Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất cơ khí tại Công ty TNHH Một Thành Viên Động Cơ và Máy Nông Nghiệp Miền Nam (VIKYNO và VINAPPRO), việc ứng dụng cánh tay robot hàn công nghiệp đã bước đầu mang lại hiệu quả rõ rệt khi giảm thời gian gia công khoảng 50% so với phương pháp hàn thủ công, đồng thời nâng cao độ chính xác và tính đồng nhất của mối hàn. Tuy nhiên, doanh nghiệp vẫn chưa thể tự động hóa hoàn toàn cho toàn bộ danh mục sản phẩm, điển hình là chi tiết "Khung đế máy làm trắng gạo D-RP1000L-01".

Thực trạng sản xuất chi tiết này tại nhà máy tồn tại ba vấn đề kỹ thuật cốt lõi:

  • Thứ nhất, kết cấu khung đế có hình dáng phức tạp, bao gồm nhiều thanh thép góc liên kết đa chiều khiến đầu mỏ hàn của robot khó tiếp cận và di chuyển linh hoạt nếu không phân cụm hợp lý.
  • Thứ hai, quá trình chế tạo khung đế D-RP1000L-01 trước đây hoàn toàn phụ thuộc vào thợ hàn thủ công; thời gian phụ chiếm tỷ trọng lớn và chưa được làm trùng với thời gian cơ bản, dẫn đến năng suất lao động thấp và tiêu hao nhiều nhân lực.
  • Thứ ba, bàn gá robot hiện hữu tại xưởng chưa đảm bảo độ chính xác lặp lại sau mỗi lần tháo lắp, khiến công nhân mất nhiều thời gian căn chỉnh cữ vị trí mỗi khi thay đổi đồ gá cho các sản phẩm khác nhau.

Nhằm giải quyết triệt để các hạn chế trên, đề tài xác định 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu phân tích kết cấu khung đế máy làm trắng gạo D-RP1000L-01 để tách thành các cụm kết cấu hàn hợp lý.
  2. Xây dựng quy trình công nghệ hàn tối ưu bằng phương pháp hàn MIG trong môi trường khí bảo vệ CO2, xác định chế độ hàn phù hợp cho từng vị trí và tư thế không gian.
  3. Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống 5 bộ đồ gá chuyên dụng tích hợp cơ cấu định vị kẹp chặt nhanh nhằm giảm thời gian phụ và triệt tiêu ứng suất biến dạng hàn.
  4. Lập trình quỹ đạo chuyển động, tối ưu hóa vận tốc di chuyển và vận hành cánh tay robot hàn Yaskawa Motoman hiện có tại nhà máy.
  5. Thử nghiệm hàn thực tế, kiểm tra khuyết tật mối hàn, đánh giá độ chính xác hình học và thiết lập các biện pháp an toàn lao động trong vận hành robot hàn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình công nghệ hàn bán tự động/tự động, hệ thống đồ gá gá kẹp nhanh, chương trình điều khiển robot hàn và chi tiết khung đế máy làm trắng gạo D-RP1000L-01.
  • Phạm vi không gian và thiết bị: Xưởng sản xuất của Công ty VIKYNO, áp dụng trực tiếp trên cánh tay robot hàn Yaskawa.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai thực hiện trong 6 tháng (từ ngày 24/01/2024 đến ngày 15/07/2024).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

