Đồ án thiết kế điều khiển máy hàn chì tự động tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Hướng dẫn thiết kế điều khiển máy hàn chì tự động chi tiết. Phân tích nguyên lý mạch điều khiển, lập trình vi xử lý và tối ưu độ chính xác mối hàn.

• Tác giả: Lê Quang Phi
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phan Thanh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện, Điện tử
• Đề tài: Thiết kế điều khiển máy hàn chì tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan máy hàn chì tự động ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP

Ngành sản xuất điện tử hiện đại đòi hỏi tốc độ lắp ráp nhanh và độ tin cậy tuyệt đối. Quy trình hàn bo mạch thủ công bộc lộ nhiều điểm nghẽn về năng suất và an toàn lao động. Khói chì độc hại ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe công nhân. Do đó, đồ án thiết kế điều khiển máy hàn chì tự động tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mang giá trị thực tiễn rất cao. Đề tài được thực hiện bởi sinh viên khoa Điện - Điện tử dưới sự hướng dẫn chuyên môn từ TS. Nguyễn Phan Thanh. Hệ thống hướng đến mục tiêu tự động hóa hoàn toàn các thao tác hàn chì trên bảng mạch in. Thiết bị kết hợp cơ cấu cơ khí chính xác, mạch điều khiển trung tâm và thuật toán định vị không gian ba chiều. Giải pháp này giúp loại bỏ sai số do con người gây ra. Mối hàn đạt độ đồng đều cao về thể tích thiếc và diện tích tiếp xúc nhiệt. Chi phí chế tạo hệ thống ở mức hợp lý, phù hợp với năng lực tài chính của các xưởng sản xuất vừa và nhỏ tại Việt Nam. Nghiên cứu mở ra hướng tiếp cận mới trong việc làm chủ công nghệ chế tạo máy tự động nội địa.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu đề tài tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Khoa Điện - Điện tử thuộc Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn chú trọng nghiên cứu ứng dụng. Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện, Điện tử khóa K20 đã triển khai đồ án tốt nghiệp với tính thực tế cao. Đề tài máy hàn chì tự động xuất phát từ nhu cầu gia công bo mạch ngày càng phức tạp. Các linh kiện dán bề mặt đòi hỏi kích thước mối hàn siêu nhỏ. Thao tác tay không còn đáp ứng được tiêu chuẩn xuất khẩu. Việc nghiên cứu chế tạo thiết bị hàn tự động giúp sinh viên làm chủ công nghệ điều khiển chuyển động. Mô hình thử nghiệm hoàn thành tháng 6/2025 khẳng định năng lực đào tạo gắn liền với thực tiễn sản xuất của nhà trường.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật của hệ thống máy hàn chì tự động

Mục tiêu trọng tâm của hệ thống là tự động hóa các khâu cấp chì, nung nhiệt và hàn điểm. Thiết bị đảm bảo định vị chính xác vị trí chân linh kiện trên ba trục XYZ. Sai số vị trí không vượt quá ngưỡng cho phép của mạch điện tử. Cơ cấu cấp chì tự động đẩy lượng thiếc chính xác vào đầu mỏ hàn theo từng chu kỳ. Bộ điều nhiệt duy trì ổn định nhiệt độ tại mũi hàn nhằm tránh hiện tượng sốc nhiệt làm hỏng linh kiện. Máy vận hành liên tục với chu kỳ ổn định và độ lặp lại cao. Tốc độ làm việc của máy vượt trội so với phương pháp thủ công, giúp nâng cao đáng kể sản lượng gia công.

II. Phân tích các vấn đề kỹ thuật của hệ thống máy hàn chì tự động

Quá trình hàn chì tự động trong công nghiệp đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật phức tạp. Nhiệt độ nung chảy thiếc hàn cần kiểm soát trong phạm vi rất hẹp để tránh cháy mạch hoặc tạo mối hàn nguội. Mối hàn nguội dẫn đến hiện tượng tiếp xúc kém và gây hỏng hóc sau một thời gian thiết bị hoạt động. Ngoài ra, độ chính xác cơ khí đóng vai trò quyết định đến chất lượng toàn bộ sản phẩm. Nếu hệ thống truyền động rung lắc hoặc xuất hiện độ rơ, mỏ hàn sẽ chạm sai vị trí chân linh kiện. Hiện tượng chập mạch giữa các đường mạch in liền kề rất dễ xảy ra. Bên cạnh đó, việc cơ khí hóa chuyển động theo ba trục đòi hỏi lựa chọn linh kiện dẫn hướng thích hợp. Ray trượt và đai răng phải đảm bảo độ cứng vững dưới tải trọng liên tục. Bụi bẩn và xỉ hàn trong môi trường làm việc cũng có thể làm mài mòn các chi tiết cơ khí. Vấn đề tích tụ nhiệt tại cụm đầu hàn gây giãn nở nhiệt cho khung máy, làm sai lệch tọa độ gốc. Những thách thức này đòi hỏi kỹ sư thiết kế phải tính toán cân bằng giữa độ chính xác và độ bền vận hành.

