Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại hóa tại Việt Nam, ngành công nghệ hàn đóng vai trò then chốt trong sản xuất kết cấu thép, vỏ xe ô tô, vỏ tàu thủy và nhiều lĩnh vực chế tạo máy khác. Theo ước tính, nhu cầu sử dụng máy hàn điểm trong các ngành công nghiệp này tăng trưởng nhanh chóng nhằm đáp ứng yêu cầu về chất lượng và năng suất. Tuy nhiên, việc thiết kế và điều khiển máy hàn điểm sao cho hiệu quả, chính xác vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt trong việc kiểm soát chu trình hàn và lực ép cơ học. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế máy hàn điểm điều khiển bằng PLC nhằm nâng cao độ chính xác và tự động hóa quá trình hàn, đồng thời tối ưu hóa các thông số kỹ thuật như cường độ dòng điện, lực ép và chu trình hàn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế cơ khí, hệ thống điện và bộ điều khiển PLC cho máy hàn điểm, với các tính toán và mô hình được thực hiện dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành và thực tế sản xuất tại Việt Nam trong giai đoạn 2011-2014. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển thiết bị hàn tự động, góp phần nâng cao năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm trong ngành công nghệ hàn, đồng thời giảm thiểu sai sót và tăng hiệu quả vận hành máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật sau:

  • Nguyên lý hàn điểm: Quá trình hàn điểm dựa trên nguyên lý cho dòng điện cường độ lớn chạy qua chi tiết hàn, tạo nhiệt lượng tại điểm tiếp xúc do điện trở lớn, kết hợp với lực ép cơ học để tạo mối hàn chắc chắn. Các thông số chính gồm cường độ dòng điện hàn (I), lực ép (P), và nhiệt lượng cần thiết (Q) được tính toán dựa trên các công thức cân bằng nhiệt và điện trở suất vật liệu.

  • Mô hình thiết kế cơ khí: Tính toán khung máy hàn điểm dựa trên mômen quán tính, mô đun đàn hồi của vật liệu thép CT45, đảm bảo độ cứng vững và chịu lực trong quá trình vận hành. Hệ thống dẫn động khí nén được thiết kế với các bộ lọc khí, van điện từ, van tiết lưu và hệ thống bôi trơn nhằm điều chỉnh lực ép và chuyển động pittông.

  • Mô hình thiết kế hệ thống điện và biến áp: Tính toán tiết diện dây dẫn, điện trở thuần mạch vòng thứ cấp, điện trở đoạn mạch giữa điện cực với điện cực, cảm kháng mạch vòng thứ cấp và lựa chọn kiểu máy biến áp lõi bọc với vật liệu thép kỹ thuật điện ∃41. Sơ đồ đấu nối dây cuốn sơ cấp và thứ cấp được thiết kế theo sơ đồ mạch phức hợp nối song song và nối tiếp nhằm đảm bảo điều chỉnh điện áp và dòng điện phù hợp.

Các khái niệm chính bao gồm: điện trở suất, nhiệt lượng nung nóng, lực ép cơ học, cảm kháng, hệ số máy biến áp, và thuật toán điều khiển PLC.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn ngành, và thực nghiệm thiết kế mô hình máy hàn điểm cỡ nhỏ. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích lý thuyết: Tính toán các thông số kỹ thuật dựa trên công thức vật lý và kỹ thuật điện, cơ khí, nhiệt học.

  • Thiết kế mô hình: Xây dựng mô hình máy hàn điểm với các bộ phận cơ khí, hệ thống điện và bộ điều khiển PLC CPM2A.

