BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LƯƠNG VĂN HƯỞNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỒ GÁ HÀN
MỘT TRỤC QUAY
Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ HÀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. BÙI VĂN HẠNH

Hà Nội – Năm 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá
nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Bùi Văn Hạnh.
Các số liệu, những nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực
và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào.
Tơi xin chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình.
Học viên

Lương Văn Hưởng


MỤC LỤC
Trang phụ bìa……………………………………………………………………….

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................

Mục lục……………………………………………………………………...…
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................1
4. Kết cấu của luận văn .............................................................................................2
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỒ GÁ SỬ DỤNG TRONG LĨNH VỰC HÀN
.....................................................................................................................................3
1.1 Giới thiêu chung về đồ gá hàn .........................................................................3
1.2 Phân loại đồ gá hàn ..........................................................................................4
1.2.1

Phân loại theo quy mô sản xuất ...............................................................4

1.2.2 Phân theo khả năng tự làm việc...................................................................5
1.2.3 Phân loại theo trạng thái làm việc của phôi hàn...........................................7
1.3. Đồ gá hàn một trục quay và khả năng ứng dụng ............................................7
1.4. Tính cấp thiết chế tạo đồ gá hàn .......................................................................9
KẾT LUẬN CHƯƠNG I ........................................................................................11
CHƯƠNG II. TÍNH TỐN THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA ĐỒ GÁ
HÀN MỘT TRỤC QUAY ......................................................................................12
2.1. Chọn phương án thiết kế đồ gá hàn một trục quay ......................................12
2.2. Thiết kế khung đồ gá hàn một trục quay .......................................................12
2.2.1. Chọn vật liệu chế tạo khung đồ gá .............................................................12
2.2.2. Thiết kế thân đồ gá......................................................................................13
2.3. Thiết kế cơ cấu chuyển động tịnh tiến đầu hàn .............................................15
2.3.1. Tính tốn chọn động cơ và hộp giảm tốc....................................................15
2.3.2. Thiết kế kết cấu cơ khí ................................................................................17

2.4. Thiết kế cơ cấu chuyển động quay phôi .........................................................21


2.4.1. Tính tốn chọn động cơ và hộp giảm tốc....................................................21
2.4.2. Thiết kế kết cấu cơ khí ................................................................................23
2.5. Thiết kế cơ cấu nâng hạ đầu hàn ....................................................................26
2.5.1. Tính tốn chọn xy lanh nâng hạ đầu hàn ...................................................26
2.5.2. Thiết kế kết cấu cơ khí ................................................................................28
KẾT LUẬN CHƯƠNG II.......................................................................................31
CHƯƠNG III.THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ......................................32
3.1. Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống điều khiển .......................................32
3.1.1 Lý do sử dụng bộ điều khiển khả lập trình PLC .........................................33
3.1.2 Cấu tạo và chức năng các thiết bị trong hệ thống điều khiển .....................36
3.1.2.1 Bộ điều khiển lập trình PLC CPM2A ..................................................36
3.1.2.2 Biến tần .................................................................................................40
3.1.2.3 Cảm biến ...............................................................................................42
3.1.2.4. Encoder ................................................................................................44
3.1.2.5 Rơ le......................................................................................................46
3.1.2.6. Động cơ làm việc ................................................................................47
3.2. Thiết kế bảng điều khiển .................................................................................48
3.3. Thiết kế các mạch điều khiển ..........................................................................49
3.3.1 Thiết kế mạch điều khiển quay phôi ............................................................50
3.3.2 Thiết kế mạch điều khiển tịnh tiến đầu hàn .................................................50
3.3.3 Thiết kế mạch nâng hạ đầu hàn ...................................................................51
KẾT LUẬN CHƯƠNG III .....................................................................................52
CHƯƠNG IV. XÂY DỰNG THUẬT TỐN, VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU
KHIỂN VÀ KẾT NỐI VỚI HỆ THỐNG HÀN TỰ ĐỘNG................................53
4.1. Giới thiệu về phần mềm SYSWIN ..................................................................53
4.2. Lập trình với SYSWIN ....................................................................................53
4.3. Thuật tốn và lập trình điều khiển đồ gá.......................................................68

4.3.1.Bài tốn giả thiết..........................................................................................68
4.3.2.Xây dựng thuật toán .....................................................................................68


4.3.2.1 Sơ đồ khối thuật tốn ............................................................................69
4.3.2.2.Phân tích sơ đồ .....................................................................................69
4.3.3.Chương trình điều khiển ..............................................................................71
KẾT LUẬN CHƯƠNG IV .....................................................................................76
CHƯƠNG V. MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỒ GÁ HÀN MỘT TRỤC
QUAY .....................................................................................................................777
5.1. Mơ phỏng q trình hàn theo chu vi ống .......................................................77
5.2. Mơ phỏng q trình hàn theo đường sinh của ống .......................................78
KẾT LUẬN CHƯƠNG V .......................................................................................80
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................81
1. Kết luận: ...............................................................................................................81
2. Kiến nghị: .............................................................................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................83


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1. Thành phần hóa học của thép ………………………..

