Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo và gia công kim loại hiện đại, công đoạn liên kết các kim loại dạng tấm (đặc biệt là nhôm và thép) đóng vai trò then chốt tại các nhà máy sản xuất kết cấu thép, đóng tàu, sản xuất phương tiện giao thông và thiết bị điện tử. Nhu cầu ngày càng tăng đối với các thiết bị hàn tự động có độ chính xác cao và đường hàn đảm bảo tính thẩm mỹ đặt ra yêu cầu phải cải tiến quy trình công nghệ. Phương pháp hàn vảy (vảy cá) thủ công truyền thống phụ thuộc hoàn toàn vào tay nghề của thợ hàn, năng suất bị hạn chế và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động do tác động nhiệt và bức xạ hồ quang. Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy hàn vảy tự động" (Mã số đề tài: CDT – 52) được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết bài toán tự động hóa quá trình tạo mối hàn vảy trên kim loại tấm.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm các nội dung sau:

  1. Khảo sát, tìm hiểu các phương pháp hàn kim loại tấm phổ biến hiện nay (hàn que, hàn TIG, hàn MIG) để xác định phương án công nghệ tối ưu cho hàn vảy tự động.
  2. Lựa chọn phương án kết cấu và thiết kế cơ khí hoàn chỉnh cho máy hàn dạng chữ H 3 bậc tự do (X, Y, Z), tính toán lựa chọn động cơ truyền động, trục vít me bi, gối đỡ và kiểm nghiệm độ bền, độ biến dạng của khung máy.
  3. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC, module điều khiển vị trí chuyên dụng, mạng truyền thông điều khiển động cơ servo tốc độ cao và giao diện người - máy HMI.
  4. Xây dựng giải thuật điều khiển và quỹ đạo chuyển động đầu công tác để tạo hình biên dạng vảy hàn ($3/4$ cung tròn lồng nhau).
  5. Chế tạo mô hình thực tế tỷ lệ 1:1, tích hợp hệ thống phần cứng và bộ nguồn hàn MIG, tiến hành thực nghiệm đo đạc các thông số vận hành và chất lượng mối hàn trên phôi nhôm A6061.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình máy hàn vảy tự động ba trục sử dụng phương pháp hàn MIG. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy trình hàn tự động các tấm kim loại nhôm A6061 có chiều dài từ 50 mm đến 150 mm và độ dày 3 mm trong không gian gia công 3 chiều. Giới hạn của đề tài nằm ở việc hệ cơ khí dạng chữ H vẫn còn xuất hiện rung động nhẹ khi di chuyển ở tốc độ cao; kết cấu máy giới hạn ở 3 bậc tự do tịnh tiến, chưa tích hợp thêm trục xoay hoặc đầu công tác đa chức năng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên công nghệ hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ (GMAW/MIG) và các đặc tính cơ lý của vật liệu kim loại tấm:

  • Phương pháp hàn MIG: Sử dụng hồ quang duy trì giữa điện cực dây nóng chảy được cấp tự động liên tục và vật hàn dưới sự bảo vệ của môi trường khí (CO₂, hỗn hợp Argon/CO₂ hoặc Argon tinh khiết). Quá trình hàn không sử dụng thuốc bọc, không tạo xỉ, cho tốc độ đắp cao và mối hàn sạch.
  • Vật liệu gia công: Nhôm hợp kim dạng tấm (A6061) có khối lượng riêng khoảng $2{,}7\text{ g/cm}^3$, độ bền kéo từ 70 đến 700 MPa, độ dẻo cao và khả năng chống ăn mòn tốt.
Tiêu chí so sánh Hàn hồ quang tay (Que) Hàn TIG Hàn MIG
Điện cực Que hàn có vỏ bọc thuốc (nóng chảy) Điện cực Vonfram (không nóng chảy) Dây hàn cấp liên tục (nóng chảy)
Khí bảo vệ Tự sinh từ vỏ thuốc bọc Khí trơ (Argon, Heli) Khí hoạt tính hoặc trơ ($CO_2$, Argon, hỗn hợp)
Tốc độ hàn Thấp, ngắt quãng khi thay que Trung bình Cao, cấp dây tự động liên tục
Tạo xỉ hàn Nhiều xỉ, phải gõ xỉ Không tạo xỉ Không tạo xỉ
Chất lượng mối hàn Dễ khuyết tật, thẩm mỹ trung bình Bề mặt sạch, thẩm mỹ rất cao Bề mặt sạch, vảy hàn đều, thẩm mỹ cao
Mức độ tự động hóa Khó tự động hóa Trung bình Rất thích hợp cho tích hợp tự động hóa

