa chọn kết hợp giữa thanh ray trượt vuông và cơ cấu truyền động vitme-đai ốc bi. Thanh ray trượt vuông có ưu điểm là độ cứng vững cao, khả năng chịu tải lớn và ma sát thấp, đảm bảo các trục X và Y di chuyển thẳng và ổn định. Trong khi đó, vitme đai ốc bi biến chuyển động quay từ động cơ bước thành chuyển động tịnh tiến với độ chính xác vượt trội và gần như không có độ rơ (backlash). Sự kết hợp này thường thấy trong các máy CNC công nghiệp và được áp dụng vào đồ án máy hàn điểm này để đảm bảo kim hàn có thể di chuyển đến đúng tọa độ đã lập trình với sai số rất nhỏ. Việc tính toán và lựa chọn kích thước ray trượt, bước vitme và động cơ phù hợp được trình bày chi tiết trong báo cáo, cho thấy sự nghiêm túc trong nghiên cứu và thiết kế.
3.2. Thiết kế cơ cấu trục Z và bộ gá phôi cell pin linh hoạt
Cơ cấu trục Z đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra lực ép cần thiết cho mối hàn. Trục Z cũng được điều khiển bằng động cơ bước và vitme, cho phép lập trình được hành trình lên xuống và lực ép một cách chính xác. Thiết kế này ưu việt hơn hẳn cơ cấu dùng tay, lò xo hay khí nén vì nó đảm bảo lực ép không đổi trong suốt quá trình hàn hàng loạt. Bên cạnh đó, bộ gá phôi (bàn làm việc) được thiết kế thông minh, có thể chứa tối đa 60 cell pin (sắp xếp 10x6) và cố định chúng chắc chắn. Thiết kế này không chỉ tối ưu cho việc đóng pin lithium-ion loại 18650 mà còn có thể dễ dàng tùy chỉnh cho các loại pin khác như 26650, 32650. Sự linh hoạt này làm tăng tính ứng dụng thực tiễn của máy, đáp ứng đa dạng nhu cầu sản xuất.
IV. Hướng dẫn làm máy hàn cell pin Mạch điện Điều khiển
Phần hồn của Máy Hàn Cell Pin HCMUTE nằm ở hệ thống điện và điều khiển. Đây là nơi kết hợp giữa sức mạnh của dòng điện cao thế và sự thông minh của vi điều khiển để tạo ra những mối hàn hoàn hảo. Hệ thống được chia thành hai khối chính: khối công suất (khối hàn) và khối điều khiển. Khối công suất có nhiệm vụ biến đổi điện áp 220V thành một dòng điện cực lớn ở điện áp thấp để thực hiện việc hàn. Khối điều khiển, với trung tâm là board mạch Arduino Mega 2560, có nhiệm vụ nhận lệnh từ người dùng, điều khiển chuyển động của các động cơ bước để di chuyển đầu hàn đến đúng vị trí, và kích hoạt khối công suất để tạo ra xung hàn với thời gian chính xác. Toàn bộ hướng dẫn làm máy hàn cell pin trong đồ án này đều nhấn mạnh sự tích hợp chặt chẽ giữa hai khối này để đảm bảo máy hoạt động một cách đồng bộ, chính xác và an toàn. Sự thành công của dự án phụ thuộc lớn vào việc thiết kế và lập trình mạch điều khiển này.
4.1. Xây dựng mạch công suất từ biến áp lò vi sóng
Để tạo ra dòng hàn lớn với chi phí thấp, giải pháp tận dụng biến áp lò vi sóng được xem là tối ưu và được nhiều dự án DIY spot welder áp dụng. Biến áp nguyên bản được tháo bỏ cuộn thứ cấp (khoảng 2000V) và thay thế bằng vài vòng dây đồng tiết diện lớn. Theo tính toán trong đồ án, việc này sẽ tạo ra một điện áp thấp (khoảng 2-4V) nhưng dòng điện có thể lên tới hàng nghìn Ampe. Để điều khiển dòng điện sơ cấp 220V, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một SSR (Solid State Relay). SSR được kích hoạt bởi tín hiệu từ vi điều khiển, cho phép đóng/cắt nguồn điện một cách chính xác theo đơn vị mili giây. Đây là giải pháp an toàn và hiệu quả hơn so với rơ le cơ khí truyền thống, giúp tạo ra các xung hàn ổn định và có thể điều chỉnh được.