13

Bảng 2-2. Cơ tính của thép ………………………………………

13

Bảng 2-3 Thơng số kỹ thuật hộp giảm tốc RV20E……………..


16

Bảng 2-4 Thông số ren thang hệ mét…………………………….

18

Bảng 2- 5. Kích thước ổ lăn………………………………………

20

Bảng 2- 6. Thông số kỹ thuật hộp giảm tốc RV40E……………

23

Bảng 2-7. Bảng thông số một số mâm cặp………………………

23

Bảng 3-1. Bảng trạng thái, chức năng PLC……………………..

37

Bảng 3-2. Bảng đặc điểm bộ điều khiển lập trình PLC…………

38

Bảng 3-3. Các loại biến tần……………………………………….

41


Bảng 3-4. Bảng quy định ký hiệu công suất động cơ…………

42

Bảng 3-5. Bảng ký hiệu cảm biến………………………………..

42

Bảng 4-1. Bảng phân chia các đầu vào:………………………….

70

Bảng 4-2.Bảng phân chia các đầu ra:…………………………….

70


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1- 1. Robot kết nối với đồ gá hàn trong sản xuất ...............................................3
Hình 1-2. Robot kết nối với đồ gá hàn ........................................................................5
Hình 1-4. Đồ gá hàn 1 trục quay dùng để hàn nối ống với mặt bích ..........................6
Hình 1-5. Mộ số đồ gá hàn tự động ............................................................................7
Hình 1-6. Robot hàn làm việc với đồ gá hàn một trục quay .......................................8
Hình 1- 7. Đồ gá hàn một trục quay A2PB252 - E của OTC DAIHEN ....................9
Hình 2-1. Sơ đồ thiết kế đồ gá hàn một trục quay ....................................................12
Hình 2-2. Một số chi tiết của đồ gá hàn ....................................................................14
Hình 2-3. Thân đồ gá hàn ..........................................................................................15
Hình 2-4. Thơng số kỹ thuật ren thang .....................................................................17
Hình 2-5.Trục vít me .................................................................................................18
Hình 2-6. Chi tiết khớp nối trục động cơ với trục vít ...............................................19

Hình 2-7. Chi tiết trục vít me – đai ốc ......................................................................19
Hình 2-8. Chi tiết dẫn hướng ....................................................................................20
Hình 2-9. Gối đỡ hai đầu trục vít ..............................................................................21
Hình 2-10. Tổng thể cơ cấu tịnh tiến ........................................................................21
Hình 2- 11. Mâm cặp ................................................................................................23
Hình 2-12. Tấm vách.................................................................................................25
Hình 2-13 Kết cấu bệ đỡ ...........................................................................................25
Hình 2-14. Tấm gá mâm cặp .....................................................................................26
Hình 2-15. Tấm gá động cơ và hộp giảm tốc ............................................................26
Hình 2- 16. Một số loại xylanh .................................................................................27
Hình 2-17. Xylanh bàn trượt .....................................................................................28
Hình 2-18. Cơ cấu nâng hạ mỏ hàn...........................................................................29
Hình 3- 1. Sơ đồ khối tổng thể đồ gá hàn .................................................................32
Hình 3-2. Sơ đồ động học đồ gá hàn một trục quay .................................................33
Hình 3-3. Hình ảnh PLC CPM2A .............................................................................36
Hình 3-4. Sơ đồ kết nối PLC .....................................................................................38


Hình 3-5. Biến tần 3G3JV .........................................................................................40
Hình 3-6. Sơ đồ đấu nối biến tần ..............................................................................41
Hình 3-7. Cảm biến từ ...............................................................................................42
Hình 3-8. Cảm biến HYP ..........................................................................................44
Hình 3-9. Encoder .....................................................................................................44
Hình 3-10. Bản vẽ kích thước Encoder .....................................................................45
Hình 3-11. Sơ đồ nối dây Encoder ............................................................................46
Hình 3-12. Rơ le ........................................................................................................46
Hình 3-13. Sơ đồ nguyên lý Rơle..............................................................................47
Hình 3-14 Bản vẽ động cơ ........................................................................................47
Hình 3-15. Động cơ điện ...........................................................................................48
Hình 3-16.Bảng điều khiển .......................................................................................49

Hình 3-17. Sơ đồ mạch đấu nối.................................................................................49
Hình 5-1. Thao tác kẹp phơi ......................................................................................77
Hình 5-2. Mỏ hàn đi xuống .......................................................................................77
Hình 5-3. Quá trình hàn ............................................................................................78
Hình 5-4. Kết thúc đường hàn theo chu vi đường trịn .............................................78
Hình 5-5. Quá trình hàn ............................................................................................79
Hình 5-6. Kết thúc đường hàn theo chu vi đường tròn .............................................79