  • Tiêu chuẩn vật liệu: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1659-75 về phân nhóm và cơ tính thép cacbon kết cấu. Đề tài lựa chọn thép mác CT38 thuộc nhóm 1 (tính hàn tốt, hàm lượng cacbon khoảng 0,04% - 0,21%, độ bền kéo từ 373 đến 481 MPa, độ cứng đạt HB 130 - 300, độ giãn dài tương đối 23% - 26%).
  • Lý thuyết công nghệ hàn MIG/MAG trong môi trường khí bảo vệ CO2: Khảo sát các thông số ảnh hưởng gồm cường độ dòng điện hàn ($I$), điện áp hồ quang ($U$), đường kính dây hàn ($D$), chiều dài phần nhô của dây ($l$), lưu lượng khí CO2 và vận tốc hàn ($V$). Công thức thực nghiệm tính toán điện áp hồ quang: $$U_{hq} \approx 0{,}04 \cdot I + 16 \text{ (V)}$$
  • Lý thuyết ứng suất và biến dạng hàn (ƯSBD): Phân tích sự phân bố nhiệt độ không đồng đều gây co ngót dọc, co ngót ngang và biến dạng góc, từ đó tính toán lực kẹp cần thiết ($W_{ct}$) để chống lại biến dạng uốn và xoắn trong quá trình nguội.
  • Quy trình công nghệ hàn tiêu chuẩn (WPS - Welding Procedure Specification): Xây dựng các bước công nghệ, thứ tự đường hàn và phương pháp kiểm tra kích thước hình học.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp khảo sát thực nghiệm tại xưởng: Thu thập thông số thực tế về chu kỳ sản xuất thủ công, kết cấu bàn gá robot và sai số gá đặt tại xưởng VIKYNO.
  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế CAD: Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor Professional 2022 để thiết kế mô hình 3D khung đế, tính toán thể tích vật liệu, khối lượng chi tiết ($Q = 20{,}25\text{ kg}$) và thiết kế kết cấu 3D của 5 bộ đồ gá.
  • Phương pháp chế tạo cơ khí thực nghiệm: Trực tiếp gia công, cắt phôi bằng máy cắt sắt lưỡi đá, máy cắt tôn thủy lực, tạo lỗ trên máy khoan bàn, liên kết kết cấu đồ gá bằng máy hàn MIG và máy hàn hồ quang tay, tích hợp cơ cấu kẹp kẹp nhanh cơ khí GH-225D.
  • Phương pháp dạy học robot (Manual Teaching/Teaching Pendant): Nhập trực tiếp tọa độ điểm, góc nghiêng mỏ hàn và đường chạy dây bằng bảng điều khiển cầm tay của robot Yaskawa.
  • Phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn: Kết hợp quan sát ngoại quan bằng mắt thường, phương pháp chiếu xạ xuyên qua mối hàn và phương pháp siêu âm kiểm tra khuyết tật bên trong.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu sử dụng gồm bản vẽ chế tạo khung máy D-RP1000L-01 do phòng Kỹ thuật R&D Công ty VIKYNO cung cấp, hồ sơ kỹ thuật cánh tay robot Yaskawa Motoman và các sổ tay công nghệ chế tạo máy, sổ tay hàn kết cấu.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án triển khai thiết kế và chế tạo đồng bộ hệ thống công nghệ phục vụ hàn tự động cho sản phẩm khung đế D-RP1000L-01:

Hạng mục kỹ thuật Thông số / Giải pháp triển khai
Phân chia cụm kết cấu Tách khung đế thành 5 cụm nhỏ: Cụm 1 (Đế khung), Cụm 2 (Cụm bên), Cụm 3 (Cụm giữa), Cụm 4 (Hai cụm chữ L), Cụm 5 (Cụm liên kết hai thanh chữ L).
Hệ thống đồ gá 05 bộ đồ gá định vị chuyên biệt tương ứng 5 cụm; sử dụng các phiến dẫn hướng, chốt tỳ định vị mặt chuẩn và cơ cấu kẹp nhanh tay gạt GH-225D.
Vật liệu chế tạo khung & đồ gá Thép góc V50x50x3 (V5), Thép góc L40x40x3 (V4), thép tấm (Tole dày 3mm), mác thép CT38.
Vật liệu hàn Dây hàn thép cacbon CB-08A, đường kính $D = 0{,}8\text{ mm}$, khí bảo vệ CO2 công nghiệp với lưu lượng 9 lít/phút.
Hệ thống điều khiển Robot Yaskawa tích hợp tủ điều khiển lập trình các module con tương ứng từng cụm, bổ sung chương trình nhúng mỡ làm sạch xỉ mỏ hàn tự động.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng thể về đề tài

Chương 1 trình bày tổng quan lý do chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của nhà máy VIKYNO trong việc tối ưu hóa năng suất và chất lượng hàn khung đế máy làm trắng gạo D-RP1000L-01. Tác giả xác định rõ mục tiêu, giới hạn nghiên cứu (thực hiện trong 6 tháng từ 24/01/2024 đến 15/07/2024), đối tượng, phạm vi và bố cục 8 chương của báo cáo tốt nghiệp.

Chương 2: Khái quát robot Yaskawa trong ngành hàn

Chương này tổng kết lịch sử phát triển, đặc tính kỹ thuật vượt trội của dòng robot Yaskawa Motoman (tốc độ cao, độ chính xác lặp lại ổn định, giảm thiểu phơi nhiễm khói bụi độc hại cho con người) và các lĩnh vực ứng dụng (chế tạo ô tô, đóng tàu, hàng không, cơ khí chế tạo). Chương 2 cung cấp bảng so sánh mức độ ứng dụng robot công nghiệp giữa Việt Nam và các nước phát triển, nêu dẫn chứng thực tế tại VinFast và Tập đoàn Hòa Phát.

