Mô phỏng động họ tay máy 25 bậc tự do khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng

Một số phương pháp có thể kể đến như:  Nhóm các phương pháp thi công truyền thống Conventional sinking and lining bao gồm: phương pháp khoan lỗ nổ mìn Drilling and blasting và phương ph

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

+ Tìm hiểu về các loại robot trong thi công giếng đứng

+ Thiết lập phương trình động học hệ thống tay máy robot thuỷ lực 25 bậc tự do trong thi công giếng đứng

+ Xây dựng thuật toán điều khiển động học và viết phần mềm mô phỏng.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN

Ý nghĩa khoa học

Các kết quả của luận văn đóng vai trò quan trọng trong việc làm nền tảng cho các nghiên cứu sâu hơn về loại robot thi công giếng đứng sử dụng phương pháp khoan lỗ nổ mìn.

Nghiên cứu tổng hợp các mô hình robot là cơ sở quan trọng cho việc phát triển và xây dựng các mô hình robot khoan lỗ nổ mìn phục vụ thi công giếng đứng khác.

Ý nghĩa thực tiễn

Thuật toán và quy trình thiết kế trong luận văn này đáp ứng nhu cầu bức thiết trong việc lập trình cài đặt các phần mềm khoan lỗ ổn định cho robot Thuật toán có thể áp dụng cho cả robot tự động và robot bán tự động nhập ngoại, nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong công tác khoan lỗ ổn định.

Kết quả nghiên cứu này tạo tiền đề cho việc phát triển và xây dựng các mô hình robot khoan lỗ mìn thi công giếng đứng Công nghệ này giúp tối ưu hóa quá trình thi công và nâng cao hiệu quả thiết kế Đây là một trong những vấn đề quan trọng, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và ứng dụng trong thời gian tới.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Luận văn sử ụng phương pháp nghiên cứ d u lý thuy t k t h p mô ph ng s ế ế ợ ỏ ố để ki m ch ng tính ể ứ đúng đắn c a lý thuyủ ết đưa ra.

NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

Giới thiệu tổng quan về khoan giếng đứng trong thực tiễn

Ngày nay, nhu cầu về các công trình ngầm ngày càng tăng cao, bao gồm khai thác khoáng sản, giao thông ngầm, bãi đỗ xe tự động dưới lòng đất, và hệ thống thoát nước thải Bên cạnh đó, nhu cầu quân sự như hầm trú chiến tranh và kho chứa vũ khí dưới lòng đất cũng đang được chú trọng Việc thi công các công trình ngầm không chỉ đáp ứng nhu cầu phát triển mà còn bảo vệ cảnh quan môi trường xung quanh.

Vào tháng 2 năm 2017, UBND TP Hà Nội đã công bố kết luận về tiến độ triển khai các dự án bãi đỗ xe ngầm nhằm đáp ứng nhu cầu gửi và đỗ xe trong đô thị Dự án bãi đỗ xe ngầm tại công viên Thống Nhất sẽ bao gồm một tầng hầm chức năng thương mại và dịch vụ, cùng với bốn tầng dành cho xe Bên cạnh đó, Hà Nội cũng đã thống nhất quy mô dự án bãi xe ngầm tại Nhà thi đấu Quần Ngựa và Công viên Nhân Chính.

Hình 1.1 Bãi đỗ xe tự động dưới lòng đất – Automated parking systems for urban [1]

Trong ngành khai thác khoáng sản tại Việt Nam, đặc biệt là khai thác than, trữ lượng than tại các mỏ lộ thiên đang cạn kiệt, cần áp dụng các phương pháp mới để khai thác những vỉa than chất lượng cao ở độ sâu lớn hơn và tăng sản lượng Bản đồ quy hoạch tiêu thụ than cho các ngành công nghiệp như nhà máy nhiệt điện, xi măng, sản xuất giấy và luyện kim màu cho thấy nhu cầu tiêu thụ than hàng năm tăng từ 15% đến 20% Để đáp ứng nhu cầu này, việc sử dụng phương pháp khoan đào giếng đứng để thay thế cho các đường hầm nghiêng là rất cần thiết Hiện tại, số lượng giếng đứng tại các mỏ hầm lò ở Việt Nam còn hạn chế, chủ yếu vẫn sử dụng lò bằng hoặc giếng nghiêng Tính đến năm 2013, chỉ có hai công ty mỏ tại Việt Nam sử dụng giếng đứng, đó là Công ty than Mông Dương và Công ty than Hà Lầm.

Việc thi công giếng đứng tại Việt Nam chủ yếu do các nhà thầu nước ngoài đảm nhiệm, không chỉ trong khai thác than và khoáng sản mà còn trong xây dựng

Hình 1.2 Jack-hammer trong khoan phá đất đá [4]

Lịch sử phát triển ngành thi công công trình ngầm cho thấy công nghệ thi công giếng đứng đã có từ sớm, nhưng chỉ thực sự bùng nổ sau cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai vào cuối thế kỷ XIX với sự xuất hiện của động cơ điện Năm 1844, thiết bị khoan khí nén cầm tay Jack hammer ra đời, đáp ứng nhu cầu khai thác mỏ, đá, khoan đào và thi công đường hầm Jack hammer sử dụng động lực từ động cơ khí nén hoặc điện, kết hợp giữa búa và đục để khoan phá đất đá, yêu cầu từ một đến hai công nhân vận hành tùy vào kích thước thiết bị và đặc điểm địa chất.

