Bộ công thơng
Viện máy và dụng cụ công nghiệp
Báo cáo tổng kết đề tài
M số : 135.10.rd/hd-khcn
Tên đề tài:
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy hàn lới thép
điều khiển CNC dùng cho ngành xây dựng
Cơ quan chủ trì: Chủ nhiệm đề tài:
Ts. Nguyễn Đức Minh Ths. Trần Thị Kim Quế
9066 Hà Nội, 2011 3
DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN
Ks Tự động
hóa

Ks. Lê Điệp Anh
Nghiên cứu viên
Viện IMI
Ks Tự động
hóa

Ks. Nguyễn Tuấn Anh
Nghiên cứu viên
Viện IMI
Ks Điện- điện
tử
4
TÓM TẮT TÌNH HÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Viện IMI là cơ sở nghiên cứu, thiết kế máy và thiết bị, các sản phẩm của Viện nhất
là những sản phẩm Mechatronic có giá trị cao phục vụ cho nhu cầu của xã hội, đặc
biệt trong các ngành xây dựng, giao thông. Một trong những sản phẩm đó là máy hàn
lưới thép
Mục tiêu tổng quát nhất của đề tài «
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy hàn lưới
thép điều khiển CNC dùng cho ngành xây dựng » là:

Báo cáo tổng kết được trình bày luôn bám sát với thực tế trong quá trình thực hiện
công việ
c thiết kế và chế tạo máy. Khi thiết kế các cụm chi tiết có phân tích, cất nhắc
kỹ lưỡng, hội tụ tính kinh tế kỹ thuật và khả năng công nghệ. Trong từng phần của báo
cáo đều có bản vẽ, các hình ảnh thực tế minh họa được trình bày bổ sung trong phần
phụ lục.
6
MỤC LỤC
DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN 3

II.3.1.5. Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển khí nén 33
II.3.1.6. Sơ đồ chức năng 36
II.3.2.Tính toán hệ thống khí nén: 37
II.3.2.1. Tính toán lưu lượng 37
II.3.2.2 Tính toán áp suất tác động đến xi lanh 39
II.4.1. Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển dòng hàn cường độ lớn 40
II.4.1.1. Các cơ sở lý thuyết và thực nghiệm 40
II.4.1.2 Điều khiển quá trình hàn tự động. 40
II.4.1.3 Chống nhiễu 42
II.4.1.4. Tích hợp các yếu tố công nghệ 44
II.4.1.5 Điều chỉnh thời gian hàn 45
II.4.1.6 Mạch điều khiển góc mở Thyristor 48
II.4.1.7 Tích hợp giữa công nghệ hàn và điều khiển tự động. 51

7
II.4.1.8 Lưu đồ thuật toán điều khiển 54
II.5 Lựa chọn bộ điều khiển CNC 55
II.5.1. Bộ điều khiển MC Quad (hãng Softservo - Mỹ) 55
II.5.2. Bộ điều khiển 802C (hãng Siemens - Đức) 56
II.5.3 Kết nối 802C với hệ thống 60
II.5.4 Thông báo lỗi khi máy gặp sự cố 63
II.5.5 Kết quả của nghiên cứu 63
II.6 Quy trình công nghệ chế tạo một số cụm và chi tiết chính, điển hình 63
II.6.1. Khung máy của máy hàn – Bản vẽ : 01-104 65

II.6.1.1 Tính năng làm việc và yêu cầu kỹ thuật 65
II.6.1.2 Trình tự gia công 68
II.6.2. Cụm tiếp điện hàn 72
II.6.2.1. Tính năng làm việc và yêu cầu kĩ thuật 72
II.6.2.2. Trình tự gia công 74

e – Hệ số ma sát lăn -
G –Trọng lượng xe N
g – Gia tốc trọng trường m/s
2

f
c
– Hệ số ma sát ổ lăn -
J
1
, J
2
, J
3
– Mômen quán tính của tiết diện vật thể kg.m
2