Chương 3: Phân tích kết cấu, xác định dạng sản xuất khung máy D-RP1000L-01

Tác giả phân tích chức năng chịu lực, giảm rung chấn và định vị các cụm cơ cấu của khung đế D-RP1000L-01. Phân tích yêu cầu kỹ thuật: độ nhám bề mặt không gia công đạt Rz80, cấp chính xác 14; 4 lỗ đường kính Ø10 mm và các lỗ Ø14 mm dung sai H14 dùng lắp bu lông ghép nối; dung sai độ không vuông góc và không đồng phẳng giữa các mặt chuẩn không vượt quá 0,8 mm / 100 mm. Dựa trên thể tích mô hình 3D, khối lượng chi tiết tính được là $20{,}25\text{ kg}$, sản lượng yêu cầu là $2200\text{ sản phẩm/năm}$, xác định dạng sản xuất là Hàng loạt vừa. Bảng định mức nguyên vật liệu cho 1 sản phẩm và toàn bộ lô 2200 sản phẩm được xác lập cụ thể (thép V5 dài 4521,6 mm/SP; thép V4 dài 3153,8 mm/SP; Tole dài 322 mm/SP).

Chương 4: Tính toán thông số hàn và thiết kế quy trình công nghệ hàn

Chương 4 thiết lập thông số kỹ thuật công nghệ hàn MIG trong môi trường khí CO2 với dây hàn CB-08A ($D = 0{,}8\text{ mm}$), bề dày vật liệu $S = 3\text{ mm}$, kích thước mối hàn góc $k = 4\text{ mm}$. Tác giả phân tích kỹ thuật hàn ở các vị trí khác nhau:

  • Vị trí hàn sấp (liên kết giáp mối và liên kết góc): Dòng điện $I = 110\text{ A}$, điện áp $U = 20\text{ V}$, vận tốc cấp dây $13\text{ m/phút}$, vận tốc hàn $V = 50\text{ cm/phút}$, tầm với dây $10\text{ mm}$, lưu lượng khí $9\text{ lít/phút}$, góc nghiêng súng hàn $70^\circ - 80^\circ$ (giáp mối) hoặc $60^\circ - 80^\circ$ (hàn góc).
  • Vị trí hàn đứng (liên kết góc, hàn từ trên xuống): Dòng điện giảm $10% - 15%$ còn $I = 95\text{ A}$, điện áp $U = 20\text{ V}$, vận tốc hàn tăng lên $V = 55\text{ cm/phút}$, lưu lượng khí $9\text{ lít/phút}$.

Thời gian cho một nguyên công hàn khung đế được tính toán theo công thức chuẩn: $$T_{ct} = T_0 + 26% T_0 + T_{pv} = 3{,}96 + (3{,}96 \times 0{,}26) + 5 = 9{,}11\text{ phút}$$

Thông số công nghệ Liên kết giáp mối (Hàn sấp) Liên kết góc (Hàn sấp) Liên kết góc (Hàn đứng)
Chiều dày vật liệu $S$ (mm) 3 3 3
Chiều cao mối hàn $k$ (mm) - 4 4
Đường kính dây hàn $D$ (mm) 0,8 0,8 0,8
Cường độ dòng điện $I$ (A) 110 110 95
Điện áp hồ quang $U$ (V) 20 20 20
Vận tốc ra dây (m/phút) 13 13 13
Vận tốc hàn (cm/phút) 50 50 55
Lưu lượng khí CO2 (lít/phút) 9 9 9
Chiều dài nhô dây hàn (mm) 10 10 10
Hướng hàn Dọc mối ghép Dọc mối ghép Hàn tụt (từ trên xuống)

Chương 5: Tính toán, thiết kế quy trình công nghệ và chế tạo hệ thống đồ gá hàn

Tác giả tính toán ứng suất nhiệt và mô men uốn sinh ra khi hàn các thanh thép định hình để xác định lực kẹp cần thiết $W_{ct}$. Lựa chọn cơ cấu kẹp đẩy/kẹp gạt nhanh model GH-225D đảm bảo lực giữ chắc chắn, thao tác đóng mở bằng tay thuận tiện. Toàn bộ 5 bộ đồ gá cho 5 cụm chi tiết được chế tạo hoàn chỉnh tại xưởng và định vị chính xác trên bàn gá robot.