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
- Trên thực tế, có rất nhiều dạng kết cầu, chi tiết với những đường hàn phức
tạp, biên dạng đặc biệt mà nếu đơn thuần người công nhân dù tay nghề rất cao cũng
rất khó hoặc khơng thực hiện được. Vấn đề này sẽ được đồ gá hàn thực hiện với
nhiệm vụ: “Luôn đưa chi tiết hàn về vị trí thuận lợi nhất để thực hiện hàn”. Dùng đồ
gá, không những nâng cao chất lượng sản phẩm mà nó cịn mang lại năng suất lao
động rất cao.
- Thiết kế được đồ gá hàn một trục quay kết nối với máy hàn bán tự động sẽ
trở thành một hệ thống hàn tự động, các đường hàn được thực hiện với chất lượng
và năng suất rất cao.
- Ở nước ta hiện nay, hầu hết tại các cơng ty, xí nghiệp vẫn đang sử dụng đồ
gá hàn có kết cấu đơn giản. Đồ gá hiện đại có tính tự động đều nằm trong các nhà
máy, cơng ty nước ngoài hoặc liên doanh với nước ngoài. Bởi vì cho đến nay, đồ gá
hiện đại có đơn giá rất cao, đôi khi tương đương với thiết bị (robot). Không những
vậy đồ gá lại không đễ dàng mua ngay được. Để giải quyết vấn đề này chúng ta rất
cần có sự đầu tư đáng kể cho cơng việc nghiên cứu, chế tạo và sử dụng đồ gá hàn
nội địa.
2. Mục đích nghiên cứu
- Thiết kế hệ thống cơ khí để gia công gá kẹp chi tiết và tiến hành hàn.
- Thiết kế hệ thống điều khiển, phân tích và xây dựng sơ đồ khối của hệ

thống điều khiển
- Xây dựng thuật tốn và viết chương trình điều khiển cho hệ thống
- Sử dụng phần mềm mô phỏng Solidworks để xây dựng mơ phỏng các
chuyển động trong q trình hàn các chi tiết dạng ống theo chu vi và theo đường
sinh của ống.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Các chi tiết hàn dạng ống với các đường hàn theo
chu vi, theo đường sinh hoặc đường xoắn ốc.

1


Phạm vi nghiên cứu: Tự động hóa q trình hàn ống theo chu vi và theo
đường sinh của ống trên các máy hàn bán tự động MIG/MAG.
4. Kết cấu của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo, luận văn bao
gồm 5 chương:
Chương I:Tổng quan về đồ gá trong lĩnh vực hàn
Chương II: Tính tốn, thiết kế kết cấu cơ khí của đồ gá hàn một trục quay
Chương III: Thiết kế hệ thống điều khiển đồ gá
Chương IV: Xây dựng thuật toán, viết chương trình điều khiển và kết nối với hệ
thống hàn
Chương V: Mô phỏng hoạt động của đồ gá hàn một trục quay

2


Chương I. TỔNG QUAN VỀ ĐỒ GÁ SỬ DỤNG TRONG LĨNH VỰC HÀN
1.1 Giới thiệu chung về đồ gá hàn
Trong q trình chế tạo sản phẩm cơ khí, hàn người ta sử dụng nhiều loại đồ

gá với kết cấu và tính năng kỹ thuật ngày càng hồn thiện hơn; Nhằm làm nâng cao
chất lượng, tăng năng suất và hạ giá thành sản phẩm.

Hình 1- 1. Robot kết nối với đồ gá hàn trong sản xuất
Đồ gá hàn là một loại trang bị công nghệ hỗ trợ cho hệ thống hàn nhằm mở
rộng khả năng công nghệ cho máy hàn. Đồ gá giúp cho q trình gia cơng được
thuận tiện, giúp các thiết bị máy móc làm việc linh hoạt và chính xác. Nhờ có đồ gá
hàn mà các vị trí hàn phức tạp được đưa về vị trí thuận lợi nhất giúp máy hàn có thể
thực hiện được một cách hiệu quả nhất. Đồ gá hàn đã hình thành ngay từ khi ngành
hàn ra đời. Nó đã cùng với các loại máy hàn làm nên những sản phẩm đạt chất
lượng cao về kỹ thuật với giá thành cạnh tranh. Từ các chi tiết hay kết cấu đơn giản
đến các kết cấu phức tạp đều có các dạng đồ gá khác nhau tham gia. Và theo sự phát
triển của các máy móc, các phương pháp hàn, đồ gá hàn cũng ngày càng phát triển,
phong phú. Ứng với từng loại, dạng của kết cấu hay thiết bị hàn, đồ gá hàn có rất
nhiều loại, dạng khác nhau. Có khi chỉ là những thanh chống thông thường khi hàn
các sản phẩm nhỏ lẻ và đơn chiếc, có khi là cả một tổ hợp đồ gá khi dùng cho sản