4.2. Lập trình mạch điều khiển máy hàn cell pin với Arduino
Mạch điều khiển máy hàn cell pin được xây dựng xung quanh vi điều khiển Arduino Mega 2560. Board mạch này có đủ số chân I/O để điều khiển đồng thời 3 driver động cơ bước TB6600 cho các trục X, Y, Z, đọc tín hiệu từ các công tắc hành trình, và giao tiếp với màn hình LCD qua module giao tiếp I2C. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C/C++ trên nền tảng Arduino IDE. Lưu đồ thuật toán được thiết kế rõ ràng, bao gồm các chế độ hoạt động: AUTO (tự động hàn theo thông số cài đặt) và MANUAL (điều khiển bằng tay để cài đặt và kiểm tra). Người dùng có thể thiết lập các thông số như số lượng cell pin, khoảng cách giữa các cell, số mối hàn trên mỗi cực, và thời gian hàn thông qua các nút nhấn và hiển thị trên màn hình LCD. Điều này mang lại sự linh hoạt và giao diện thân thiện cho người vận hành.
V. Đánh giá kết quả thực nghiệm máy hàn điểm từ đồ án
Một đồ án máy hàn điểm chỉ thực sự thành công khi kết quả thực nghiệm chứng minh được tính hiệu quả và độ tin cậy của thiết kế. Nhóm sinh viên HCMUTE đã tiến hành một loạt các thử nghiệm chi tiết để đánh giá chất lượng mối hàn và hiệu suất hoạt động của máy. Quá trình thực nghiệm được thực hiện một cách khoa học, với các tiêu chí đánh giá rõ ràng và các thông số được ghi lại cẩn thận. Các thử nghiệm tập trung vào việc tìm ra thông số hàn tối ưu (thời gian hàn) cho các loại kẽm hàn có độ dày khác nhau (0.1mm, 0.2mm, 0.3mm). Ngoài ra, hiệu suất về thời gian hoàn thành một khối pin cũng được so sánh với các phương pháp hàn thủ công và các máy trong nước. Kết quả thu được không chỉ khẳng định khả năng hoạt động của Máy Hàn Cell Pin HCMUTE mà còn cung cấp những dữ liệu quý giá cho các nghiên cứu và phát triển trong tương lai. Đây là phần quan trọng nhất, biến một sản phẩm từ phòng thí nghiệm thành một giải pháp có tiềm năng ứng dụng cao trong thực tế.
5.1. Phân tích chất lượng mối hàn theo tiêu chí trực quan
Chất lượng mối hàn là yếu tố quyết định hàng đầu. Báo cáo đã xây dựng một bảng tiêu chí đánh giá chất lượng mối hàn theo 5 cấp độ, từ cấp 1 (kẽm và pin không dính vào nhau) đến cấp 5 (mối hàn chắc chắn, khi dùng kìm tách mạnh sẽ làm rách kẽm hàn). Các thí nghiệm được tiến hành bằng cách hàn các mẫu kẽm có độ dày 0.1mm, 0.2mm và 0.3mm với các khoảng thời gian hàn khác nhau (từ 10ms đến 50ms). Kết quả cho thấy, với mỗi độ dày kẽm, có một khoảng thời gian hàn tối ưu để đạt được mối hàn cấp 5. Ví dụ, với kẽm 0.15mm, thời gian hàn tối ưu là 30-40ms. Những dữ liệu này cho phép người dùng dễ dàng cài đặt thông số phù hợp cho vật liệu của mình, đảm bảo chất lượng kỹ thuật hàn cell pin.