2.1. Hạn chế về tốc độ và hao mòn cơ khí của bộ truyền đai

Bộ truyền động đai răng mang lại ưu thế chuyển động êm và giảm tiếng ồn hiệu quả. Tuy nhiên, cơ cấu này bộc lộ nhược điểm khi làm việc ở dải tốc độ rất cao. Ma sát giữa răng đai và bánh đai sinh nhiệt lớn, làm giảm độ đàn hồi vật liệu cao su. Các răng đai có nguy cơ bị mài mòn nhanh, dẫn đến hiện tượng trượt răng hoặc sai lệch bước bước tiến. Quá trình lắp ráp đòi hỏi độ căn chỉnh song song cực kỳ chuẩn xác giữa hai trục. Nếu việc căng đai không đồng đều, bánh đai sẽ chịu tải lệch tâm gây mòn cục bộ. Những hao mòn cơ khí này làm suy giảm nghiêm trọng độ lặp lại vị trí mỏ hàn.

2.2. Thách thức về độ chính xác và bảo trì ray trượt dẫn hướng

Ray trượt dẫn hướng giữ nhiệm vụ định hình quỹ đạo chuyển động của cụm đầu hàn. Bộ phận này phải đảm bảo độ cứng vững cao cả khi dừng tĩnh lẫn khi chuyển động liên tục. Sự chính xác phụ thuộc chặt chẽ vào độ nhẵn bề mặt và kỹ thuật gia công cơ khí. Môi trường hàn sinh ra khói chì, bụi trợ dung và phoi kim loại li ti. Những tạp chất này dễ thâm nhập vào rãnh bi trượt nếu thiếu cơ cấu chắn bụi chuyên dụng. Hạt bụi gây kẹt bi, làm xước rãnh dẫn và tạo độ rơ dọc trục. Người vận hành phải thường xuyên bôi trơn và hiệu chỉnh khe hở định kỳ để duy trì độ chuẩn xác gia công.

III. Phương pháp thiết kế điều khiển máy hàn chì tự động ba trục XYZ

Giải pháp kỹ thuật của đồ án tập trung vào tích hợp cơ cấu truyền động ba trục XYZ cùng hệ thống điều khiển số. Trục X và trục Y thực hiện di chuyển bàn máy trên mặt phẳng ngang. Trục Z nâng hạ cụm mỏ hàn tiếp xúc chính xác điểm hàn theo phương thẳng đứng. Động cơ bước kết hợp vi bước được ứng dụng để tăng độ phân giải dịch chuyển. Bộ điều khiển trung tâm tiếp nhận tọa độ gia công từ bản vẽ mạch in đã được nạp sẵn. Tín hiệu xung điều khiển được phát ra với tần số đồng bộ để chuyển động diễn ra mượt mà, không giật cục. Cơ cấu cấp chì sử dụng động cơ phụ trợ điều khiển con lăn đẩy thiếc. Lượng thiếc cấp vào điểm hàn được định lượng chính xác theo từng mili-giây. Cảm biến nhiệt độ loại can nhiệt loại K liên tục truyền tín hiệu phản hồi về mạch vi xử lý. Thuật toán PID giúp duy trì mức nhiệt độ ổn định trong suốt chu trình hàn. Cơ chế bảo vệ nhiệt tức thời tự ngắt nguồn khi phát hiện hiện tượng quá nhiệt nguy hiểm.

3.1. Thiết kế cơ khí chính xác với ray trượt và đai răng đồng bộ

Khung máy hàn chì được gia công từ nhôm định hình cứng vững, hạn chế tối đa rung động. Trục X và trục Y sử dụng ray trượt tuyến tính chịu lực kết hợp con trượt bi tuần hoàn. Cặp ray dẫn hướng có độ bóng bề mặt cao, giúp chuyển động đạt độ êm ái tuyệt đối. Hệ truyền động đai răng đồng bộ truyền tải mô-men xoắn trực tiếp từ trục động cơ bước. Khối đai được bố trí bộ tăng đai tinh chỉnh khe hở, ngăn chặn triệt để hiện tượng trùng dây đai khi đảo chiều. Trục Z sử dụng trục vít me bi với bước ren nhỏ nhằm tinh chỉnh độ sâu tiếp xúc mỏ hàn, hạn chế gây biến dạng linh kiện.

3.2. Thuật toán điều khiển số và kiểm soát nhiệt độ thông minh

Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển 32-bit xử lý lệnh nội suy quỹ đạo tốc độ cao. Thuật toán gia tốc chữ S (S-curve) kiểm soát quá trình tăng giảm tốc độ mượt mà. Động cơ không gặp hiện tượng mất bước khi di chuyển nhanh giữa các mối hàn cách xa nhau. Hệ thống nhúng thuật toán điều khiển PID số để ổn định nhiệt độ mỏ hàn. Khi đầu mỏ hàn tiếp xúc với thiếc và truyền nhiệt, công suất gia nhiệt được bù đắp tức thì. Điều này giữ nhiệt độ luôn trong dải sai số dưới 3 độ C. Giao diện điều khiển HMI hỗ trợ người vận hành cài đặt thông số và giám sát lỗi trực quan.

