Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo bồn

Nội dung text: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo bồn

1. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT LEO BỒN DESIGN AND MANUFACTURING OF WALL CLIMBING ROBOT FOR OIL TANK INSPECTION Đặng Thiện Ngôn1, Cao Quang Vũ2 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 Bồn bể chứa có vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp dầu khí nên cần được kiểm tra đánh giá chất lượng định kỳ để kịp thời sữa chữa. Hiện nay, thiết bị tự hành mang đầu dò siêu âm để kiểm tra đánh giá chất lượng bồn bể chứa ở nước ta cần phải nhập ngoại với chi phí cao và hoàn toàn phụ thuộc vào công nghệ của đối tác. Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo bồn có khả năng mang đầu dò siêu âm để kiểm tra và đánh giá chất lượng bồn bể có ý nghĩa to lớn và cấp thiết. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu đề xuất về điều kiện làm việc của robot, chiến lược đo kiểm, xây dựng phương trình động học robot, phương án thiết kế và thiết kế mạch điều khiển robot Trên cơ sở đó, một mô hình robot đã được chế tạo và đưa vào thử nghiệm để kiểm nghiệm khả năng hoạt động của robot. Từ kết quả thực nghiệm cho phép hoàn chỉnh thiết kế robot, mạch điều khiển để đảm bảo độ tin cậy đo kiểm, đánh giá chất lượng bồn chứa. Từ khóa: robot, robot leo bồn, bồn chứa xăng dầu, kiểm tra bằng siêu âm ABSTRACT Storage tank has a vital role in oil industry, inspection has many meanings in maintain and repair. Nowadays, inspection the oil storage tank has some disadvantages because of buying devides from other country is very expensive and depending on the technologies of each companies. This paper introduced design of wall climbing robot services for inspection oil tank storage, investigated the operated enviroment, design control system, using some method to fabricate the robot. Beside in, a prototype was manufactured and testing the operation. Keywords: robot, wall climbing robot, oil tank, ultrasonic testing 1
2. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nước ta hiện nay, ngành công nghiệp dầu khí ngày càng phát triển kéo theo đó là các công trình xây dựng bồn bể chứa ngày càng nhiều nhưng qua quá trình sử dụng bị xuống cấp như rò rỉ, xâm thực, ăn mòn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả làm việc của bồn chứa. Để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình làm việc của bồn chứa thì việc kiểm tra đánh giá chất lượng để kịp thời sữa chữa là điều cần thiết. Phương pháp kiểm tra chất lượng bồn bể phổ biến hiện nay là sử dụng sức người với các thiết bị cầm tay nên chỉ kiểm tra được ở những vị trí dưới đáy bồn và phần thân kề đáy bồn. Đối với phần trên cao của thân bồn thì việc kiểm tra sẽ khó khăn và nguy hiểm nên cần phải sử dụng máy móc để đảm nhận việc kiểm tra ở vị trí này trở nên cần thiết và quan trọng. Đề tài nghiên cứu đề xuất phương án thiết kế và chế tạo robot leo bồn là giải pháp hiệu quả, cấp thiết và khả năng ứng dụng cao ở nước ta. 1.1. Các nghiên cứu ngoài nƣớc a. Robot leo tƣờng của đai học Dalhouse Khoa Cơ Khí - Trường đại học Dalhouse đã nghiên cứu và chế tạo robot leo bồn chứa xăng dầu. Robot có 2 dây đai, mỗi đai có gắn 24 thanh nam châm vĩnh cữu giúp robot bám dính trên bề mặt bồn chứa. Robot dùng để kiểm tra đường hàn và độ mòn của bồn chứa [1]. - Ƣu điểm: Kết cấu đơn giản nhưng kích thước lớn. Tốc độ di chuyển nhanh. - Nhƣợc điểm: Chỉ ứng dụng trong nghiên cứu và học tập. Công nghệ bản quyền. Hình 1: Robot kiểm tra bồn chứa xăng dầu b. Robot ScoRpion B-Scan Robot ScoRpion B-Scan được nghiên cứu và chế tạo bởi hãng Silverwing của Mỹ . Các nam châm được lắp ghép vào các bánh xe và cơ cấu mang đầu dò siêu âm để giúp robot bám chắt và di chuyển được trên bề mặt bồn chứa xăng dầu làm bằng thép [2]. 2