Khi thi công giếng đứng có đường kính 8m và sâu 1,8m bằng thiết bị khoan cầm tay Jack hammer, cần đến 50 công nhân trong 6 giờ, dẫn đến chi phí cao cho nhân công và thiết bị khí nén, cùng với mức ô nhiễm tiếng ồn lớn nhưng hiệu quả không cao Để nâng cao năng suất và hiệu quả khoan ở những vùng đá cứng như Biotite, đá xanh, Syenite, và Limestone, việc sử dụng búa khoan Jack hammer thủy lực hạng nặng kết hợp với máy xúc, như Volvo EC210BLC, Volvo EC360BLC, Komatsu PC200, và Hitachi EX200, là giải pháp tối ưu.

Khi thi công với thiết bị búa khoan Jack hammer, âm thanh phát ra trong quá trình vận hành có thể đạt đến 100db khi đo ở khoảng cách 2m, do đặc trưng của việc sử dụng đầu búa kết hợp với đầu đục để khoan phá đất đá.

Hình 1.3 Thiết bị Volvo EC210BLC

Sử dụng búa khoan Jack hammer có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến thính giác và hệ thần kinh do âm thanh lớn và phản lực mạnh tác động lên người vận hành

Mặc dù phương pháp sử dụng búa khoan Jackhammer đã được cải tiến, nhưng vẫn không mang lại năng suất và hiệu quả cao trong thi công Hiện nay, các quốc gia phát triển như Mỹ, Đức, Anh và Trung Quốc đã đạt được trình độ tự động hóa cao trong công nghệ thi công giếng đứng Trong số đó, công nghệ khoan giếng ngược (Raise boring), công nghệ khoan sử dụng tổ hợp máy nghiền đất đá cỡ lớn (Vertical shaft sinking) và công nghệ khoan nổ mìn đang nổi bật và được mô tả chi tiết trong phần 1.2.

Công nghệ thi công

Để thi công giếng đứng, hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm kỹ thuật, công dụng, hình dạng, kích thước, độ sâu giếng và điều kiện địa chất Các phương pháp thi công này được phát triển dựa trên nền tảng khoa học kỹ thuật tiên tiến.

The group of traditional construction methods, known as conventional sinking and lining, encompasses techniques such as drilling and blasting, as well as the use of mechanical excavators for excavation.

Các phương pháp thi công hiện đại trong xây dựng hầm bao gồm việc sử dụng thiết bị cắt nghiền đất đá cỡ lớn và phương pháp khoan giếng ngược (Raise drilling) Những kỹ thuật này mang lại hiệu quả cao và tiết kiệm thời gian trong quá trình thi công.

“khoan robin” – cách gọi tên theo tên thiết bị Robbins raiseboring machinescủa hãng The Atlas Copco tại Việt Nam), phương pháp khoan “box-hole Box-hole ” ( drilling)

Trong số các phương pháp thi công hiện nay, phương pháp sử dụng thiết bị cắt nghiền đất đá cỡ lớn, khoan robin và khoan lỗ nổ mìn đang được ứng dụng phổ biến nhất.

1.2.1 Công nghệ thi công khoan giếng ngược

Công nghệ khoan giếng ngược, hay còn gọi là "khoan robin" tại Việt Nam, được đặt tên theo thiết bị Robbins raiseboring machines của hãng The Atlas Copco Công nghệ này đã được áp dụng từ những năm trước đây, mang lại nhiều lợi ích trong việc khoan giếng hiệu quả.

Năm 1968, ngành công nghiệp khai khoáng đã chứng kiến sự ra đời của phương pháp khoan giếng ngược (Raise boring), cho phép thi công các công trình có đường kính từ 0.7m đến 7.1m và độ sâu lên đến 1260m Phương pháp này mang lại hiệu quả cao trong việc khai thác tài nguyên khoáng sản.

Để thi công một công trình khoan giếng, bước đầu tiên là đào một đường hầm phụ nhằm lấy đất đá Sau đó, cần khoan một lỗ dẫn hướng bằng khoan địa chất Tiếp theo, sử dụng đĩa khoan lớn để cắt đất đá, trong khi hệ thống dẫn động (máy khoan ngược) được lắp đặt ở đỉnh công trình Thông thường, đĩa khoan được đưa từ dưới lên (Raise boring), nhưng cũng có thể thực hiện theo chiều từ trên xuống (Down boring) Quy trình này có thể lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào kích thước của đĩa khoan và đường kính giếng cần thi công, trong đó đất đá sẽ thoát qua lỗ dẫn hướng xuống đường hầm.

Hình 1.4 Công nghệ khoan giếng ngược

Từ năm 1978, công ty Murray & Roberts Cementation đã tiên phong nghiên cứu và phát triển công nghệ khoan giếng ngược, hiện nay đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp trong xây dựng giếng thông gió và đường hầm Phương pháp này mang lại hiệu quả kinh tế cao, an toàn và độ chính xác vượt trội, tạo ra các vách hầm vững chắc hơn so với phương pháp truyền thống, đặc biệt hữu ích ở những khu vực cần hạn chế chấn động Mặc dù có nhược điểm như kích thước giếng bị giới hạn, độ mòn lưỡi cắt cao khi khoan nhanh, và chi phí đầu tư thiết bị ban đầu lớn, kỹ thuật này vẫn được ưa chuộng cho các công trình đường hầm nhỏ, khoan lỗ thông hơi, và các hệ thống cống ngầm, thường kết hợp với các phương pháp khác để thi công giếng có đường kính lớn.

