Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot linh hoạt nhằm kiểm tra chất lượng bề mặt ống

Nội dung text: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot linh hoạt nhằm kiểm tra chất lượng bề mặt ống

1. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM ROBOT LINH HOẠT NHẰM KIỂM TRA CHẤT LƢỢNG BỀ MẶT ỐNG RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE FLEXIBLE ROBOT TESTING TO TEST THE SURFACE QUALITY OF THE TUBE Lê Chí Cƣơng, Phan Thành Duy Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Ngành công nghiệp dầu khí nước ta có xu hướng phát triển ngày càng tăng kéo theo đó là các công trình xây dựng đường ống dẫn dầu ngày càng nhiều. Do đó chất lượng đường ống được đặt lên hàng đầu. Các khuyết tật trong quá trình chế tạo ống ảnh hưởng đến chất lượng đường ống chủ yếu là khuyết tật hàn và khuyết tật ăn mòn do tác động của môi trường bên trong và bên ngoài đường ống. Vì vậy, việc kiểm tra đánh giá chất lượng đường ống dẫn định kỳ để kịp thời sửa chửa trở nên rất cấp thiết. Có nhiều phương pháp kiểm tra độ ăn mòn như phương pháp kiểm tra phá hủy và phương pháp kiểm tra không phá hủy. Phương pháp siêu âm tổ hợp pha là một trong những phương pháp kiểm tra không phá hủy bằng đầu dò siêu âm, phương pháp này đạt độ chính xác và năng suất cao. Ở nước ta hiện nay các thiết bị mang đầu dò siêu âm để kiểm tra chất lượng bề mặt ống còn hạn chế, chủ yếu các thiết bị được nhập từ nước ngoài, chi phí thiết bị cao và không chủ động công nghệ mỗi khi đường ống gặp sự cố. Do vậy, việc chế tạo robot mang đầu dò siêu âm tổ hợp pha để kiểm tra và đánh giá chất lượng bề mặt ống có ý nghĩa rất to lớn và cấp thiết. Chính vì vậy, đề tài đã tiến hành khảo sát các loại thiết bị, các loại robot, phương pháp và kỹ thuật đo bằng siêu âm để từ đó tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot linh hoạt kiểm tra chất lượng bề mặt ống nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội. Từ khóa: Robot kiểm tra bề mặt ống 1
2. SUBTRACT The oil and gas industry of Vietnam tends to grow, which is followed by the construction of oil pipelines increasingly. Therefore quality pipe is placed on top. Defects in tube fabrication affect pipe quality, mainly of welding defects and corrosion defects, due to the impact of the internal and external piping environment. Therefore, periodic inspection and assessment of pipeline quality for timely repair becomes very urgent. There are various methods of corrosion testing such as destructive testing and non- destructive testing. Ultrasound combined method is phase one of the methods of nondestructive testing with ultrasound probe, this method accuracy and high productivity. In Vietnam, ultrasonic transducers are limited in terms of surface quality, mainly imported equipment and expensive equipment. Therefore, the manufacture of robots with ultrasound probe combination phase to test and evaluate the quality of tube surface is very significant and urgent. Therefore, the subject has conducted surveys of equipment, types of robots, methods and techniques of ultrasonic measurement from which to research, design and manufacture of flexible