3. - Ƣu điểm: Di chuyển linh hoạt trên bề mặt bồn. Thiết kế nhẹ và đẹp. - Nhƣợc điểm: Chi phí cao. Công nghệ bản quyền. Năng suất thấp do diện tích quét nhỏ. Hình 2: ScoRpion B-Scan [2]. c. Robot Rinaldi Mechatronic Systems (RMS2) Robot RMS2 là thiết bị kiểm tra độ ăn mòn của bồn chứa xăng dầu. Các bánh xe được làm bằng nam châm vĩnh cữu giúp robot bám vào bề mặt bồn chứa. Trong quá trình di chuyển thì đầu dò tiến hành quét kiểm tra độ mòn của bồn chứa [3]. - Ƣu điểm: Năng suất kiểm tra và độ chính xác cao. - Nhƣợc điểm: Cấu tạo phức tạp nên chi phí chế tạo cao. Khối lượng robot lớn. Hình 3: Robot RMS2 đang kiểm tra bồn [3] Công nghệ bản quyền. d. TriPod của công ty Jireh Công ty Jirech đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot TriPod. Các nam châm được lắp ghép trên các bánh xe giúp robot bám chặt trên bề mặt vật liệu nhiễm từ. TriPod được sử dụng để kiểm tra đường hàn, kiểm tra độ ăn mòn của đường ống hay bồn chứa xăng dầu [4]. - Ƣu điểm: Thiết kế đơn giản và đẹp. Tốc độ di chuyển nhanh và linh hoạt. Năng suất kiểm tra cao. - Nhƣợc điểm: Chi phí cao. Công nghệ bản quyền. Hình 4: TriPod của công ty Jireh [4] 3
4. 1.2. Các nghiên cứu trong nƣớc Đối với nước ta, robot kiểm tra mòn bồn chứa xăng dầu chưa tìm được các tài liệu liên quan. Liên quan đến lĩnh vực này có một số đề tài về robot leo trường, robot lau kính của một số trường đại học. a. Robot leo tƣờng của sinh viên Đại học bách khoa Đà Nẵng Sinh viên trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo được robot leo tường. Cơ cấu hút chân không được đặt ở vị trí trọng tâm giúp robot bám vào bề mặt tường [5]. - Ƣu điểm: Thiết kế đơn giản và đẹp. Tốc độ di chuyển nhanh và linh hoạt. - Nhƣợc điểm: Chỉ ứng dụng trong nghiên cứu và Hình 5: Robot leo tường của sinh viên Đại học tập. học Bách khoa Đà Nẵng [5] b. Robot leo bám tƣờng của học viện kỹ thuật quân sự Với ý tưởng tạo ra một robot có thể thay thế con người làm việc ở những điều kiện nguy hiểm, nhóm sinh viên Học viện Kỹ thuật quân sự đã nghiên cứu chế tạo thành công robot leo bám tường dựa trên công nghệ chân không với mục đích lau dọn nhà cao tầng, kiểm tra vết nứt ở các công trình xây dựng, do thám trong quân sự [6]. - Ƣu điểm: Thiết kế đơn giản và đẹp. Tốc độ di chuyển nhanh và linh hoạt. - Nhƣợc điểm: Chỉ ứng dụng trong nghiên cứu và Hình 6: Robot leo bám tường của học viện học tập. kỹ thuật quân sự [6] 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Các yêu cầu làm việc của robot 4
5. Đối với robot leo bồn cần có những yêu cầu sau: - Robot có khả năng mang đầu dò siêu âm để thực hiện đo kiểm và đánh giá chất lượng bồn chứa xăng dầu có dung tích lớn từ 10.000 m3 trở lên với các thông số của bồn: đường kính bồn 30 m, chiều cao bồn khoảng 14 m. - Vận tốc di chuyển của robot là V = (25÷100) mm/s. - Robot phải được thiết kế vững chắc và di chuyển linh hoạt trên bề mặt bồn chứa. - Robot có thể di chuyển vòng quanh bồn, theo phương thẳng đứng, khả năng rẽ trái, rẽ phải, khả năng quay đầu và dễ dàng vượt qua đường hàn hoặc các chỗ lồi, lõm. - Thiết bị có khả năng di chuyển bằng cách điều khiển bằng tay hay lập trình trước. 2.2. Tính toán thiết kế robot a. Tính toán lực hút nam châm Sơ đồ phân tích các lực tác động lên robot khi đặt robot lên thành bồn chứa. Hình 7: Mô hình phân tích lực của robot Hệ phương trình cân bằng lực: ∑ ⃗⃗ kx = 0 ∑ ⃗⃗ ky = 0 ∑ ⃗⃗⃗⃗ o( ⃗⃗⃗ x) = 0 FM = N = Fms/μ Fms = mg (1) M = tđ Trong đó: 5
6. - Fkx , Fky là tổng lực tác động theo phương X, Y - g : Gia tốc trọng trường, 9.81m/s2 - m : Khối lượng robot, 5 kg - Hệ số ma sát trượt, hệ số ma sát lăn: μ = 0.5, f = 0.015 - Thay các giá trị đã có vào phương trình (1), ta được kết quả: Fms = 49,1 (N) FM = N = Fms/μ= 98 (N) Mtđ = 2.067 (Nm) b. Chọn nam châm điện Để robot bám chắt trên bề mặt bồn thì phải chọn nam châm điện lớn hơn hoặc bằng lực hút tính toán. Chọn loại nam châm điện HCNE1-P34/18 với thông số kỹ thuật như sau: Tên nam Đường kính Chiều dày Điện thế Lực hút Trọng lượng châm điện D (mm) h (mm) (V) (N) (g) HCNE1- P34 34 18 6 180 90 c. Tính công suất động cơ Hiệu suất bộ truyền η=100% (do truyền động trực tiếp từ động cơ đến bánh xe không thông qua bộ truyền). Theo yêu cầu kỹ thuật, robot cần di chuyển với vận tốc từ 25mm/s đến 100mm/s. Dựa váo các thông số Mtđ ,V, η tính được công suất động cơ là: ( ) ( ) Với V=25mm/s => P = = = = 1,4 W ( ) ( ) Với V=100mm/s => P = = = = 5,7 W d. Phƣơng trình động học của robot Để khảo sát chuyển động của robot trên quỹ đạo đường đi, ta đặt vào môi trường khảo sát một hệ quy chiếu cố định là (X,Y) và một hệ quy chiếu khác gắn liền theo robot là (x,y). Quỹ đạo đường đi được khảo sát là đường cong có bán kính R, hệ quy chiếu (x, y) được đặt tại tâm khối G của robot [10,11]. - Trong đó Trục x, trục y: lần lượt theo phương dọc thân và theo phương ngang của robot. L: là kích thước khoảng cách giữa hai trục bánh xe trước và sau. 6
7. W: là khoảng cách giữa hai tâm bánh. Gọi ICR (Instantaneous Center of Rotation) là điểm tâm của đường cong quỹ đạo và cũng chính là tâm vận tốc tức thời của robot, bởi vì thời điểm đang xét thì tại điểm này có vận tốc tức thới bằng không. Hình 8: Phân tích động học trên Robot Hình 9: Vận tốc bên trái và bên phải Trường hợp tổng quát, với thời gian thực t, ta có: ̇ ̇ [ ] = [ ] ̇ ̇ Suy ra: X (t) = ̇ ∫ Y (t) = ̇ ∫ 2.3. Đề xuất phƣơng án thiêt kế a. Phƣơng án 1 Do bồn chứa xăng dầu được chế tạo bằng thép nên nhóm nghiên cứu sử dụng nam châm vĩnh cửu giúp robot bám dính lên bề mặt bồn nhờ lực từ trường. Bánh xe được chế tạo gồm ba lớp: lớp ngoài và lớp trong làm bằng vật liệu không nhiễm từ (nhôm), lớp giữa là nam châm vĩnh cữu. Các nam châm vĩnh cửu được bố trí trên 4 bánh xe của robot như ở hình 10. 7
8. b. Phƣơng án 2 Phương pháp này giống như phương án nam châm vĩnh cửu nhưng thay vì sử dụng nam châm vĩnh cửu, nhóm nghiên cứu sử dụng nam châm điện và bố trí bên dưới ở vị trí trọng tâm của robot như ở hình 11. Hình 10: Kết cấu tổng thể của robot sử Hình 11: Kết cấu tổng thể của robot sử dụng nam châm vĩnh cữu dụng nam châm điện So sánh và lựa chọn phương án Bảng 1: So sánh các phương án Các phƣơng án TT Tiêu chí so sánh Phƣơng án 1 Phƣơng án 2 (Nam châm vĩnh cữu) (Nam châm điện) 1 Thao tác vận hành Đơn giản Trung bình 3 Mức độ ổn định Cao Trung bình 4 Thực hiện kiểm tra Đơn giản Đơn giản Từ bảng 1, nhóm nghiên cứu chọn phương án 1 (sử dụng nam châm vĩnh cữu) vì có nhiều ưu điểm và thoả mãn các yêu cầu đặt ra. Kết cấu robot sử dụng nam châm vĩnh cữu như ở hình 12. 8
