Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy hàn điểm di động, dòng hàn từ 500-6500A

Bộ Công th−ơng Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp Viện Công nghệ Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN M∙ số: 241.07 RD/HĐ-KHCN Tên đề tài: nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy hàn điểm di động, dòng hàn từ 500 ữ 6500A Cơ quan chủ quản: Bộ Công th−ơng Cơ quan chủ trì: Viện Công nghệ Chủ nhiệm đề tài: KS. trần thanh tuyền 6795 12/4/2008 Hà Nội, 03 - 2008 Những ng−ời thực hiện 1. KS. Trần Thanh Tuyền Viện Công nghệ 2. KS. Lê Sỹ Lan Viện Công nghệ 3. KS. Trần Minh Châu Viện Công nghệ 4. KTV. Tr−ơng Văn Thoa Viện Công nghệ 5. KS. Nguyễn Ngọc Thắng Viện Công nghệ mục lục trang Phần 1. giới thiệu sơ l−ợc về hàn điểm ....................................................... 01 1.1 Hàn điện trở................................................................................................ 01 1.2 Hàn điểm......................................................................................................... 01 Mô tả mối hàn điểm và các loại mối hàn khác................................ 02 1.3 Máy hàn điểm di động............................................................................ 04 Phần 2. Thiết kế kỹ thuật ..................................................................................... 05 2.1 Nguyên lý chung...................................................................................... 05 Sơ đồ khối............................................................................................................. 06 2.2 Khối chức năng nguồn......................................................................... 07 Sơ đồ mạch nguồn........................................................................................... 07 2.3 Khối chức năng công suất................................................................ 08 Sơ đồ mạch điện công suất........................................................................ 09 Thiết kế máy biến áp động lực................................................................. 10 Thiết kế lõi tôn silic..................................................................................... 11 Thiết kế cuộn dây........................................................................................... 12 xử lý Cách điện, chống ẩm, chống rung, chống ồn...................... 13 2.4 Khối chức năng điều khiển lập trình......................................... 13 2.4.1 Thiết kế chức năng vi điều khiển............................................... 13 Loại vi điều khiển lựa chọn....................................................................... 13 Cấu hình sử dụng cho máy hàn đề tài................................................... 14 L−u đồ tiến trình phần mềm......................................................................... 15 l−u đồ giải thuật vòng lặp main............................................................. 16 module spi hiển thị chữ số led.................................................................. 17 hàm đẩy spi_led................................................................................................ 18 danh sách công cụ làm việc.................................................................. 19 Thiết kế cấu hình cứng và chức năng từng chân chíp................ 19 Thiết kế phần hiển thị màn hình và các menu cài đặt................ 23 Các chế độ hiển thị màn hình sau khi chế tạo hoàn thiện máy.................................. 28 2.4.2 Thiết kế phần cứng cho khối điều khiển.............................. 