Báo cáo Nghiên cứu và chế tạo máy tạo hình nhiệt thép bằng tấm cảm ứng trong công nghiệp đóng tàu thủy (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu và chế tạo máy tạo hình nhiệt thép bằng tấm cảm ứng trong công nghiệp đóng tàu thủy (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ Nghiên cứu và chế tạo máy tạo hình nhiệt thép bằng tấm cảm ứng trong công nghiệp đóng tàu thủy MÃ SỐ: B2010 - 22 - 54 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS. NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH S K C 0 0 3 2 1 4 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07/2011
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY TẠO HÌNH NHIỆT THÉP TẤM BẰNG CẢM ỨNG TRONG CÔNG NGHIỆP ĐÓNG TÀU THỦY Mã số: B2010-22-54 Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Trƣờng Thịnh TP.HCM, 7/2011 i
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY TẠO HÌNH NHIỆT THÉP TẤM BẰNG CẢM ỨNG TRONG CÔNG NGHIỆP ĐÓNG TÀU THỦY Mã số: B2010-22-54 Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) TP.HCM, 7/2011 ii
4. DANH SÁCH NHỮNG NGƢỜI THAM GIA ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Tên đề tài: Nghiên cứu và chế tạo máy tạo hình nhiệt thép tấm bằng cảm ứng trong công nghiệp đóng tàu thủy. Mã số: B2010-22-54 Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Trƣờng Thịnh Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM Cơ quan và các cá nhân phối hợp thực hiện: Cơ quan phối hợp chính Tên đơn vị phối hợp Nội dung phối hợp nghiên cứu Đại học Quốc Gia Chonnam- Hàn Kết hợp nghiên cứu và thiết kế bộ tạo nhiệt Quốc bằng cảm ứng điện trường Các cá nhân phối hợp thực hiện Họ và tên Đơn vị công tác và Nội dung nghiên cứu cụ thể được lĩnh vực chuyên giao môn Nguyễn Ngọc Phương ĐHSPKT Tp.HCM Thiết kế bộ phận điều khiển máy Nguyễn Minh Khai ĐH Chonnam Thiết kế bộ phận cảm ứng Tưởng Phước Thọ ĐHSPKT Tp.HCM Thiết kế bộ phận truyền động bộ phận cơ khí Nguyễn Xuân Quang ĐHSPKT Tp.HCM Thiết kế phần mềm Đường Minh Hiếu ĐHSPKT Tp.HCM Thư ký đề tài – P QLKH Thời gian thực hiện: 03/2010 đến 10/2011 iii
5. MỤC LỤC Trang bìa i Trang bìa phụ ii Danh sách các thành viên tham gia và đơn vị phối hợp thực hiện iii Mục lục iv Danh mục hình vẽ ix Danh mục bảng biểu xiv Thông tin kết quả nghiên cứu xv Tóm tắt đề tài xvii Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 1 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 1 1.2.1 Nước ngoài 1 1.2.1.1. Uốn tấm thép trên máy cán thép nhiều trục 2 1.2.1.2. Uốn tấm thép trên máy ép 3 1.2.1.3. Uốn tấm bằng phương pháp thủ công 4 1.2.1.4. Uốn tấm bằng phương pháp gia nhiệt cảm ứng .5 1.2.2. Trong nước 6 1.3. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 7 1.4. PHƢƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 7 PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƢƠNG 1 ĐẦU NUNG CẢM ỨNG TỪ 8 2.1.1 Giới thiệu hiện tượng cảm ứng điện từ 8 2.1.1.1 Nguồn gốc 8 2.1.1.2 Cảm ứng nhiệt điện từ 9 2.1.1.3 Ứng dụng của nung nóng nhiệt cảm ứng trong công nghiệp 9 iv
6. 2.1.2 Lý thuyết về cảm ứng nhiệt điện từ 10 2.1.2.1 Nguyên lý của cảm ứng nhiệt điện từ 10 2.1.2.2 Sự phân bố của dòng điện trong vật được gia công 14 2.1.2.3 Hiện tượng trao đổi nhiệt trong nung cảm ứng 18 2.1.3 Mô hình toán học của quá trình nung cảm ứng nhiệt 21 2.1.3.1 Mô hình toán học trường điện từ và trường nhiệt độ 21 2.1.3.2 Mô hình cơ bản của quá trình nung cảm ứng từ 24 2.1.4 Thiết kế nung cảm ứng từ 27 2.1.4.1 Một số yêu cầu về thiết bị dùng trong đầu nung cảm ứng 27 2.1.4.2 Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống nung cảm ứng từ 28 2.1.4.3 Các mạch nguyên lý của đầu nung cảm ứng từ 29 CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHẦN CƠ KHÍ GIA CÔNG 2.2.1 Các phương án di chuyển trục toạ độ. 34 2.2.1.1 Phương án phôi cố định 34 2.2.1.2 Phương án phôi di chuyển trên một trục 34 2.2.1.3 Phương án phôi di chuyển trên hai trục 35 2. 2.1.4 Lựa chọn phương án di chuyển tối ưu 36 2.2.2. Lựa chọn cơ cấu truyền động 36 2.2.2.1 Vít me - đai ốc 36 2.2.2.2 Bộ truyền bánh răng 38 2.2.3 Bộ dẫn hướng 39 2.2.3.1 Dẫn hướng bằng rãnh mang cá 39 2.2.3.2 Dẫn hướng bằng thanh trượt 39 2.2.4 Mô phỏng kết cấu hệ thống bằng phần mềm ABAQUS 6.5.1 41 2.2.4.1 Các số liệu dùng để tính toán 41 2.2.4.2 Kết quả mô phỏng ứng suất và chuyển vị của máy 43 2.2.5 Tính toán thông số các bộ truyền 56 2.5.1 Chọn động cơ cho trục Z 56 v
7. 2.5.2 Chọn động cơ cho trục X 57 2.5.3 Chọn động cơ cho trục Y 58 2.6 Chọn động cơ cho hệ thống 59 CHƢƠNG 3 ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY 2.3.1 Động học của máy 60 2.3.2 Động học nghịch của máy 61 2.3.3 Ma trận Jacobi và động học vận tốc 62 CHƢƠNG 4 HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY GIA CÔNG 2.4.1 Các thiết bị điện của hệ thống 64 2.4.1.1 Bộ điều khiển trung tâm 64 2.4.1.2 Driver và động cơ (Motor) 64 2.4.1.3 Bơm (Pump) 64 2.4.1.4 Đầu từ (Inductor) 64 2.4.2 Mạch điện hệ thống 65 2.4.3 Sơ đồ đi dây mạch động lực 67 2.4.4 Cấu trúc bộ điều khiển 68 2.4.4.1 Nguyên tắ c chung 68 2.4.4.2 Sơ đồ tổ ng quát về nguyên lý củ a bộ điề u khiể n cấ p trên 69 2.4.2 Nội suy 71 2.4.2.1 Giới thiệu 71 2.4.2.2 Phương pháp xác định quỹ đạo 72 2.4.2.3 Giải thuật nội suy cho quá trình gia công 74 2.4.3 Thiết kế bộ điều khiển 78 2.4.3.1 Tổng quan về mạch điều khiển 78 2.4.3.2 Giới thiệu vi điều khiển 79 2.4.3.3 Các chức năng của hai vi điều khiển sử dụng trong đồ án 79 vi
8. 2.4.3.4 Mạch nguyên lý 87 2.4.4 Sự phân chia nhiệm vụ của phần mềm, vi điều khiển trong hệ thống 88 2.4.4.1 Phần mềm máy tính 88 2.4.4.2 Phần mềm của vi điều khiển chủ 88 2.4.4.3 Vi điều khiển tớ 88 2.4.5 Phần mềm máy tính 88 2.4.5.1 Nhiệm vụ chung 88 2.4.5.2Chuẩn bị dữ liệu nội suy cho quá trình gia công 89 2.4.5.3 Các nút điều khiển khác 89 2.4.6 Phần mềm của vi điều khiển chủ 92 2.4.6.1 Nhiệm vụ chính 92 2.4.6.2 Chức năng điều khiển quá trình gia công 93 2.4.6.3 Chức năng di chuyển bàn máy bằng tay (Jog) 93 2.4.6.4 Chức năng điều khiển trở về vị trí Home 93 2.4.6.5 Chức năng dừng chương trình gia công 93 2.4.7 Phần mềm của vi điều khiển tớ 94 CHƢƠNG 5 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 2.5.1 Máy biến dạng thép ứng dụng từ trường 95 2.5.2 Giao diện chính của máy 98 2.5.3 Sản phẩm thực nghiệm 99 2.5.3.1 Tấm thép 1: 500 x 400 x 10mm 100 2.5.3.2 Tấm thép 2: 500 x 500x10 mm 101 2.5.3.3 Tấm thép 3: 500 x 500 x10 mm 103 2.5.3.4 Tấm thép 4: 500 x 400 x 20 mm 104 2.5.3.5 Tấm thép 5: 500 x 500 x10 mm 106 2.5.3.6 Tấm thép 6: 500 x 500 x 10 mm 107 2.5.4 Kết luận 110 2.5.5 Đề nghị và hướng phát triển 110 vii
9. Tài liệu tham khảo 111 viii
10. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Biên dạng cong của tấm thép vỏ tàu 1 Hình 1.2 Biên dạng của tấm thép lắp ghép tạo thành vỏ tàu 2 Hình 1.3 Máy cán kín của hãng QFI – Mỹ 2 Hình 1.4 Máy cán hở của hãng MG – Italia 3 Hình 1.5 Máy ép thủy lực một trụ của hãng WETORI – Taiwan 3 Hình 1.6 Máy ép thủy lực bốn trụ của hãng KRR - Ấn Độ 4 Hình 1.7 Những dụng cụ dùng trong việc uốn tấm bằng phương pháp thủ công 4 Hình 1.8 Uốn vỏ tàu bằng đầu đốt khí oxy – axetylen 5 Hình 1.9 Bệ dùng để uốn nóng bằng phương pháp thủ công 5 Hình 1.10 Định hình thép tấm bằng phương pháp đường nhiệt 6 Hình 2.1.1 Thí nghiệm định luật cảm ứng của Faraday 8 Hình 2.1.2 Một số ứng dụng nung cảm ứng từ trong công nghiệp 10 Hình 2.1.3 Cuộn dây cảm ứng với từ trường của nó 10 Hình 2.1.4 Dòng điện xoáy sinh ra trong một vật dẫn khi đặt trong từ trường thay đổi 11 Hình 2.1.5 Hình dáng đầu gia nhiệt và thép tấm được dùng trong đề tài 11 Hình 2.1.6 Ảnh hưởng của trễ từ đến đường công suất nhiệt 14 Hình 2.1.7 Chiều sâu thấm của dòng điện trong thép 15 Hình 2.1.8 Cường độ dòng điện và cường độ từ trường là một hàm của chiều sâu d . 15 Hình .1.9 Hiệu ứng cảm ứng điện từ dọc biên 17 Hình 2.1.10 Sơ đồ hoạt động của hệ thống nung cảm ứng từ 29 Hình 2.1.11 Khối nguồn 1 29 Hình 2.1.12 Khối nguồn 2 30 Hình 2.1.13 Dạng ngõ ra điện áp sau khi qua chỉnh lưu 30 Hình 2.1.14 Khối nguồn 3 31 Hình 2.1.15 Khối tạo xung 32 Hình 2.1.16 Mạch công suất 1 32 ix
11. Hình 2.1.17 Mạch công suất 2 33 Hình 2.1.18 Mạch cộng hưởng L-C 33 Hình 2.2.1 Phương án phôi cố định 34 Hình 2.2.2 Phương án phôi đặt lên bàn trượt theo một trục 35 Hình 2.2.3 Phương án phôi đặt lên bàn trượt theo hai trục 35 Hình 2.2.4 Bộ truyền vít me – đai ốc có rãnh hồi bi dạng ống 37 Hình 2.2.5 Một số bộ truyền bánh răng thông dụng 38 Hình 2.2.6 Rãnh mang cá 39 Hình 2.2.7 Thanh trượt 39 Hình 2.2.8 Sơ đồ động của máy 40 Hình 2.2.9 Sơ đồ lắp ráp của hệ thống 41 Hình 2.2.10 Ứng suất của toàn máy 44 Hình 2.2.11 Chuyển vị theo phương X 44 Hình 2.2.12 Chuyển vị theo phương Y 45 Hình 2.2.13 Chuyển vị theo phương Z 45 Hình 2.2.14 Ứng suất của chữ I 1 46 Hình 2.2.15 Chuyển theo phương X và phương Y 46 Hình 2.2.16 Chuyển vị theo phương Z 46 Hình 2.2.17 Bánh lăn trong thực tế 47 Hình 2.2.18 Ứng suất của bánh lăn 47 Hình 2.2.19 Chuyển theo phương X và phương Y 48 Hình 2.2.20 Trục trong thực tế 48 Hình 2.2.21 Ứng suất của trục 48 Hình 2.2.22 Chuyển vị theo phương X 49 Hình 2.2.23 Chuyển vị theo phương Y 49 Hình 2.2.24 Chuyển vị theo phương Z 49 Hình 2.2.25 Tấm đỡ trong thực tế 50 Hình 2.2.26 Ứng suất của tấm đỡ 50 x