Hình 1.5 Công nghệ khoan giếng ngược - khoan robin

Hình 1.6 Công nghệ khoan giếng ngược – Khoan robin

Công ty cổ phần Sông Đà 10 là đơn vị tiên phong trong lĩnh vực thi công công trình ngầm, đã đầu tư tổ hợp máy khoan Robbins 73RM-DC-1366 từ Atlas Copco Robbins (Mỹ) Hiện tại, công ty đã nhận nhiều đơn đặt hàng từ các dự án hiện đại trong và ngoài nước, bao gồm thi công giếng nghiêng và tháp điều áp cho các công trình thủy điện như Nậm Chiến 1, Nậm Chiến 2, Huội Quảng và Sêkaman 3 (Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào).

1.2.2 Công nghệ thi công sử dụng các thiết bị cắt nghiền đất đá cỡ lớn

Phương pháp Large diameter shaft drilling/boring sử dụng tổ hợp máy nghiền đất đá cỡ lớn kết hợp với các thiết bị phụ trợ, như các model VSM 8000, VSM 2500, VSM 7700/5500 và VSM 6500 do hãng Herrenknecht AG (Đức) sản xuất Nguyên tắc hoạt động của phương pháp này là sử dụng nước để làm mềm đất đá, trong khi một đầu búa nghiền lớn gắn các đầu nghiền kim cương chuyên dụng sẽ nghiền vụn đất đá Đầu búa nghiền được lắp vào một cần cắt có khả năng xoay 190° theo cả hai hướng từ vị trí ban đầu.

Tùy thuộc vào đặc điểm địa chất và sự xâm nhập của mạch nước ngầm, phương pháp thi công có thể thay đổi Đối với các công trình có địa chất chủ yếu là cát, cát xi măng, đất mùn và đá vôi, khi có mạch nước ngầm, quá trình thi công diễn ra dưới mực nước Đất đá sẽ được trộn thành bùn loãng và sau đó được hút lên nhờ hệ thống bơm khí nén (Air-lift assistance).

Hình 1.7 Thiết bị khoan nghiền đât đá VSM 8000 của hãng Herrenknecht AG

12 giếng đứng được thi công bởi hệ thống VSM 8000 do hãng Herrenknecht AG (Đức) tại Kuwait vào năm 2003 (hình 1.7 mô tả công nghệ này) [11]

Trong các công trình có đặc điểm địa tầng và địa chất khác nhau, khi đá ổn định với cường độ kháng nén từ 100MPa đến 200MPa và không có mạch nước ngầm, giải pháp thi công có thể áp dụng giống như tại Kuwait Đặc biệt, phần đất đá đã được khoan đào sẽ được vận chuyển ra khỏi công trình thông qua hệ thống vận tải hoặc qua một giếng thoát đã được đào trước.

Giải pháp thi công này mang lại năng suất và hiệu quả cao, đồng thời giảm thiểu tiếng ồn và không ảnh hưởng đến các công trình xung quanh Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho thiết bị và vận hành khá cao, và cần có mặt bằng thi công rộng rãi.

Giải pháp thi công này yêu cầu nhiều thiết bị phụ trợ và thiết bị thi công có kích thước lớn, thường là siêu trường, siêu trọng Do đó, phương pháp này chỉ phù hợp cho việc thi công các công trình ngầm như ga tàu điện ngầm hoặc nền móng của các kiến trúc cao tầng ở các thành phố lớn với địa hình bằng phẳng.

1.2.3 Công nghệ thi công khoan lỗ nổ mìn

Công nghệ khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng

Quy trình thi công giếng đứng theo phương pháp khoan lỗ nổ mìn gồm các bước thi công như sau:

Thi công đường hầm phụ là giải pháp hiệu quả cho các công trình giếng sâu, có thể lên tới hàng km Việc vận chuyển đất đá sau khi nổ mìn bằng hệ thống máy trục và máy bốc xúc tốn nhiều thời gian và giảm năng suất lao động Do đó, cần thiết phải thi công đường hầm phụ theo phương ngang, nằm dưới công trình, kết hợp với lỗ thoát đất đá để tối ưu hóa quá trình vận chuyển.

Lỗ dẫn hướng, hay còn gọi là "pilot hole", được tạo ra bằng phương pháp khoan địa chất từ đỉnh công trình theo phương thẳng đứng Sau đó, công nghệ khoan giếng ngược raise boring được áp dụng để mở rộng lỗ dẫn hướng, giúp tạo thành đường thoát cho đất đá sau khi nổ mìn.

Hộ chiếu nổ mìn được xây dựng dựa trên các thông số địa hình, địa mạo và địa chất như độ cứng, độ nứt nẻ, thế nằm của đá, cũng như các điều kiện địa chất thủy văn như mạch nước ngầm và lượng nước vào giếng Ngoài ra, đặc điểm giếng, bao gồm hình dạng mặt cắt và quy mô hố đào, cũng đóng vai trò quan trọng Từ những dữ liệu này, kỹ sư công trình thiết kế hộ chiếu nổ mìn, xác định số lượng, vị trí, khoảng cách và độ sâu của thuốc nổ cần thiết cho thi công.

Hình 1.10 Hộ chiếu nổ mìn

Nh óm lỗ tạ o bi ên Nh óm lỗ p há Nh óm lỗ đ ột p há

15 nghiêng, chiều sâu, của các lỗ mìn cần khoan và thứ tự nổ trên mặt gương thi công [15 ]

Giếng được thiết kế với hình dạng khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng và tính chất của các lớp đất đá mà giếng cần đào qua Để thuận tiện cho việc thi công qua các lớp đất đá có độ kiên cố khác nhau, giếng thường có tiết diện hình tròn Các lỗ mìn trên hộ chiếu nổ mìn được phân bố theo các đường tròn đồng tâm, với ba loại lỗ nổ mìn chính và các yêu cầu kỹ thuật cụ thể.

Nhóm lỗ đột phá có góc nghiêng khoảng 10° hướng tâm và được nổ đầu tiên, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo mặt thoáng cho các loạt nổ tiếp theo Việc này giúp giảm đường kháng nổ của khối đất đá, tối ưu hóa hiệu quả của quá trình nổ.

- Nhóm lỗ phá: được khoan theo phương thẳng đứng Nhóm lỗ phá được nổ sau nhóm lỗ đột phá, có tác dụng mở rộng giếng

- Nhóm lỗ tạo biên:có góc nghiêng khoảng 5° hướng biên Nhóm lỗ tạo biên được nổ sau cùng Các lỗ mìn biên phải do thợ bậc cao đảm nhận

Công tác gia cố hầm là cần thiết trong quá trình khoan thi công sâu, do áp lực đất đá có thể gây sạt lở thành giếng Để gia cố, cần khoan theo phương song song với mặt gương Để nâng cao hiệu quả đào đá bằng nổ mìn, có thể áp dụng nhiều phương pháp nổ mìn khác nhau như nổ mìn lỗ nông, lỗ sâu, lỗ khoan nghiêng, và nổ mìn trong môi trường nén Cơ giới hóa quá trình thi công cũng là một giải pháp ưu tiên, giúp tăng cường hiệu quả và an toàn trong công việc.

Kết luận: Công nghệ thi công giếng đứng bằng phương pháp khoan lỗ nổ mìn truyền thống thường sử dụng máy khoan cầm tay, với chu trình khoan lỗ chiếm từ 35% đến 50% tổng thời gian thi công Để nâng cao năng suất lao động, cần thiết phải giảm thời gian của công đoạn khoan lỗ Giải pháp là phát triển cơ cấu robot khoan chéo theo mặt gương hộ chiếu nổ mìn, đồng thời robot cũng có khả năng khoan ngang để gia cố đường hầm.

Các loại robot trong thi công giếng đứng đã được thương mại hóa

Trong quá trình phát triển, nhiều hãng như Zhangjiakou Xuanhua Huatai Mining & Metallurgical Machinery (Trung Quốc), Herrenknecht AG (Đức), Shangdong Mining Machinery Group (Trung Quốc) và Murray & Roberts (Nam Phi) đã nghiên cứu và chế tạo robot với các kết cấu khác nhau cho thi công giếng đứng Dưới đây là một số loại robot đã được thương mại hóa trong lĩnh vực này.

 Series Model YSJZ sản xuất bởi hãng Zhangjiakou Xuanhua Huatai

Mining & Metallurgical Machinery (Trung Quốc)

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của Series Model YSJZ [19]

Thông số kỹ thuật Đơn vị Model

YSJZ 3.6 YSJZ 4.8 YSJZ 6.12 Đường kính giếng m 4÷6 6÷9 9÷12

Kớch thước thu gọn mm ỉ1700 * 7300 ỉ2100 * 8000 ỉ2250 * 8200

Số tay khoan 3 4 6 Đường kớnh lỗ khoan mm ỉ45ữỉ54 Độ sâu lỗ khoan mm 4200 5100 5100

Hình 1.11 Thiết bị khoan Robbins 73RM DC hiện đang được sử - dụng tại Công ty cổ phần Sông Đà 10 [18]

 Robot Shaft Drilling Jumbo (SDJ) sản xuất bởi hãng Herrenknecht AG (Đức)

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật cơ bản Robot Shaft Drilling Jumbo (SDJ) [ ] 20

Thông số kỹ thuật Đơn vị G iá trị

Kích thước khi thu gọn mm 2000 ÷ 3000 Đường kính giếng thi công mm 4000 ÷ 12000

Hình 1.13 Robot trong khoan nổ mìn giếng đứng do hãng Herrenknecht AG – Đức sản xuất [20]

Hình 1.12 Robot trong khoan nổ mìn giếng đứng của hãng Zhangjiakou

Xuanhua Huatai Mining & Metallurgical Machinery - Trung Quốc

 Series Model FJD sản xuất bởi hãng Shangdong Mining Machinery Group

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật cơ bản của Series Model FJD [ ] 21

Thông số kỹ thuật Đơn vị Model

FJD 6 FJD 6A FJD 9A Đường kính giếng thi công m 5÷6 5,5÷8 5,5÷8

Hình 1.15 Rob ot trong khoan nổ mìn giếng đứng do hãng Shangdong Mining Machinery Group – Trung Quốc sản xuất

Hình 1.14 Robot trong khoan nổ mìn giếng đứng do hãng

Herrenknecht AG – Đức sản xuất [20]

Trọng lượng kg 5300 7500 10500 Độ sâu lỗ khoan tối đa m 4,2 4,2 4,2

Model Tay khoan YGZ-70 YGZX-55/YGZ-70 YGZ-70

Số tay khoan 6 6 9 Đường kớnh lỗ khoan mm ỉ40ữ ỉ45 ỉ42ữ ỉ50 ỉ38ữ ỉ55

 Robot sản xuất bởi hãng Murray & Roberts (Nam Phi)

Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Ngày nay, sự phát triển của khoa học và công nghệ đã nâng cao hiệu quả công tác khoan lỗ và nổ mìn trong thi công đường hầm Các nhà khoa học đang nghiên cứu chuyên sâu về từng công đoạn thi công và thiết bị phục vụ quá trình này Một ví dụ điển hình là nghiên cứu về cơ học đất đá dựa trên thực tiễn thi công đường hầm Vouli ở Phần Lan, nơi có địa chất phức tạp với nhiều lớp trầm tích và đá cứng hình thành từ 1750 đến 1990 triệu năm trước Nhóm tác giả A Petko và R Ziman đã phát triển quy trình thi công khoan lỗ nổ mìn phù hợp với điều kiện địa chất đặc thù, thông qua việc nghiên cứu đặc điểm cơ học của đất đá.