3


xuất hàng loạt và mang tính chuyên dùng. Đồ gá và hệ thống đồ gá đã trở thành vấn
đề quan tâm nhất trong các ngành sản xuất bằng hàn.
Nghiên cứu và chế tạo đồ gá hàn đã và đang trở nên cực kỳ quan trọng trong
nền sản xuất cơ khí hiện nay. Bởi vì, đồ gá là một trong ba bộ phận chính trong hệ
thống hàn: Nguồn hàn, Máy hàn, Đồ gá. Để hệ thống làm việc thực sự hiệu quả thì
ba bộ phận trên phải ln đảm bảo tính đồng bộ cao.
Ngày nay, trên thế giới xuất hiện rất nhiều máy hàn hiện đại. Nguồn hàn là
vấn đề dễ dàng được xử lý, còn đồ gá hàn là vấn đề rất phức tạp đối với hầu hết các
tập đoàn cũng như các công ty sản xuất thiết bị. Lý do cho sự phức tạp này chính là
vì đồ gá hàn phụ thuộc nhiều vào máy hàn và kết cấu sản phẩm mà ngày nay lại có

quá nhiều loại máy hàn khác nhau, kết cấu sản phẩm hàn cũng rất đa dạng và ngày
càng phức tạp. Ngoài ra, cùng với sự phát triển của xã hôi, người ta ngày càng quan
tâm hơn tới việc giảm thiểu tối đa sức lao động của con người vào trong quá trình
sản xuất. Do đó đồ gá cũng được nghiên cứu, chế tạo đồng bộ với hệ thống hàn để
thay thế sức lao động của con người đối với các kết cấu hàn mà chỉ với người thợ
đơn thuần không thực hiện được hoặc thực hiện với kết quả không cao hoặc mức
độ đạt yêu cầu là hạn chế.
1.2 Phân loại đồ gá hàn
Có nhiều cách phân loại đồ gá hàn. Có thể phân loại theo quy mơ sản xuất;
phân loại theo tính cơ động của đồ gá (đồ gá cố định, đồ gá di động); theo khả năng
làm việc; phạm vi hình dạng, kích thước, khối lượng phơi; hay theo mức độ cơ khí
hố, tự động hố đồ gá, .v.v. Tuy nhiên, việc phân loại đồ gá hàn theo trạng thái
phôi hàn cố định hay chuyển động, từ đó phân ra hai loại đồ gá hàn tĩnh và đồ gá
hàn động là tương đối thuận tiện cho quá trình nghiên cứu, khảo sát sau này.
1.2.1 Phân loại theo quy mô sản xuất
Đồ gá đơn chiếc: Các dạng đồ gá dùng để sản xuất các mặt hàng mang tính
đơn chiếc. Loại đồ gá này là khơng cố định về thiết kế, chúng có thể thay đổi tuỳ
theo sự thay đổi của mặt hàng sản xuất. Ví dụ: Khi tổ hợp dầm hàn, người ta dùng
đồ gá là các thanh vật liệu thừa với kích thước đủ lớn rồi gá vào bản bụng và bản

4


cánh của dầm. Đồ gá dạng này chỉ đảm bảo được 2 yếu tố: Định vị và chống biến
dạng.
Đồ gá chuyên dùng: Dạng đồ gá dùng cho sản suất mang tính hàng loạt. Loại
đồ gá này được thiết kế có sự ổn định cao, hầu như khơng có sự thay đổi về cấu tạo
cũng như hình dáng. Đồng thời nó được chế tạo với hình thức hệ thống, có nghĩa là
thường tạo thành dây chuyền. Ví dụ: Đồ gá dùng cho sản xuất ơtơ, xe máy,…


Hình 1-2. Robot kết nối với đồ gá hàn
1.2.2 Phân theo khả năng tự làm việc
Đồ gá điều khiển thủ công: Các dạng đồ gá chỉ làm việc khi có sự trực tiếp
điều khiển của con người. Mỗi bước làm việc, mỗi di chuyển của đồ gá là mỗi lần
con người thực hiện. Loại đồ gá này mang tính thơ sơ và sử dụng để chế tạo các kết
cầu hàn có yêu cầu kỹ thuật khơng cao và tính phức tạp khơng cao.
Đồ gá tự động và bán tự động: Đây là loại đồ gá đang được phát triển mạnh
và ngày càng được sử dụng rộng rãi. Bởi nó được kết hợp điều khiển hoạt động
bằng điện, điện tử và thuỷ lực, khí nén. Do khơng những khơng địi hỏi sự can thiệp
thường xun của con người trong q trình làm việc mà nó cịn mang đến sự chính
xác cao cho kết cấu hàn. Đặc biệt với kết cấu có hình dạng phức tạp địi hỏi thực
hiện hàn ở các vị trí mà người thợ khó thực hiện được thì đồ gá tự động kết hợp với
máy hàn tự động sẽ là giải pháp tốt nhất để sản xuất.

5


Hình 1-3. Đồ gá hàn kết nối đồng bộ với robot
Mặt khác, đồ gá tự động mang lại hiệu quả vô cùng cao cả về sản lượng cũng
như chất lượng. Song đồ gá tự động và bán tự động có cấu tạo phức tạp mà không
chỉ chủ động mà thực hiện được. Thậm chí có loại đồ gá rất khó chế tạo. Ngay nước
ta, cịn có rất nhiều đồ gá chưa tự sản xuất được mà hoàn toàn phải nhập từ nước
ngồi. Do đó có khi đồ gá lại u cầu kinh phí cao hơn nhiều so với thiết bị hàn.
Đây chính là vấn đề mà ngành hàn hiện nay cực kỳ quan tâm. Đã có rất nhiều
đề tài, dự án thiết kế chế tạo đồ gá tự động và bán tự động dùng cho robot hàn. Chỉ
có vậy mới có được sản phẩm chất lượng cao và phát huy tối đa khả năng làm việc
của robot.