9. Hình 12: Mô hình kết cấu robot nam châm vĩnh cữu 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Thiết kế mạch điện điều khiển Để robot thực hiện chuyển động theo quỹ đạo kiểm tra hoặc chuyển động theo người điều khiển thì phải thông qua mạch điều khiển robot. a. Sơ đồ khối hệ thống MODULE 5V 12V KHÔNG DÂY DRIVER MOTOR 1 MOTOR 5A 5V Encoder 1 5V BOARD 12V 5V 12V MẠCH MẠCH ĐIỀU CHIA ÁP KHIỂN DRIVER MOTOR 2 MOTOR 5A 12V Encoder 2 ADAPTER AC MAX 485 5V 12V 12V DRIVER MOTOR 3 MOTOR 5A Encoder 3 MODULE 5V 12V KHÔNG DÂY DRIVER MOTOR 4 MOTOR 5A Encoder 4 Hình 13: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển Hệ thống sử dụng vi điều khiển STM32f407 nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính thông qua mạch giao tiếp không dây RF SI4463. Khối điều khiển xử lý lệnh nhận được, phát các tín hiệu điều khiển động cơ đến các Driver motor thông qua giao thức RS485. 9
10. b. Giao diện điều khiển 7 8 9 10 1. Dừng hệ thống 2. Xoay cùng chiều kim đồng hồ 6 3. Lùi 5 4. Vận tốc mong muốn 5. Xoay ngược chiều kim đồng hồ 6. Rẽ trái 7. Tiến 8. Chọn cổng kết nối 4 3 2 1 9. Rẽ phải 10. Dữ liệu phản hồi từ vi điều khiển Hình 14: Giao diện điều khiển Để điều khiển hệ thống trước tiên chọn cổng COM đúng vị trí module RF đang kết nối. Các nút chỉ hoạt động khi nhập vào text 4 vận tốc mong muốn. 3.2. Thiết kế và chế tạo mô hình bồn chứa Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu và thử nghiệm chuyển động của robot thì chỉ cần một phần nhỏ kết cấu của bồn chứa. Vì vậy, nhóm nghiên cứu thiết kế kết cấu và chế tạo một phần nhỏ mô hình bồn chứa với kích thước chiều dài 3m, chiều cao 3m và góc ở hai đầu mút gần bằng 11,50 như ở hình 15 và hình 16. Hình 15: Mô hình thiết kế 2D một phần Hình 16: Hoàn thiện mô hình bồn chứa nhỏ bồn chứa 10
11. 3.3. Chế tạo robot và thử nghiệm thực tế Dựa trên cơ sở các phương án và tính toán thiết kế, nhóm nghiên cứu tiến hành chế tạo và thử nghiệm quá trình hoạt động của robot leo bồn như ở hình 17. Hình 17: robot leo bồn với phướng án 1 (nam châm vỉnh cữu) 4. Kết luận Nghiên cứu hoàn thành đã đạt được một số kết quả sau: - Nghiên cứu và xác định được nguyên lý đo mòn bằng phương pháp siêu âm. - Đề xuất được quỹ đạo chuyển động kiểm tra mòn của robot. - Thiết kế và chế tạo được mô hình robot leo bồn bằng nam châm vĩnh cữu. Trong giai đoạn nghiên cứu tiếp theo, tác giả thực hiện đánh giá kết quả thực nghiệm quá trình kiểm tra các khuyết tật hàn, ăn mòn của bồn chứa để có thể ứng dụng vào thực tế. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Michael Noel, Brian Brown, William Matheson, Gavin Mills, Supervisor: Dr Alex Kalamkarov, wall climbing robot, 2006. ( [2]. Scorpion remote access tank shell inspection. ( testing/scorpion-remote-ut-thickness-measurements). [3].High Speed Remote Access C-Scan Corrosion Mapping. ( ultrasonic-testing/rms2-aut-corrosion-mapping ) 11
12. [4].TriPod Tank & Vessel Scanner - Jireh Industries. ( jireh/products/ video/23269474). [5]. tuong/53/12445092.epi [6]. [7].Technical reviewer and adviser: Daniel Kass, Michael Moles Ph D, Tom Nelligan, Phased array testing basic theory for industrial application, publish by: Olympus, 48 Woerd Avenue, USA. [8].Technical reviewer and adviser: Dr. Michael D.C. Moles, Advances in Phased Array ultrasonic technology applications, publish by: Olympus, 48 Woerd Avenue, USA. [9].Technical reviewers and advisers: Dr.Michael D.C. Moles, colin R. Bird, Pamela Herzog, tim armitt, Introduction to phased array Ultrasonic technology applications, publish by: Olympus, 48 Woerd Avenue, USA. [10].Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật , Hà Nội, 2006. [11].Đào Văn Hiệp, Kỹ thuật robot, NXB Khoa học và Kỹ thuật , Hà Nội, 2006. [12].Trịnh Chất, TS. Lê Văn Uyển, Tính toán hệ thống dẫn động cơ khí, NXB Giáo Dục, 2006. 12
13. 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.