(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên trong lòng ống

2 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … Tháng … năm 20… (Ký tên ghi rõ họ tên) Huỳnh Duy Phước iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gia00n thực luận văn “Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên lịng ống”, tơi nhận nhiều giúp đỡ quý thầy, cô chuyên gia, cơng ty, bạn bè gia đình Vậy tôi: Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS TS Đặng Thiện Ngôn, dành nhiều thời gian, tâm huyết truyền đạt kiến thức khoa học quý báu, hướng dẫn, định hướng, động viên trình thực luận văn Xin cảm ơn quý thầy, Trường ĐHSPKT TP HCM tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức tảng, chuyên môn cho thời gian học tập trường Xin cảm ơn gia đình ln bên tơi Xin chân thành cảm ơn! iv TÓM TẮT Để kiểm tra đánh giá chất lượng đường ống đưa vào sử dụng địi hỏi cần có thiết bị chun dụng Trong thực tế Việt Nam, việc kiểm tra đánh giá đường ống gần công ty dịch vụ nước ngồi đảm nhiệm Tập đồn dầu khí Việt Nam có đơn vị tham gia vào dịch vụ với thiết bị ngoại nhập thực kiểm tra đánh giá cho đường ống có đường kính lớn 400mm Với kích thước đường ống nhỏ 400mm đòi hỏi thiết bị kiểm tra chuyên dụng phức tạp, đắt tiền Trước nhu cầu từ thực tiễn mong muốn làm chủ công nghệ, đề tài “Nghiên cứu phát triển thiết bị tự hành mang thiết bị đo kiểm xác định biên dạng bên lòng ống”đã triển khai với kết đạt sau: - Nghiên cứu, đề xuất nguyên lý, kết cấu khí, phương thức giải thuật điều khiển cho thiết bị tự hành mang camera nhằm xác định biên dạng bên lòng ống có đường kính nhỏ 400mm - Thiết kế, chế tạo thử nghiệm thành công thiết bị tự hành mang camera xác định biên dạng bên lòng ống với liệu ảnh truyền qua WiFi Thiết bị chế tạo thử nghiệm thành công phịng thí nghiệm có khả hoạt động bên đường ống có kích thước từ 250 mm đến 350 mm cho kết tốt Kết đóng góp vào việc phát triển, làm chủ cơng nghệ bước đưa sản phẩm đo kiểm đánh giá chất lượng ống thị trường để đáp ứng nhu cầu thực tiễn nước v ABSTRACT In order to carry out inspection and evaluation quality of pipelines in use we need function equipment In actually at Viet Nam, pipelines were inspected and evaluated by foreigner companies Viet Nam petrol group have one department handle this service by foreign equipment, however this department only performed inspection and evaluation for pipelines with minimum diameter more than 400mm and they need more complex equipment with high cost for minimum diameter less than 400mm In order to solve this concern, and even expectation in handle this technology, thesis topic “researching and develop self-propelled equipment with automatic measure equipment to determine shape inside pipelines”, this thesis topic was performed with following results - Researched, proposed principles, mechanical structure, control methods and algorithms for self-propelled equipment carried camera to determine shape inside pipelines with maximum diameter less than 400mm - Successful in designed, fabricated and experimented