12. Hình 2.2.27 Chuyển theo phương X, phương Y, phương Z 51 Hình 2.2.28 Thùng đỡ 1 và thùng đỡ 2 trong thực tế 51 Hình 2.2.29 Ứng suất thùng đỡ 1 52 Hình 2.2.30 Chuyển theo phương X, phương Y, phương Z 52 Hình 2.2.31 Ứng suất của thùng đỡ 2 53 Hình 2.2.32 Chuyển theo phương X, phương Y, phương Z 53 Hình 2.2.33 Chữ I 2 trong thực tế 54 Hình 2.2.34 Ứng suất của chữ I 2 54 Hình 2.2.35 Chuyển theo phương X 54 Hình 2.2.36 Chuyển vị theo phương Y 54 Hình 2.2.37 Chuyển vị theo phương Z 55 Hình 2.2.38 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và độ dịch chuyển đầu từ 55 Hình 2.3.1 Mô hình hóa máy tạo nhiệt bằng từ trường dưới mô hình robot Decard 60 Hình 2.4.1 Sơ đồ mạch điện hệ thống 65 Hình 2.4.2 Sơ đồ đi dây mạch động lực 67 Hình 2.4.3 Bộ điều khiển robot theo cấu trúc PC-based 68 Hình 2.4.4 Sơ đồ khố i tổng quát củ a hệ thố ng kế t nố i điề u khiể n 69 Hình 2.4.5 Sơ đồ giao tiế p điều khiển giữa Host Controller và XYZ Controller 69 Hình 2.4.6 Sơ đồ giao tiế p điều khiển giữa XYZ Controller và AC Servo Driver 70 Hình 2.4.7 Sơ đồ khố i dà nh cho điề u khiể n vị trí củ a Servo driver 70 Hình 2.4.8 Khái niệm cơ bản của bộ nội suy 71 Hình 2.4.9 Nội suy bậc thang 72 Hình 2.4.10 Nội suy dây cung 73 Hình 2.4.11 Sơ đồ tổng quan của mạch điều khiển 78 Hình 2.4.12 Các mức Logic của cổng RS232 81 Hình 2.4.13 Sơ đồ chân cổng COM máy tính 81 Hình 2.4.14 Sơ đồ giao tiếp 1 master, 1 slave 82 Hình 2.4.15 Sơ đồ giao tiếp một master với nhiều Slave 83 xi
13. Hình 2.4.16 Sơ đồ truyền SPI 84 Hình 2.4.17 Trình tự truyền SPI 84 Hình 2.4.18 Mạch nguyên lý vi điều khiển chủ và cổng truyền thông RS232 85 Hình 2.4.19 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục X 85 Hình 2.4.20 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục Y 86 Hình 2.4.21 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục Z 86 Hình 2.4.22 Mạch nguyên lý đầu vào công tắc hành trình và tín hiệu điều khiển 87 Hình 2.4.23 Mạch nguyên lý đầu vào tín hiệu xung Index từ AC Driver Servo 87 Hình 2.4.24 Giao diện chương trình điều khiển máy phay CNC 93 Hình 2.5.1 Mặt trước của máy 95 Hình 2.5.2 Mặt sau của máy 95 Hình 2.5.3 Tủ điện và bảng điều khiển 96 Hình 2.5.4 Đồ thị đáp ứng vận tốc của động cơ các trục 98 Hình 2.5.5 Giao diện chính của chương trình điều khiển 98 Hình 2.5.6 Đo độ biến dạng thép tấm trên máy CMM 99 Hình 2.5.7 Quỹ đạo của đầu từ 100 Hình 2.5.8 Hình dạng tấm thép 1 sau gia công 100 Hình 2.5.9 Hình dạng của tấm thép 1 mô phỏng trên máy tính 101 Hình 2.5.10 Quỹ đạo của đầu từ 101 Hình 2.5.11 Hình dạng tấm thép 2 sau gia công 102 Hình 2.5.12 Hình dạng của tấm thép 2 mô phỏng trên máy tính 102 Hình 2.5.13 Quỹ đạo của đầu từ 103 Hình 2.5.14 Hình dạng tấm thép 3 sau gia công 103 Hình 2.5.15 Hình dạng của tấm thép 3 mô phỏng trên máy tính 104 Hình 2.5.16 Quỹ đạo của đầu từ 104 Hình 2.5.17 Hình dạng tấm thép 4 sau gia công 105 Hình 2.5.18 Hình dạng của tấm thép 4 mô phỏng trên máy tính 105 Hình 2.5.19 Hình dạng tấm thép 4 sau gia công 106 xii