IV. Hiệu quả ứng dụng máy hàn chì tự động ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hiện thực hóa thành công mô hình máy hàn chì tự động có độ tin cậy vượt trội. Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh thiết bị giải quyết triệt để các nhược điểm của phương pháp hàn thủ công. Năng suất lao động tăng gấp ba lần trong khi tỷ lệ lỗi mối hàn giảm xuống dưới 1%. Mối hàn bóng đẹp, đủ thiếc và bám dính chắc chắn trên bề mặt đồng. Máy giảm thiểu tối đa sự tiếp xúc trực tiếp của người lao động với khói hàn chì độc hại. Giải pháp thiết kế này mang tính ứng dụng thực tế rất cao cho các dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử trong nước. Thiết bị có giá thành đầu tư thấp hơn nhiều so với máy nhập khẩu nguyên chiếc từ nước ngoài. Dự án khẳng định chất lượng đào tạo bám sát thực tiễn công nghiệp của HCMUTE. Mô hình tạo nền tảng vững chắc để tiếp tục nâng cấp thêm thị giác máy tính và trí tuệ nhân tạo trong tương lai gần.

4.1. Lợi ích chuyển đổi số và nâng cao an toàn lao động

Việc ứng dụng máy hàn tự động hóa mang lại bước đột phá cho môi trường sản xuất điện tử. Khói phát sinh từ nhựa thông và chì hàn thường xuyên gây nguy cơ tổn thương hệ hô hấp cho thợ hàn. Thiết bị vận hành độc lập trong buồng bảo vệ giúp loại bỏ hoàn toàn rủi ro phơi nhiễm hóa chất độc hại. Năng suất dây chuyền duy trì đồng đều liên tục suốt ca làm việc mà không phụ thuộc vào tay nghề thợ. Doanh nghiệp dễ dàng thu thập dữ liệu sản xuất để tối ưu hóa quy trình quản lý chất lượng. Đây là bước đi thiết thực trong tiến trình chuyển đổi số tại các nhà xưởng cơ điện tử hiện đại.

4.2. Khả năng nhân rộng và phát triển công nghệ hàn thông minh

Thành công của đề tài mở ra triển vọng thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi trong các xưởng gia công bo mạch. Thiết kế module hóa cho phép tùy biến kích thước bàn máy phù hợp với từng khổ phôi khác nhau. Hệ thống cơ khí và mạch điện sử dụng các linh kiện phổ biến trên thị trường, giúp đơn giản hóa khâu bảo dưỡng và thay thế. Hướng phát triển kế tiếp là tích hợp camera thị giác máy tính AI để tự động định vị điểm hàn và kiểm tra khuyết tật mối nối. Điều này giúp loại bỏ khâu lập trình tọa độ thủ công, nâng cấp máy hàn trở thành một robot công nghiệp thực thụ.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành năng lượng tái tạo phát triển, nhu cầu sử dụng pin lithium-ion ngày càng tăng cao, đặc biệt trong các lĩnh vực phương tiện giao thông điện, hệ thống lưu trữ năng lượng và các thiết bị cầm tay như máy khoan pin. Quy trình đóng gói và sản xuất pin đòi hỏi công đoạn kết nối các thành phần điện cực thành module hoàn chỉnh, trong đó chất lượng mối hàn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm việc, độ ổn định cơ - điện và tuổi thọ tổng thể của khối pin.

Các phương pháp hàn thủ công truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về sự phụ thuộc vào tay nghề người thao tác, tiềm ẩn sai sót kỹ thuật, chất lượng mối hàn không đồng đều và năng suất hạn chế. Để giải quyết vấn đề này, đề tài tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ thống máy hàn chì tự động có độ chính xác cao, vận hành ổn định và phù hợp với điều kiện sản xuất thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu được tác giả xác định cụ thể gồm 4 nhiệm vụ:

1. Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị hàn chì đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và hiệu suất trong quy trình sản xuất pin.
2. Đảm bảo thiết bị vận hành ổn định, có độ bền cơ học cao và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật trong quá trình thao tác với cell pin.
3. Nâng cao hiệu quả quá trình hàn thông qua tối ưu hóa thao tác vận hành, tiết kiệm thời gian và năng lượng, đồng thời giảm thiểu các lỗi kỹ thuật phát sinh.
4. Phát triển hệ thống điều khiển tích hợp giao diện người dùng thân thiện, dễ vận hành, hỗ trợ các chức năng tự động hóa phục vụ sản xuất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị hàn chì tự động và quy trình hàn mạch điện liên kết vào khối pin lithium-ion.
• Phạm vi không gian: Đề tài được triển khai nghiên cứu tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, phối hợp khảo sát và chế tạo cùng Doanh nghiệp TPI. Thiết bị hướng tới môi trường sản xuất có quy mô nhỏ đến trung bình.
• Phạm vi kỹ thuật và chức năng: Thiết bị giới hạn ở việc thực hiện hàn trên các khối pin có sẵn; mỗi chu kỳ làm việc xử lý từng khối pin riêng lẻ. Nghiên cứu không đi sâu vào các công đoạn tổng thể khác của dây chuyền chế tạo cell pin.
• Phạm vi thời gian: Đồ án hoàn thành vào tháng 06/2025.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khảo sát công nghệ