test robot test substance the surface of the tube to meet social needs. Keywords: robot test substance the surface 1. Giới thiệu Hiện nay ở Việt Nam, Dầu khí là ngành kinh tế mũi nhọn, m t trong nh ng l nh v c quan trọng c a n n c ng nghiệp dầu khí là vận chuy n dầu khí Việc thu gom, t n tr , vận chuy n dầu đòi hỏi m t hệ thống ống dẫn lớn, ống dẫn được tính to n thi c ng và lắp đ t chính c, thường uyên ki m tra ph t hiện hư hỏng Ở Việt Nam hiện nay, việc ki m tra chất lượng c a ống dẫn thép vẫn còn nhi u khó khăn, việc ki m tra còn mang tính th công, chi phí đầu tư thiết bị ki m tra cao, chưa làm ch được công nghệ trên thế giới,c hưa có thiết bị ki m tra ống linh hoạt, vì vậy đ tài: "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot linh hoạt nhằm kiểm tra chất lượng bề mặt ống" do học viên l a chọn có tính cấp thiết và khả năng ứng dụng ở Việt Nam. 2. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu đi từ phân tích lý thuyết, nguyên lý r i đưa ra yêu cầu thiết kế. - D a vào yêu cầu thiết kế dùng phần m m m phỏng đưa ra c c phương n r i chọn m t phương n hợp lý nhất. - Phương ph p th c nghiệm tiến hành m phỏng, chế tạo thử nghiệm và đ nh gi qu trình hoạt đ ng. 2
3. 3. Kết cấu tổng thể robot Cụm bánh xe nam châm gi a Cụm bánh xe nam châm trước Đ ng cơ Thân robot Cụm cơ cấu mang Cụm bánh đầu dò xe nam châm sau Hình 3. 1: Mô hình kết cấu tổng th c a robot H p đi u khi n Thu phát bluetooth Aduino L298 Hình 3.2: Kết cấu tổng th c a robot 3
4. 4. cơ cấu mang đầu dò - Robot được trang bị cơ cấu mang dầu dò đ có th th c hiện được qu trình ki m tra 1. Thân liên kết 2. Thanh trượt 3. Lò xo 4. Nêm đầu dò siêu âm Hình 4. 1: Cơ cấu mang đầu dò 5. Tính toán động học Sơ đ phân tích c c l c t c đ ng lên robot được trình bày ở hình 5 1 Hình 5. 1: Mô hình phân tích l c c a robot Trong đó: - W : Trọng lượng c a robot - , , , : L c hút c a nam châm tại đi m A, B, C, D = = = . FM : Tổng l c hút c a nam châm. FM = + + + = 4 = 4 = 4 = 4 . 4
5. - NA, NB, NC, ND : Phản l c tại c c đi m A, B, C, D. NA= NB = NC = ND. N: Tổng phản l c liên kết. N = NA+ NB + NC + ND = 4NA = 4NB = 4NC = 4ND - FA, FB, FC, FD : L c ma s t tại c c đi m A, B, C, D FA = FB = FC = FD Fms : Tổng l c ma s t Fms = FA + FB + FC + FD = 4FA= 4FB = 4FC = 4FD - Mtđ : M men truy n đ ng c a m t trục b nh e - Ml : M men ma s t lăn c a 1 b nh e - a : Khoảng c ch từ trọng tâm robot đến đi m O theo phương Y, 90 mm - b : Khoảng c ch gi a tâm hai b nh e, 180 mm - c : Khoảng c ch từ trọng tâm robot đến đi m O theo phương X, 10.5mm - r : Bán kính bánh xe, 35mm Hệ phương trình cân bằng l c: ∑ ⃗⃗ kx = 0 ∑ ⃗⃗ ky = 0 ∑ ⃗⃗⃗⃗ o( ⃗⃗⃗ x) = 0 (5.1) N - FM = 0 Fms - W = 0 2Mtđ – 4Ml + .b - .c - 4 A. r - 3 A.b = 0 N = FM Fms = W (5.2) -3 -3 -3 -3 2Mtđ - 4Ml + .180.10 - .10,5.10 - 4 A. 35.10 - 3 A.180.10 = 0 FM = N = Fms/μ Fms = mg (5.3) Mtđ = Trong đó: - Fkx là tổng l c t c đ ng theo phương X - Fky là tổng l c t c đ ng theo phương Y - g : Gia tốc trọng trường, 9 81m/s2 - m : Khối lượng robot, 5 kg 5