Chương 6: Lập trình robot theo quy trình hàn đã đề xuất

Trình bày phương pháp lập trình trực tiếp bằng bảng điều khiển cầm tay (Teaching Pendant) cho robot Yaskawa. Cấu trúc chương trình điều khiển được module hóa gồm: Chương trình hàn Cụm 1, Chương trình hàn Cụm 2, Chương trình Cụm 3, Chương trình Cụm 4, Chương trình Cụm 5, cùng chương trình phụ trợ nhúng mỡ mỏ hàn định kỳ và chương trình tổng điều phối toàn bộ chu trình hàn.

Chương 7: Những khuyết tật hàn, kiểm tra chất lượng và an toàn lao động trong ngành hàn

Chương 7 phân loại các dạng khuyết tật phổ biến khi hàn tự động (cháy thủng, ngậm xỉ, nứt kết tinh, biến dạng góc, rỗ khí) và đề xuất biện pháp khắc phục thông qua điều chỉnh vận tốc di chuyển và lưu lượng khí bảo vệ. Hướng dẫn các phương pháp kiểm tra: quan sát ngoại quan đường hàn, kiểm tra xuyên phóng xạ và siêu âm. Thiết lập các quy tắc an toàn vận hành robot hàn như trang bị rào chắn an toàn, hệ thống ngắt khẩn cấp và thiết bị hút lọc khói độc.

Chương 8: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết các kết quả đạt được về mặt lý thuyết và chế tạo thực tế, đồng thời đề xuất kiến nghị mở rộng tự động hóa sang các khâu cấp phôi và hoàn thiện các dòng sản phẩm máy nông nghiệp khác tại công ty.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng và sản phẩm thực tế

  • Thiết kế, chế tạo thành công 05 bộ đồ gá hàn phục vụ 5 cụm phân tách của khung đế máy làm trắng gạo D-RP1000L-01, đảm bảo độ cứng vững và cơ chế gá lắp nhanh.
  • Thiết lập hoàn chỉnh bảng thông số quy trình công nghệ hàn (WPS) với chế độ hàn dòng $95\text{ A} - 110\text{ A}$, điện áp $20\text{ V}$, lưu lượng khí CO2 $9\text{ lít/phút}$.
  • Tối ưu hóa thời gian thực hiện một chu kỳ nguyên công đạt $9{,}11\text{ phút/sản phẩm}$, hỗ trợ đáp ứng kế hoạch sản lượng $2200\text{ sản phẩm/năm}$.
  • Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống chương trình điều khiển robot Yaskawa bao gồm các chương trình hàn cụm thành phần, chương trình nhúng mỡ bảo vệ béc hàn và chương trình tổng.

Đóng góp về mặt kỹ thuật và sản xuất

  • Đề xuất giải pháp phân cụm kết cấu hợp lý cho sản phẩm khung máy phức tạp, biến chi tiết khó tiếp cận thành các cụm đơn giản phù hợp với tầm với và góc hàn của cánh tay robot công nghiệp.
  • Khắc phục nhược điểm mất thời gian căn chỉnh của bàn gá cũ tại VIKYNO, làm trùng lặp thời gian phụ (gá phôi, tháo phôi) với thời gian cơ bản của robot.
  • Nâng cao tính đồng đều, giảm thiểu khuyết tật cháy cạnh hoặc biến dạng nhiệt, cải thiện an toàn lao động và tiết kiệm chi phí sản xuất cho doanh nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các thông số công nghệ và hệ thống đồ gá được thiết kế chuyên biệt cho khung đế model D-RP1000L-01 và cấu hình cánh tay robot Yaskawa tại nhà máy VIKYNO, chưa thể áp dụng ngay cho các kích cỡ khung máy khác mà không qua hiệu chỉnh. Hệ thống kẹp giữ trên đồ gá vẫn sử dụng cơ cấu gạt tay GH-225D bán tự động, chưa tích hợp kẹp tự động bằng khí nén hoặc thủy lực.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu phát triển hệ thống kẹp phôi tự động điều khiển bằng khí nén kết nối đồng bộ tín hiệu I/O với tủ điều khiển robot Yaskawa.
    • Mở rộng xây dựng quy trình công nghệ và đồ gá module hóa cho các dòng máy nông nghiệp khác trong dây chuyền sản xuất của VIKYNO.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ khí và Cơ điện tử: Tham khảo quy trình thiết kế đồ gá hàn chuyên dụng, tính toán thông số chế độ hàn CO2 và phương pháp lập trình điều khiển robot hàn công nghiệp Yaskawa.
  • Kỹ sư công nghệ và kỹ thuật viên cơ khí tại các nhà máy chế tạo máy nông nghiệp: Ứng dụng phương pháp phân cụm kết cấu hàn khung vỏ và phương pháp tính toán định mức vật tư, cân đối thời gian nguyên công trong sản xuất hàng loạt vừa.