Các công thức tính toán thông số chế độ hàn được áp dụng trong nghiên cứu:

  • Tốc độ hàn: $$v = \frac{L}{T}\text{ (mm/phút)}$$ (Với phôi nhôm dày 3 mm, tốc độ hàn thiết lập là 500 mm/phút, tương đương 20 IPM).
  • Cường độ dòng điện hàn MIG: $$I = \text{Tốc độ cấp dây} \times x + 2x$$ (Trong đó $x = \text{đường kính dây} \times 20$; cường độ dòng điện sử dụng từ 300 A đến 400 A).
  • Điện áp hàn hồ quang cho kim loại có độ dày trên 2,0 mm: $$U = I \times 0{,}04 + 18 \pm 1\text{ (V)}$$

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích tính toán lý thuyết và kiểm nghiệm thực nghiệm:

  • Phân tích và mô phỏng số: Thiết kế hình học 3D, mô phỏng động học và phân tích ứng suất, biến dạng đàn hồi của kết cấu khung máy dưới tải trọng bằng phần mềm SolidWorks.
  • Tính toán động cơ và truyền động: Xác định tải trọng tĩnh, mô men quán tính và công suất động cơ AC Servo, chọn bước ren và đường kính vít me bi cho từng trục.
  • Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp mô hình thực tế, lập trình điều khiển trên GX Works2, thực hiện hàn mẫu trên phôi nhôm A6061 và sử dụng dụng cụ đo chuyên dụng để kiểm tra sai số định vị, kích thước mối hàn và thời gian chu kỳ.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy hàn vảy tự động được thiết kế và triển khai theo mô hình máy công cụ CNC 3 trục chữ H với các hệ thống thành phần:

[Màn hình HMI] <---> [PLC Mitsubishi Q Series] ---> [Module QD75MH4]
                                                            | (Mạng SSCNET-III)
                                           +----------------+----------------+
                                           |                |                |
                                     [Driver X]       [Driver Y]       [Driver Z]
                                           |                |                |
                                    [Servo HF-KP13]  [Servo HF-KP13]  [Servo HF-KP13]
                                           |                |                |
                                       (Trục X)         (Trục Y)         (Trục Z)

Kiến trúc cơ khí và hệ thống truyền động

Kết cấu cơ khí tổng thể có kích thước $760 \times 395 \times 543\text{ mm}$, gồm ba cụm chuyển động độc lập:

  • Khối cơ khí A (Trục X): Mang toàn bộ cụm trục Y và Z di chuyển tịnh tiến song song với mặt bàn làm việc, hành trình 400 mm.
  • Khối cơ khí B (Trục Y): Mang cụm trục Z di chuyển vuông góc với trục X trên mặt phẳng ngang, hành trình 250 mm.
  • Khối cơ khí C (Trục Z): Mang đầu mỏ hàn MIG tịnh tiến theo phương thẳng đứng vuông góc với mặt bàn để tiếp cận điểm hàn, hành trình 100 mm.
Thông số kỹ thuật Trục X Trục Y Trục Z
Kích thước hành trình định mức 400 mm 250 mm 100 mm
Tổng chiều dài vít me ($L$) 650 mm 450 mm 300 mm
Đường kính trục vít me ($d$) 15 mm 14 mm 12 mm
Bước ren vít me ($p$) 5 mm 6 mm 5 mm
Loại đai ốc bi FDWC (4 dòng bi) FDWC (4 dòng bi) FDWC (4 dòng bi)
Gối đỡ trục BK-BF15 / KFL002 BK-BF / KFL BK-BF / KFL
Động cơ truyền động AC Servo HF-KP13 AC Servo HF-KP13 AC Servo HF-KP13
Khối lượng tải tính toán ($m$) 20 kg 7,8 kg 3,0 kg
Vận tốc không gia công tối đa 30 m/phút 30 m/phút 30 m/phút
Vận tốc khi gia công tối đa 10 m/phút 10 m/phút 10 m/phút

Hệ thống điều khiển và giải thuật chuyển động

Hệ thống điều khiển trung tâm được cấu hình bao gồm:

  • Bộ điều khiển lập trình (PLC): Dòng Mitsubishi Q Series gồm CPU điều khiển, Module đầu vào số QX40, Module đầu ra số QY10.
  • Module điều khiển vị trí: QD75MH4 hỗ trợ điều khiển 4 trục thông qua mạng truyền thông cáp quang tốc độ cao SSCNET-III, cho phép đồng bộ hóa dữ liệu điều khiển vị trí và vận tốc thời gian thực đến các bộ biến dòng (Driver) điều khiển động cơ AC Servo Mitsubishi HF-KP13 (công suất 100 W, tốc độ định mức 3000 vòng/phút).
  • Cảm biến và an toàn: Sử dụng các cảm biến quang để xác định vị trí gốc máy (Home) và công tắc hành trình giới hạn ở hai đầu các trục để chống quá hành trình.
  • Giao diện người - máy (HMI): Cho phép người vận hành cài đặt tham số tọa độ, vận tốc, dòng điện, điện áp, giám sát trạng thái và chọn chế độ chạy tự động hoặc bằng tay.
  • Giải thuật tạo vảy hàn: Sử dụng thuật toán xấp xỉ bậc thang / xấp xỉ cung tròn để điều khiển đầu mỏ hàn chuyển động theo biên dạng $3/4$ cung tròn lồng nhau lặp lại liên tục, tạo nên các lớp vảy cá đều đặn trên bề mặt liên kết phôi nhôm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu tự động hóa khâu hàn vảy kim loại tấm trong ngành cơ khí và điện tử nhằm tăng năng suất, giảm chi phí và nâng cao chất lượng thẩm mỹ. Xác định rõ mục tiêu nghiên cứu (thiết kế, chế tạo máy hàn vảy tự động 3 trục điều khiển số), đối tượng nghiên cứu (máy hàn vảy tự động), phạm vi (hàn tấm nhôm A6061 bằng phương pháp MIG), phương pháp luận kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, cùng bố cục 7 chương của đồ án tốt nghiệp.

Chương 2: Tổng quan về đề tài

Phân tích các đặc tính kỹ thuật cốt lõi của máy hàn tự động (độ chính xác, khả năng điều khiển thông số, hiệu suất, độ cứng vững). Khảo sát tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: các công nghệ hàn vảy laser fiber công suất lớn có bộ cấp dây kép của nước ngoài (như dòng máy của FIVE LASER) và thực trạng hàn vảy thủ công trong nước. Nêu rõ tồn tại của các phương pháp hiện hành và định hình giải pháp phát triển hệ máy hàn 3 trục tọa độ chữ H có đồ gá phôi từ 50 mm đến 150 mm.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu nguyên lý, ưu điểm và hạn chế của ba phương pháp hàn: TIG, hồ quang tay và MIG; từ đó lập luận việc lựa chọn phương pháp hàn MIG cho hệ thống tự động nhờ tốc độ cao, mối hàn sạch không xỉ và khả năng cấp dây liên tục. Trình bày chi tiết nguyên lý tạo hồ quang, các yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng mối hàn (dòng điện, điện áp, chiều dài hồ quang, tốc độ di chuyển, đường kính dây hàn), thiết lập công thức tính toán tốc độ hàn và cấp dây. Phân tích đặc tính cơ lý và tính hàn của vật liệu nhôm tấm A6061.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp về chế tạo máy hàn vảy tự động

Phân tích, so sánh hai phương án kết cấu:

  1. Phương án 1 (Máy hàn dạng hộp laser fiber): Tốc độ cao nhưng chi phí đầu tư lớn, kết cấu khó tùy biến cho các biên dạng tấm đa dạng.
  2. Phương án 2 (Máy hàn CNC dạng chữ H dùng trục vít me bi và động cơ AC Servo): Kết cấu vững chắc, vận hành ổn định, dễ chế tạo, chi phí hợp lý và đảm bảo độ chính xác vị trí cao ($\pm 0{,}1\text{ mm}$).

Tác giả quyết định lựa chọn Phương án 2 và xây dựng quy trình triển khai từ thiết kế 2D/3D, gia công cơ khí, lập trình PLC đến thử nghiệm.