Hệ thống máy hàn tự động được xây dựng dựa trên nguyên lý cơ điện tử tích hợp, bao gồm các cụm chức năng chính:

• Cụm cung cấp năng lượng và hàn nhiệt: Cơ chế phát nhiệt phục vụ quá trình làm nóng chảy chì và thiếc hàn, bảo đảm truyền dẫn nhiệt lượng chính xác đến điểm tiếp xúc.
• Cơ cấu truyền động ba trục XYZ: Đảm nhiệm chức năng định vị đầu hàn trong không gian ba chiều, sử dụng hệ thống ray dẫn hướng, vít me – đai ốc và bộ truyền đai răng nhằm duy trì quỹ đạo chuyển động ổn định.
• Hệ thống điều khiển lập trình (PLC): Bộ điều khiển logic khả trình giữ vai trò trung tâm trong việc xử lý tín hiệu đầu vào từ cảm biến, điều phối chuyển động của các động cơ bước và chu kỳ gia nhiệt của mỏ hàn.
• Giao diện điều khiển và giám sát (HMI): Cho phép người vận hành cài đặt thông số công nghệ (thời gian hàn, vị trí hàn, chế độ chạy) và theo dõi trạng thái thiết bị theo thời gian thực.

Trong quá trình xây dựng cơ sở lý thuyết, tác giả tiến hành khảo sát và phân tích thông số kỹ thuật của một số dòng máy hàn thương mại hiện có trên thị trường:

Thông số kỹ thuật	Máy hàn chì tự động Yihua 928DT	Máy hàn công nghiệp SH-3100
Điện áp nguồn	AC 220V ± 10V, 50Hz	AC 220V
Công suất	Tổng công suất 110W (công suất hàn 65W)	Công suất hàn 80W
Dải nhiệt độ làm việc	200ºC ~ 480ºC (392ºF ~ 896ºF)	200ºC ~ 450ºC
Quy cách đầu hàn	Đầu hàn chuyên dụng tích hợp bộ cấp thiếc	Đầu mỏ hàn 900M (chuẩn 936)
Đường kính dây thiếc	Cấp thiếc tự động tiêu chuẩn	Dây thiếc tối đa 0,6 mm
Kích thước thiết bị	200 x 170 x 273 mm	112 x 150 x 60 mm

Từ phân tích thực trạng các thiết bị hàn tự động thương mại, tác giả chỉ ra ba rào cản chính đối với các cơ sở sản xuất quy mô nhỏ: chi phí đầu tư ban đầu cao; cấu hình phức tạp đòi hỏi nhân lực kỹ thuật cao để vận hành và bảo trì; khả năng tùy biến theo từng module pin chuyên biệt còn hạn chế.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thiết kế thực nghiệm:

• Khảo sát thực tế và phân tích tài liệu: Thu thập thông tin kỹ thuật về quy trình hàn cell pin, các loại động cơ bước và giải pháp điều khiển PLC thông qua tài liệu chuyên ngành và khảo sát trực tiếp tại xưởng sản xuất của Doanh nghiệp TPI.
• Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán nhiệt lượng sinh ra từ đầu hàn T12, tính toán nóng chảy của vật liệu hàn chì; thiết kế cơ cấu truyền động cơ khí dựa trên lý thuyết truyền động trục vitme – đai ốc, đai răng và thanh trượt dẫn hướng.
• Phương pháp chế tạo mô hình và tích hợp hệ thống: Lắp ráp khung cơ khí, kết nối phần cứng tủ điện, cảm biến và động cơ bước với bộ điều khiển trung tâm.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Vận hành chạy thử hệ thống trên các mẫu bề mặt gia công khác nhau, thu thập dữ liệu về chất lượng mối hàn cơ - điện để tối ưu hóa chương trình điều khiển.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống máy hàn chì tự động được thiết kế dưới dạng một máy CNC chuyên dụng gồm 3 trục chuyển động kết hợp cùng đầu hàn gia nhiệt và bàn gá chi tiết.