M
G
– Mômen quán tính thay thế của xe hàn Nm
M
P
– Mômen tải trọng Nm
M
F
– Mômen động cơ, trục truyền Nm
m – Khối lượng xe hàn kg
n – Số vòng quay v/ph
N
đc

LỜI NÓI ĐẦU
Đề tài xuất phát từ: Hợp đồng sản xuất và cung cấp dịch vụ sự nghiệp công
nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ.
Các thông tin chính liên quan đến đề tài như sau:
1. Tên đề tài.
“Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy hàn lưới thép điều khiển CNC dùng cho
ngành xây dựng”
2. Mã số: 135.10.RD/HĐ-KHCN
3. Thời gian thực hiện: Từ tháng2/2010 đến 12/2010
4. Cấp quản lý. NN

, Bộ

, CS

, Tỉnh


5. Kinh phí.
Tổng số: 450 triệu đồng
Trong đó từ ngân sách SNKH: 450 triệu đồng ( Bốn trăm năm mươi triệu đồng)
6. Thuộc chương trình:
7. Chủ nhiệm đề tài.
Họ và tên: Trần Thị Kim Quế
Học hàm/ học vị: Thạc sĩ quản trị kinh doanh- Kỹ sư cơ khí
Chức danh khoa học
Điện thoại: CQ: 043 8351002 NR: 043 35112971 Fax:043 8344975
Mobile: 0903447994
E mail: [email protected]
Địa chỉ cơ

- Chế tạo hoàn chỉnh 01 bộ điều khiển nguồn hàn công suất lớn ( cho công nghệ hàn
tiếp xúc)
11
CÁC NỘI DUNG CHÍNH
I. CÁC NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ KHẢ NĂNG CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM.
I.1 Tình hình máy và thiết bị trong ngành sản xuất lưới thép ở ngoài nước:
Hiện nay trên thế giới tự động hóa đã đi vào hầu hết các lĩnh vực, gần đây phát triển
mạnh lĩnh vực tự động hóa trong xây dựng đã góp phần không nhỏ trong việc nâng cao
chất lượng và tiến độ thi công các công trình.
Ở các nước công nghiệp phát triển việc sản xuất các cấu kiện bê tông, tất cả các khâu từ
trộn bê tông, gia công c
ốt thép, gia công các cấu kiện, lấy sản phẩm, ghép nối, sửa chữa
các cấu kiện bê tông đều đã được tự động hóa. Có thể kể các trạm trộn bê tông có năng
suất cao, chất lượng tốt hoàn toàn tự động, thay đổi mác bê tông dễ dàng. Các thiết bị
đúc bê tông bằng phương pháp rung ép cho ra các sản phẩm chất lượng đồng đều, năng
suất cao, các thiết bị gia công chính xác các mối lắp ghép tạo điều ki
ện cho khâu thi
công được nhanh chóng, đem lại hiệu quả cao. Khâu gia công cốt thép của các loại bê

13

Hình 3. Máy hàn lưới Hebei Hengshui – China
Máy hàn lưới dùng để hàn các thanh thép thành lưới để làm cốt thép cho các cấu kiện
bê tông được nhiều nước chế tạo có thể kể ra các nước sản xuất nhiều thiết bị trên như
Đức, Italy, USA, Trung quốc, Hàn quốc… Các thiết bị trên đều sử dụng nguyên lý hàn
điện trở tiếp xúc, việc cấp điện khi hàn có thể dùng nhiều biến áp hàn như của Trung
quốc, Hàn quốc, USA… hay chỉ cần 01 biến áp hàn
được đặt trên xe hàn di chuyển đi
lại như máy MSM – Cộng hòa Liên bang Đức.
Về mặt điều khiển các máy sử dụng điều khiển PLC chiếm phần lớn, Các máy sử dụng
điều khiển CNC với những tính năng nổi trội là các máy của Cộng hòa Liên bang Đức
mà tiêu biểu máy MSM, dùng bộ điều khiển CNC của hãng Siemen. Sử dụng điều
khiển CNC giá thành cao hơn điều khiể
n PLC nhưng dễ dàng kết hợp với công nghệ
hàn, trong việc tự động hóa, việc sử dụng không phụ thuộc vào tay nghề của người lao
động, tính linh hoạt cao trong thay đổi các thông số công nghệ, thay đổi loại sản phẩm.
Cách thứ nhất cho năng suất cao, kết cấu cơ khí đơn giản nhưng đòi hỏi chi phí cho
biến áp hàn và nguồn cấp điện lớn nên chỉ có thể sử dụng ở
những nhà máy có qui mô
vừa và lớn.
Cách thứ hai không đòi hỏi nguồn cấp điện lớn, dễ cho việc tự động hóa.

