Nghiên cứu đề xuất kết cấu robot di chuyển trong lòng ống

Nội dung text: Nghiên cứu đề xuất kết cấu robot di chuyển trong lòng ống

1. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT KẾT CẤU ROBOT DI CHUYỂN TRONG LÒNG ỐNG PROPOSAL FOR DESIGN OF INPIPE ROBOT Đặng Thiện Ngôn1, Trương Đình Sĩ2 1Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp, Hồ Chí Minh 2Học viên cao học Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp, Hồ Chí Minh TÓM TẮT Đường ống được dùng rất nhiều trong hệ thống dẫn khí, dẫn dầu, đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển, truyền tải, lưu trữ nên yêu cầu về chất lượng rất khắt khe. Trong bài báo này , chúng tôi trình bày một hệ thống robot để kiểm tra trong lòng ống ngầm đường ống dẫn. Robot là một dạng khớp nối có cấu trúc giống như một con rắn. Hai modul lái được đặt ở phía trước và phía sau của hệ thống tương ứng. Modul chủ động là modul điều khiển, điều khiển chuyển động của robot, và các modul khác được liên kết ở giữa hai modul lái. Nó có một số tính năng vượt trội hơn các thiết bị khác như hệ thống cơ cấu bánh xe. Các tính năng này sẽ làm cho khả năng chuyển động của robot tốt hơn bên trong lòng ống phức tạp của các mạng lưới đường ống. Chúng tôi đưa ra những phương án cho việc xây dựng các robot và mô tả các tính năng đặc trưng của nó. Từ khoá: Robot, trong lòng ống, nhánh rẽ ABSTRACT Pipelines are used a lot in these system, play an important role in the transportation, transmission, storage should be required high quality. In this paper, we present a robotic system for inpipe inspection of underground urban gas pipelines. The robot is configured as an articulated structure-like a snake with a tether cable. Two active driving modul are located in front and rear of the system, respectively. Passive modules such as a control module and other optional modules are linked between the active driving modul vehicles. It has several characteristic features superior to the others such as flexible wheeled leg mechanisms, a steering mechanism with compliance control. Those features provide the robot with excellent mobility inside the highly constrained space while negotiating the complicated configurations of the pipeline networks. We outline the construction of the robot and describe its characteristic features. Key words: robot, inpipe robot, steering mechanism, elbow, branch
2. I. GIỚI THIỆU Đường ống là những công cụ dùng để vận chuyển dầu, khí và các loại chất lỏng khác như hóa chất. Hiện nay trong các ngành công nghiệp dầu khí, điện lực, giao thông, thủy lợi hiện nay có rất nhiều đường ống thép có đường kính khác nhau, được sử dụng để vận chuyển dẫn. Gần đây có nhiều vấn đề xảy ra trong đường ống như lão hóa, ăn mòn, nứt Mặc dù các đường ống này từ lúc sản xuất ra đến suốt cả thời gian sử dụng ống đều phải trải qua quá trình kiểm tra đánh giá chất lượng để đi đến quyết định về khả năng có tiếp tục sử dụng hay bị thay thế. Hiện nay, việc sử dụng robot tự hành để kiểm tra, bảo dưỡng đường ống dẫn được xem là một trong những giải pháp hấp dẫn nhất. Robot trong ống thường có lịch sử phát triển lâu dài và có thể phân thành nhiều dạng cơ bản theo các dạng mô hình chuyển động của chúng như hình 1. Mặc dù chúng đã được thiết kế theo những ứng dụng cụ thể. Hình 1: Phân loại robot bên trong ống. (a) Loại lớn. (b) Loại sử dụng bánh xe. (c) Loại sâu bướm. (d) Loại bám thành. (e) Loại đi bộ. (f) Loại sâu đo. (g) Loại đinh vít. II. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU II.1 Yêu cầu thiết kế Thông thường hình dạng và kích thước của robot là những yếu tố quan trọng nhất trong việc xác định khả năng hoạt động, quan sát của nó. Ngoài ra một yếu tố cũng không kém phần quan trọng đó là những đường ống dẫn. Đường ống dẫn nó bao gồm những đoạn đường thẳng, những khúc cong và cả những khúc co chữ T.