Chương 5: Thiết kế và tính toán cơ khí

Thực hiện tính toán cơ học chi tiết cho từng trục của máy:

  • Xác định tải trọng tĩnh, gia tốc hoạt động ($a = 0{,}1\text{ m/s}^2$), hệ số ma sát ($\mu = 0{,}01$).
  • Tính toán chọn đường kính, bước ren và kiểm tra tốc độ tới hạn của trục vít me bi cho trục X ($d=15\text{ mm}, p=5\text{ mm}$), trục Y ($d=14\text{ mm}, p=6\text{ mm}$) và trục Z ($d=12\text{ mm}, p=5\text{ mm}$).
  • Lựa chọn gối đỡ vòng bi BK-BF15 và gối đỡ KFL002; chọn động cơ AC Servo HF-KP13.
  • Xây dựng mô hình 3D trên SolidWorks và thực hiện phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để kiểm nghiệm ứng suất, độ biến dạng đàn hồi của khung máy.

Chương 6: Thiết kế bộ điều khiển

Thiết kế sơ đồ khối toàn diện của hệ thống điện - điều khiển:

  • Cấu hình phần cứng với PLC Mitsubishi Q Series, module định vị QD75MH4, module QX40, QY10 và mạng truyền thông Servo SSCNET-III.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển toàn hệ thống và lưu đồ thuật toán xấp xỉ cung tròn tạo biên dạng hàn vảy cá ($3/4$ đường tròn lồng nhau).
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý đấu nối mạch điện động lực, mạch điều khiển I/O và thiết kế giao diện vận hành trên màn hình cảm ứng HMI.

Chương 7: Chế tạo và thử nghiệm

Trình bày quá trình gia công, lắp ráp hoàn thiện mô hình máy thực tế. Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng chức năng và thu thập số liệu đo lường: kiểm tra khả năng định vị của các trục, đo khoảng cách từ mỏ hàn tới phôi nhôm 3 mm, đo thời gian thực hiện biên dạng hàn 30 mm theo đường thẳng và đường chéo, đo độ rộng và độ ngấu của mối hàn vảy thực tế. Đánh giá mức độ đáp ứng so với mục tiêu ban đầu.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thực tế mô hình máy hàn vảy tự động với các kết quả cụ thể:

  • Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng: Máy có kết cấu 3 trục chữ H với kích thước phủ bì $760 \times 395 \times 543\text{ mm}$, vùng làm việc hiệu dụng đạt $400 \times 250 \times 100\text{ mm}$, khung nhôm cứng vững và độ chính xác lặp lại vị trí đạt mức $\pm 0{,}1\text{ mm}$.
  • Tích hợp hệ thống điều khiển đồng bộ: Vận hành thành công cấu hình PLC Mitsubishi kết hợp module QD75MH4 điều khiển 3 động cơ AC Servo HF-KP13 qua giao thức quang SSCNET-III, phản hồi tín hiệu vị trí chính xác và mượt mà.
  • Thực nghiệm hàn trên phôi nhôm A6061: Thực hiện thành công các đường hàn vảy biên dạng đường thẳng 30 mm và đường chéo 30 mm trên phôi nhôm dày 3 mm với tốc độ hàn 500 mm/phút, dòng hàn 300–400 A, tạo ra lớp vảy cá đều đặn, không bị thủng phôi và không bám xỉ.
  • Đóng góp của đề tài: Xây dựng một giải pháp cơ điện tử hoàn chỉnh, làm chủ từ khâu tính toán cơ khí, lập trình điều khiển vị trí nội suy đến thiết lập thông số công nghệ hàn MIG tự động, cung cấp một thiết kế tham khảo có tính ứng dụng cao cho việc tự động hóa quá trình hàn tấm mỏng tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đề cập gồm:

  • Khung máy dạng chữ H khi di chuyển ở dải vận tốc cao vẫn còn xuất hiện rung động nhẹ do ảnh hưởng quán tính và liên kết gối đỡ trục vít me.
  • Kết cấu chuyển động mới dừng lại ở 3 trục tịnh tiến ($X, Y, Z$), chưa có trục quay để hàn các chi tiết có biên dạng cong phức tạp trong không gian.
  • Các chi tiết con trượt, ray dẫn hướng và gối đỡ bằng kim loại dễ bị oxy hóa trong môi trường công nghiệp nếu không được bảo dưỡng bôi trơn thường xuyên.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Nâng cấp cơ cấu cơ khí lên 4 hoặc 5 trục tự do, tích hợp thêm khớp xoay cho đầu mỏ hàn để gia công được các bề mặt 3D phức tạp.
  • Tối ưu hóa thuật toán điều khiển giảm chấn, cải tiến kết cấu khung máy nhằm triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng rung lắc ở tốc độ cao.
  • Phát triển giao diện điều khiển thông minh hơn, tích hợp thêm cảm biến thị giác hoặc cảm biến laser để tự động nhận dạng và bám theo mạch hàn thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị đối với:

  • Sinh viên và học viên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa: Tham khảo toàn bộ quy trình tính toán thiết kế máy công cụ CNC cỡ nhỏ, phương pháp lựa chọn trục vít me bi, khớp nối, gối đỡ và tính chọn công suất động cơ AC Servo.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống điều khiển công nghiệp: Tham khảo sơ đồ đấu nối và phương thức lập trình điều khiển vị trí đa trục sử dụng PLC Mitsubishi kết hợp module QD75MH4 qua mạng truyền thông cáp quang SSCNET-III.
  • Cán bộ kỹ thuật và xưởng sản xuất gia công kim loại tấm: Tham khảo quy trình thiết lập thông số công nghệ hàn MIG (dòng điện, điện áp, tốc độ cấp dây, tốc độ hàn) trên vật liệu hợp kim nhôm A6061.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại vật liệu gia công nào để thử nghiệm máy và kích thước phôi ra sao?
Đề tài sử dụng vật liệu thử nghiệm là kim loại tấm hợp kim nhôm A6061, có chiều dài phôi từ 50 mm đến 150 mm và chiều dày phôi là 3 mm.

2. Kết cấu truyền động của 3 trục X, Y, Z sử dụng loại linh kiện cơ khí nào?
Cả ba trục X, Y, Z đều sử dụng cơ cấu truyền động vít me đai ốc bi loại FDWC 4 dòng bi lưu chuyển ngoài kết hợp với gối đỡ BK-BF/KFL và dẫn động bằng động cơ AC Servo Mitsubishi HF-KP13. Trục X có đường kính vít me 15 mm, bước 5 mm; trục Y có đường kính 14 mm, bước 6 mm; trục Z có đường kính 12 mm, bước 5 mm.

3. Hệ thống điều khiển của máy sử dụng phần cứng và giao thức truyền thông gì?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi dòng Q Series, Module điều khiển vị trí QD75MH4, Module Input QX40, Module Output QY10 và giao thức truyền thông cáp quang tốc độ cao SSCNET-III để truyền nhận tín hiệu điều khiển trực tiếp tới các Driver AC Servo.

4. Biên dạng quỹ đạo chuyển động của mỏ hàn để tạo vảy cá được giải thuật xử lý như thế nào?
Quá trình tạo vảy hàn sử dụng thuật toán xấp xỉ cung tròn / xấp xỉ bậc thang để điều khiển nội suy đồng thời các trục, dẫn hướng mỏ hàn chuyển động lặp lại theo biên dạng $3/4$ cung tròn lồng nhau, tạo thành các đường vân vảy cá đều đặn trên đường hàn thẳng hoặc chéo.

5. Công thức xác định điện áp hàn MIG cho phôi kim loại dày trên 2,0 mm trong đề tài là gì?
Công thức thực nghiệm được nhóm tác giả sử dụng là: $$\text{Điện áp (V)} = \text{Dòng điện hàn (A)} \times 0{,}04 + 18 \pm 1$$

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy hàn vảy tự động" đã hoàn thành toàn diện việc tính toán cơ khí, thiết kế hệ thống điều khiển tự động và chế tạo thực nghiệm mô hình máy hàn MIG 3 trục dạng chữ H tỷ lệ 1:1. Hệ thống vận hành chính xác với độ lặp lại $\pm 0{,}1\text{ mm}$ nhờ sự phối hợp giữa PLC Mitsubishi, module định vị QD75MH4, mạng truyền thông SSCNET-III và các động cơ AC Servo. Kết quả hàn thử nghiệm trên phôi nhôm A6061 dày 3 mm chứng minh tính khả thi của giải pháp tự động hóa tạo vảy hàn cá, nâng cao năng suất và chất lượng thẩm mỹ so với phương pháp hàn thủ công truyền thống.