Hàn là phương pháp rất phổ biến được sử dụng để liên kết các cấu kiện kim loại trong cơ khí. Tùy theo tính chất của công việc mà người ta có thể áp dụng các phương pháp và kỹ thuật hàn khác nhau như hàn nóng chảy hay hàn áp lực. Để thực hiện quá trình hàn thì mỏ hàn hay vật hàn cần phải được di chuyển đến vị trí cần hàn. Quá trình này có thể được thực hiện bằng tay hay tự động. Hiện nay, các robot hàn tự động có giá thành cao, vì vậy cho nên đa số các xưởng cơ khí ở nước ta hiện nay thực hiện công đoạn hàn bằng phương pháp thủ công là chủ yếu. Bài báo này trình bày giải pháp sáng tạo kỹ thuật ứng dụng công nghệ CNC để điều khiển tự động cơ cấu di chuyển mỏ hàn đến các tọa độ cần hàn được lập trình trước trên máy vi tính. Kết quả ứng dụng cho thấy quá trình hàn tư động cho năng suất cao, chất lượng sản phẩm ổn định, giảm giá thành sản xuất.

1. GIỚI THIỆU

Tất cả các thiết bị hàn tự động bao gồm robot hàn, xe hàn tự động hay bàn máy hàn CNC đều có tính năng chung giống nhau là di chuyển mỏ hàn (hay vật hàn) đến đúng vị trí mối ghép hàn và thực hiện thao tác hàn tự động. Tuy nhiên, mỗi thiết bị có những đặc điểm và yêu cầu riêng nên dẫn đến độ phức tạp khác nhau và giá thành cũng rất khác nhau:

Xe hàn tự động hay rùa hàn tự động là thiết bị hàn được thiết kế cho các mối hàn thẳng. Khi chiều dài đường hàn càng lớn thì ứng dụng các thiết bị này càng hiệu quả. Khi sử dụng, xe hàn tự động hay rùa hàn được đặt vào đúng vị trí mối hàn và thực hiện chuyển động thẳng khi hàn, khi chuyển sang đường hàn khác phải cài đặt lại.

Robot hàn là sự phát triển rất cao của lĩnh vực tự động hóa, có thể lập trình được (thậm chí tự học qua đường hàn thực tế) nên nó có thể ứng dụng hàn nhiều loại sản phẩm khác nhau, mối hàn có hình dạng phức tạp, phương chiều khác nhau. Nhưng hạn chế lớn nhất của robot là giá thành cao nên chỉ đầu tư trong các nhà máy cơ khí lớn, sản xuất hàng loạt, giá trị cao như chế tạo máy, sản xuất ô tô...

Xuất phát từ nhu cầu tự động hóa quá trình hàn trong lĩnh vực cơ khí và ứng dụng kết quả nghiên cứu từ đề tài “Thiết kế và chế tạo máy cắt plasma CNC”, Trung tâm Nghiên cứu và Ứng dụng công nghệ - Đại học Cần Thơ đã cải tiến bàn máy cắt Plasma CNC thành bàn máy CNC cho quá trình hàn các chi tiết lắp ghép hàng loạt (Hình 1).   

Hình 1. Máy hàn CNC được thiết kế chế tạo và đưa vào ứng dụng tại Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Đại học Cần Thơ

2. QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM

Cấu tạo cơ bản của máy hàn CNC gồm có hai thành phần chính bao gồm (i) thành phần cơ khí là một bàn máy CNC dùng để di chuyển chính xác mỏ hàn trong không gian 3 chiều của vùng giới hạn hàn định trước nhờ vào các động cơ bước (step motor), và (ii) thành phần điều khiển bao gồm một máy tính PC có cài đặt phần mềm gia công CNC March3 và board mạch điều khiển. Khi thực hiện một chi tiết hàn nào đó, người dùng chỉ cần nạp bảng vẽ thiết kế của chi tiết đó vào máy và chỉ ra các đường cần hàn ghép, chương trình điều khiển sẽ tạo ra mã máy dưới dạng G-code. Chương trình hổ trợ gia công March3 sẽ đọc các lệnh G-Code để điều khiển các động cơ bước di chuyển mỏ hàn chính xác đến tọa độ của các mối hàn định trước và quá trình hàn được thực hiện hoàn toàn tự động.          

Hình 2. Sản phẩm hàn tự động khung chân bàn học cho học sinh

Máy hàn CNC, bao gồm bàn máy CNC và máy hàn MIG, sau khi chế tạo có giá thành vào khoảng 60 triệu đồng. Sau khi chế tạo xong, bàn máy hàn CNC được đưa vào sản xuất thử nghiệm tại Xưởng của Trung tâm Nghiên cứu và ứng  dụng công nghệ - Đại học Cần Thơ. Các sản phẩm được gia công là khung sắt bàn học sinh, giường, tủ .v.v. Số lượng sản phẩm được máy hàn CNC thực hiện từ tháng 9 năm 2013 đến nay là trên 2000 đơn vị sản phẩm. Về mặt hiệu quả kinh tế, chi phí đầu tư bàn máy hàn CNC chỉ bằng tiền công một năm của một thợ hàn có tay nghề trung bình, trong khi năng suất của máy cao gấp 3 lần so với thợ hàn. Như vậy, nếu đầu tư máy hàn CNC thì chỉ vài tháng là thu hồi vốn và lợi ích thu được sau đó rất lớn. Theo ước lượng máy hàn CNC có tuổi thọ ít nhất là 5 năm.

3. KẾT QUẢ
Qua thời gian sử dụng, bàn máy hàn CNC hoạt động rất ổn định: tốc độ hàn nhanh, các mối hàn đều, đẹp, tọa độ hàn đảm bảo chính xác. Ví dụ: đối với sản phẩm chân bàn như trong hình 2, vật liệu hàn là sắt hộp 25x50 dày 1,2 mm và hộp 25x25 dày 12 mm, máy hoàn thành 10 mối hàn trong thời gian 2 phút (bao gồm thời gian hàn và thời gian di chuyển).

Theo thiết kế hiện tại, bàn máy hàn CNC vẫn còn một hạn chế là chưa hàn được mối hàn theo phương Z (phương thẳng đứng). Vì những mối hàn theo phương Z nằm ở các gốc khác nhau cần phải xoay mỏ hàn theo đúng hướng trước khi hàn. Hạn chế này hoàn toàn có thể khắc phục được bằng cách lắp thêm một cơ cấu xoay mỏ hàn giống như robot hàn. Tuy nhiên, việc cải tiến này sẽ làm tăng giá thành thiết bị, đồng thời việc vận hành sẽ phức tạp hơn nhiều.

Mặc dù còn hạn chế như đã đề cập ở trên, nhưng qua thời gian thử nghiệm, bàn máy hàn CNC được đánh giá là rất phù hợp để thực hiện các mối hàn phẳng (trong mặt phẳng XY). Với kết cấu máy đơn giản, vận hành dễ dàng, giá thành hợp lý là những cơ sở có thể áp dụng cho các cơ sở cơ khí trong vùng nhằm góp phần cải thiện điều kiện làm việc, tăng năng suất, ổn định chất lượng và nâng cao hiệu quả công việc.                                                                      

Số 180 (3/2016)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay