Robot Hàn Tự Động MIG/MAG: Tăng 3× Năng Suất & 95% First-Pass Quality

Robot Hàn Tự Động MIG/MAG: Thiết Kế Workcell & Tối Ưu Chất Lượng Hàn

Dự án này giới thiệu quá trình thiết kế và triển khai hệ thống robot hàn tự động sử dụng robot 6 trục ABB IRB 1600 cho hàn MIG/MAG (Metal Inert Gas / Metal Active Gas). Hệ thống bao gồm positioner 2 trục, adaptive welding với laser seam tracking, kiểm tra chất lượng tự động, và đạt 95% first-pass quality.

Thông Số Kỹ Thuật Hệ Thống Robot

Thiết Kế Workcell Hàn Robot

Layout Tổng Thể:

Workcell được thiết kế với diện tích 4m × 3.5m (14 m²):

• Vùng Robot (Robot Zone):
  • Robot ABB IRB 1600 lắp trên đế cao 500mm (tầm với tốt hơn)
  • Envelope làm việc: bán kính 1.45m, cao 2.1m
  • Floor mounting với 4× M20 anchor bolts (chịu lực進動 tốt)
• Vùng Positioner:
  • IRBP A-500 đặt cách robot 1.2m (trong tầm với)
  • 2 bộ đồ gá (jigs): loading position + welding position
  • Thời gian chuyển đổi: 8 giây (rotation 180° + tilt 45°)
• Vùng Loading/Unloading:
  • Conveyor roller (3m dài) để vận chuyển khung vào/ra
  • Operator có thể load/unload trong khi robot hàn (parallel operation)
  • Safety light curtain (Sick C4000) bảo vệ operator
• Hệ Thống Hút Khói Hàn:
  • Fume extractor Plymovent 800 m³/h
  • Cánh tay hút linh hoạt (Φ150mm, 3m reach)
  • Filter HEPA H13 (99.95% efficiency cho particles ≥0.3µm)
• An Toàn & Bảo Vệ:
  • Hàng rào an toàn (safety fence) 2m cao, lưới 50×50mm
  • 2 cửa vào: Emergency stop + interlock switch
  • Light curtain tại loading zone (Sick C4000, Category 3 per ISO 13849)
  • Đèn tháp 3 màu: Xanh (running), Vàng (warning), Đỏ (fault)

Thiết Kế Đồ Gá (Jig Design):

2 bộ đồ gá cho khung xe đạp thép (cỡ M, wheelbase 1050mm):

1. Jig Phía Trước (Front Jig):
   • Kẹp ống top tube, down tube, head tube (3 điểm định vị)
   • Quick clamp pneumatic (SMC MHZ2-16D, thời gian kẹp 0.8 giây)
   • V-block chính xác ±0.1mm (đảm bảo tái lặp)
2. Jig Phía Sau (Rear Jig):
   • Kẹp seat tube, chain stays, seat stays
   • Adjustable width: 120-140mm (phù hợp nhiều size)
   • Copper backing bar tại mối hàn (hút nhiệt, giảm warping)
3. Material Jig:
   • Thép S355 (high strength, không biến dạng khi hàn)
   • Coating: Zinc plating để chống rỉ (không dẫn điện)

Lập Trình Robot & Tối Ưu Quỹ Đạo Hàn

RAPID Programming Workflow:

Sử dụng ABB RobotStudio 2024 để offline programming:

1. Import CAD Model:
   • Load khung xe đạp 3D (STEP file từ SolidWorks)
   • Xác định 12 mối hàn cần thực hiện (8 góc, 4 đường thẳng)
   • Tạo weld seam path (spline curves) dọc theo tube joints
2. Teach Points & Weld Parameters:
   • Start point, end point cho mỗi mối hàn (24 điểm tổng cộng)
   • Approach/depart distance: 50mm (tránh va chạm)
   • Torch angle: CTWD (Contact Tip to Work Distance) = 15mm, push angle 10°
   • Travel speed: 8-12 mm/s (tùy độ dày ống: 1.2-2.0mm)
3. Welding Process Data (WPD):
   • Voltage: 18-22V (synergic control tự động điều chỉnh)
   • Wire feed speed: 6-9 m/min
   • Gas flow: 15 L/min (bật trước 0.5s, tắt sau 1.0s)
   • Weave pattern: Không (straight bead cho ống Φ28-38mm)
4. Simulation & Collision Detection:
   • Chạy simulation trong RobotStudio (kiểm tra reach, singularities)
   • Verify không có collision giữa torch và jig/workpiece
   • Optimize axis configuration (chọn wrist angle tránh joint limits)

Adaptive Welding với Laser Seam Tracking:

Meta Vision AWS-350 giúp tự động điều chỉnh quỹ đạo hàn:

Kiểm Soát Chất Lượng Mối Hàn

Phương Pháp Kiểm Tra Trong Quá Trình (In-Process):

• Arc Monitoring (Fronius ArcView):
  • Theo dõi voltage, current, wire feed speed real-time
  • Phát hiện short circuit, stick, arc break ngay lập tức
  • Ghi waveform 5 kHz → phân tích chất lượng mối hàn sau này
• Laser Profile Measurement:
  • Scan profile mối hàn sau khi hoàn thành (trailing laser)
  • Đo bead width, height, concavity/convexity
  • Tiêu chuẩn: Width 4-6mm, height 1.5-2.5mm (cho ống 1.5mm)
• Vision Inspection (Post-Weld):
  • Camera Cognex In-Sight 7000 (5MP) chụp 12 mối hàn
  • AI-based defect detection: porosity, undercut, overlap, crack
  • Pass/Fail decision tự động, reject rate < 5%