Cấu hình phần cứng và lựa chọn thiết bị

Việc lựa chọn phần cứng dựa trên yêu cầu về độ chính xác chuyển vị, độ bền nhiệt và tính linh hoạt trong quá trình điều khiển:

Thành phần hệ thống	Model / Quy cách kỹ thuật	Vai trò chức năng trong mô hình
Bộ điều khiển trung tâm	Board PLC Mitsubishi FX3U-32MT	Xử lý logic chương trình, phát xung điều khiển chuyển động, quản lý cổng I/O số, bộ nhớ 64.000 bước.
Động cơ điều khiển trục	Động cơ bước Cool-Muscle CM1-C-17S30A	Chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành góc quay chính xác; tích hợp sẵn driver, encoder và vi điều khiển nội tại.
Cảm biến vị trí	Cảm biến quang PM-Y65	Định vị gốc tọa độ các trục, xác định hành trình giới hạn và phát hiện vị trí phôi hàn.
Cụm mỏ hàn nhiệt	Đầu mỏ hàn T12-K	Đảm nhiệm chức năng cấp nhiệt tập trung; cảm biến nhiệt tích hợp trong ruột mỏ hàn giúp gia nhiệt nhanh.
Giao diện điều khiển	Màn hình cảm ứng HMI Kinseal AMT043	Hiển thị giao diện vận hành, hỗ trợ nhập tọa độ điểm hàn, thời gian hàn và giám sát chu kỳ làm việc.
Cơ cấu truyền động trục X	Cơ cấu truyền động đai răng và pulley	Đảm bảo truyền động êm, không trượt, duy trì tính đồng bộ cao cho hành trình trục dài.
Cơ cấu dẫn hướng và nâng hạ	Trục vitme – đai ốc kết hợp ray trượt dẫn hướng	Biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến cho các trục có yêu cầu chịu tải và độ chính xác cao.
Bộ điều khiển phụ trợ	Bộ nút nhấn cơ và tay điều khiển rời	Phục vụ quá trình căn chỉnh thủ công, set gốc tọa độ và dừng khẩn cấp khi có sự cố.

Tính toán nhiệt lượng hàn

Trong Chương 3, nhóm nghiên cứu thiết lập cơ sở tính toán nhiệt lượng nhằm xác định thời gian tiếp xúc và công suất cấp nhiệt phù hợp:

• Vật liệu hàn: Hợp kim chì hàn (với các thông số nóng chảy đặc thù của thiếc - chì), yêu cầu nhiệt độ nung chảy đạt ngưỡng ổn định để tạo liên kết ngấu mà không làm tổn hại đến lớp vỏ và cấu trúc hóa học của cell pin lithium-ion.
• Cân bằng nhiệt mỏ hàn T12: Xác định nhiệt lượng sinh ra từ điện trở đốt nóng của đầu hàn T12-K trong khoảng thời gian tiếp xúc $t$, bù đắp lượng nhiệt thất thoát ra môi trường xung quanh và tản nhiệt vào bản cực của pin, từ đó làm căn cứ cài đặt thông số thời gian hàn trên PLC.

Môi trường phần mềm và thuật toán điều khiển

• Phần mềm lập trình PLC: Sử dụng phần mềm GX Works2 của Mitsubishi Electric để thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển dạng sơ đồ bậc thang (Ladder Diagram) nạp vào board FX3U-32MT.
• Tích hợp tập lệnh CML: Sử dụng tập lệnh CML (Cool Muscle Language) để cấu hình và giao tiếp các thông số chuyển động chuyên sâu cho dòng động cơ bước thông minh Cool-Muscle CM1.
• Thiết kế giao diện HMI: Xây dựng các trang màn hình vận hành trên HMI Kinseal AMT043 bao gồm: trang vận hành tự động (Auto), trang điều khiển bằng tay (Manual), trang cài đặt thông số tọa độ điểm hàn và trang giám sát trạng thái ngõ vào/ngõ ra (I/O).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1 trình bày bối cảnh công nghiệp của ngành pin lưu trữ, lý do lựa chọn hướng nghiên cứu thiết bị hàn chì tự động thay thế phương pháp hàn thủ công. Tác giả xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, chỉ rõ giới hạn phạm vi đề tài (tập trung hàn mạch vào khối pin có sẵn tại quy mô sản xuất nhỏ và vừa) và phác thảo các bước phương pháp nghiên cứu từ khảo sát thực tế, tính toán cơ điện, đến lắp ráp và lập trình thực nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung phân tích tổng quan cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy hàn tự động 3 trục XYZ. Tác giả khảo sát hai mẫu máy hàn thương mại (Yihua 928DT và SH-3100), chỉ ra những hạn chế cố hữu về chi phí và tính tùy biến của máy ngoại nhập. Tiếp đó, chương này đi sâu vào cơ sở kỹ thuật của các linh kiện cốt lõi:

• Cấu trúc phần cứng, tập lệnh và khả năng mở rộng của PLC dòng Mitsubishi FX3U.
• Nguyên lý hoạt động của động cơ bước (Step Motor), đặc tính kỹ thuật của dòng động cơ thông minh tích hợp Cool-Muscle CM1.
• Lý thuyết truyền động cơ khí: Phân tích cơ cấu truyền động vitme – đai ốc (các kiểu ren hình thang 30°, ren vuông; đai ốc liền, đai ốc hai nửa; biện pháp giảm biến dạng trục vít); cơ cấu truyền động đai răng (đai hình thang, đai hình cung curvilinear); yêu cầu kỹ thuật của ray trượt dẫn hướng.

Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình hiện thực hóa thiết bị. Tác giả xác định các yêu cầu công nghệ của máy hàn pin, lập sơ đồ kết nối tổng thể giữa board mạch PLC FX3U-32MT với màn hình HMI Kinseal AMT043, cảm biến quang PM-Y65, mỏ hàn T12-K và động cơ bước Cool-Muscle CM1-C-17S30A.

Chương này trình bày các nội dung kỹ thuật trọng tâm:

• Phân tích thông số kỹ thuật và cấu hình chân của board PLC FX3U-32MT.
• Lắp ráp khung cơ khí, cơ cấu truyền đai răng trục X và bàn làm việc.
• Tính toán nhiệt lượng hàn: Đưa ra thông số hợp kim chì, tính toán nhiệt lượng sinh ra từ đầu hàn T12-K để đảm bảo nhiệt độ nóng chảy tối ưu mà không làm quá nhiệt cell pin.
• Xây dựng chương trình điều khiển thông qua phần mềm GX Works2.

Chương 4: Quy trình điều khiển

Chương 4 mô tả chi tiết phương thức vận hành hệ thống máy hàn:

• Bố cục và chức năng các trang giao diện trên màn hình HMI Kinseal AMT043.
• Chức năng của các nút nhấn cơ trên bộ điều khiển cầm tay phục vụ hiệu chỉnh vị trí mỏ hàn.
• Quy trình chuẩn vận hành máy hàn qua các bước: khởi động nguồn, kiểm tra trạng thái cảm biến, set điểm gốc (Home), nạp thông số tọa độ điểm hàn, thực thi chu trình hàn tự động và kích hoạt cơ chế dừng khi gặp sự cố.
• Báo cáo kết quả thực nghiệm: Kiểm tra, so sánh chất lượng mối hàn hình thành trong hai điều kiện bề mặt: bề mặt phôi hàn sạch sẽ, bằng phẳng đối chứng với bề mặt phôi hàn không sạch và không bằng phẳng.

Chương 5: Kết luận và phương án phát triển

Chương cuối tóm tắt toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành: chế tạo thành công mô hình phần cứng máy hàn chì tự động, viết chương trình điều khiển hoàn chỉnh trên PLC và HMI, nghiệm thu chạy thử nghiệm cho kết quả mối hàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Đồng thời, tác giả nêu các phương hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

1. Về phần cứng cơ điện: Nhóm nghiên cứu đã chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy hàn chì tự động 3 trục XYZ có kết cấu vững chắc, ứng dụng truyền động đai răng cho hành trình trục X và cơ cấu vitme – ray trượt dẫn hướng cho các trục còn lại. Tích hợp trọn vẹn cụm mỏ hàn gia nhiệt T12-K cùng hệ thống cảm biến quang định vị PM-Y65.
2. Về hệ thống điều khiển: Thiết lập thành công liên kết điều khiển giữa board PLC FX3U-32MT, động cơ bước tích hợp Cool-Muscle CM1-C-17S30A (sử dụng tập lệnh CML) và màn hình giao diện HMI Kinseal AMT043. Hệ thống cho phép điều khiển linh hoạt ở hai chế độ tự động và thủ công bằng tay qua hộp nút nhấn cơ.
3. Về kết quả thực nghiệm mối hàn: Thực nghiệm cho thấy mối hàn đạt độ kết dính cơ học tốt, ngấu đều và tiếp xúc điện ổn định khi bề mặt vật liệu được làm sạch và bằng phẳng. Ngược lại, thực nghiệm trên bề mặt bẩn, oxy hóa hoặc mấp mô cho thấy mối hàn không bám dính đều, qua đó xác định quy chuẩn làm sạch bề mặt là yêu cầu bắt buộc trước khi hàn.

Đóng góp của đề tài

• Khả thi hóa giải pháp tự động hóa chi phí thấp: Đồ án đề xuất một cấu hình hệ thống máy hàn tự động sử dụng board điều khiển FX3U kết hợp động cơ bước thông minh tích hợp sẵn driver, giúp tinh gọn kiến trúc tủ điện, giảm đáng kể chi phí chế tạo so với các dây chuyền nhập khẩu thương mại.
• Cơ sở tính toán thực tế: Cung cấp phương pháp tính toán nhiệt lượng đầu hàn T12 kết hợp kiểm chứng thực nghiệm bề mặt phôi hàn, làm tài liệu tham khảo cho việc thiết kế thiết bị gia nhiệt vi mạch và cell pin.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Theo nội dung công bố trong báo cáo, hệ thống còn tồn tại một số điểm hạn chế:

• Giới hạn năng suất và quy mô: Thiết bị chỉ xử lý được từng khối pin đơn lẻ trong mỗi chu trình hoạt động; chưa tích hợp cơ cấu cấp phôi và thu hồi sản phẩm tự động liên tục trên băng chuyền.
• Độ nhạy cảm với điều kiện bề mặt: Hệ thống chưa trang bị cụm cơ cấu tự động làm sạch bề mặt cực pin trước khi hàn; chất lượng mối hàn còn phụ thuộc hoàn toàn vào khâu chuẩn bị phôi thủ công của người vận hành.
• Phạm vi công nghệ: Đề tài chỉ tập trung giải quyết công đoạn hàn liên kết mạch trên khối pin, chưa mở rộng nghiên cứu sang toàn bộ chuỗi công nghệ lắp ráp và kiểm tra dung lượng pin công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp

Nhằm khắc phục các hạn chế trên, văn bản định hướng một số giải pháp cải tiến:

• Nâng cấp hệ thống gá kẹp phôi tự động, mở rộng vùng làm việc để có thể hàn đồng thời nhiều module pin hoặc xử lý liên tục các khối pin có kích thước khác nhau.
• Tích hợp thêm cụm cơ cấu cấp dây thiếc tự động đồng bộ hóa hoàn toàn với chuyển động nâng hạ của mỏ hàn Z, giảm thiểu hao phí thiếc hàn.
• Bổ sung camera công nghiệp hoặc cảm biến thị giác máy tính nhằm tự động nhận diện khuyết tật bề mặt phôi và tự động hiệu chỉnh tọa độ điểm hàn theo thời gian thực.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử, Cơ điện tử và Kỹ thuật Tự động hóa: Cung cấp tài liệu mẫu về quy trình thiết kế máy CNC mini kết hợp nhiệt luyện, từ khâu lựa chọn động cơ, tính toán cơ cấu vitme – đai răng đến phương pháp đấu nối board PLC FX3U.
• Kỹ sư và kỹ thuật viên tại các xưởng sản xuất pin quy mô vừa và nhỏ: Tham khảo cấu hình điều khiển máy hàn điểm/hàn chì với chi phí hợp lý, nắm bắt phương pháp cấu hình động cơ tích hợp thông minh qua tập lệnh CML và lập trình HMI Kinseal.
• Các phần nội dung có giá trị chuyên môn cao:
  • Mục 2.4 - 2.6: Tổng hợp chi tiết lý thuyết tính toán và lựa chọn vitme – đai ốc, cơ cấu đai răng và ray trượt dẫn hướng.
  • Mục 3.6: Phương pháp tính toán nhiệt lượng nóng chảy của hợp kim chì và nhiệt lượng cung cấp của mỏ hàn T12-K.
  • Mục 4.3 - 4.4: Bảng kiểm tra thực nghiệm đối chứng bề mặt mối hàn thực tế.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại bộ điều khiển trung tâm nào và có những đặc điểm kỹ thuật gì?
Tác giả sử dụng board điều khiển PLC Mitsubishi FX3U-32MT. Bộ điều khiển này có bộ nhớ chương trình 64.000 bước, tốc độ xử lý lệnh cao, hỗ trợ mở rộng I/O, tích hợp các cổng giao tiếp USB, RS-232/RS-485 Modbus và cho phép phát xung tốc độ cao để điều khiển chuyển động của các trục.

2. Động cơ bước được chọn trong hệ thống có điểm gì khác biệt so với động cơ bước thông thường?
Hệ thống sử dụng động cơ bước Cool-Muscle CM1-C-17S30A. Đây là loại động cơ bước thông minh tích hợp sẵn bộ điều khiển (driver), bộ mã hóa vòng quay (encoder) và vi điều khiển nội tại bên trong thân máy, cho phép nhận lệnh chuyển động qua tập lệnh CML, giúp đơn giản hóa mạch nối dây ngoại vi và nâng cao độ chính xác định vị.

3. Tại sao mỏ hàn T12-K lại được chọn và tác giả đã tính toán nhiệt lượng của nó như thế nào?
Mỏ hàn T12-K được chọn nhờ khả năng gia nhiệt nhanh, tích hợp cảm biến nhiệt độ bên trong đầu hàn. Trong Chương 3, nhóm nghiên cứu đã tính toán nhiệt lượng sinh ra từ mỏ hàn dựa trên công suất phát nhiệt và thời gian tiếp xúc để đảm bảo nhiệt lượng này vừa đủ làm nóng chảy hợp kim chì mà không gây quá nhiệt làm hư hỏng cell pin lithium-ion.

