MỸ – Việc mô phỏng trên máy tính giúp các nhà máy gia công kim loại tránh bị kéo dài thời gian triển khai hệ thống hàn tự động.

Ngành sản xuất đã có những thay đổi lớn trong vài năm qua. Vấn đề thực sự không còn là việc các công ty lớn thâu tóm các công ty nhỏ, mà là các doanh nghiệp có tốc độ thích ứng nhanh sẽ vượt mặt những doanh nghiệp còn lại.

Nếu không chủ động ứng dụng công nghệ và khai thác các công cụ kỹ thuật số, các nhà sản xuất đang tự khiến mình trở nên lỗi thời. Đến khi họ nhận ra cần phải đuổi theo xu hướng, có thể đã quá muộn.

Với rủi ro như vậy, các khoản đầu tư vào tự động hóa bắt buộc mang lại hiệu quả. Doanh nghiệp sẽ bị tổn thất khi một trạm hàn robot phải ngừng hoạt động chỉ vì đội ngũ triển khai mất nhiều thời gian để xử lý các sự cố kỹ thuật. Mỗi ngày trôi qua mà robot chưa thể đi vào vận hành đồng nghĩa với việc sụt giảm năng suất và thất thoát doanh thu tiềm năng.

Tự động hóa được kỳ vọng sẽ tạo ra bước nhảy vọt về năng suất và chất lượng. Tuy nhiên, điều đó chỉ đạt được nếu kế hoạch tự động hóa vận hành chính xác như kỳ vọng ban đầu.

Đây chính là lúc phần mềm mô phỏng phát huy vai trò. Doanh nghiệp chế tạo kim loại có thể thiết kế, tối ưu hóa và kiểm duyệt các quy trình trong nhà máy hàn, đồng thời xác định mặt bằng bố trí tối ưu cho trạm robot. Nhờ đó, trước khi lắp đặt máy móc doanh nghiệp có thể yên tâm rằng hệ thống sẽ hoạt động ổn định, loại bỏ rủi ro dừng máy.

Quy trình mô phỏng tạo ra sự khác biệt
Việc thiết lập một trạm hàn robot cần một quá trình hoạch định cẩn trọng. Nếu người quản lý hoặc chủ nhà máy chỉ đơn thuần vào nhà máy, chỉ tay vào một công đoạn hàn thông thường và nói: “Hãy tự động hóa chỗ này vì trông nó có vẻ phù hợp”, thì đó không phải là cách làm hiệu quả. Người quản lý cần hiểu rõ về chi tiết gia công, quy trình hàn, cũng như các công đoạn trước và sau đó. Cần nhớ rằng các sự cố phát sinh thường bắt nguồn từ những hệ lụy ngoài dự tính.

Quy trình mô phỏng giúp loại bỏ rủi ro trên. Bằng cách nhập thông tin dòng robot sử dụng, mặt bằng trạm hàn và dữ liệu CAD kèm đường hàn vào phần mềm, doanh nghiệp có thể mô phỏng vận hành, thực hiện chạy thử kỹ thuật số (virtual commissioning) (*) và có thể xuất mã lập trình riêng cho robot để triển khai nhanh chóng.
(*) Virtual commissioning (nghiệm thu trên mô hình 3D): trong ngành tự động hóa và cơ khí, đây là quá trình kết nối mã lệnh điều khiển thật (PLC/ robot code) với mô hình kỹ thuật số 3D để chạy thử, kiểm tra và sửa toàn bộ lỗi vận hành trên máy tính trước khi lắp đặt thiết bị thật ở nhà máy.

Dạng trực quan hóa này đáp ứng trọn vẹn nhu cầu của toàn bộ đội ngũ dự án. Các kỹ sư có thể tối ưu hóa sản lượng và đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra suôn sẻ đến các hoạt động tiếp theo. Các chuyên gia tự động hóa dễ dàng đánh giá khả năng tiếp cận không gian của robot và kiểm tra rủi ro va chạm. Trong khi đó, cấp quản lý và phê duyệt tài chính sẽ có được mô hình hoạt động 3D chính xác để khẳng định trạm hàn dự kiến sẽ vận hành hiệu quả.

Bên cạnh đó, quy trình mô phỏng còn hỗ trợ thiết kế trạm hàn tối ưu về chi phí. Công cụ này thường được dùng để xác định kích thước và vị trí đặt robot lý tưởng nhất cho nhiệm vụ. Ví dụ, nhà sản xuất có thể đặt robot hàn trên một bệ nâng hoặc hệ thống giàn treo (gantry) trên cao, tạo điều kiện sử dụng một robot nhỏ hơn, chi phí thấp hơn thay vì dùng một robot công nghiệp cỡ lớn.

Các trạm robot có thể trở nên phức tạp, đặc biệt khi sử dụng nhiều robot cùng một lúc. Khi đó, không gian hoạt động của các robot có thể chồng lấn nhau, hoặc kết hợp với các bộ gá quay đổi hướng chi tiết. Quy trình mô phỏng cho phép thử nghiệm các hệ thống phức tạp này và triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ va chạm.

Khả năng thiết kế, tối ưu hóa và kiểm duyệt trạm hàn robot giúp rút ngắn chu kỳ triển khai, đồng thời loại bỏ các sự cố chậm trễ phát sinh từ những yếu tố bất ngờ, vốn trước đây chỉ có thể phát hiện sau khi lắp đặt và chạy thử thực tế.

Các bước chuẩn bị ban đầu
Bước đầu tiên để chứng minh tính hiệu quả của kế hoạch tự động hóa quy trình hàn là hiểu rõ ‘cần hàn thiết bị gì’ và ‘hàn như thế nào’. Trước khi dùng phần mềm mô phỏng để thiết kế, tối ưu và kiểm duyệt, doanh nghiệp cần thu thập đầy đủ dữ liệu thực tế.

Đội ngũ tự động hóa nên phân loại các chi tiết thành từng nhóm có điểm chung. Các nhóm chi tiết này sau đó sẽ được kết nối với trạm hàn robot phù hợp nhằm giảm thiểu thời gian chuyển đổi, do các chi tiết có kích thước tương đồng và cùng vật liệu sẽ sử dụng chung quy trình hàn và vật liệu tiêu hao.

Khảo sát danh mục chi tiết bao gồm: kích thước vật lý, các loại liên kết hàn (thống kê tỷ lệ phần trăm giữa hàn góc, hàn giáp mối, hàn chồng và hàn rãnh), cơ cấu vật liệu, độ dày vật liệu và giới hạn không gian thao tác. Giới hạn không gian là điểm mà mô phỏng kỹ thuật số thể hiện ưu thế vượt trội, bởi các góc hẹp hoặc hốc sâu cần cấu tạo mỏ hàn đặc thù rất dễ bị bỏ qua trong khâu lập kế hoạch truyền thống.

Từ đó, đội ngũ dự án cần đánh giá các công đoạn trước xử lý và cách thức chi tiết được chuyển đến trạm hàn. Liệu các đoạn phôi cắt và máy chấn có cung cấp kích thước đồng đều hay không, hay thiết bị hàn tự động sẽ phải tự hàn đắp những khoảng hở không đều và chất lượng mép cắt kém?

Cụ thể hơn, kỹ thuật viên cần ghi nhận độ ổn định kích thước của phôi gửi đến từ khâu cắt/ tạo hình và đo dung sai khe hở. Điều này giúp xác định xem có cần trang bị thêm cảm biến dò đường hàn bằng laser hoặc công nghệ theo dõi đường hàn qua hồ quang hay không. Họ cũng cần kiểm tra độ sạch bề mặt mép hàn (có vảy cán, gỉ sét hay bám dầu mỡ không), vì đây là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mối hàn.

Một trong những công việc quan trọng nhất ở giai đoạn thu thập thông tin là đo lường các thông số hiệu suất. Nếu thiếu dữ liệu này, doanh nghiệp không thể xác định được tốc độ robot cần thiết để đạt mức hoàn vốn đầu tư (ROI) mong muốn.

Sử dụng đồng hồ bấm giờ sẽ rất hữu ích để đo chính xác thời gian chu kỳ của từng công việc. Thời gian chu kỳ phải bao gồm: chuẩn bị mối hàn, hàn đính, thời gian duy trì hồ quang thực tế và làm sạch sau khi hàn.

Tỷ lệ thời gian duy trì hồ quang và tỷ lệ sản phẩm lỗi đóng vai trò quyết định trong việc tính toán mức hoàn vốn đầu tư. Tỷ lệ hồ quang phản ánh rõ thời gian thực tế hàn so với thời gian gá lắp, di chuyển chi tiết. Trong khi đó, tỷ lệ lỗi giúp đội ngũ nhận diện các vấn đề chất lượng hiện hữu và xác định vai trò của tự động hóa trong việc khắc phục chúng.

Cuối cùng, hệ thống đồ gá hàn cần được đánh giá chi tiết: Mất bao lâu để thiết lập đồ gá cho một chi tiết? Phương pháp kẹp chặt nào hiệu quả nhất, kẹp cơ nhanh, kẹp khí nén hay các cơ cấu kẹp hạng nặng?

Bắt đầu quá trình mô phỏng
Sau khi hoàn tất công tác chuẩn bị, toàn bộ dữ liệu sẽ được đưa vào phần mềm mô phỏng. Đây là khởi đầu của quá trình kiểm duyệt, diễn ra trước khi bất kỳ thiết bị nào được lắp đặt tại nhà máy.

Trạm hàn mô phỏng có thể tái hiện chính xác mọi thiết bị và chuyển động như trong một trạm hàn thực tế

Các nhà sản xuất robot công nghiệp thường cung cấp phần mềm mô phỏng ngoại tuyến để lập kế hoạch đường đi cho robot. Các phần mềm này mô phỏng chính xác chuyển động của cánh tay robot, nhưng một trạm hàn thực tế còn chứa nhiều thiết bị khác. Tất cả các yếu tố đó đều cần xuất hiện trong môi trường kỹ thuật số để quy trình được mô phỏng một cách chuẩn xác nhất.

Đối với các đối tượng như máy móc, thiết bị cấp phôi hay đầu công tác của robot (dụng cụ gắn ở đầu cánh tay robot), mô hình CAD 3D thường có sẵn. Chúng có thể được nhập vào phần mềm mô phỏng để đánh giá tầm với và kiểm tra va chạm với các vật thể cố định.

Khi mọi dữ liệu đã được tải lên phần mềm, doanh nghiệp bắt đầu lựa chọn các thành phần còn lại như phần mềm điều khiển và bộ điều khiển lập trình PLC. Phần mềm mô phỏng có thể tái tạo lại chính xác các tín hiệu và dữ liệu đầu vào của các thiết bị này.

Lúc này, mô hình đã sẵn sàng để vận hành. Việc bổ sung tệp CAD 3D thực tế của phôi hàn là phần cuối cùng để hoàn thiện quá trình mô phỏng.

Trong môi trường kỹ thuật số, trạm hàn và các thành phần sẽ vận hành giống như đang sản xuất thực tế tại nhà máy. Phần mềm mô phỏng sẽ phản ánh chính xác các điều kiện này.

Đây là thời điểm mô phỏng chứng minh giá trị, giúp ban quản lý kiểm tra các yếu tố sau:
– Kích thước robot: Bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng, nhà sản xuất có thể đánh giá các phương án lắp đặt, vị trí gá đặt và ảnh hưởng của các kích thước robot khác nhau. Robot nhỏ hơn thường có gia tốc và độ giảm tốc cao hơn, độ chính xác tốt hơn và chi phí thấp hơn so với robot cỡ lớn.
– Lỗi chuyển động: Việc phát hiện một chuyển động dự kiến của cánh tay robot có khả thi hay không ngay trong môi trường kỹ thuật số sẽ tốt hơn so với việc phát hiện ra nó sau khi máy móc và hàng rào bảo vệ đã được bắt vít cố định trong nhà máy.
– An toàn: Đối với các thao tác mà robot cộng tác (cobot) làm việc cùng con người, phần mềm mô phỏng có thể đánh giá trước các mối nguy hiểm trước khi xây dựng trạm hàn. Nó cho thấy mức độ hiệu quả của các thiết bị an toàn trong việc bảo vệ công nhân khỏi nguy cơ bị va trúng bởi robot, chi tiết gia công hoặc bộ gá quay.

Lập trình ngoại tuyến (offline programming) (*)
Quá trình lập trình ngoại tuyến có thể được thực hiện song song với việc thi công và kiểm duyệt trạm hàn. Nhờ đó, doanh nghiệp tránh được nhiều tuần lập trình trực tiếp tại nhà máy, tiết kiệm tối đa thời gian đưa hệ thống vào vận hành.
(*) Offline programming: là phương pháp lập trình cho robot trên máy tính (thông qua phần mềm mô phỏng 3D) mà không cần kết nối hay làm phiền đến robot thật tại nhà máy.

Nếu không làm theo cách này, nhà máy sẽ phải đối mặt với một khuyết điểm: người vận hành trạm hàn phải dùng bảng điều khiển cầm tay để dẫn đường cho robot từng điểm một, đồng thời quan sát vị trí đầu công tác nhằm tránh va chạm. Đây là một công việc tốn thời gian và công sức, đặc biệt là trong môi trường sản xuất đa chủng loại, sản lượng nhỏ.

Mô phỏng cho phép đội ngũ tự động hóa tối ưu hóa chuyển động của robot và quy trình hàn. Khi trạm hàn thực tế được lắp đặt hoàn tất và robot sẵn sàng kích hoạt, chương trình chỉ cần được sao chép vào bộ điều khiển robot. Đội ngũ triển khai đã loại bỏ được một bước kéo dài và phức tạp trong chu kỳ lắp đặt.

Chỉ là bước khởi đầu
Với một bản song sinh kỹ thuật số (digital twin), mô hình kỹ thuật số chi tiết của trạm hàn tự động, nhà sản xuất có thể tạo ra các sản phẩm đạt chất lượng nhanh hơn nhiều so với phương pháp thử nghiệm truyền thống sau lắp đặt. Tuy nhiên, ứng dụng của mô phỏng không chỉ dừng lại ở đó.

Nhóm tự động hóa có thể tạo ra các chương trình hàn đồng thời trong quá trình kiểm định dây chuyền hàn. Khi dây chuyền được lắp đặt thực tế, quá trình sản xuất có thể bắt đầu ngay lập tức vì các chương trình đã được tạo ra và kiểm chứng trong môi trường mô phỏng.

Quy trình mô phỏng còn được sử dụng để chạy thử các chi tiết mới trên trạm hàn, đảm bảo mọi thứ vận hành chuẩn xác đồng thời tự động tạo chương trình lập trình ngoại tuyến cho công việc đó. Đây là môi trường lý tưởng thúc đẩy cải tiến liên tục, bởi đội ngũ kỹ thuật có thể thử nghiệm các quy trình hoặc vật liệu tiêu hao mới và thu được kết quả định lượng rõ ràng mà không làm gián đoạn hay ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất đang diễn ra tại nhà máy.

Dù các kỹ sư chế tạo nhiều kinh nghiệm, họ cũng không thể kéo dài thêm thời gian trong ngày hay trong tuần. Tuy nhiên, họ hoàn toàn có thể chủ động cắt giảm các lãng phí trong các dự án tự động hóa quy trình hàn, và các công cụ mô phỏng chính là giải pháp ưu việt để thực hiện điều đó.

Để xem các tin bài khác về “Hàn”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: The Fabricator