Kiểm Tra Hủy Hoại (Destructive Testing - Sampling):

Lấy mẫu 1 khung/100 khung để kiểm tra triệt để:

1. Visual Inspection (VT):
   • Magnifier 10× kiểm tra bề mặt mối hàn
   • Tiêu chuẩn: AWS D1.1 (Structural Welding Code - Steel)
   • Cho phép: small porosity < 1mm, undercut < 0.5mm
2. Penetrant Testing (PT):
   • Liquid penetrant (Magnaflux Spotcheck SKL-SP2) phát hiện crack bề mặt
   • Kết quả: 0 crack phát hiện trong 300 mẫu kiểm tra ✅
3. Cross-Section Macro Test:
   • Cắt mối hàn, đánh bóng, ăn mòn (Nital 2%)
   • Đo penetration depth: 80-90% độ dày ống (1.2-1.8mm cho ống 2.0mm)
   • Kiểm tra HAZ (Heat Affected Zone): rộng 2-3mm, hardness tăng 10-15%
4. Tensile Testing:
   • Kéo đứt mối hàn trên máy Instron 5582 (100 kN load cell)
   • Kết quả: Ultimate tensile strength 485 MPa (vượt base metal 420 MPa) ✅
   • Failure mode: Base metal fracture (không phải mối hàn) - chất lượng tốt!

Kết Quả Sản Xuất & Hiệu Suất

So Sánh Hàn Thủ Công vs Robot:

OEE (Overall Equipment Effectiveness):

Đo lường hiệu suất tổng thể sau 3 tháng vận hành:

• Availability: 92% (downtime 8% do thay dây hàn, bảo trì)
  • Planned downtime: 5% (bảo trì định kỳ)
  • Unplanned downtime: 3% (lỗi torch, seam tracking)
• Performance: 88% (cycle time 3.8 phút vs. thiết kế 3.5 phút)
  • Minor stops: 2% (gas bottle thay, operator delay)
  • Reduced speed: 10% (chậm lại khi gap lớn)
• Quality: 95% (5% reject + rework)
  • Rework: 3% (porosity, undercut nhỏ)
  • Scrap: 2% (crack, incomplete fusion)
• OEE Tổng: 76.6% (0.92 × 0.88 × 0.95)
  • World-class OEE: 85% (mục tiêu cải tiến)
  • Kế hoạch: Giảm unplanned downtime 3% → 1.5% (upgrade torch collision sensor)

Phân Tích Kinh Tế

Chi Phí Đầu Tư Ban Đầu:

Tiết Kiệm Chi Phí Hàng Năm:

• Nhân công: Giảm 2 thợ hàn → 1 operator
  • Tiết kiệm: 2 × $45,000/năm - $32,000 = $58,000/năm
• Nguyên vật liệu: Giảm dây hàn 22%, khí 25%
  • Dây hàn: 0.04 kg/khung × 28,000 khung/năm × $3.5/kg = $3,920/năm
  • Khí bảo vệ: 60 L/khung × 28,000 khung × $0.08/L = $134,400/năm
• Giảm phế phẩm: 8% → 2% (6% × 28,000 khung × $85/khung)
  • Tiết kiệm: $142,800/năm
• Tăng năng suất: 40 → 120 khung/ca (có thể đáp ứng đơn hàng nhiều hơn)
  • Doanh thu tăng: 80 khung/ngày × 240 ngày × $85 margin = $1,632,000/năm

💰 ROI Analysis:

• Payback Period: 1.1 tháng ($140,500 / $1,969,120 × 12)
• ROI năm thứ nhất: 1,301% ($1,969,120 / $140,500 - 1) × 100%
• NPV (Net Present Value, 5 năm @ 8% discount rate): $7.2M
• Kết luận: Đầu tư cực kỳ hiệu quả! Hoàn vốn ngay tháng thứ 2.

Bài Học Kinh Nghiệm & Thực Tiễn Tốt

Tài Liệu & File Kỹ Thuật

Showcase này bao gồm tài liệu kỹ thuật đầy đủ:

• 📐 Bản vẽ CAD: workcell_layout.step, jig_design.sldprt (SolidWorks 2024)
• 📊 RAPID Program: bike_frame_welding.mod (ABB RobotStudio program với comments)
• 📈 WPS (Welding Procedure Specification): wps_er70s6_mig.pdf theo AWS D1.1
• 📸 Thư viện ảnh: 15 ảnh workcell setup, jig, mối hàn macro test, cross-section
• 📋 OEE Report: oee_analysis_3months.xlsx (availability, performance, quality breakdown)
• 📄 Inspection Plan: quality_control_plan.pdf (in-process + final inspection)
• 🎥 Video hàn: robot_welding_cycle.mp4 (full cycle 3.8 phút, real-time)

Dự án này chứng minh robot hàn tự động mang lại lợi ích kinh tế khổng lồ cho sản xuất hàng loạt. Phương pháp có thể áp dụng cho nhiều ngành: ô tô, xe máy, đồ nội thất kim loại, kết cấu thép, v.v.