Hình 1-4. Đồ gá hàn 1 trục quay dùng để hàn nối ống với mặt bích


6


1.2.3 Phân loại theo trạng thái làm việc của phôi hàn
Việc phân loại đồ gá hàn theo trạng thái phôi hàn cố định hay chuyển động,
từ đó phân ra hai loại đồ gá hàn tĩnh và đồ gá hàn động:
Đồ gá hàn tĩnh (đồ gá tĩnh) - là đồ gá phôi hàn được lắp cố định so với đồ
gá; phôi và đồ gá đứng yên khi hàn. Mỏ hàn di chuyển trong quá trình hàn.
Đồ gá hàn động (đồ gá động) - là đồ gá phôi hàn được lắp cố định so với đồ
gá; phôi và đồ gá chuyển động khi hàn. Mỏ hàn có thể đứng yên hoặc di chuyển
trong q trình hàn. Ví dụ, khi hàn các kết cấu hình trụ (xem các ảnh minh hoạ).

Hình 1-5. Mộ số đồ gá hàn tự động
1.3. Đồ gá hàn một trục quay và khả năng ứng dụng
Đồ gá hàn 1 trục quay là loại đồ gá hàn sử dụng để kẹp chặt các chi tết trong
quá trình hàn và giúp máy có thể hàn các chi tiết theo đường sinh hoặc chu vi của
chi tiết một cách thuận lợi dễ dàng và linh hoạt. Tùy vào kết cấu của sản phẩm hàn
và máy hàn mà có rất nhiều loại đồ gá với kết cấu khác nhau như đồ gá có trục quay
thẳng đứng, đồ gá có trục quay nằm ngang hoặc đồ gá mà trục quay của nó có thể
thay đổi tùy theo mục đích sử dụng. Với đồ gá quay lại có lại có những loại có một,
hai hoặc nhiều trục quay (nhiều bậc tự do). Đồ gá có càng nhiều bậc tự do thì càng
linh hoạt, nhưng trái lại, độ cứng vững của đồ gá càng kém. Do đồ gá thường được
dùng với robot hàn là loại máy hàn có độ linh hoạt khá cao cho nên trong hàn người

7


ta chỉ thường dùng loại đồ gá có một hoặc hai trục quay. Như vậy đồ gá vừa đảm
bảo được độ cứng vững tốt, vừa có được sự linh hoạt cao để có thể gia cơng nhiều
loại chi tiết khác nhau.


Hình 1-6. Robot hàn làm việc với đồ gá hàn một trục quay
Với các sản phẩm hàn có khối lượng khơng q lớn thì đồ gá hai trục quay là
thích hợp hơn cả bởi với sự linh hoạt cao của đồ gá, lại được kết hợp với robot hàn
sẽ mở rộng phạm vi hàn của hệ thống hàn này lên rất nhiều so với việc sử dụng hệ
thống hàn với đồ gá hàn một trục quay. Khi đó, ngay cả những đường hàn phức tạp
như những đường hàn trong không gian ba chiều vẫn có thể dễ dàng được đưa về vị
trí thuận lợi giúp cho rơbơt hàn có thể thực hiện một cách hiệu quả.
Ngày nay trên thế giới đã có rất nhiều hãng nghiên cứu và chế tạo đồ gá hàn
hai trục quay. Tuy nhiên tại Việt Nam thì vẫn chưa có một doanh nghiệp nào nghiên
cứu chế tạo mà vẫn phải nhập khẩu từ nước ngoài với chi phí khá cao và khơng phải
lúc nào cũng dễ dàng mua ngay được. Do vậy, ở nước ta hiện nay, hầu hết các cơng
ty, xí nghiệp vẫn đang sử dụng những đồ gá hàn có kết cấu đơn giản, cịn đồ gá hiện
đại, mang tính tự động đều nằm trong các doanh nghiệp nước ngoài hoặc liên doanh
với nước ngồi. Trước tình hình như vậy, việc nghiên cứu và chế tạo đồ gá nói
chung và đồ gá một trục quay nói riêng là vấn đề hết sức cần thiết.
Sau đây là một số đồ gá một trục quay cùng với tính năng và thơng số kỹ
thuật của đồ gá đã được các hãng trên thế giới chế tạo:

8


Thông số kỹ thuật
- Khả năng tải lớn nhất: 250 Kg
- Tốc độ quay bàn quay: 2,6 rad/s (1800/s)
- Sai lệch vị trí điều khiển: ± 0,1 mm
( vị trí ở bán kính R= 300mm)
- Vị trí dừng: Bất kỳ
- Khối lượng máy: 110 Kg
- Phạm vi quay của trục: 3600