Hình 1.16 Robot khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng hãng

Quy trình thi công đường hầm bao gồm các yếu tố quan trọng như hộ chiếu nổ mìn, kỹ thuật khoan, liều lượng và loại thuốc nổ, cùng với kỹ thuật nổ Theo số liệu thực nghiệm, đối với hầm có diện tích mặt cắt ngang 90m², cần khoan 163,471m lỗ nổ, sử dụng 157,333kg thuốc nổ và 31,839 kíp nổ, trong đó có 28,495 kíp của hãng Nonel LP và 3,344 kíp của hãng khác.

Firex VA-T ) ii) Nghiên cứu về thiết bị để nâng cao hiệu quả khoan lỗ nổ mn:

J.Karlinski và các cộng sự đã phát triển một tay máy robot khoan nổ mìn đào hầm thế hệ mới, sử dụng phần mềm hiện đại để phân tích thiết kế Họ áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn với các điều kiện biên thực tế trong thi công đường hầm, nhằm giảm chi phí thực nghiệm.

Để xác định thông số kỹ thuật và chiều sâu khoan của búa khoan "Jack Hammer" trong điều kiện địa chất với các loại đá cứng, tác giả V Raghavan đã tiến hành thí nghiệm trong hai trường hợp: sử dụng búa khoan thông thường và nối búa khoan với một xy lanh khí nén Thí nghiệm được thực hiện trên các loại đá như đá xanh, Syenite, Limestone với tốc độ khoan 1,5m/phút và đá Biotite ở độ sâu 2,5m với áp lực khí 4 kg/cm² Kết quả cho thấy, khi nối thêm xy lanh khí nén, tốc độ khoan cắt vào đất đá cao hơn đáng kể.

R.Phillips và các cộng sự [2 ] đã đưa ra giải pháp dùng động cơ điện một 6 chiều để thay thế cho khoan khí nén và thuỷ lực Kết quả đã được thử nghiệm trên robot ExoMars của dự án hợp tác giữa cơ quan vũ trụ Nga

Hình 1.17 Phân tích kết cấu tay máy Robot bằng phương pháp phần tử hữu hạn [24]

Roscosmos và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đang hợp tác trong dự án khoan lấy mẫu đất đá trên hành tinh Đỏ, với mục tiêu tìm kiếm dấu hiệu của sự sống.

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam các nghiên cứu tập trung vào việc nghiên cứu phát triển công nghệ , thi công khoan lỗ, nổ mìn Tác giả Đỗ Thụy Đằng [2 ] đã nghiên cứu để công nghệ 7 khoan nổ mìn lỗ nhỏ đào toàn gương đường lò trong đá liên kết rắn chắc được sạch hơn Theo nghiên cứu được tác giả công bố vào tháng 3 năm 2009, ở nước ta, công nghệ này đang chuyển dần lên trình độ khoan nổ mìn vi sai phân đoạn tạo biên có sử dụng các lỗ khoan trống Tuy nhiên chưa có nguyên tắc hợp lý hoá các biện pháp giảm đường cản nhỏ nhất của khối đá theo từng phía của từng phát mìn (W) cùng với quy cách từng phát mìn và quy trình điều khiển nổ chúng để thực hiện từng nhiệm vụ đặt ra: nổ đột phá (đp), nổ phá (p) và nổ tạo biên (b) Do đó, hiệu quả kinh tế kỹ thuật, an toàn và bảo vệ môi trường còn hạn chế và không chắc chắn Dẫn tới việc công nghệ này còn phải được làm sạch hơn một cách chắc chắn hơn Nghiên cứu này tập trung vào 3 vấn đề cơ bản: giảm W, giảm tổng chi phí thuốc nổ để đào 0 đường lò (Q), và tăng tiến độ chu kỳ khoan nổ mìn tiến gương (LCK)

Nghiên cứu về chi phí và phân bố thuốc nổ khi thi công các đường hầm trong đá liên kết rắn đã chỉ ra tầm quan trọng của việc xác định lượng lỗ khoan trống trong quá trình khoan nổ mìn Đồng thời, việc phân tích các thông số khoan nổ mìn cơ bản khi đào giếng đứng tại mỏ cũng là một yếu tố cần thiết Ngoài ra, ảnh hưởng của nổ mìn đến trạng thái ứng suất trong khối đá xung quanh đường hầm và biên dạng phá huỷ ở độ sâu lớn cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.

Chương 1 của luận văn tổng hợp các công nghệ thi công giếng đứng hiện nay, đặc biệt là công nghệ khoan lỗ nổ mìn Qua phân tích thực trạng thi công giếng đứng tại Việt Nam, cho thấy chu trình khoan lỗ chiếm từ 35% đến 50% tổng thời gian thi công, điều này nhấn mạnh sự cần thiết phải cơ giới hoá để nâng cao năng suất lao động Do đó, chương 1 đã xác định nhiệm vụ cho chương 2 là xây dựng mô hình robot phù hợp với công nghệ khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng.

Chương 2PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC TAY MÁY

Mô tả cấu tạo và nguyên lý của thiết bị

Như vậy, tay máy robot cần có cơ cấu 05 b c tậ ự do như sau:

- 04 bậc tự do th c hiự ện chu trình khoan l trên mỗ ặt gương

- Thêm 01 bậc tự do để khoan neo theo phương ngang trong công tác gia cố giếng

Từ phân tích và yêu cầu như trên, giải pháp thiết kế robot được đưa ra như sau

2.1.1 Giải pháp thiết kế robot Để khoan nh ng l ữ ỗ khoan có độ sâu đáp ứng yêu cầu công nghệ t 3 ÷ 4m từ ại những v ị trí có điều kiện địa chất phức tạp gồm các loại đá có độ c ng khác nhau, có ứ thể đạt hệ ố s độ r n lên tắ ới f = 20 theo “Thang phân loại độ ứng đất đá c Prostodiaconov”, cần sử dụng thiết bị khoan v i trớ ọng lượng từ 0,5 tấn đến 1,2 tấn Do đó, cánh tay robot gồm các khâu chuyển động, hệ thống dẫn động, hệ thống điều khiển và một số thiết b ịphụtrợ khác có t ng trổ ọng lượng thường từ 01 tấn đến 1,5 t n Robot ấ thi công tại các công trình có đặc điểm về môi trường làm việ ở sâu trong lòng đấc t với những công trình có độ sâu lên t i hàng kmớ , có đặc điểm khí hậu và địa chất thủy văn tại Việt Nam với độ ẩm cao, cùng đặc điểm về môi trường làm việc khắc nghiệt có nhiều b ụi.

Để đáp ứng nhu cầu công nghệ hiện đại, hệ thống truyền động cần có công suất cao, áp lực lớn, độ tin cậy cao và yêu cầu bảo trì thấp Hệ thống này phải dễ dàng chuyển đổi giữa chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến, thuận tiện cho việc theo dõi và quan sát, đồng thời cho phép tự động hóa đơn giản Do đó, việc lựa chọn hệ thống truyền động bằng xy lanh thủy lực là một giải pháp tối ưu.

Ta có sơ đồ nguyên lý sau:

Để nâng cao năng suất, robot được trang bị 06 tay khoan xung quanh thân, cho phép khoan nhiều lỗ cùng lúc Đặc biệt, robot có cơ cấu xoay toàn phần giúp linh hoạt trong việc đáp ứng các hộ chiếu nổ mìn với nhiều cách bố trí khác nhau Hiện nay, trên thế giới có hai giải pháp bố trí cơ cấu xoay trên thân robot, tương ứng với hai loại robot có khả năng trụ khác nhau.

Giải pháp thứ nhất sử dụng robot thiết kế đặc biệt với hệ thống chân đế, như các model XFJD6.7 và XFJD6.10 trong series sản phẩm SJZ (XFJD) của hãng Zhangjiakoa Xuanhua Huatia Mining & Metallurgical Machinery - Trung Quốc và LCM Projects Mô hình robot này có cơ cấu xoay được gắn trên thân robot, gần với cơ cấu chân đế, tạo ra tính linh hoạt và hiệu quả trong hoạt động Hình 2.2 minh họa rõ ràng cho giải pháp này.

Giải pháp thăm dò dưới lòng đất bằng robot được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường khó khăn, như trong các thiết kế Shaft Drilling Jumbo (SDJ) của hãng Công nghệ này giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất trong quá trình thăm dò, đồng thời giảm thiểu rủi ro cho con người.

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí cơ cấu tay máy robot trong khoan lỗ nổ mìn giếng đứng

Hình 2.2 Cơ cấu xoay được bố trí trên thân trong thiết kế của LCM Projects [33]

Herrenknecht AG from Germany offers advanced hydraulic shaft drill rigs, while Haniel Mining Systems GmbH features the YSJZ series from Zhangjiakou Additionally, Xuanhua Huatia Mining & Metallurgical Machinery from China presents the SDJ robots developed by Drill Pangolin These innovative designs incorporate a rotating mechanism positioned directly beneath the clamping structure, enhancing the operational efficiency of the robotic arms.

Giải pháp này phù hợp cho những giếng có đường kính nhỏ, yêu cầu thành giếng phải được gia cố vững chắc để robot có thể bám trụ trong quá trình khoan Tuy nhiên, với giải pháp này, những lỗ khoan của robot sẽ gặp khó khăn trong việc thi công khi không có thành giếng để bám, dẫn đến độ linh hoạt của robot bị giảm.

Kết luận: Dựa trên yêu cầu công nghệ cho việc khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng và thực tiễn môi trường làm việc tại Việt Nam, giải pháp thiết kế cho robot sẽ được trình bày trong mục 2.1.2 dưới đây.

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của robot Để nâng cao hi u qu công tác khoan l n mìn theo h chiệ ả ỗ ổ ộ ếu được mô t trên ả m c 2a, h ụ ệthống được thiết kế ồ g m sáu tay máy th y l c 5 b c t ủ ự ậ ự do như mô tả trên hình 2.4 Trong đó mỗi tay máy s mang m t h th ng tay khoan có khẽ ộ ệ ố ối lượng t 1 ừ tấn đến 1,5 t n ấ Phương án thiết kế như sau:

Hình 2.3 Cơ cấu xoay được bố trí bên dưới cơ cấu càng bám trong thiết kế robot SDJ của Drill

 Nguyên lý hoạt động của robot:

Robot được treo theo phương thẳng đứng bằng móc treo và hệ thống ống giàn đỡ, giúp giảm thiểu tiếng ồn và được lắp đặt tại các vị trí đã được khoan sẵn Đầu dò định vị giúp xác định đường đi và giữ cho robot luôn thẳng Trong quá trình hoạt động, chân đỡ dưới tác dụng của lò xo sẽ xòe ra, giữ cho robot đứng yên Đồng thời, 6 cánh tay robot và cụm tay khoan được gắn trên thân sẽ thực hiện quá trình khoan nệ ổ mìn theo hướng đã được thiết kế Sau khi hoàn thành, robot sẽ được kéo lên theo phương thẳng đứng, và do trọng lực, 3 chân robot sẽ gập lại sát thân.