  • Phân tích thuật toán điều khiển: Xây dựng và viết chương trình điều khiển chu trình hàn trên PLC, đảm bảo đóng ngắt dòng hàn chính xác theo thuật toán đã thiết kế.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khóa học cao học từ năm 2011 đến 2014 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, với các giai đoạn thiết kế, tính toán, mô phỏng và hoàn thiện luận văn.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình máy hàn điểm cỡ nhỏ được chế tạo thử nghiệm, phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu thực tế sản xuất. Phương pháp phân tích chủ yếu là phân tích định lượng các thông số kỹ thuật và mô phỏng thuật toán điều khiển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính toán cường độ dòng điện và lực ép: Dựa trên đồ thị quan hệ giữa các thông số khi hàn điểm, cường độ dòng hàn được xác định là 10 kA, lực ép cơ học trong khoảng 230 kg, phù hợp với công thức thực nghiệm và tiêu chuẩn kỹ thuật. Việc tính toán nhiệt lượng Q và các thành phần Q1, Q2, Q3 giúp xác định chính xác dòng điện cần thiết cho quá trình hàn.

  2. Thiết kế khung máy và hệ thống dẫn động khí nén: Khung máy được tính toán đảm bảo độ cứng vững với vật liệu thép CT45, kích thước dầm b=45 cm, d=2 cm. Hệ thống dẫn động khí nén với bộ lọc khí, van điện từ và van tiết lưu được thiết kế để điều chỉnh lực ép linh hoạt, số hành trình pittông trên phút lớn, tạo áp suất cao trong quá trình hàn.

  3. Tính toán hệ thống điện và máy biến áp: Tiết diện dây dẫn được chọn phù hợp với mật độ dòng điện cho phép, ví dụ tiết diện dây đồng M1 cho điện cực là 128 mm² với đường kính 18 mm. Điện trở thuần mạch vòng thứ cấp được tính là khoảng 146.2 µΩ, điện trở đoạn mạch giữa điện cực với điện cực khoảng 112 µΩ. Máy biến áp lõi bọc với công suất định mức 65 kVA, số vòng dây sơ cấp 47-54 vòng, thứ cấp 1 vòng, đảm bảo điện áp và dòng điện phù hợp cho quá trình hàn.

  4. Thuật toán điều khiển PLC: Bộ điều khiển chu trình hàn được xây dựng trên nền tảng PLC CPM2A, với chương trình điều khiển đóng ngắt dòng hàn chính xác, đảm bảo chu trình hàn tự động và ổn định.

Thảo luận kết quả

Kết quả tính toán và thiết kế cho thấy sự phù hợp giữa lý thuyết và thực tế sản xuất máy hàn điểm. Việc xác định chính xác cường độ dòng điện và lực ép giúp đảm bảo chất lượng mối hàn, giảm thiểu sai sót do quá nhiệt hoặc lực ép không đủ. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, việc ứng dụng PLC trong điều khiển chu trình hàn nâng cao tính tự động và độ chính xác, giảm thiểu sự phụ thuộc vào thao tác thủ công. Hệ thống dẫn động khí nén được thiết kế tối ưu giúp tăng hiệu suất làm việc và độ bền của máy. Các biểu đồ phân bố nhiệt độ và đồ thị quan hệ thông số cung cấp cơ sở trực quan cho việc điều chỉnh thông số kỹ thuật. Tuy nhiên, việc tính toán nhiệt lượng và điện trở vẫn còn phức tạp do nhiều yếu tố vật liệu và điều kiện làm việc thay đổi, đòi hỏi tiếp tục nghiên cứu và thử nghiệm thực tế để hoàn thiện hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển PLC: Cập nhật và hoàn thiện thuật toán điều khiển chu trình hàn nhằm tăng độ chính xác đóng ngắt dòng hàn, giảm thiểu thời gian chu trình, hướng tới tự động hóa hoàn toàn trong vòng 12 tháng tới. Chủ thể thực hiện là nhóm kỹ sư tự động hóa và công nghệ hàn.

  2. Nâng cấp hệ thống dẫn động khí nén: Cải tiến bộ lọc khí và van điều chỉnh áp suất để giảm rung động và tăng độ ổn định lực ép, mục tiêu giảm rung động xuống dưới 5% trong vòng 6 tháng. Chủ thể thực hiện là bộ phận cơ khí và bảo trì.