30 Phần nguồn......................................................................................................... 30 Phần đệm công suất....................................................................................... 31 Mạch điều chế tín hiệu đo l−ờng............................................................ 32 Mạch điều chế tín hiệu đo dòng hàn.................................................... 33 Mạch tạo điện áp quy chiếu...................................................................... 34 Mạch giao tiếp máy tính ............................................................................. 35 Sơ đồ mạch điều khiển đầy đủ................................................................. 36 2.5 Khối hiển thị.............................................................................................. 36 Sơ đồ mạch hiển thị........................................................................................ 37 2.6 Thiết kế mạch in...................................................................................... 38 2.6.1 Board mạch hiển thị.......................................................................... 39 các bản vẽ thiết kế.................................................................................. 40 - 44 2.6.2 Board mạch điều khiển.................................................................... 45 các bản vẽ thiết kế................................................................................ 46 - 50 phần 3. Thiết kế cơ khí ........................................................................................... 51 các bản vẽ thiết kế............................................................................... 52 - 68 phần 4. khảo nghiệm thực tế ............................................................................. 69 bảng kết quả khảo nghiệm........................................................................ 69 các hình ảnh đ∙ chụp trong quá trình khảo nghiệm......... 71 - 73 phần 5. nhận xét chung ................................................................................ 73 - 75 tài liệu tham khảo.......................................................................................... 76 1 Phần 1. giới thiệu sơ l−ợc về hàn điểm: 1.1 Hàn điện trở: Trong nhiều nguyên lý hàn kim loại nh− hàn điện trở, hàn que, hàn TIG, hàn MIG, MAG, Hàn PLASMA, hàn hơi... thì hàn điện trở khá đặc biệt. Bằng cách cấp một nguồn điện có hiệu điện thế (U) vào hai phía của vật hàn bằng kim loại, do kim loại có tính dẫn điện nên xuất hiện dòng điện (I) đi qua vật hàn, vì trong kim loại có điện trở suất nên giữa vật hàn bao giờ cũng tồn tại một điện trở (R), dòng hàn làm cho điện trở này sinh ra một nguồn nhiệt năng có công suất (P) theo công thức: U = I / R P=U.I → P = I² / R Nguồn nhiệt này làm nóng chảy vật hàn và tạo ra mối hàn ngay giữ hai điện cực. 1.2 Hàn điểm: Trên cơ sở nguyên lý