Do đặc điểm của ngành đào hầm và kích thước lớn của các tay máy, cùng với điều kiện làm việc khắc nghiệt, tay máy robot thường được sử dụng Các chuyển động xoay được cải tiến và kết hợp với chuyển động tịnh tiến của xy lanh thủy lực, nhằm tăng cường khả năng tải trọng của hệ thống.

Hình 2.4 Hệ thống robot khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng

Tay máy thủy lực 5 bậc tự do

H ệ th ốn g kh oa n đậ p xo ay

Chân đế tự lựa, định vị hệ thống theo phương th ng đứng

X y la nh th ủy lự c

Nguyên lý hoạt động của tay máy được mô tả như sau:

+ Xy lanh ➀ có chức năng tạo chuyển động lật lên xuống cho cánh tay robot

+ Xy lanh ➁ tạo chuyển động tịnh tiến để cánh tay có thể vươn ra xa trong quá trình làm việc và thu về khi di chuyển ra/vào

Động cơ thủy lực ➂ có chức năng xoay toàn vòng cho cơ cấu cẳng và cổ tay, được ứng dụng trong khoan theo tiết diện ngang trong quá trình gia cố hầm.

+ Xy lanh ➃ có chức năng tạo chuyển động lật lên xuống cho cơ cấu cổ tay robot.

Lược đồ hóa cơ cấu máy

Để phân tích động học mỗi tay máy được đưa về dạng cấu trúc cơ cấu như ở hình 2.6

: chuyển động quay lật của khớp

: chuyển động truyền lực của xy lanh.

Hình 2.5 Cơ cấu tay máy robot trong khoan nổ mìn giếng đứng

Dựa trên sơ đồ hình 2.6, bài toán động học và động lực học có thể được giải quyết như một Robot chuỗi động học hở, giúp xác định vị trí và hướng của giá khoan Để thuận tiện trong việc tính toán, máy được chia thành các phần riêng biệt.

Robot bao gồm các bộ phận chính như khâu cố định gắn trên thân, khớp bản lề đỡ cánh tay để tạo chuyển động lật, khâu cánh tay, khớp bản lề cho chuyển động lật trong không gian của xylanh, xylanh tạo chuyển động lật cánh tay, và khớp bản lề để điều chỉnh góc lật.

Hình 2.7 Cơ lật khớp vai trong tay máy robot đào hầm giếng đứng

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lí của một cánh tay robot trong hệ thống khoan lỗ nổ mìn đào giếng đứng d 3 d 5 d 2

Từ kết cấu được mô tả trên hình 2.7 ta có sơ đồ nguyên lý của cụm cơ cấu lật khớp vai được mô tả trên hình 2.8

: chuyển động quay chính của cẳng tay

: chuyển động truyền lực và mô men điều khiển chuyển động quay của cánh tay

Khớp bản lề đỡ cánh tay giúp tạo ra chuyển động lật, trong khi xy lanh đảm nhiệm việc điều khiển chuyển động lật của cổ tay robot Khớp bản lề cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra chuyển động lật trong không gian của xy lanh Bên cạnh đó, khâu cẳng tay và khớp bản lề tạo góc lật cùng với khâu cổ tay góp phần hoàn thiện khả năng linh hoạt và chính xác của robot.

Từ kết cấu được mô tả trên hình 2.9 ta có sơ đồ nguyên lý của cụm cơ cấu lật khớp vai được mô tả trên hình 2.10

Hình 2.9 Cơ lật khớp cổ tay trong tay máy robot đào hầm giếng đứngHình 2.8 Sơ đồ nguyên lí cơ cấu lật khớp vai tay máy robot

: chuyển động quay chính của cổ tay

: chuyển động truyền lực và mô men điều khiển chuyển động quay của cổ tay

 Xy lanh t nh tiến cẳng tay robot:

Khớp vai và khớp lắp xy lanh thủy lực là những thành phần quan trọng trong hệ thống thủy lực Khâu cố định và khớp lắp cần pittong của xy lanh thủy lực đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo hoạt động hiệu quả Ngoài ra, khớp trượt và khâu tịnh tiến cũng góp phần vào sự vận hành mượt mà của thiết bị.

Hình 2.11 Cơ cấu c ng tay tay máy Robot α

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lí cơ cấu lật khớp cổ tay máy

Từ kết cấu được mô tả trên hình 2.11 ta có sơ đồ nguyên lý chuyển động tịnh tiến cẳng tay Robot được mô tả trên hình 2.12

: chuyển động tịnh tiến của xy lanh cẳng tay Robot

Thiết lập hệ phương trình động học

Để đơn giản hóa việc giải bài toán động học cho hệ phức hợp 25 bậc tự do, bao gồm 6 tay máy với 4 bậc tự do mỗi tay và một bậc tự do cho động cơ xoay quanh thân robot, chúng ta sẽ xác định thông số điều khiển cho từng cánh tay.

Từ hình 2.13, hai chuỗi động học kín  và  được mô hình hóa thành chuỗi động học hở như trong hình 2.14, với hai khớp trượt d2 và d5 được thay thế bằng hai khớp quay 2 và 5 Dựa trên mô hình này, các hệ quy chiếu theo phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H) đã được thiết lập, như được trình bày trong hình 2.14, và thông số động học được liệt kê trong bảng 2.1.