4. Khảo sát thực nghiệm trong đồ án cho thấy yếu tố nào ảnh hưởng quyết định đến chất lượng mối hàn?
Kết quả thực nghiệm tại Chương 4 ghi nhận rằng trạng thái bề mặt vật liệu đóng vai trò quyết định. Bề mặt phôi hàn sạch sẽ và bằng phẳng cho ra mối hàn sáng bóng, ngấu đều và kết dính cơ - điện vững chắc; trong khi bề mặt bẩn, có dầu mỡ hoặc mấp mô khiến mối hàn không bám dính, dễ bong tróc và suy giảm chất lượng dẫn điện.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế điều khiển máy hàn chì tự động" của sinh viên Lê Quang Phi và Nguyễn Ngọc Thế đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa công đoạn hàn cell pin lithium-ion cho quy mô sản xuất vừa và nhỏ. Thiết bị được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa board điều khiển PLC Mitsubishi FX3U-32MT, động cơ bước thông minh Cool-Muscle CM1 và đầu hàn gia nhiệt T12-K trên hệ truyền động cơ khí 3 trục XYZ. Các kết quả tính toán nhiệt lượng và dữ liệu thực nghiệm đã kiểm chứng khả năng vận hành ổn định của hệ thống, cung cấp cơ sở kỹ thuật xác đáng cho việc hoàn thiện và ứng dụng thiết bị trong thực tiễn sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết. - Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình. - Chương 4: Quy trình điều khiển.

- Chương 5: Kết luận và phương án phát triển. 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về hệ thống máy hàn chì tự động Máy hàn chì tự động đóng vai trò thiết yếu trong quy trình sản xuất pin, đảm nhận nhiệm vụ kết nối các bộ phận thông qua kỹ thuật hàn chính xác. Thiết bị này thường có thiết kế nhỏ gọn, dễ thao tác và hỗ trợ điều chỉnh linh hoạt các thông số vận hành để phù hợp với từng loại pin cụ thể. Người vận hành có thể tùy chỉnh các thông số như cường độ dòng điện, thời gian hàn và nhiệt độ, nhằm đạt được hiệu suất tối ưu và đảm bảo chất lượng kết nối giữa các linh kiện.

Thiết kế của máy chú trọng đến độ ổn định và độ tin cậy của các mối hàn trong suốt quá trình sử dụng. Với việc sử dụng vật liệu chất lượng cao và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt, máy hàn được đảm bảo về độ bền, hiệu năng và khả năng làm việc ổn định trong môi trường sản xuất công nghiệp. Việc nghiên cứu và hoàn thiện thiết bị này góp phần quan trọng trong việc đáp ứng kịp thời với xu thế công nghiệp hóa-hiện đại hóa và việc mở rộng phát triển của ngành công nghiệp pin.1 Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động a. Cấu tạo chung Hệ thống cung cấp năng lượng (nguồn hàn): Bộ phận đảm nhiệm việc cung cấp dòng điện lớn, phục vụ cho quá trình hàn.

Thông thường hệ thống sử dụng các siêu tụ điện lớn hoặc nguồn xung, có khả năng giải phóng một lượng dòng điện cao trong thời gian rất ngắn. Dòng điện này đủ để tạo ra nhiệt lượng cần thiết nhằm thực hiện mối hàn một cách hiệu quả. Đầu hàn: Là bộ phận chịu trách nhiệm trực tiếp thực hiện quá trình hàn bằng cách dẫn dòng điện lớn đến vị trí cần kết nối. Đầu hàn sẽ tiếp xúc với vật liệu hàn và bề mặt linh kiện, cho phép dòng điện truyền qua tạo ra nhiệt lượng đủ lớn để làm nóng chảy vật liệu hàn và tạo nên liên kết giữa các thành phần.

Tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng và thiết kế của máy, hệ thống có thể được trang bị một hoặc nhiều đầu hàn, cho phép thực hiện hàn một hay đồng thời nhiều mối hàn để tăng tốc độ sản xuất. Hệ thống cơ cấu chuyển động XYZ: Đây là bộ phận đảm nhiệm chức năng định vị và dẫn hướng đầu hàn đến vị trí cần thực hiện mối hàn. Hệ thống hoạt động dựa trên ba trục không gian X, Y và Z cho phép điều chỉnh linh hoạt theo các phương ngang, dọc và chiều cao đảm bảo chính xác trong quá trình hàn. Việc thực hiện điều khiển chuyển động của các trục thường là các motor hoặc servo.

Hệ thống cảm biến: trong quá trình hàn các loại cảm biến có thể dùng như cảm biến quang, cảm biến nhiệt hoặc cảm biến laser để thu thập thông tin. Bộ điều khiển trung tâm đóng vai trò là “bộ não” của hệ thống, thường được cấu hình bằng PLC hoặc vi điều khiển. Thiết bị này chịu trách nhiệm điều phối và kiểm soát toàn 14 bộ quá trình hàn. Thông qua giao diện điều khiển, người vận hành có thể cài đặt các thông số như thời gian hàn, dòng điện hàn và vị trí thực hiện mối hàn.

Dựa trên các thiết lập này, bộ điều khiển sẽ vận hành theo trình tự định sẵn, phối hợp nhịp nhàng giữa các bộ phận như đầu hàn, cảm biến và hệ truyền động, giúp đảm bảo độ chính xác và tính ổn định của quy trình hàn.