hàn điện trở, hàn điểm mang nhiều −u điểm so với các nguyên lý hàn khác cả về chất l−ợng mối hàn và tính kinh tế. Hàn điểm tạo ra mối hàn từ bên trong mặt tiếp giáp nơi mà mắt ta không nhìn thấy, đây là điểm đặc biệt mà không một loại máy hàn nào khác làm đ−ợc. Mối hàn của máy hàn điểm không hề nổi cộm lên, không làm cháy những thứ xung quanh, nguội nhanh, ít gây biến dạng vật liệu hàn, không gắn thêm loại vật liệu nào khác lên mối hàn, không tạo ra xỉ bám quanh mối hàn nên mối hàn đẹp hơn hẳn so với các mối hàn khác. Ngoài ra hàn điểm còn không phải mất bất kỳ loại que hàn, dây hàn, thuốc hàn hay khí hàn nào cả, không phải gia công mài sửa lại mối hàn mà tốc độ hàn lại rất cao có thể đạt tới 0,05 giây / một mối hàn, vì thế hàn điểm rất kinh tế. 2 Mô tả mối hàn điểm và các loại mối hàn khác: Mối hàn que Mối hàn TIG Mối hàn hơi Mối hàn điểm Do điện trở giữa hai điện cực hàn điểm trên vật hàn rất nhỏ chỉ khoảng 0,00001 đến 0,001 omh nên phải cấp một nguồn điện có dòng điện rất lớn từ hàng trăm Ampe đến hàng trăm nghìn Ampe tuỳ theo vật liệu và độ dầy vật liệu hàn mới tạo ra đ−ợc một hiệu điện thế đủ lớn trên vật liệu hàn, vì thế dây hàn cần rất lớn để dẫn đ−ợc dòng điện lớn nh− vậy, cũng vì đặc điểm này mà máy hàn điểm th−ờng phải đặt cố định và di chuyển vật hàn để hàn. Vật hàn càng dầy thì dòng hàn và lực ép giữa hai điện cực càng phải lớn nên việc chế tạo máy hàn để hàn những vật liệu dầy càng trở nên khó khăn, không những thế máy hàn càng lớn thì càng không thể di chuyển để thao tác mà di chuyển vật hàn loại dầy để thao tác thì cũng rất nặng nề khó khăn. Hình 1. 3 Chúng tôi lấy ví dụ một số thông số bảng tra chế độ hàn điểm dùng cho thép các bon thấp trong cuốn sổ tay hàn dán điện trở ZGRZEWANIE OPOROWE PORADNIK của tác giả Ryszard Michalski nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Ba Lan: Chế độ mềm Chế độ cứng Chiều dầy thép (mm) Đ−ờng kính điện cực (mm) Lực ép (kg) Dòng hàn (Ampe) Thời gian cấp dòng (giây) Lực ép (kg) Dòng hàn (Ampe) Thời gian cấp dòng (giây) 0,5 4 60 2 000 0,2 450 4 000 0,04 1,0 5 100 3 000 0,4 250 8 000 0,1 1,5 6 150 4 000 0,8 400 11 000 0,2 2,0 7 200 5 000 1,0 500 14 000 0,3 3,0 9 300 8 000 2,0 800 19 000 0,6 4,0 11 380 10 000 3,2 1 250 24 000 0,9 5,0 13 450 12 000 4,5 1 700 28 000 1,4 6,0 15 - - - 2 250 32 000 2,0 7,0 17 - - - 3 000 37 000 2,5 8,0 19 - - - 3 700 40 000 3,0 Qua bảng thông số trên ta có thể thấy −u thế của máy hàn điểm không phải đối với vật liệu hàn dầy nh−ng hàn điểm lại chiếm −u thế cao đối với vật liệu hàn mỏng, nhất là những vật liệu mỏng đến mức các loại máy hàn khác khó hoặc không thể hàn đ−ợc. Bảng 1. 4 1.3 Máy hàn điểm di động: Để phát huy tối đa −u điểm của loại máy hàn điểm, đề tài nghiên cứu chế tạo loại máy hàn điểm di động công suất nhỏ với dòng hàn từ 500 Ampe đến 6500 Ampe, với dòng hàn không quá lớn nh− vậy có thể di chuyển điện cực để hàn ở nhiều t− thế mà không cần cố định điện cực rồi di chuyển vật hàn. Máy hàn của đề tài sử dụng dây hàn có tiết diện 300 mm2, một bộ kẹp mát và một bộ tay hàn khoảng 5kg có thể cầm tay để thao tác không quá nặng nề, với bộ tay hàn này có thể hàn đ−ợc thép dầy tối đa là 2+2mm. Ngoài ra chúng tôi còn chế tạo thêm một bộ tay hàn mini với trọng l−ợng d−ới 1kg và dây hàn nhỏ d−ới 25mm2 để hàn các loại thép mỏng có chiều dầy d−ới 0,5mm rất linh hoạt tiện dụng và hữu ích, bộ tay hàn mini này kết hợp với một máy hàn của đề tài có thể hàn đ−ợc tấm thép mỏng tới 0,1 mm hoặc l−ới thép có sợi nhỏ tới ỉ 0,5mm. Với những vật liệu mỏng nh− vậy thì cácloại máy hàn nh− hàn que, hàn TIG, hàn MIG, MAG, Hàn PLASMA, hàn hơi... đều không thể hàn đ−ợc và đây cũng chính là −u điểm lớn nhất của máy hàn điểm di động. Ngoài khả năng hàn các loại thép nêu trên, máy hàn điểm di động của đề tài còn là một thiết bị hàn gá rất hữu hiệu. Đối với những chi tiết đòi hỏi những ph−ơng pháp hàn khác mà cần hàn gá tr−ớc cho chính xác thì chỉ việc dùng máy hàn điểm di động đặt dòng hàn nhỏ hơn so với hàn điểm thành phẩm rồi hàn gá ta sẽ đ−ợc kết quả rất tốt và nhanh chóng, mối hàn gá dùng ph−ơng pháp này không gây biến dạng chi tiết hàn nhiều nh− các ph−ơng pháp hàn gá khác mà vẫn đảm bảo độ chác chắn để hàn thành phẩm. Vì đặc tính sinh nhiệt nhanh của hàn điểm nên chất l−ợng của máy hàn điểm không chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của dòng hàn mà độ chính xác của thời gian cấp dòng cũng quan trọng không kém. Đề tài đã nghiên cứu một giải pháp để đảm bảo độ chính xác tối đa cho cả dòng hàn và thời gian cấp dòng đó là số hoá phần điều khiển. 5 Với các khoảng thời gian đ−ợc chia nhỏ đến một phần triệu giây để tính toán và cài đặt cho việc điều khiển thời gian cấp dòng từ 0,01 giây đến 2,5 giây thì độ chính xác là rất cao. phần điều khiển dòng hàn đ−ợc chia thành 1000 mức t−ơng ứng với các mức dòng hàn đặt từ 100 Ampe đến 6500 Ampe (6,5A/1mức). Phần 2. Thiết kế kỹ thuật: 2.1 Nguyên lý chung: Máy hàn điểm di động gồm 5 phần là phần nguồn, phần công suất, phần điều khiển lập trình, phần tay hàn, phần cơ khí vỏ máy. Sau khi các thông số cài đặt dòng hàn, thời gian cấp dòng, cắt quá tải, cắt quá áp, cắt thấp áp, cắt quá nhiệt đã đã đ−ợc cài đặt và l−u vào bộ nhớ của máy thì máy th−ờng xuyên kiểm tra các điều kiện làm việc và sẵn sang thực hiện lệnh điều khiển. Ng−ời vận hành chỉ việc bấm contac trên tay hàn thì máy sẽ cấp ngay một nguồn điện có dòng nhỏ d−ới 100A để kiểm tra độ tiếp xúc và khởi động bơm n−ớc làm mát tay hàn. khi dòng kiểm tra đã đạt trên 50A thì máy đồng thời cấp dòng hàn và đếm lùi thời gian cấp dòng, khi thời gian cấp dòng đã hết thì máy lập tức ngắt dòng hàn còn bơm n−ớc làm mát tay hàn sẽ đ−ợc ngắt sau khoảng thời gian bằng 2 lần thời gian cấp dòng. Trong quá trình làm việc nếu máy phát hiện có các sự cố nh− quá tải, quá áp, thấp áp, quá nhiệt... thì máy sẽ tự động ngắt dòng và cảnh báo cho ng−ời vận hành biết bằng còi và thể hiện dòng thông báo lỗi trên màn hình, việc báo lỗi sẽ duy trì cho đến khi lỗi đó không còn và ng−ời vận hành buộc phải ngắt nguồn khởi động lại thì máy mới sẵn sàng làm việc tiếp. 6 Sơ đồ khối: Đây là sơ đồ thể hiện mối liên kết, t−ơng tác giữa các khối chức năng trên toàn máy. D−ới đây là phần chi tiết cho từng khối chức năng: Phần nguồn Phần công suất Phần điều khiển Phần hiển thị Phần tay hàn Phần làm mát bằng n−ớc Phần làm mát bằng gió 380vac Phần cắt quá nhiệt Đầu mỏ hàn Đ−ờng n−ớc lạnh Đ−ờng n−ớc nóng Đ−ờng contac đkhiển Đ−ờng dữ liệu Đ−ờng Phím bấm Đ−ờng điều khiển Đ−ờng nguôn 220V Đ−ờng gió làm mát ĐK Nhiệt độ Đ−ờng ĐK Thyrystor 380V Kẹp mass Hình 2. 7 2.2 Khối chức năng nguồn: Phần nguồn lấy điện 2Fa 380V quan một Automat 100A cấp cho bộ công suất và 2 biến áp hạ thế, một biến áp lấy ra điện áp 220VAC cho quạt làm mát máy và bơm n−ớc làm mát tay hàn, một biến áp lấy ra các mức điện áp: 3VAC cho phần đo điện áp nguồn và phát hiện pha điện l−ới. 17VAC cho phần nguồn Board mạch điều khiển. 6+6VAC cho phần so sách và khuyếch đại thuật toán. 8VAC cho phần nguồn nuôi chíp và Board mạch hiển thị. Các nguồn trên cách li hoàn toàn với nhau. Sơ đồ mạch nguồn: 220V 6V 6V 3V 8V 17V 380V AUTOMAT 100A Bộ lọc xung cao tần 473P 473P 200mH TI 200/5A BA1 BA2 C1 C2 Đến phần công suất Hình 3. 8 2.3 Khối chức năng công suất: Từ hai pha điện l−ới 380VAC sau Automat một pha đ−a thẳng đến một đầu dây sơ cấp của máy biến áp động lực, pha còn lại đi qua cặp Thyristor mắc đảo chiều nhau rồi đi vào đầu dây sơ cấp còn lại của máy biến áp động lực để khép kín mạch điện. Cặp Thyrystor đóng vai trò nh− một Contac điện tốc độ cao, bộ điều khiển sẽ phải chọn thời điểm để đóng điện vào máy biến áp cho dúng với mức dòng hàn đặt, thời điểm ngắt điện luôn đ−ợc điều khiển cho đúng với pha không (khi biên độ diện l−ới bằng 0V). Đặc tính của Thyrystor là sau khi đã kích mở đ−ợc rồi thì nó sẽ luôn mở nếu dòng điện đi qua nó đủ lớn cho dù xung điều khiển có còn tồn tại hay không, nh− vậy mạch điều khiển chỉ cần cấp một xung vào thời điểm cần thiết rồi ngắt xung và đợi đến khi nguồn điện quay về pha không lúc đó điện áp nguồn bằng 0 nên dòng điện đi qua Thyristor vào máy biến áp cũng bằng 0 thì Thyristor sẽ tự ngắt kết thúc một bán kỳ điện l−ới. Loại Thyristor dùng cho đề tài là loại Y50KKF dạng đĩa với các thông số sau: * Dòng thuận trung bình ở trạng thái đóng: IT(AV) = 1000 A. * Điện áp rơi đỉnh ở trạng thái đóng: VTM = 2,96 V. * Điện áp chuyển mạch: VDRM VRRM = 1600 V. * Điện áp điều khiển tối thiểu: VGT = 1,16 V. * Dòng điều khiển tối thiểu: IGT = 96 mA. * Dòng duy trì: IH = 57 mA. * Tốc độ biến thiên dòng điện: di/dt = 500 A/. * Tốc độ biến thiên điện áp: dv/dt = 1000 V/. * Độ rộng xung điều khiển tối thiểu: Tq = 20 . Sơ đồ mạch điện công suất: 9 Mạch lọc R1 - C3 mắc song song với cuộn dây sơ cấp của máy biến áp động lực có tác dụng nh− một trở tải đối với xung tần số cao xuất hiện từ máy biến áp khi đóng mở Thyristor để tránh nguy hiểm cho Thyrystor. Thiết kế máy biến áp động lực: BA3 C3 105 R1 22R/30W380VAC Đến mạch điều khiển Đến mạch điều khiển Đến bộ tay hàn Cặp Thyristor dạng đĩa 1000A, 1600V Hình 4. 10 - Kiểu ghép: Biến áp cách ly ba trụ đứng, cuộn sơ cấp và thứ cấp trên cùng một trụ giữa. - Tỷ số điện áp: U1 / U2 = 380V / 25V. - Tỷ số dòng điện: I1 / I2 = 1 / 15,2. - Dòng cực đại đầu thứ cấp: I2max = 6.500A. - Tần suất làm việc cực đại: 20%. - Thời gian cấp dòng tối đa ở dòng cực đại: 03giây. - Thời gian cấp dòng tối thiểu: 10ms. Thiết kế lõi tôn silic: 380V 25V 6500A Máy biến áp động lực sau khi chế tạo hoàn thiện Hình 5. 