14
I.2 Tình hình máy và thiết bị trong ngành sản xuất lưới thép ở trong nước :
Ở Việt Nam hiện tại việc sản xuất bê tông đã được hiện đại hóa nhiều khâu như: trộn
bê tông, đúc bê tông . Hiện tại đã có nhưng nhà máy nhập các dây chuyền sản xuất
đồng bộ đạt tiêu chuẩn quốc tế để sản xuất lưới thép hàn như Công ty Cổ phần thép
Vân Thái-Vinashin, công ty TNHH thép XD & lưới hàn TOÀN TÂM…



16
II THIẾT KẾ MÁY
II.1 Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho thiết kế máy hàn lưới
Lưới thép là sản phẩm được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, giao thông-
làm các tấm sàn, hàng rào, cốt thép cho các loại cống hộp… Lưới thép được tạo bởi
các nan dọc và nan ngang,
khoảng cách giữa các sợi thép đồng đều, đúng theo yêu cầu;
diện tích mặt cắt ngang luôn được đồng nhất. Việc hàn các sợi thép thực hiện bằng
công nghệ hàn hàn tiếp xúc, điện cực có áp lực làm nóng chảy các sợi thép và dính
vào nhau tạo thành một mặt cắt đồng nhất mà không giảm cường độ và diện tích chịu
lực yêu cầu.
Nhóm đề tài sau quá trình nghiên cứu sản phẩm đã chọn cốt thép của các loại
cống hộp làm đối tượng điển hình để nghiên cứu chế tạo máy hàn lưới. Sản phẩm này
đang được các nhà máy chế tạo cống hộp sử dụng rộng rãi, các loại cống hộp đã được
ngành giao thông qui chuẩn dùng trong hệ thống thoát nước của các công trình nên
máy hàn lưới sau khi chế tạo xong có địa chỉ ứng dụng ngay.
Kích thước của tấm lưới của cốt thép cống hộp có chiều rộng bằng chiều rộng
của cốt thép cống hộp, chiều dài bằng chu vi cốt thép của cống hộp. Sau khi đã hàn
xong tấm lưới được uốn thành hộp theo bản vẽ của cống hộp tương ứng.
Như đã phân tích ở phần “CÁC NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ KHẢ NĂNG
CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM” nhóm đề tài đã chọn lấy máy mẫu để thiết kế là máy
MSM- Cộng hòa Liên bang Đức có thay đổi để phù hợp với trình độ công nghệ và thiết
bị chế tạo máy của nước ta. Phần điều khiển máy dùng bộ điều khiển CNC của Siemen
802C đáp ứng được các yêu cầu công nghệ của máy hàn lưới với giá thành hợp lý.
II.1.1 Yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm
Tiêu chuẩn của các lo
ại cống hộp một ngăn.
Độ dãn dài tương đối ε = 12%
Uốn nguội: 180
0
(d = a)
Mặt cốt thép không có vết nứt, dập, xoắn, vẩy sắt dầu mỡ.
Sai số đường kính của (dây làm ) cốt thép ± 0,2 mm.
Diện tích của cốt thép không nhỏ hơn so với thiết kế 5%
Cường độ của cốt thép không nhỏ hơn so với thiết kế 5%
Kích thước ống.
800x800-2000; 1000x1000-2000; 1200x1200-2000; 1500x1500-2000;
1600x1600-2000; 1600x2000-2000; 2000x2000-2000