Hình 1- 7. Đồ gá hàn một trục quay A2PB252 - E của OTC DAIHEN
Ứng dụng của đồ gá hàn một trục quay.
Đồ gá được ứng dụng để hỗ trợ robot hàn giúp tăng năng suất, tăng tính linh
động và khả năng làm việc của robot. Vật hàn được gá đặt trên mâm cặp có thể
quay trịn quanh trục của nó để robot hàn hết đường hàn theo yêu cầu. Đối với
những vật dài hay vị trí hàn mà khi quay robot ta có thể chế tạo thêm cơ cấu tự định
tâm ở đầu phía kia của chi tiết.
Ngồi ra đồ gá còn được ứng dụng để gá đặt trên các máy CNC giúp tăng
thêm 2 trục cho máy nhờ đó tăng thêm tính linh động của máy.
1.4. Tính cấp thiết chế tạo đồ gá hàn
* Tính kinh tế:
Để hệ thống robot hàn hoạt động đạt hiệu quả kinh tế cao thì hệ thống hàn:
Nguồn hàn- máy hàn- đồ gá phải luôn được đồng bộ.
Trên thực tế, robot hàn và nguồn hàn là thiết bị đồng bộ tương đối thuận lợi
và đã có các nhà sản xuất có chất lượng tốt với giá cả hợp lý. Nhưng đối với đồ gá
hàn do có nhiều sản phẩm có hình dạng, kích thước, kết cấu, khối lượng khác nhau.
Do vậy đồ gá cũng cần chế tạo riêng cho từng loại khác nhau. Vì đồ gá hàn khơng
thể lắp lẫn được nên u cầu chế tạo đồ gá hàn là hết sức cần thiết. Mặt khác nếu
mua đồ gá hàn kết nối đồng bộ của các hãng thì giá thành hết sức cao, không phù
hợp với điều kiện của các doanh nghiệp nhỏ và các trường đào tạo tại Việt Nam.
Nếu có thể sản xuất tại trong nước đồ gá hàn một trục quay kết nối với robot hàn

9


hoặc biến một chiếc máy hàn bán tự động thành máy hàn tự động thì giá thành sẽ
giảm được rất nhiều.
* TÝnh c«ng nghƯ:
- Hàn là phương pháp gia cơng có độ biến dạng rất lớn. Do đó trong và sau

khi hàn, các chi tiết hoặc kết cầu thường bị thay đổi hình dáng cũng như kích thước.
Vấn đề này sẽ được giải quyết nhờ vào nhiệm vụ “định vị và kẹp chặt” của đồ gá
hàn.
- Trên thực tế, có rất nhiều dạng kết cấu, chi tiết với những đường hàn phức
tạp, biên dạng đặc biệt mà nếu đơn thuần người cơng nhân dù tay nghề rất cao cũng
rất khó hoặc không thực hiện được. Vấn đề này sẽ được đồ gá hàn thực hiện với
nhiệm vụ: “Luôn đưa chi tiết hàn về vị trí thuận lợi nhất để thực hiện hàn”.
- Dùng đồ gá, không những nâng cao chất lượng sản phẩm mà nó cịn mang
lại năng suất lao động cao.
- Khác với các ngành công nghiệp khác, để đưa được robot vào làm việc đạt
hiệu quả cao, ngành hàn phải chế tạo được đồ gá với yêu cầu cao như sau:
- Chuyển động của đồ gá phải đồng bộ với chuyển động của robot, tốc độ
quay của đồ gá phải phù hợp với tốc độ hàn để mối hàn đạt chất lượng theo yêu cầu.
- Đồ gá có kết cấu vững chắc, các cơ cấu kẹp chặt đòi hỏi phải thao tác
nhanh và đủ lực kẹp cần thiết nằm hạn chế tối đa biến dạng sinh ra khi hàn.
- Thiết kế được đồ gá hàn một trục quay kết nối với máy hàn bán tự động sẽ
trở thành một hệ thống hàn tự động, các đường hàn được thực hiện với chất lượng
và năng suất rất cao.
- Đồ gá dùng cho robot hàn thường có kết cấu khá lớn vì robot thường được
ứng dụng hàn các dạng liên kết có kết cấu phức tạp và có tải trọng cao.
Do vậy sự cần thiết được nghiên cứu nghiêm túc đồ gá hàn là một trong
những yêu cầu cấp bách cần thực hiện.

10


KẾT LUẬN CHƯƠNG I
Nội dung chương I tác giả đã trình bày các vấn đề sau:
- Giới thiệu chung về đồ gá hàn và tình hình sử dụng đồ gá hàn hiện nay ở
nước ta và trên thế giới.

- Phân tích, phân loại được các loại đồ gá hàn và khả năng ứng dụng của từng
loại đồ gá. Trong đó tác giả đã phân loại đồ gá hàn theo một số loại như: Phân loại
theo quy mô sả xuất ta có: Đồ gá đơn chiếc, đồ gá chuyên dùng; Phân loại theo khả
năng tự làm việc có: Đồ gá thủ công, đồ gá tự động bán tự động; Phân loại theo
trạng thái làm việc của phơi có: Đồ gá tĩnh, đồ gá động
- Tìm hiểu, phân tích về đồ gá hàn một trục quay và khả năng ứng dụng, giới
thiệu thông số kỹ thuật và khả năng làm việc của đồ gá hàn một trục quay A2PB252
- E của hãng OTC DAIHEN.
- Phân tích tính cấp thiết chế tạo đồ gá hàn cho robot trong đó tác giả đã phân
tích trên các quan điểm về tính kinh tế và tính công nghệ của đồ gá.