3. Robot được thiết kế với yêu cầu là có thể mang đầu dò siêu âm, tự hành trong các đường ống có đường kính từ 8 ÷ 10 inch (tương đương từ 203 ÷ 254mm). Vận tốc di chuyển của robot là V = (30 – 40)mm/s, được điều chỉnh vô cấp và đi qua được những đoạn ống cong 1200. Hình 2: Hệ thống robot trong đường ống Các kích thước đường ống tạo ra những hạn chế hình học trong quá trình di chuyển của robot, chính vì thế kích thước của robot cần được thiết kế cho phù hợp với đường kính trong của ống. Trong các đoạn ống cong robot có thể được mô hình hóa như một khối trụ, khi đó ta xây dựng được các mối quan hệ giữa kích thước robot với độ cong của đường ống, đường kính trong của ống. II.2 Phƣơng án thiết kế a) Các khối của thiết bị Hình 3: Mô hình tổng quát của thiết bị tự hành
4. Theo hình 3 thì robot tự hành mang thiết bị đo kiểm phục vụ cho công việc kiểm tra đánh giá chất lượng đường ống ngầm bao gồm 4 modul với các chức năng cụ thể như sau: - Modul dẫn động kéo đảm nhiệm nhiệm vụ kéo (mang) thiết bị di chuyển về phía trước trong lòng ống. - Modul điều khiển chứa board mạch điều khiển các hoạt động của thiết bị tự hành. Khoảng không còn lại bên trong modul điều khiển được dùng để chứa pin cung cấp năng lượng cho chính nó và cho modul thiết bị đo kiểm. - Modul thiết bị kiểm tra được lắp đặt thiết bị kiểm tra NDT (siêu âm, X-quang) dựa theo các yêu cầu kỹ thuật của phiên bản sử dụng. Modul cũng mang theo nguồn pin để cung ứng năng lượng hoạt động. - Modul dẫn động đẩy đảm nhiệm nhiệm vụ đầy thiết bị di chuyển về phía trước trong lòng ống cùng với lực kéo của modul dẫn động kéo. Modul dẫn động kéo và modul dẫn động đẩy được thiết kế giống nhau và có chức năng tương tự nhau. Nó bao gồm ba cụm điều khiển được lắp lệch nhau góc 1200 trên một đường tròn và có khả năng gập lại hoặc bung ra để bám chặt vào thành ống khi robot chuyển động.Các modul liên kết với nhau bằng các khớp nối mềm với 2 đầu thanh là khớp cầu cho phép thiết bị tự hành có thể hoạt động bên trong các ống cong với góc độ đạt đến 1200. Hình 4: Mô hình phân rã modul dẫn động kéo và đẩy
5. b) Cụm trục chính Như trong hình minh họa ( hình ) cụm trục chính dùng để gắn ba cụm điều khiển lệch nhau một góc 1200 trên một đường tròn và chúng có khả năng tự định tâm. Cụm trục chính bao gồm nhiều thanh liên kết lại và được gắn trên hai con trượt cố định và hai con trượt di động và chúng có thể trượt trên trục chính nhờ hai lò xo và được chặn chính giữa bỡi con chặn. Khi con trượt trượt trên thân trục chính sẽ làm cho robot có thể gập lại và bung ra để bám vào thành ống. Hình 5: Liên kết Cụm trục chính Theo hình dưới ta có thể tính khoảng cách bung của bánh xe theo công thức sau: 22 y x.tanxy L1 x Trong đó x biểu thị cho chiều chuyển động của con trượt và y biểu thị cho chiều di chuyển của bánh xe. Với Δy là khoảng di chuyển bánh xe, Δx khoảng di chuyển của con trượt, θxy là góc quay của thanh liên kết và L1 là chiều dài thanh liên kết