18
II.1.2. Tổng quan về hàn tiếp xúc.
Hàn điểm tiếp xúc là một phương pháp liên kết (join) vật liệu, trong đó lượng nhiệt
dùng cho mối hàn được sinh ra do dòng điện truyền qua điện trở vật liệu được hàn.
Dòng điện được biến áp hàn cung cấp và tập trung bằng một bộ (đôi) điện cực.
Bộ đôi điện cực này cũng định vị hai tấm kim lo
ại được hàn nhằm duy trì tiếp xúc tốt
giữa chúng (về mặt tiếp xúc điện) và được ép với nhau bằng một áp lực hợp lý để phần
kim loại nóng chảy được giữ trên bề mặt hàn.
Với các vật liệu bằng thép nguồn cấp năng lượng thường là dòng điện xoay chiều
và thời gian dòng điện chạy qua thường được đo bằng số chu kỳ của dòng xoay chiề
u.
Các tham số chính của quá trình là: cường độ dòng điện, số chu kỳ của dòng điện, áp
lực của điện cực lên vật hàn và các thuộc tính của điện cực (ví dụ: hình dáng điện cực,
vật liệu làm điện cực).
Việc điều khiển các giá trị dòng điện, thời gian hàn bằng máy tính, các mối hàn
có chất lượng tốt, cho năng suất cao, chi phí lao động thấ
p, không đòi hỏi tay nghề của

– Lượng nhiệt sinh ra (J). R – Là điện trở của điểm làm việc (Ω).
I – Là cường độ dòng điện (A). t – Thời gian dòng điện chạy qua (s).
Chu trình hàn được chia thành 4 hoặc 5 giai đoạn: giai đoạn nén, giai đoạn gia
nhiệt ban đầu, giai đoạn hàn, giai đoạn gia nhiệt sau hàn, giai đoạn giữ và tắt.
Các giai đoạn này được biểu diễn ở hình dưới. Thời gian được biểu diễ
n bằng chu kỳ,
mỗi chu kỳ có giá trị 1/50 của giây.

Hình 7: Các giai đoạn hàn.

II.1.3. Công nghệ hàn tiếp xúc áp dụng cho máy hàn lưới thép.
Công nghệ hàn tiếp xúc dựa trên nguyên lý biến đổi điện năng thành nhiệt năng làm
nóng chảy các phần vật liệu và hòa trộn chúng với nhau. Điện năng được cấp cho các

20
điện cực bằng một biến áp 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 bi
ến đổi do liên tục 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 th
ấp (không quá 5V). Do đó chỉ cần một xung nhiễu với biên
độ 1mV đó có thể làm sai lệch các giá trị điều khiển.
Sơ đồ nguyên lý hàn.
~

01-000
2300
550
6000
02-000
4745
1895
2800

Hình 9: Máy hàn lưới 22
Máy hàn lưới thép được thiết kế và chế tạo để hàn lưới thép cho cống hộp
Máy gồm các cụm, bộ phận chính sau:
1. Cụm 01-000 : Máy hàn
2. Cụm 02-000 : Xe kéo lưới
3. Cụm 03-000 : Máy nắn dây
4. Cụm 04-000 : Dàn đỡ nan dọc
5. Cụm 05-000 : Dàn đỡ lưới
6. Cụm 06-000 : Phần điện - tủ điện+ tủ điều khiển.
7. Cụm 07-000 : Hệ th
ống khí nén và làm mát
Trình tự sản xuất lưới tiến hành như sau :
Các nan dọc được nắn thẳng, cắt theo chiều dài yêu cầu và người thợ nạp bằng tay vào
máy, khoảng cách các nan dọc được định sẵn theo yêu cầu của lưới thép. Các nan
ngang từ lô nhả dây qua máy nắn thẳng , nạp vào máy và được cắt theo khổ ngang của
lưới. Hệ thống xi lanh với các điện cực kẹp chặt các nan dọc với nan ngang tại các nơi
giao nhau( nút lưới) xe hàn từ đầu bên trái di chuyển tiến hành hàn các thanh nan dọc
và ngang với nhau. Xe hàn chạy đến đầu bên phải dừng lại, các xi lanh kẹp nhấc lên, xe

max
.

