Trang chủ Diễn đàn Tích hợp hàn tự động với điều khiển CNC

Tích hợp hàn tự động với điều khiển CNC

Sản phẩm sử dụng trong máy hàn cốt thép ống bê tông

TS. Hoàng Việt Hồng & nhóm nghiên cứu đề tài

Công nghệ điều khiển CNC hiện khá phát triển, được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa. Nhờ kỹ thuật điều khiển CNC mà khả năng điều khiển trở nên dễ dàng, thay đổi chủng loại sản phẩm dễ dàng , linh hoạt thông qua việc thay đổi chương trình.
Việc tích hợp công nghệ hàn tự động với điều khiển CNC là một giải pháp được sử dụng trong máy hàn cốt thép ống bê tông.

Các ảnh hưởng của quá trình hàn tới điều khiển CNC khi tích hợp hàn tự động với điều khiển CNC.
Quá trình hàn dựa trên cơ sở biến đổi điện năng thành nhiệt năng làm nóng chảy các phần vật liệu và hòa trộn chúng với nhau. Điện năng được đưa tới các điện cực thông qua một biến thế cách ly. Dòng điện hàn sinh ra trong cuộn thứ cấp của biến áp là rất lớn. Đối với hàn hồ quang, dòng điện hàn trung bình khoảng 1500A; đối với hàn điện trở tiếp xúc, dòng điện hàn có thể lên tới 20.000A.
Khi hàn điện trở tiếp xúc, tại mỗi điểm hàn thời gian hàn chỉ xảy ra trong khoảng từ 20-120ms, trong thời gian đó dòng hàn cũng luôn biến đổi do có sự thay đổi điện trở tại điểm hàn.
Các yếu tố bất thường của dòng điện trong thiết bị hàn rất dễ ảnh hưởng tới các thiết bị điện tử, đặc biệt là các thiết bị điều khiển số. Các thiết bị điện tử thông thường chỉ làm việc với điện áp thấp (5V). Chỉ cần một xung nhiễu với biên độ 1mV đó có thể làm sai lệch các giá trị điều khiển.
Trong khi hàn, một cực hàn thông thường được nối với vỏ máy (nối đất). Các thiết bị điều khiển phần lớn cũng có các điểm nối đất tức là thông với điện cực hàn. Điều này rất dễ dẫn đến khả năng phá hỏng các thiết bị điện tử do dòng điện hàn đi vòng qua chúng.
Tích hợp điều khiển các yếu tố công nghệ hàn vào bộ điều khiển CNC
Các yếu tố công nghệ hàn bao gồm: cường độ dòng hàn, tốc độ dịch chuyển điện cực, tốc độ dây hàn, thời gian hàn, lực ép, thời điểm hàn… Để đáp ứng khả năng thay đổi sản phẩm linh hoạt cần phải tích hợp điều khiển được các yếu tố công nghệ này thông qua bộ điều khiển CNC.

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hàn

Các giải pháp kỹ thuật giải quyết các tác động của quá trình hàn tới điều khiển CNC
Điều khiển dòng hàn cường độ lớn:
Phương pháp điều chỉnh dòng hàn hiệu quả là điều chỉnh điện áp trên các điện cực. Sử dụng bộ điều khiển dòng hàn tự động cho phép điều chỉnh điện áp sơ cấp của biến thế hàn. Bộ điều khiển này bao gồm một mạch điện tử, hai thyristor công suất và một số thiết bị phụ trợ.
Mạch điện tử sẽ điều khiển góc mở của hai thyristor T1 và T2 cho phép làm trễ sự đóng điện ở khởi đầu mỗi nửa chu kỳ. Trong trường hợp này một phần sóng hình sin bị cắt và diện tích bên dưới đường cong bị giảm bớt. Năng lượng tiêu thụ tỷ lệ với phần nửa chu kỳ mà trong đó dòng điện đi qua. Điều chỉnh thời gian trễ giữa thời điểm khởi đầu mỗi nửa chu kỳ và thời điểm mở thyristo làm thay đổi cường độ dòng hàn.
Hình 3. Ảnh hưởng của trễ mở thyristo đối với dòng điện đi qua bề mặt tiếp xúc