6. Hình 6: Sơ đồ tính cơ cấu bung c) Modul dẫn động Ba modul dẫn động được gắn vào cụm trục chính thông qua các thanh liên kết bằng các trục liên kết ( như hình 4). Modul dẫn động nó bao gồm động cơ DC 6 – 24 VDC, 1,25W với encoder được bao bọc bỡi ống, bốn bánh xe cơ cấu trục vít bánh vít trục truyền động và vỏ hộp giảm tốc. Khi động cơ hoạt động thông qua hệ bánh răng sẽ làm cho trục vít quay và truyền chuyển động cho bánh vít làm cho bánh xe di chuyển. Hình 7: Modul dẫn động
7. d) Modul điều khiển, kiểm tra Những thiết bị để phục vụ cho robot như : bộ nguồn ( Pin, bình ắc quy ), mạch điều khiển thiết bị, bộ thu phát sóng hay một số thiết bị siêu âm ( đầu dò siêu âm, camera ) sẽ được chứa trong hai modul đó là modul điều khiển, modul kiểm tra. Vì vậy những modul này phải được thiết kế phù hợp với kích thước đường kính ống cũng như kích thước của các thiết bị nói trên. Hình 8: Modul điều khiển, kiểm tra 1- Cụm mặt đầu, 2- Phần thân, 3- Trục định vị. Cụm mặt đầu bao gồm một mặt bích được gắn kết với các bộ phận trượt, bánh xe và khớp nối để gắn kết các bộ phận khác của robot lại với nhau. Phần thân là phần vỏ bọc bên ngoài được làm bằng nhôm, dùng để chứa các thiết bị nói trên. Trục định vị mục đích định vị để đảm bảo độ cứng vững và vị trí tương quan giữa hai cụm mặt đầu với phần thân.
8. Hình 9: Mô hình phân rã cụm mặt đầu 1-Mặt bích, 2-Tấm đệm, 3-Tấm đế, 4-Bánh xe, 5-Phe, 6-Ổ trục đỡ 7-Trục bánh xe, 8-Bạc lót, 9-Trục trượt, 10-Con chặn, 11- Bánh xe. e) Khả năng hoạt động của robot Về hình dáng hình học của đường ống thì có rất nhiều dạng khác nhau như đường ống nằm ngang, đường ống thẳng đứng, ống cong, ống có nhánh rẽ, ống giảm hay ống có lắp van điều khiển Nhưng hiện nay có các loại robot đơn giản chỉ hoạt động được trong các đường ống nằm ngang và có thể hoạt động được trong những khúc ống cong có góc khoảng 300 hoặc nhỏ hơn. Với các dạng ống thẳng đứng thì hoạt động khó khăn hơn và để làm được việc này là một kỳ công. Vì đường ống có những hình dáng hình học như thế nên robot phải được thiết kế làm sao để có thể hoạt động được trong điều kiện đường ống như vậy. Ở đây ta chỉ xem xét thiết kế robot hoạt động trong đường ống cong và ta có thể mô hình hóa nó như một khối hình trụ, khi đó ta xây dựng được các mối quan hệ giữa kích thước robot với độ cong của đường ống, đường kính trong của đường ống. Khi đó ta tính toán cho hai trường hợp sau: Nếu gọi kích thước đường kính của robot là Dr và cho Dr = w
9. Hình 10a: Robot trong đoạn ống cong Theo hình 10a ta có: 0 0 < w = Dr < [ (R + D/2) sin45 – (R – D/2)] ( 1) + Dr = w: Đường kính robot + D: Đường kính trong lòng ống + h = Lr: Chiều dài robot + R = rc: Bán kính cung cong, với R ≥ 1,5D Để thuận tiện cho quá trình tính toán, chọn R = 1.5D. Khi đó chiều dài tối đa của robot được tính bởi công thức: h = cos450] ( 2) Khi w 0 thì kích thước h max Khi w max hay w [(R + D/2) sin450 – (R – D/2)] thì kích thước h Theo hình 10b ta có: Hình 10b: Robot trong đoạn ống cong