self – driving apparatus carried camera to determine shape inside pipelines with image was transferred via Wifi network Equipment was fabricated and experimented at experiment Lab with results as this equipment operated well inside pipeline with diameter from 250mm to 350mm these results contributed into development, handle this technology and also step by step provide good equipment for industrial’ inspection and evaluation quality of pipelines vi MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC .i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN .iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vii DANH MỤC HÌNH ẢNH x DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Các nghiên cứu nước 1.1.3 Các cơng trình nghiên cứu nước 1.1.4 Các nghiên cứu nước 1.1.5 Đánh giá số ưu nhược điểm thiết bị robot tự hành có 12 1.2 Tính cấp thiết đề tài 12 1.3 Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn đề tài 14 1.3.1 Tính thực tiễn đề tài 14 1.3.2 Ý nghĩa khoa học đề tài 14 1.4 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 15 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 15 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 15 1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 15 1.6 Phương pháp nghiên cứu .15 1.7 Nội dung đề tài 16 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17 2.1 Các dạng hư hỏng ảnh hưởng đến biên dạng bên đường ống dẫn .17 2.1.1 Mất mát kim loại 17 2.1.2 Trầy xướt, rạn nứt bề mặt ống .17 2.1.3 Các bất thường trình chế tạo 18 2.1.4 Nứt gãy ống 19 2.1.5 Dập lõm gập ống 19 2.2 Phương pháp kiểm tra xác định biên dạng ống 19 vii 2.2.1 Công nghệ CCTV 19 2.2.2 Công nghệ kiểm tra biên dạng laser .20 2.2.3 Lựa chọn công nghệ cho phù hợp 23 2.3 Lý thuyết cấu tạo cấu 23 2.3.1 Khái niệm Error! Bookmark not defined 2.3.2 Thành phần khớp động khớp động 24 2.3.3 Phân loại khớp động .25 2.3.4 Lược đồ 25 2.4 Bậc tự cấu 26 2.4.1 Định nghĩa 26 2.4.2 Tính bậc tự cấu khơng gian (trường hợp tổng quát) .26 2.4.3 Bậc tự cấu phẳng 28 2.5 Động học cấu 30 2.5.1 Khái niệm 30 2.5.2 Ý nghĩa phân tích động học cấu 30 2.5.3 Phương pháp phân tích động học cấu 30 2.5.4 Phân tích động học cấu phẳng phương pháp giải tích .31 2.5.5 Phân tích động học cấu phẳng phương pháp đồ thị 31 2.5.6 Phân tích động học cấu phẳng phương pháp họa đồ vector 33 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 34 3.1 Thông số thiết kế 34 3.2 Phương án thiết kế 34 3.2.1 Phương án 34 3.2.2 Phương án 36 3.2.3 So sánh phương án lựa chọn 37 3.2.4 Trình tự công việc cần thực 38 3.3 Thiết kế lựa chọn 38 3.4 Nội dung tính tốn, thiết kế 40 3.4.1 Xác định kích thước thiết bị 40 3.4.2 Xác định kích thước sở thiết bị: 40 3.4.3 Phân tích động học cấu thiết bị 42 3.4.4 Tính tốn cụm dẫn động 50 3.4.5 Chọn động truyền động cho cụm bánh đai .57 viii 3.4.6 Tính chọn nguồn cung cấp 58 3.4.7 Sơ đồ khối điều khiển 60 3.4.8 Sơ đồ khối mạch nguyên lý điều khiển thiết bị tự hành 61 3.4.9 Mạch điều khiển thiết bị tự hành 61 3.4.10 Phần mềm giao diện điều khiển 63 CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO VÀ KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ 65 4.1 Chế tạo lắp ráp chi tiết 65 4.2 Vận hành thử nghiệm thiết bị .67 4.2.1 Mục đích thí nghiệm .67 4.2.2 Thiết bị thử nghiệm 67 4.2.3 Thiết bị đo .68 4.2.4 Tiến hành thí nghiệm 68 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC 78 ix DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Những cố quan trọng đường ống dẫn chất lỏng [13] Hình 1.2: Robot giám sát vệ sinh đường ống nước thải [37] Hình 1.3: Robot thông đường ống tàu biển [38] Hình 1.4: Chàng kỹ sư xây dựng robot thám hiểm cống ngầm [39] .3 Hình 1.5 MAKRO [4] Hình 1.6:Khả di chuyển qua ống co chữ L robot Hình 1.7: Hình ảnh robot Explorer II Hình 1.8: Robot Scan [12] Hình 1.9: MRINSPECT IV [14] Hình 1.10: itRobotics’ autonomous inspection system [20] .7 Hình 1.11: Robot Horodinca [21] .8 Hình 1.12: Robot di chuyển giống rắn [22] Hình 1.13: Inchworm robot với cấu kẹp đẩy [24] .9 Hình 1.14: Mơ hình robot inchworm dùng SMA [27] 10 Hình 1.15: Hình dạng robot chân ống [29] 10 Hình 1.16: Robot tự hành Inuktun’s Vertical Crawler [31] 11 Hình 1.17: Robot RODIS-series hãng Diakont chế tạo [31] 11 Hình 2.1: Đường ống bị kim loại mòn [35] 17 Hình 2.2: Đường ống bị trầy xướt [35] .18 Hình 2.3: Kim loại bị tách lớp trình chế tạo [35] 18 Hình 2.4: Bề mặt lớp kim loại bị nứt gãy [35] 19 Hình 2.5: Đường ống bị dập lõm [36] 19 Hình 2.6: Hình ảnh ghi lại từ CCTV camera [42] 20 Hình 2.7: Nguyên lý hoạt động LIDAR [43] 21 Hình 2.8: Biên dạng ống kiểm tra thiết bị LIDAR [43] 22 Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động Laser profile [44] .22 Hình 2.10: Thiết bị kiểm tra biên dạng ống Laser profile [44] 23 Hình 2.11: Khâu chi tiết máy [1] 24 Hình 2.12: Thành phần khớp động hớp động [1] 24 Hình 2.12: Khớp loại cao [1] 25 Hình 2.13: Khớp loại thấp [1] 25 x Hình 2.14: Lược đồ khớp quay hớp tịnh tiến [1] 25 Hình 2.15: Lược đồ khâu pít tơng trục khuỷ [1] 26 Hình 2.16: Chuỗi động khơng gian [1] 26 Hình 2.17: Lược đồ cấu khâu lề [1] 27 Hình 2.18: Lược đồ cấu hình bình hành [1] 28 Hình 2.19: Phân tích cấu hình bình hành [1] 29 Hình 2.20: Lược đồ cấu tay quay trượt [1] 31 Hình 2.21: Lược đồ cấu khâu lề [1] 32 Hình 3.1: Thiết bị với cụm dẫn động sử dụng truyền bánh 34 Hình 3.2: Cụm dẫn động 35 Hình 3.3: Thiết bị tự hành nhìn trực diện từ phía trước 35 Hình 3.4: Nguyên lý điều chỉnh cụm bánh đai hoạt động ống khác 35 Hình 3.5: Thiết bị với khả tùy chỉnh kích thước trục vít me – đai ốc bi 36 Hình 3.6: Cụm dẫn động 37 Hình 3.7: Ngun lý thay đổi kích thước thiết bị 37 Hình 3.8: Mơ hình kết cấu tổng thể 38 Hình 3.9: Ý tưởng thiết kế cấu thiết bị tự hành .39 Hình 3.10: Sồ đồ phân bố lực thiết bị tự hành 41 Hình 3.11: Mơ hình động học thiết bị 42 Hình 3.12: Trường hợp v1=v2=v3 44 Hình 3.16: Mơ hình toán giữ vật ống 50 Hình 3.17: Biểu đồ lực F1 F2 theo kích thước đường kính 52 Hình 3.18: Mơ hình khai triển vịng xoắn vít me 53 Hình 3.19: Biểu đồ mơ men xoắn động điều chỉnh .54 Hình 3.20: Phác thảo mơ hình điều khiển thiết bị tự hành 