Hình 3. Ảnh hưởng của trễ mở thyristo đối với dòng điện đi qua bề mặt tiếp xúc

a- Dòng điện trong mạch sơ cấp
b- Dòng điện trong mạch thứ cấp
I- Công suất nhiệt cực đại
II- Công suất nhiệt cực tiểu
Chống nhiễu
Để triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu do quá trình hàn gây ra nhất thiết phải áp dụng các biện pháp bảo vệ. Cụ thể, các cáp tín hiệu phải sử dụng cáp đôi xoắn có vỏ bọc chống nhiễu, các vỏ bọc phải được nối đất; sử dụng các phần tử cách ly khi truyền tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển CNC tới bộ điều khiển dòng hàn; tạo môi trường tiếp địa tốt cho toàn bộ máy.
Tích hợp các yếu tố công nghệ.
Các yếu tố công nghệ hàn cần được thử nghiệm, lập thành các bảng dữ liệu công nghệ hàn ứng với các loại vật liệu sử dụng và nhập vào bộ điều khiển CNC tương tự như các dữ liệu về dụng cụ cắt.
Các thông số công nghệ hàn được gọi từ các chương trình gia công và gửi tới bộ điều khiển dòng hàn tự động. Bộ điều khiển dòng hàn tiếp nhận giải điện áp từ 0 đến 10V cũng như dữ liệu về thời gian hàn từ bộ điều khiển CNC và thông qua đó điều khiển điện áp sơ cấp của biến thế hàn, cung cấp dòng hàn tương ứng với yêu cầu của công nghệ.
Lựa chọn đối tượng điều khiển
Đối tượng điều khiển của thiết bị là biến áp hàn, các tín hiệu điện trở tiếp xúc là các tín hiệu đầu vào. Trong phương pháp hàn điện trở tiếp xúc nhiệt lượng toả ra làm nóng chảy kim loại tại vùng hàn khi xuất hiện điện trở tiếp xúc R, kết dính mối hàn.

Hình 4. Sơ đồ nối ghép “Bộ điều chỉnh quá trình hàn tự động”