10. Kích thước w được tính: [(R + D/2) sin450 – (R – D/2)] < w < D ( 3) Chiều dài tối đa của robot: ( 4) Từ phương trình (2) và (4) cho ta biết được chiều dài của mỗi modul robot. f) Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển có chức năng điều khiển, đồng bộ 6 động cơ quay cùng tốc độ trong đường ống và có khả năng đảo chiều chuyển động, chạy trong ống cong ngoài ra còn có thể điều chỉnh tốc độ của robot. Có thể điều khiển từ xa thông qua hệ thống modul không dây và bộ phát wireless và được điều khiển thông qua máy tính. Từ những yêu cầu về chức năng trên của robot ta thiết kế được sơ đồ khối của thiết bị. Bộ điều khiển bao gồm một mạch chia áp “LM2576 Adj (3V)”, được kết nối với board mạch chính “ARDUINO UNO” thông qua bộ “H-Bridge IR2184 (30A)” để điều khiển tốc độ cũng như chiều của 6 động cơ. Hệ thống được điều khiển thông qua một modul không dây Jz871. Nguồn cung cấp để điều khiển có thể là ắc quy 12V hoặc pin thông qua một ổn áp 5V để ổn định điện áp đầu vào. Hình 11: Sơ đồ khối mạch điều khiển
11. III. KẾT QUẢ III.1 Chế tạo Từ thiết kế trên, robot di chuyển trong lòng ống đã được chế tạo. Hình 12 trình bày robot di chuyển trong lòng ống thử nghiệm đã được chế tạo hoàn chỉnh. Hình 12: Hình ảnh tổng thể của robot đã chế tạo III.2 Thử nghiệm Thông số đầu vào của thiết bị thử nghiệm: - Ống có đường kính trong 230mm - Thiết bị tự hành chuyển động với vận tốc 30 – 40mm/s - Thiết bị được chế tạo với cơ cấu bung, khi thiết bị được đưa vào trong ống thì cơ cấu bung sẽ bung ra và bám vào thành ống. Hình 13 trình bày công việc thử nghiệm robot. Hình 12a:Thử nghiệm thiết bị
12. Hình 12b:Thử nghiệm thiết bị Hình 12c:Thử nghiệm thiết bị I.V KẾT LUẬN Bài báo trình bày về thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot di chuyển trong lòng ống có khả năng mang thiết bị kiểm tra NDT dùng để kiểm tra những công trình ngầm, những đường ống dẫn dầu, khí, gas Thiết bị cho thấy được khả năng di chuyển, hoạt động được trong những đường ống thẳng, có khả năng di chuyển qua các đoạn ống cong. Robot hoạt động đạt các yêu cầu thiết kế, không bị trượt, điều khiển dễ dàng. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Hà Văn Vui, Nguyễn Chí Sáng, Phan Đăng Phong, Sổ tay thiết kế cơ khí tập 1, 2, 3, NXB KHKT, Hà Nội 2006. [2] Hồ Viết Bình, Nguyễn Ngọc Đào, Công nghệ chế tạo máy, ĐH SPKT 2008. [3] Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thuyết kế máy, ĐH Quốc gia TP.HCM 2004 [4] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập 1,2, NXB
13. Giáo Dục 2010. [5] Hoàng Tùng, Sổ tay định mức tiêu hao vật liệu và năng lượng điện trong hàn. NXB Khoa học Kỹ thuật, 1999. [6] Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXDVN 314:2005). Hàn kim loại - thuật ngữ và định nghĩa, 2005. [7] Nguyễn Đức Thắng (chủ biên). Đảm bảo chất lượng hàn. NXB Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội, 2009 [8] Quy trình sản xuất ống thép tròn, thép hộp và xà gồ thép. Link: 07/2012 Tiếng Anh [9] OLIMPUS, COBRA Scanner User’s Manual DMTA – 20006 – 01EN, March 2010. [10] World centre for materials joining technology. Welding inspection Rev, TWI Ltd., 2006. [11] In-Pipe Inspection Crawler Adaptable To The Pipe Interior Diameter, International Journal of Robotics and Automation, Vol. 26, No. 2, 2011 [12] The Development Of A Modular Inspection System, Manuscript received by Editorial Board, December 24, 2010 [13] Nguồn Internet từ (www. Olympus.com) Nguồn khác [14] Screw Conveyor Corporation, Screw Conveyor Catalog & Engineering Manual. Link [15] Trang tin công nghệ hàn. Link
14. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.