60 Hình 3.21: Sơ đồ khối tổng quan thiết bị tự hành 61 Hình 3.22: Sơ đồ khối phần điều khiển thu thập liệu .61 Hình 3.23: Sơ đồ khối phần điều khiển thu thập liệu .61 Hình 3.24: Bo Arduino Atmega 2560 .62 Hình 3.25 : Giao diện điều khiển thiết bị tự hành 63 Hình 3.26 : Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển thiết bị 64 Hình 4.1: Cơ cấu phuộc lị xo sau chế tạo 65 Hình 4.2: Cánh tay địn .65 xi Hình 4.3: Cụm bánh đai chuyển động 66 Hình 4.4: Tấm di động 66 Hình 4.5: Cụm động tùy chỉnh kích thước 66 Hình 4.6: Thiết bị sau chế tạo 67 Hình 4.7: Kiểm tra độ bám cấu bánh lên thành ống 68 Hình 4.8: Thiết bị di chuyển bên ống 69 Hình 4.9: Động bước bị trượt 69 Hình 4.10: Thiết bị bám tốt lên thành ống đường kính 250mm .70 Hình 4.11: Thiết bị di chuyển lòng ống 70 Hình 4.12: Góc lệch ∆ sơ với phương đứng .71 xii CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO VÀ KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ 4.1 Chế tạo lắp ráp chi tiết Một số chi tiết cụm chi tiết quan trọng kết cấu thiết bị gia công a Cơ cấu phuộc lị xo: có tác dụng tạo áp lực ép tiếp xúc với thành ống Mô hình CAD cấu tạo áp lực Cơ cấu tạo áp lực sau chế tạo Hình 4.1: Cơ cấu phuộc lò xo sau chế tạo b Cơ cấu cánh tay địn: có tác dụng tạo vùng hoạt động với đường kính ống khác Cơ cấu cánh tay đòn Cơ cấu cánh tay đòn sau chế tạo Hình 4.2: Cánh tay địn c Cụm bánh đai chuyển động thiết bị: Cụm bánh đai chuyển động có nhiệm vụ giúp thiết bị di chuyển tiếp xúc tốt với thành ống Thiết bị có cụm bánh đai chuyển động, bố trí lệch góc 120 độ 65 Cụm bánh đai chuyển động Cụm bánh đai chuyển động sau gia công lắp ráp Hình 4.3: Cụm bánh đai chuyển động d Cơ cấu di động: di động gắn với đai ốc vít me bi, vít me chuyển động quay tròn làm cho di động tịnh tiến Cơ cấu góp phần quan trọng việc tùy chỉnh kính thước bao ngồi cho thiết bị tự hành Tấm di động mơ hình CAD Tấm di động sau gia cơng lắp ráp Hình 4.4: Tấm di động e Cụm động tùy chỉnh kích thước: động bước có nhiệm vụ truyền chuyển động qua trục vít me, giúp cho thiết bị tự hành thay đổi kích thước vào đường ống có kích thước khác Cụm động tùy chỉnh kích thước Cụm điều chỉnh sau chế tạo Hình 4.5: Cụm động tùy chỉnh kích thước 66 f Thiết bị sau chế tạo lắp ráp hồn chỉnh: Hình 4.6: Thiết bị sau chế tạo 4.2 Vận hành thử nghiệm thiết bị 4.2.1 Mục đích thí nghiệm Mục đích thí nghiệm nhằm kiểm chứng lại thiết bị sau chế tạo có đáp ứng yêu cầu đề hay chưa Các yếu cầu thiết bị cần thí nghiệm kiểm chứng gồm có: - Đánh giá khả hoạt động đường ống có đường kính từ 250 mm – 300 mm - Kiểm tra tính điều khiển giám sát từ xa qua mạng không dây - Khả hoạt động tự hành dọc trục ống theo hai chiều - Thử nghiệm khả hoạt động camera nhằm ghi lại hình ảnh, video bên lòng ống 4.2.2 Thiết bị thử nghiệm Thiết bị thử nghiệm thiết bị tự hành sau chế tạo, thông số thiết bị bao gồm: - Khối lượng thiết bị: kg Chiều dài lớn nhất: 750 mm Đường kính bao ngồi lớn nhất: 360 mm Đường kính bao ngồi nhỏ nhất: 220 mm 67 - Vận tốc di chuyển m/phút Camera loại PTZ – Pan Tilt Zoom : góc Pan