11


Chương II. TÍNH TỐN THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA ĐỒ GÁ HÀN
MỘT TRỤC QUAY
2.1. Chọn phương án thiết kế đồ gá hàn một trục quay
Đồ gá hàn một trục quay được thiết kế theo sơ đồ như hình 2-1, bao gồm các
bộ phận :
1. Khung đồ gá
2. Cơ cấu chuyển động quay phôi
3. Cơ cấu chuyển động tịnh tiến đầu hàn
4. Cơ cấu nâng hạ đầu hàn

3
4
2

Hình 2-1. Sơ đồ thiết kế đồ gá hàn một trục quay
2.2. Thiết kế khung đồ gá hàn một trục quay

2.2.1. Chọn vật liệu chế tạo khung đồ gá

12

1


Ta chọn vật liệu chế tạo khung đồ gá hàn một trục quay là loại thép Cacbon
thấp CT38 có dạng hộp. Vì kết cấu của đồ gá hàn loại này là đồ gá quay với tốc độ
quay rất nhỏ nên có dạng hộp sẽ tiết kiệm tối đa khối lượng máy và giá thành sản
phẩm đồng thời vẫn đảm bảo được chất lượng đồ gá. Vật liệu chế tạo là loại thép
CT38 theo TCVN. Các đặc trưng về thành phần hóa học và cơ tính của thép tra sách
vật liệu học cơ sở là:
Bảng 2-1. Thành phần hóa học của thép
Mác thép Cacbon (C)

Silic (Si)

Mangan (Mn)

Phốt pho (P)

Lưu huỳnh (S )

CT38

0,12 - 0,3

0,40 - 0,65


≤ 0,04

≤0,05

0,14 - 0,22

Bảng 2-2. Cơ tính của thép

Mác
thép

ST/Mpa chia theo độ dày, δ5 (%), theo độ dày,
σb/MPa

mm

mm

Thử

uốn

180o theo độ dày,
mm

< 20 20∼40 40∼100 > 100 < 20 (20∼40) > 40 ≤ 20
CT38 363∼461 235

226


216

196

27

nguội

26

24

d = 0,5

> 20
d=a

2.2.2. Thiết kế thân đồ gá
Thân đồ gá hàn một trục quay yêu cầu có độ cứng vững cao để khi gá lắp,
định vị chi tiết hàn trên đó không bị mất cân bằng, đồng thời khi gá lắp chi tiết được
thuận lợi dễ dàng. Do vậy đồ gá hàn cần có 04 chân và có độ cao phù hợp để khi sử
dụng được thuận lợi. Phạm vi hoạt động của đồ gá là có thể gá lắp các chi tiết có
dạng hình trịn đồng tâm và có thể hàn theo chu vi của nó hoặc hàn theo đường sinh.
Các số liệu cơ bản: Kết cấu của đồ gá có dạng khối hình hộp nên được liên
kết từ các thanh đứng tạo thành các chân của đồ gá và các thanh ngang tạo thành
các thành giằng liên kết các chân lại với nhau, bề mặt của đồ gá được thiết kế có
tấm mặt tơn dày để tạo mặt bàn khi gia cơng chi tiết có thể đặt các dụng cụ lên nó.
Hộp để chế tạo kết cấu đồ gá là loại thép hộp 50 x 50 x 2(mm)
Thanh có kích thước 1500 x 50x 50x 2 = 02 thanh (Thanh giằng dọc)


13


Thanh có kích thước 650 x 50 x 50 x 2 = 02 thanh (Thanh giằng ngang)
Thanh có kích thước 450 x 50 x 50 x 2 = 04 thanh (Chân đồ gá)
Các chân đồ gá được hàn với mặt bich có kích thước 80x 80x 5 mm để làm
tăng độ cứng vững của đồ gá khi làm việc.
Mặt đồ gá là thép tấm có kích thước 1500 x 650 x 6(mm)

Thanh giằng

Thanh chân

Hình 2-2. Một số chi tiết của đồ gá hàn
Yêu cầu kỹ thuật: Khi tiếp nhận vật liệu cần kiểm tra kĩ lưỡng về số hiệu, dấu
hiệu kiểm tra của nhà máy chế tạo. Trong giấy chứng minh vật liệu phải có thành
phần hóa học và các số liệu thí nghiệm cơ học. Trước khi gia cơng, vật liệu phải
được vệ sinh, mục đích là để dể lấy dấu, đảm bảo độ chính xác. Nếu vật liệu có hiện
tượng cong vênh thì cần có biện pháp nắn thẳng để khắc phục biến dạng của thép
sau khi cán, hoặc do va chạm, nếu có, trong q trình nâng, cẩu, vận chuyển, đây là
khâu cơ bản trong công tác chuẩn bị. Thông thường, thép được uốn nắn, điều chỉnh
ở trạng thái nguội. Trường hợp thép bị cong vênh quá lớn mới điều chỉnh bằng nung

14


nóng. Sau khi đã kiểm tra và nắn thẳng (nếu có), thép cần được đánh sạch để loại
trừ các bám bẩn trong quá trình chế tạo và vận chuyển.
Sau khi chuẩn bị được các thanh phơi có kích thước như trên thì tiến hành gá
đính và hàn các chi tiết lại với nhau tạo thành kết cấu bàn có độ cứng vững cao.


Hình 2-3. Thân đồ gá hàn
2.3. Thiết kế cơ cấu chuyển động tịnh tiến đầu hàn
2.3.1. Tính tốn chọn động cơ và hộp giảm tốc
- Tính tốn chọn động cơ
Trục nối với mâm cặp được truyền động bởi động cơ servo, quay với vận tốc
30 vòng/phút.
Chọn sơ bộ tốc độ quay đầu ra của trục động cơ là 30 vịng/ phút
Vận tốc góc là: ω =

π.n
30

=

π.30
30

Xác định cơng suất động cơ:

= 3.14 rad/s

Công suất làm việc được xác định bằng công thức:
Plv = M.ω

15


Trong đó: M là momen qn tính: M = J. Ε (N.m)
ω là vận tốc góc

Chọn sơ bộ: J = 3,5 Kg.m2
Giả sử trục quay từ vận tốc ω1 = 0.5π rad/s đến ω2 = 3.14 rad/s trong thời
gian Δt = 0,05s thì ta có:ε =

Δω
Δt

M= 3,5. 10π = 35π N.m

=

ω2− ω1
Δt

=

0,5.π
0,05

= 10π rad/s2

Plv = M.ω = 35π . 0.5π = 172,54 (W)

Hiệu suất truyền động: η = ηol .ηtv .ηgt
Trong đó: ηol = 0,97 là hiệu suất của cặp ổ lăn

ηtv = 0,97 là hiệu suất của trục vít
ηgt = 0,92 là hiệu suất của hộp giảm tốc
Thay số ta có: η = 0,97. 0,97. 0,92 = 0,87
Vậy Pyc =


Plv
η

=

172,54
0,87

= 198,32(W)

Từ các kết quả ở trên ta chọn được động khơng đồng bộ xoay chiều một pha
có cơng suất là 370 W.
- Chọn hộp giảm tốc
Do trục động cơ có tác dụng làm quay trục vít, trên đó có mang đầu mỏ hàn,
có khối lượng khơng lớn nên ta chọn hộp giảm tốc RV20E, có thơng số kỹ thuật:
Bảng 2-3 Thông số kỹ thuật hộp giảm tốc RV20E
Tốc độ đầu ra (v/p)

15

Tốc độ đầu ra max (v/p)

75

Công suất (W)

260

Tỉ số truyền


80

Momen xoắn cho phép (N.m)

882

Momen xoắn max (N.m)

1764

Khối lượng (Kg)

4,4

16


2.3.2. Thiết kế kết cấu cơ khí
Cơ cấu tịnh tiến đầu hàn có tác dụng di chuyển mỏ hàn dọc theo trục của
phơi hàn, và có thể hàn hết chiều dài của phôi hàn (hàn các đường hàn thẳng). Mỏ
hàn chuyển động tịnh tiến thơng qua trục vít, trục vít được truyền chuyển động từ
động cơ. Đầu hàn được định vị trên trục vít và có thể di chuyển dọc theo đồ gá hàn.
Kết cấu cơ khí của cơ cấu chuyển động tịnh tiến đầu hàn bao gồm các bộ
phận:
Tại vị trí hai đầu thân đồ gá được thiết kế hai thanh hộp đứng, liên kết hai
hộp đứng lại với nhau ta được thân của cơ cấu tịnh tiến đầu hàn, vật liệu chế tạo
thân của cơ cấu cũng giống vật liệu chế tạo thân đồ gá hàn là thép CT38 dạng hộp.
Bao gồm: 02 thanh có kích thước 650x50x 50x 2 mm – hàn thành đứng
01 thanh có kích thước 1500x 50x 50x 2 mm – hàn thanh giằng ngang

Các thanh đứng được cắt vát một đầu 45º, hai đầu thanh giằng cũng được cắt
vát 45º để khi hàn các thanh lại với nhau có tính thẩm mỹ.
Trục truyền chuyển động tịnh tiến của mỏ hàn: Ở đây chọn trục truyền là trục
vít me, đai ốc. Vì chiều dài thiết kế của cơ cấu là Ltk = 1500mm, nên chiều dài thực
của trục vít là chiều dài theo thiết kế và chiều dài đoạn nối trục vít với trục động cơ,
Yêu cầu của trục vít là phải đảm bảo độ cứng vững để khi hàn đến đoạn giữa trục
không bị võng xuống, đồng thời phải chuyển động nhẹ nhàng. Nên ở đây chọn trục
vít có đường kính Ø30 và có ren thang hệ mét theo tiêu chuẩn.

Hình 2-4. Thơng số kỹ thuật ren thang

17