11 - Kiểu EI 3 trụ đứng ghép 6 phiến, độ dầy 0,3mm. A B A C D C d a c b e Hình 6.a. Hình 6.b. 12 - Tiết diện thô của lõi từ : St = e.b/100 = 200 x 100 / 100 = 200 cm2. - Hệ số lấp đầy lõi từ : M = 0,99. - Tiết diện thực của lõi từ : Sо = St.M = 200 x 0,99 = 198 cm2. - Số phiến Fe-Si loại A: 0,3e.M.2 = 200 / 0,3 x 0,99 x 2 = 1320 phiến. - Số phiến Fe-Si loại B: 0,3e.M = 200 / 0,3 x 0,99 = 660 phiến. - Số phiến Fe-Si loại C: 0,3e.M.2 = 200 / 0,3 x 0,99 x 2 = 1320 phiến. - Số phiến Fe-Si loại D: 0,3e.M = 200 / 0,3 x 0,99 = 660 phiến. Thiết kế cuộn dây: - Loại dây điện từ : Dây đồng bọc cách điện thuỷ tinh. - Mật độ dòng trên cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp : 29 A / mm2. - Tiết diện dây thứ cấp : 6500 / 29 = 224mm2. - Hệ số khép kín từ thông: 0.85. - Tiết diện dây sơ cấp : 224 / (15,2 x 0.85) = 21 mm2. - Hệ số thẩm thấu K :Trong giải từ 35 đến 45, ta chọn K = 40 (mức trung bình) - Số vòng / vôn : N = K / St = 40 / 200 = 0,2 vòng/vol. - Số vòng cuộn sơ cấp : N1 = K x U1 = 0,2 x 380 = 76 vòng. - Số vòng cuộn thứ cấp : N2 = K x U2 = 0,2 x 25 = 5 vòng. - Chu vi vòng dây nhỏ nhất : Cm = 2 ( b+e) = 2 (100+200) = 600mm. - Chu vi vòng dây nhỏ nhất : CM = Cm + 4 (d-b) = 600 + 4 (240-100) = 1160mm. - Chiều dài trung bình 1 vòng dây : Rtb = (CM+Cm)/2 = (1160+600)/2 = 880mm. - Chiều dài cuộn sơ cấp : Rsc = N1 x Rtb = 76 x 880 = 66,88m. - Chiều dài cuộn thứ cấp : Rsc = N2 x Rtb = 5 x 880 = 4,4m. xử lý Cách điện, chống ẩm, chống rung, chống ồn: 13 Sau khi máy biến áp đ−ợc cuốn dây, ghép tôn Fe-Si, làm đầu cực xong, đ−a nhúng toàn bộ trong sơn cách điện, sấy khô ở nhiệt độ 120 °C trong 4 giờ rồi để nguội và đúc đặc các cuộn dây trong keo Epoxy. Sau 2 ngày keo Epoxy đã hoàn toàn đông cứng, cấp điện 380VAC/ 50Hz vào cuộn dây sơ cấp trong 15 phút và kiểm tra nhiệt độ trên cuộ dây và lõi từ, nếu nhiệt độ không quá 45 °C thì máy đã chạy tốt. 2.4 Khối chức năng điều khiển lập trình: Khối điều khiển lập trình là khối đảm nhiệm nhiều chức năng nhất, tất cả các thông tin cài đặt, kiểm tra, đo đạc, tính toán, l−u trữ, điều khiển, hiển thị đều do khối này dảm nhiệm. Trong khối chức năng điều khiển lập trình thì phần tử đảm nhiệm nhiều chức năng nhất là vi điều khiển, phần tử này chứa một ch−ơng trình phần mềm khá phức tạp và đ−ợc coi nh− là bộ não của máy. 2.4.1 Thiết kế chức năng vi điều khiển: Loại vi điều khiển lựa chọn: MICROCHIP PIC 18F458 - I / P Trên thế giới có khá nhiều họ vi điều khiển nh−: họ 89Cxx, AVR của Atmel, 68HCxx của Motorola, PsoC của Cypress, họ PIC của Microchip, và một số họ khác của các hãng nh−:Zilog, NEC, Philips, Fujitsu... Chúng tôi quyết định chọn vi điều khiển PIC18F458-I/P của Microchip bởi các lý do sau: 14 + Là họ uC 8 bit đ−ợc thế giới dùng phổ biến nhất và khẳng định đ−ợc vị trí số một trong làng uC 8 bit. Tính đến khoảng năm 2004 thì số l−ợng về dòng uC 8 bit hãng Microchip bán đ−ợc nhiều nhất thế giới. + Độ ổn định và khả năng chịu nhiễu cao tuân theo chuẩn công nghiệp. + Đóng gói 40 chân dạng DIP, nên đầy đủ chân vào/ra cho ứng dụng thiết kế máy hàn và còn đủ tài nguyên cho việc phát triển mở rộng thêm tính năng. + Tốc độ cao: 10 triệu lệnh/ giây. + Có đầy đủ tài nguyên nh−: có 32 kbyte Flash, 1536 byte RAM, 256 byte EEPROM, 3 bộ định thời, có các giao tiếp nh− RS232, SPI, các bộ biến đổi ADC 10 bit 8 kênh, DAC_PWM 10 bit, các module quan trọng khác cho hệ điều khiển công nghiệp/ quân sự nh−: Watchdog, Brown - out reset... Các tài nguyên trên là không thể thiếu trong bài toán thiết kế máy hàn. Phần mềm đ−ợc viết bằng ngôn ngữ C (HTPIC C của