  3. Phát triển mô hình máy hàn điểm quy mô lớn: Mở rộng thiết kế mô hình cỡ nhỏ sang quy mô công nghiệp, tăng công suất lên gấp 2 lần trong 18 tháng tới, nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất lớn hơn. Chủ thể thực hiện là phòng nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo vận hành và bảo trì máy hàn điểm điều khiển PLC cho kỹ thuật viên và công nhân trong ngành hàn, nâng cao năng lực sử dụng thiết bị hiện đại trong 12 tháng. Chủ thể thực hiện là trung tâm đào tạo kỹ thuật và nhà máy sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ hàn: Nắm bắt kiến thức về thiết kế máy hàn điểm và điều khiển tự động, áp dụng vào cải tiến quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng mối hàn.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên kỹ thuật: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy và nghiên cứu phát triển công nghệ hàn tự động.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị hàn: Áp dụng các kết quả thiết kế và thuật toán điều khiển để phát triển sản phẩm máy hàn điểm mới, nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường.

  4. Sinh viên ngành công nghệ hàn và tự động hóa: Học tập và nghiên cứu các phương pháp thiết kế, tính toán kỹ thuật và lập trình PLC trong lĩnh vực công nghệ hàn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy hàn điểm điều khiển PLC có ưu điểm gì so với máy hàn truyền thống?
    Máy hàn điểm điều khiển PLC cho phép tự động hóa chu trình hàn, điều chỉnh chính xác cường độ dòng điện và lực ép, giảm sai sót do thao tác thủ công, nâng cao chất lượng mối hàn và hiệu suất sản xuất.

  2. Làm thế nào để tính toán cường độ dòng điện hàn điểm?
    Cường độ dòng điện được tính dựa trên tổng nhiệt lượng cần thiết để nung nóng vùng hàn, sử dụng công thức cân bằng nhiệt và điện trở suất vật liệu, kết hợp với đồ thị quan hệ giữa các thông số hàn điểm.

  3. Tại sao chọn vật liệu thép CT45 cho khung máy hàn điểm?
    Thép CT45 có độ bền cao, mô đun đàn hồi lớn, đảm bảo độ cứng vững cho khung máy trong quá trình vận hành, đồng thời dễ gia công và có chi phí hợp lý.

  4. Hệ thống dẫn động khí nén có nhược điểm gì?
    Khí nén có độ giãn nở nên khi làm việc có thể gây rung động cho máy, tuy nhiên ưu điểm là phạm vi điều chỉnh lực ép lớn và số hành trình pittông cao, phù hợp với yêu cầu hàn điểm.

  5. Làm thế nào để lựa chọn sơ đồ đấu nối dây cuốn sơ cấp phù hợp?
    Sơ đồ đấu nối được lựa chọn dựa trên công suất máy biến áp, số cấp điều chỉnh điện áp, yêu cầu đối xứng và đơn giản trong chế tạo, trong nghiên cứu đã chọn sơ đồ mạch phức hợp nối song song và nối tiếp để tối ưu hóa hiệu suất.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công máy hàn điểm điều khiển PLC với các thông số kỹ thuật phù hợp, bao gồm cường độ dòng điện 10 kA và lực ép 230 kg.
  • Tính toán và lựa chọn vật liệu, kết cấu cơ khí đảm bảo độ cứng vững và hiệu quả vận hành của máy.
  • Thiết kế hệ thống điện và máy biến áp lõi bọc công suất 65 kVA đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và điều chỉnh điện áp linh hoạt.
  • Xây dựng thuật toán điều khiển chu trình hàn trên PLC CPM2A, nâng cao tính tự động và chính xác trong quá trình hàn.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cấp và phát triển tiếp theo nhằm hoàn thiện thiết bị và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm thực tế mô hình máy hàn điểm, tối ưu thuật toán điều khiển và đào tạo nhân lực vận hành. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác phát triển công nghệ máy hàn điểm điều khiển tự động.