5.2. So sánh hiệu suất và thời gian hàn thực tế của máy
Hiệu suất của máy được đánh giá dựa trên thời gian cần thiết để hoàn thành việc hàn một khối pin tiêu chuẩn (ví dụ: 60 viên). Báo cáo đã lập các bảng so sánh chi tiết thời gian hàn của Máy Hàn Cell Pin HCMUTE so với các máy hàn trong nước khi thực hiện 1, 2 hoặc 3 mối hàn trên mỗi đầu cell. Kết quả cho thấy máy hàn 3 trục tự động có tốc độ vượt trội. Ví dụ, để hàn khối 60 pin với 2 mối hàn/cực, máy chỉ mất khoảng 6 phút, trong khi các phương pháp thủ công có thể mất hàng chục phút và chất lượng không đồng đều. Tốc độ cao và tính nhất quán là những ưu điểm cạnh tranh lớn, chứng tỏ tiềm năng ứng dụng của máy trong các xưởng sản xuất quy mô vừa và nhỏ.
VI. Kết luận đồ án máy hàn điểm và hướng phát triển tương lai
Dự án Nghiên cứu và Chế tạo Máy Hàn Cell Pin của sinh viên trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã đạt được những thành công đáng ghi nhận. Sản phẩm không chỉ hoàn thành mục tiêu của một đồ án tốt nghiệp mà còn mở ra một giải pháp công nghệ tiềm năng cho ngành công nghiệp phụ trợ tại Việt Nam. Bằng việc tích hợp hệ thống cơ khí chính xác 3 trục, mạch công suất hiệu quả và bộ điều khiển thông minh, chiếc máy đã giải quyết được các nhược điểm cố hữu của phương pháp hàn thủ công và các máy bán tự động trên thị trường. Máy có khả năng tạo ra các mối hàn chất lượng cao, đồng đều với tốc độ nhanh, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng của quá trình đóng pin lithium-ion. Thành công của đồ án máy hàn điểm này là nền tảng vững chắc, khẳng định năng lực nghiên cứu và sáng tạo của sinh viên, đồng thời gợi mở nhiều hướng phát triển, cải tiến trong tương lai để hoàn thiện sản phẩm hơn nữa.
6.1. Tóm tắt những thành tựu chính của dự án nghiên cứu
Dự án đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một máy hàn điểm cell pin tự động 3 trục. Các thành tựu chính bao gồm: (1) Xây dựng thành công mô hình cơ khí chính xác sử dụng ray trượt vuông và vitme bi. (2) Thiết kế và chế tạo mạch công suất mạnh mẽ, an toàn từ biến áp lò vi sóng và SSR. (3) Lập trình thành công mạch điều khiển máy hàn cell pin với giao diện người dùng thân thiện trên nền tảng Arduino. (4) Thực nghiệm và xác định được các thông số hàn tối ưu cho nhiều loại vật liệu. (5) Chứng minh được hiệu suất vượt trội về tốc độ và tính nhất quán so với các phương pháp hiện có. Công trình nghiên cứu khoa học sinh viên này đã hoàn thành xuất sắc các nhiệm vụ đề ra và có giá trị khoa học cũng như thực tiễn cao.
6.2. Đề xuất các hướng cải tiến và phát triển sản phẩm
Để sản phẩm có thể thương mại hóa và cạnh tranh tốt hơn, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một số hướng phát triển trong tương lai. Thứ nhất, cải tiến cơ cấu cấp phôi tự động để giảm thời gian gá đặt pin thủ công. Thứ hai, nghiên cứu tích hợp hệ thống kiểm tra chất lượng mối hàn tự động bằng camera hoặc cảm biến đo điện trở để loại bỏ các sản phẩm lỗi ngay trên dây chuyền. Thứ ba, nâng cấp phần mềm điều khiển với giao diện đồ họa trên máy tính, cho phép người dùng thiết kế các layout pin phức tạp và lưu lại các cấu hình hàn một cách dễ dàng. Cuối cùng, có thể nghiên cứu các công nghệ hàn tiên tiến hơn như hàn laser để áp dụng cho các loại cell pin và vật liệu đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao hơn. Những cải tiến này sẽ giúp Máy Hàn Cell Pin HCMUTE trở thành một sản phẩm công nghiệp hoàn thiện.
21/09/2025
Bạn đang xem trước tài liệu:
Đồ án hcmute nghiên cứu và chế tạo máy hàn cell pin