)/(159
120.
60000
.
phv
d
v
n ===
ππ

Tỷ số truyền của hộp giảm tốc i
max
= n
đc
/n
bx
= 1450/159= 9,19
Tốc độ di chuyển v
min
= 0.2m/s= 12 000 (mm/ph); tốc độ vòng quay của bánh xe của
xe hàn ứng với v
min.
)/(8,31
120.
12000
.
phv

).2 02,008,0.(600.81,9) (. Nrfeg
R
QG
T
c
=+=+
+
=
χ
[5]
Trong đó:
T – Lực cần thiết để di chuyển xe (N)
e – Hệ số ma sát lăn, e = 0,05 ÷ 0,08 (cm)
f
c
– Hệ số ma sát ổ lăn, f
c
= 0,01 ÷ 0,02
χ - Hệ số an toàn, χ = 1,2 ÷ 2,5
g – Gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s
2
)
R – Bán kính bánh xe, R = 60 (mm) = 6 cm
r – Bán kính trục bánh xe, r = 20 (mm)=2 cm
G – Trọng lượng xe (kG)
Q– Tải trọng xe (kG)
II.2.1.3 Tính momen phát động đạt gia tốc

Mômen phát động đạt gia tốc của xe hàn bao gồm.
M

m
J
G
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
ππ
ν
[ 5 ]

)/(5,55
3.0.60
159 2
.60
2
2
1
srad

==
πρπ
[ 5 ]

25
J
hgt
= )(04,0
32
16,0.08,0.7850.
32

2
44
kgm
DL
==
πρπ)/(5,55
3.0.60
159 2
.60
2
2
2
srad
t
n

= 1.1 (kW); n =72 (v/ph) + hộp giảm tốc i =20.
II.2.2 Tính toán công suất động cơ xe kéo lưới

II.2.2.1. Xác định tốc độ di chuyển của xe kéo lưới
Giá trị di chuyển của xe kéo lưới sẽ ảnh hưởng tới năng suất của sản phẩm. Nếu chọn
tốc độ lớn công suất động cơ sẽ lớn , giá thành cao, ta chọn tốc độ V = 0.3 (m/s) tương
đương với tốc độ của các xi lanh khí nén, việc thay đổ
i tốc độ này được thực hiện thay
đổi tốc độ động cơ servo.
Tính chọn hộp giảm tốc.
v
max
= 20000 (mm/ph)
Bánh răng z = 36, m = 3
d = z.m = 36.3 = 108 (mm)
Số vòng quay của bánh răng .

20000
58,95( / )
108.
b
nvph
π
==
Tỷ số truyền cần.

3000
50,89
58.95
dc

+
=+= + =
[ 5 ]
Trong đó:
T – Lực cần thiết để di chuyển xe (N)
e – Hệ số ma sát lăn, e = 0,05 ÷ 0,08
f
c
– Hệ số ma sát ổ lăn, f
c
= 0,01 ÷ 0,02
χ - Hệ số an toàn, χ = 1,2 ÷ 2,5
g – Gia tốc rơi tự do, g = 9,81 (m/s
2
)
R – Bán kính bánh xe, R = 50 (mm)
r – Bán kính trục bánh xe, r = 20 (mm)
G – Trọng lượng xe (kG)
Q – Tải trọng xe (kG)
II.2.2.3. Tính momen phát động đạt gia tốc

Mômen phát động đạt gia tốc của xe kéo lưới bao gồm:
M
S
= M
G
+ M
P
+ M
F