Theo định luật Jun-Lenxơ:
Q = I2.R.t.
Trong đó: Q là nhiệt lượng toả ra làm nóng chảy kim loại tại vùng hàn
I là cường độ dòng điện đối tượng điều khiển
R là điện trở tiếp xúc
t là thời gian đốt nóng.
Để thay đổi Q, ở đây chỉ có thể thay đổi I hoặc t, còn điện trở R tiếp xúc không điều khiển được vì R phụ thuộc vào các yếu tố như khả năng sạch bẩn của kim loại hàn, bề mặt tiếp xúc... không thể khống chế. Nhóm nghiên cứu đề tài chọn phương pháp điều chỉnh cường độ dòng điện I.
Bộ điều khiển quá trình hàn tự động
Chúng tôi đã đưa ra phương án thiết kế “Bộ điều khiển quá trình hàn tự động”. Sơ đồ ghép nối “Bộ điều khiển quá trình hàn tự động” với hệ thống được thể hiện như trên hình 4.
“Bộ điều khiển quá trình hàn tự động” phải tiếp nhận được dải điện áp từ 0 đến 10V cũng như dữ liệu thời gian từ 0.02s đến 0.2s từ bộ điều khiển CNC và thông qua đó điều khiển biến thế hàn cung cấp dòng hàn tương ứng với yêu cầu của công nghệ của quá trình hàn.
Việc hoàn chỉnh thiết kế “Bộ điều khiển quá trình hàn tự động” là bước đột phá lớn trong quá trình tích hợp công nghệ hàn và công nghệ CNC ở Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp.
Điều chỉnh thời gian hàn:
Như đó giới thiệu về công nghệ hàn điện trở tiếp xúc, chất lượng mối hàn, phụ thuộc vào dòng hàn (điện áp hàn), lực ép lên mối hàn (lực ép tại mặt tiếp xúc), thời gian duy trì dòng hàn cũng đóng một vai trò quan trọng.
Ta có thể đặt ra bài toán cho chất lượng mối hàn, với các biến vào, bao gồm : áp lực hàn, cường độ dòng hàn, thời gian hàn. Khi cố định áp lực hàn, và cường độ dòng hàn, ta có bài toán 1 biến với thời gian hàn.
Gọi t* là khoảng thời gian cần thiết để mối hàn đạt được chất lượng tốt nhất, và t là thời gian hàn thực tế, thì:
- Nếu t>t* thì mối hàn bị già, quá ngấu, vật liệu hàn dễ đứt, gãy.
- Nếu t<t* thì mối hàn bị non, chưa ngấu, các vật liệu không kết chặt.
Thêm nữa, khi áp dụng lý thuyết này vào thực tế, qua quá trình chế tạo mày hàn lồng, thời gian hàn, nếu không được khống chế, thì sẽ bị phụ thuộc hoàn toàn vào khoảng thời gian duy trì tín hiệu của Sensor hàn.
Vì thế, với yêu cầu phải điều chỉnh được thời gian hàn để có một t gần với t* nhất, ta phải đưa tín hiệu từ Sensor hàn qua một mạch có chức năng tạo ra thời gian hàn t, có thể thay đổi tùy ý, đồng thời độc lập với tín hiệu về từ Sensor hàn.
Từ yêu cầu trên, chúng tôi đã thiết kế 1 mạch tạo tín hiệu (dạng xung, có độ rộng điều chỉnh được), có chức năng được mô tả như trên, ta gọi là mạch điều khiển thời gian hàn.
Các thông số thiết bị đó được tính toán thiết kế, để tín hiệu ra là xung đơn có độ rộng thay đổi được theo các mức 20 - 40 - 60 - 80 - 120 (ms) bằng biến trở. Thời gian tính toán dựa theo công thức
Tp=(Rt1+Rt2).Ct.1,1 (ms)
Với Rt2 là biến trở có dải điều chỉnh 0 - 500kÙ
Rt1 là điện trở cố định có giá trị 150kÙ, xác định giá trị min của thời gian hàn là 20ms.
Tích hợp giữa công nghệ hàn và công nghệ CNC
“Bộ điều khiển quá trình hàn tự động” hoạt động thông qua sự tích hợp giữa công nghệ hàn và công nghệ CNC, được thể hiện như sau:
Trong máy hàn cốt thép các thông số ảnh hưởng tới quá trình hàn bao gồm: tốc độ quay S, lực tì của hai cực hàn F, đường kính lồng thép D, thời gian hàn t và cường độ dòng hàn I. Các thông số này theo yêu cầu phải được nhập vào bộ điều khiển CNC thông qua chương trình. Tốc độ vòng quay của lồng hàn được thay đổi bằng biến tần. Thông số P (bước nan) điều khiển phối hợp giữa tốc độ vòng quay của lồng hàn và tốc độ dịch chuyển của xe kéo nan dọc Z. Đường kính lồng D được điều khiển nhờ bộ điều khiển trục X. Thời gian hàn t và cường độ dòng hàn I ở đây là đối tượng được nghiên cứu tích hợp với các thông số trên thông qua bộ điều khiển CNC.
Chúng tôi đã ghép nối được “Bộ điều khiển quá trình hàn tự động” với bộ điều khiển CNC. Ở đây các lệnh điều khiển dòng hàn, thời gian hàn và thời điểm bắt đầu hàn đều được lập trình từ bộ điều khiển CNC. Các lệnh này được gửi từ bộ điều khiển CNC tới “Bộ điều khiển quá trình hàn tự động” và đều thực hiện một cách chính xác, tin cậy và tạo được mối hàn đảm bảo chất lượng, khẳng định sự thành công của quá trình tích hợp công nghệ hàn và công nghệ CNC.
Áp dụng thực tế
Máy hàn cốt thép điều khiển CNC mang tính tự động hóa cao vì sử dụng “Bộ điều khiển quá trình hàn tự động” với bộ điều khiển CNC. Thời điểm phát xung hàn, thời gian hàn, điện áp hàn được điều chỉnh chính xác và lập trình được.
Đã giải quyết vấn đề thay đổi linh hoạt điện áp hàn theo sự biến thiên điện áp lưới, giữ cho quá trình hàn luôn ổn định, nâng cao chất lượng sản phẩm.
Thiết bị được thiết kế phối hợp giữa thay đổi điện áp và thời gian hàn do vậy tối ưu được công suất hàn và khống chế khả năng cháy đứt phôi.
Thiết bị được bảo vệ và có khả năng dập nhiễu tốt, đảm bảo điều kiện kỹ thuật nối ghép với bộ điều khiển CNC.
Thiết bị được thiết kế theo kiểu modul mở do vậy khả năng bổ sung nâng cấp và mở rộng tính năng cho các thiết bị tương tự khác.
Dải điện áp ra biến thế hàn được điều chỉnh liên tục theo phạm vi yêu cầu của công nghệ hàn tiếp xúc.
Các thiết bị hàn tự động điều khiển CNC kết hợp với “Bộ điều khiển quá trình hàn tự động” đã được sử dụng trong các máy hàn cốt thép ống bê tông các gam cỡ do Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp chế tạo.

Số 102 (3/2009)♦Tự động hóa ngày nay


Tin mới hơn:
Tin cũ hơn:

 

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết




 



 

 

Mới cập nhật