6. - Hệ số ma s t trượt μ = 0.5 - Hệ số ma s t lăn f = 0 015 - Thay c c gi trị đã có vào phương trình (5 3), ta được kết quả: Fms = 49,1 (N) FM = N = Fms/μ= 98 (N) Mtđ = 17.03 (Nm) Vậy tổng l c hút tính to n đ robot có th b m trên b m t ống là 98 N Do đó l c hút tính to n c a m t nam châm tạo ra là: = = = = = = 24.5 (N) Tổng l c hút c a 4 b nh e từ v nh cửu c a phương n nam châm v nh cửu là 240N Hình 5. 2: Thử nghiệm l c hút nam châm 5.1. Tính công suất động cơ Theo yêu cầu kỹ thuật, robot cần di chuy n với vận tốc từ 25mm/s đến 100mm/s. D a váo các thông số Mtđ ,V, η ta tính được công suất đ ng cơ là: ( ) ( ) Với V=25mm/s => P = = = = 12 W ( ) ( ) Với V=100mm/s => P = = = = 48,6W 5.2. Tính số vòng quay và momen xoắn cho động cơ Vận tốc góc c a bánh xe [9]: ω = V/R (rad/s) ω = 2 πn (rad/s) Với vận tốc nằm trong khoảng: 25mm/s ≤ V ≤ 100 mm/s 0 68 rad/s ≤ ω ≤ 2 7 rad/s 6
7. Số vòng quay c a b nh e: n = ω 60/2π Vậy: 6 6 vòng/phút ≤ n ≤ 26 8 vòng/phút Số vòng quay c a bánh xe bằng số vòng quay c a trục đ ng cơ nên số vòng quay c a đ ng cơ: nđc = ( 6,6 - 26,8) vòng/phút 5.3. Tính momen xoắn của trục động cơ Momen xoắn c a trục đ ng cơ ứng với P = 12 W Mđc = = 17363.6 (Nmm)=17.3N.m Momen xoắn c a trục đ ng cơ ứng với P = 48.6 W Mđc = = 17318.2 (Nmm) =17,32N.m Trong đó: - Mđc : Momen oắn c a trục đ ng cơ (Nmm) - P : công suất đ ng cơ ( KW) - nđc : số vòng quay (v/ph) 6. Thiết kế bộ điều khiển robot 6.1. Sơ đồ khối hệ thống và thuật toán điều khiển robot 12V ĐỘNG CƠ 1 CẦU H/ VDC NGUỒN 12V L298 ĐỘNG CƠ 2 0V ARDUINO 5V MODUN 5V KHÔNG DÂY COMPUTER SMARTPHONE /APPS Hình 6. 1: Sơ đ tổng quát mô hình hệ thống đi u khi n Hệ thống sử dụng Arduino uno R3 nhận tín hiệu đi u khi n từ điện thoại smartphone thông qua mạch giao tiếp kh ng dây Bluetooth HC-06 Khối đi u khi n ử lý lệnh nhận được, ph t c c tín hiệu đi u khi n đ ng cơ đến c c Driver motor th ng qua mạch cầu L298 7
8. D a trên sơ đ hệ thống đi u khi n nên thuật to n đi u khi n tổng quan c a robot và thuật to n đi u khi n chuy n đ ng c a robot như sau: Đ ng cơ 1 Phiếm đi u B đi u khi n khi n robot Đ ng cơ 2 Hình 6. 2: Thuật to n đi u khi n tổng quan c a robot KHỞI ĐỘNG CHỌN MỨC ĐIỆN ÁP ĐỘNG CƠ PHẢI TẮT ĐỘNG CƠ TRÁI TẮT ĐỘNG CƠ PHẢI QUAY NGHỊCH TIẾN ĐỘNG CƠ TRÁI QUAY THUẬN ĐỘNG CƠ PHẢI QUAY THUẬN LÙI ĐỘNG CƠ TRÁI QUAY NGHỊCH ĐỘNG CƠ PHẢI QUAY THUẬN XOAY PHẢI ĐỘNG CƠ TRÁI QUAY THUẬN ĐỘNG CƠ PHẢI QUAY NGHỊCH XOAY TRÁI ĐỘNG CƠ TRÁI QUAY NGHỊCH DỪNG KẾT THÚC Hình 6. 3: Thuật to n đi u khi n chuy n đ ng c a robot 6.2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Từ sơ đ tổng qu t đi u khi n (hình 5.6) và các thành phần hệ thống ở mục 5.4 2, ta có sơ đ nguyên lý mạch đi u khi n như sau: 8
9. Hình 6.3: Sơ đ nguyên lý mạch đi u khi n 7. Tổng hợp các thông số tính toán - Tổng l c hút nam châm: 98N - Đ ng cơ: TS-58GZ868-2445 (DC12V) – China - Vận tốc di chuy n robot từ 25mm/s đến 100mm/s - Công suất đ ng cơ từ 12W – 48W - Số vòng quay c a b nh e: 6 6 vòng/phút ≤ n ≤ 26 8 vòng/phút - Momen xoắn c a trục đ ng cơ ứng với P = 12W là Mđc = 17363.6 N.mm - Momen xoắn c a trục đ ng cơ ứng với P = 48.6W là Mđc =17318.2 N.mm - Phương trình đ ng học: X (t) = ̇ ∫ Y (t) = ̇ ∫ 9