Câu hỏi thường gặp

1. Khung đế máy làm trắng gạo D-RP1000L-01 được phân tách thành những cụm kết cấu nào để thực hiện hàn trên robot?

Khung đế được tách thành 5 cụm độc lập: Cụm 1 (Đế khung), Cụm 2 (Cụm bên), Cụm 3 (Cụm giữa), Cụm 4 (Hai cụm chữ L gồm chi tiết L1 và L2) và Cụm 5 (Cụm liên kết hai thanh chữ L).

2. Vật liệu chế tạo khung đế là gì và các thông số cơ tính cơ bản được xác định như thế nào?

Khung đế sử dụng thép mác CT38 (theo TCVN 1659-75) dạng phôi thép góc cán nóng L50x50x3 (V5) và L40x40x3 (V4), tole dày 3 mm. Thép có hàm lượng cacbon $0{,}04% - 0{,}21%$, độ cứng HB $130 - 300$, độ bền kéo từ $373$ đến $481\text{ MPa}$, thuộc nhóm vật liệu có tính hàn tốt.

3. Sự khác nhau giữa chế độ hàn sấp và hàn đứng đối với liên kết góc trong đồ án là gì?

Khi hàn sấp liên kết góc ($k = 4\text{ mm}$), dòng điện hàn chọn $I = 110\text{ A}$, vận tốc hàn $V = 50\text{ cm/phút}$. Khi hàn đứng liên kết góc, để tránh kim loại lỏng bị chảy xệ do trọng lực, dòng điện hàn được giảm $10% - 15%$ xuống mức $I = 95\text{ A}$, vận tốc di chuyển mỏ hàn tăng lên $V = 55\text{ cm/phút}$ và thực hiện hàn tụt từ trên xuống. Cả hai tư thế đều dùng dây hàn $D = 0{,}8\text{ mm}$, điện áp $U = 20\text{ V}$ và lưu lượng khí CO2 $9\text{ lít/phút}$.

4. Hệ thống đồ gá sử dụng cơ cấu định vị và kẹp chặt nào?

Hệ thống gồm 5 bộ đồ gá riêng biệt, sử dụng các phiến tỳ, chốt tỳ định vị mặt phẳng chuẩn và cơ cấu kẹp cơ khí gá kẹp nhanh kiểu tay gạt model GH-225D, giúp cố định phôi chính xác và triệt tiêu ứng suất biến dạng hàn.

5. Chu kỳ thời gian nguyên công hàn cho một sản phẩm khung đế được xác định là bao nhiêu?

Tổng thời gian nguyên công ($T_{ct}$) cho một khung đế được tính toán là $9{,}11\text{ phút}$, bao gồm thời gian cơ bản $T_0 = 3{,}96\text{ phút}$, thời gian phụ $T_p = 26% T_0$, cùng thời gian phục vụ và nghỉ ngơi tự nhiên $T_{pv} + T_{tn} = 5\text{ phút}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu xây dựng quy trình hàn, thiết kế chế tạo hệ thống đồ gá và cải tiến chương trình điều khiển hàn cho Khung đế máy làm trắng gạo D-RP1000L-01 dựa trên cánh tay robot hàn Yaskawa hiện có ở công ty VIKYNO" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đặt ra từ khảo sát, tính toán công nghệ đến chế tạo thực nghiệm. Nhóm tác giả đã chế tạo thành công 5 bộ đồ gá hàn định vị nhanh, xác lập bộ thông số công nghệ hàn CO2 chuẩn xác và lập trình tối ưu hóa chuyển động cho robot Yaskawa. Kết quả nghiên cứu giải quyết hiệu quả bài toán tự động hóa hàn kết cấu phức tạp, rút ngắn thời gian nguyên công xuống còn 9,11 phút, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong điều kiện sản xuất thực tế tại doanh nghiệp.