10. 8. Chế tạo và thử nghiệm Hình 8. 1: Bản vẽ thiết kế robot 8.1. Thử nghiệm thiết bị Th ng số đầu vào: - M hình ống thép đường kính 300 - 1000 và v ch thép thẳng - Robot mang đầu dò siêu âm chuy n đ ng với vận tốc 25 ÷ 100 mm/s Hình 8.2: Thử nghiệm robot trên m t phẳng Thép 10
11. Hình 8.3: Thử nghiệm robot trên ống thép tròn Ф300, Ф400, Ф1000 8.2. Thử nghiệm robot kiểm tra khuyết tật mối hàn - Robot được gắn đầu thiết bị đ ki m tra đ nh gi chất lượng mối hàn Thiết bị g m có: - Tấm Thép có chi u dày b=30mm - Mối hàn v t mét V đơn B = 42mm - Đầu dò PAUT5L64A12 - Nêm: SA12N55S - Máy OMMI SCAN MX2 OLYMPUS Hình 8.4: Robot hoạt đ ng ki m tra chất lượng mối hàn trên tấm thép 11
12. 9. Kết quả đo - Robot ph t hiện được khuyết tật kh ng ngấu chân h=28 và khuyết tật kh ng ngấu v ch dưới b m t 2 -> 4 mm Hình 6. 2: Kết quả đo hi n thị trên máy MX2 10. Kết luận Sau thời gian tìm hi u, nghiên cứu luận văn đã hoàn thành với các n i dung chính như sau: - Khảo s t th c trạng c a đường ống ở việt nam. Tìm hi u c c khuyết tật thường g p đối với ống thép như ăn mòn, biến dạng, - Tìm hi u kỹ thuật siêu âm tổ hợp pha ứng dụng đ ph t hiện khuyết tật ăn mòn - Gi thành chế tạo thiết bị có gi dưới 10 triệu đ ng rẻ hơn thiết bị nhập từ nước ngoài - Chế tạo thử nghiệm thành c ng robot ki m tra mòn đưa vào thử nghiệm cho c c kết quả: - Lục hút nam châm F= 240 N đạt yêu cầu bám dính, c ng suất đ ng cơ đạt yêu cầu 21W đến 78W khi có tải - Vận tốc robot mang đầu siêu âm đạt từ 25 – 100 mm/s thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đưa ra. - Rotbot vận hành dễ dàng, nhỏ gọn, linh hoạt di chuy n trên mọi vị trí c a m t ngoài ống - Robot tạo đi u kiện thuận lợi trong qu trình ki m tra khuyết tật, chỉ cần m t c ng nhân vận hành m y đo - Cơ cấu mang đầu dò siêu âm có khả năng linh hoạt cao - Thiết bị vận hành cho kết quả nhanh chóng so với th c hiện bằng tay 12
13. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 13
14. TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Trịnh Xuân Sén, Ăn mòn và bảo vệ kim loại, NXB Đại học quốc gia Hà N i - 2006 [2] Th s Bạch Đ ng Phong, viện cơ khí năng lượng và mỏ - Vinacomin, Hà n i [3] Nguyễn Văn Hùng, Nghiên cứu ứng dụng phương ph p siêu âm trong ki m tra khuyết tật vật liệu kim loại, tạp chí khoa học DHSP TPHCM, số 36 năm 2012 [4] Tiêu chuẩn ây d ng việt nam ( TCXDVN 314: 2005), Hàn kim loại - thuật ng và định ngh a, Hà N i – 2005 [5] Nguyễn Thanh Sơn, ki m tra kh ng ph h y, link www.vinamain.com TIẾNG ANH [6] Michael Noel, Brian Brown, William Matheson, Gavin Mills, Supervisor: Dr Alex Kalamkarov, wall climbing robot, 2006. ( [7] Phased array testing basic theory for industrial application. [ 8] Advances in Phased Array ultrasonic technology applications [9] John Bird, Higher Engineering Mathematics (Seventh Edition), Routledge, 2014 Nguồn khác [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] 30122010.html. [17] 16
15. Thông tin liên hệ tác giả chính (Ngƣời chịu trách nhiệm bài viết) Họ tên: PHAN THÀNH DUY Đơn vị: Học viên cao học trƣờng ĐHSPKT TPHCM Điện thoại: 0977665571 Email: phanthanhduy87@gmail.com XÁC NHẬN GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 17
16. 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 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.