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lí của một cánh tay robot trong hệ thống khoan lỗ nổ mìn thi công giếng đứng d 3 d 5 d 2

2 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý chuyển động tịnh tiến c ng tay Robot

Bảng 2.1: Bảng thông số động học D-H của tay máy robot khoan lỗ nổ mìn thi công giếng đứng

Trong đó:  1,  2, d 3 ,  4 ,  5 là các biến khớp, còn a 1 , D 1, D 4 , a 5 là các thông số kích thước các khâu

Ma trận biến đổi từ hệ quy chiếu  i {O i x i y i zi } về hệ quy chiếu  i-1 {O i-1 x i-1 y i-1 zi-1 } được cho bởi:

0 sin sin cos cos cos sin cos sin sin cos sin cos

Tương ứng với các khâu, ta có: x 0 z 0 z 1 x 1 x’ 1 z 2 x 2 z 3 z 4 z 5 x 3 x 4 x 5

Hình 2.14 Tọa độ D H cho tay máy khoan lỗ nổ - mìn thi công g iếng đứng 5 bậc tự do z 5 ’ x 5 ’

0 5 0 cos 5 5 sin 5 sin 5 0 sin 5 5 cos 5 cos

Ma trận biến đổi toạ độ thuần nhất của giá khoan được xác định bởi:

Trong đó: c 1 = cos θ 1 s 1 = sin θ 1 c 2 = cos θ 2 s 2 = sin θ 2 c 4 = cos θ 4 s 4 = sinθ 4 c 5 = cos θ 5 s 5 = sinθ 5

+ Ej là tọa độ tâm các lỗ cần khoan trên mặt gương so với hệ quy chiếu  0 {O 0 y 0 x 0 } gắn trên robot khi đó ta có:

Ej x r      (2.3) +  Ej {E j u j v j w j } là ma trận cosin chỉ hướng so với hệ quy chiếu  0 {O 0 y 0 x 0 }, ta có:

Ma trận R được hình thành bởi 3 phép quay liên tiếp Oxyz0 sang hệ tọa độ Oxyz5 gắn với khâu thao tác như sau:

R = Rx(180 0 ) Rz(-α) Ry(- β) (α là góc hợp bởi bán kính của điểm đặt mũi khoan và trục x0 β là góc nghiêng của mũi khoan so với phương thẳng đứng.)

 cos 0 sin sin sin cos cos sin sin cos sin sin cos cos 0 sin

Từ (2.3), (2.4) ta có ma trận biến đồi từ mặt gương về hệ quy chiếu  0 {O 0 y 0 x 0 } trên robot được cho bởi:

0 0 cos 0 sin sin sin cos cos sin sin cos sin sin cos

Từ hai ma trận C và 0 A 5 tương ứng với (2.2) và (2.5) ta có hệ phương trình sau:

Từ phương trình thứ 5 ta suy ra θ4 = π; => s4 =0 và c4 = -1

Thay vào phương trình (3), (4) và (6) ta được θ1 = α uz= -(s2c5 + c2s5) wz -s= 2s5 + c2c5

Từ (1) và (2) ta lại có

Từ (4) và (6) ta có: sin 2 cos 2 cos5  w z   u z 

=> 5  arccos(w z cos 2 u z sin 2 ) ta chọn  5 >0 là nghiệm phù hợp với bài toán

Từ hệ phương trình trên, ta giải được bộ thông số biến khớp sau:

Trong đó: cos 5 cos 2 sin 5 sin 2

Hình 2.15 Hộ chiếu nổ mìn

Nh óm lỗ tạ o bi ên Nh óm lỗ p há Nh óm lỗ đ ột p há

35 α là góc xác định vị trí lỗ trong  G {Gx G y G z G } – hệ quy chiếu mặt gương (xem hình 2.15) β là góc xác định hướng của lỗ khoan

Để điều khiển tay máy, cần xác định giá trị của các biến khớp điều khiển d2 và d5 trong hai mạch vòng như đã trình bày trong hình 2.13 Các thông số biến khớp 2 và 5 đóng vai trò là các biến trung gian, chưa phải là biến điều khiển Từ hình 2.1, chúng ta có thể xem xét các tam giác ∆A6 1B1C1 và ∆A2B2C2 để phân tích thêm.

Khoảng cách giữa các khớp quay được mô tả trong hình 2.16 bao gồm b1, c1, b2 và c2 Dựa vào các công thức (2.7) và (2.8), ta có thể xác định bộ thông số biến điều khiển động học cho tay máy thủy lực.

Trong đó: d2, d3, d5 là biến điều khiển các xy lanh thuỷ lực còn θ1, θ4 là biến điều khiển các động cơ thuỷ lực tại các khớp của tay máy b 1 c 1 d 2 γ 2 θ 2 d 5 b 2 c 2 θ 5 γ 5

Hình 2.16 Sơ đồ tính biến khớp d 2 và d 5

Thuật toán thiết lập quỹ đạo điểm tác động cuối theo mặt gương nổ mìn

Việc thiết kế hộ chiếu nổ mìn của kỹ sư địa chất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc điểm địa chất, thuỷ văn, thông số giếng khoan và loại thuốc nổ Điều này dẫn đến sự khác biệt trong từng hộ chiếu nổ, cũng như sự phân bố không đồng đều về vị trí và độ nghiêng của các lỗ khoan Để nâng cao năng suất và hiệu quả thi công, cần có một thuật toán điều khiển đồng thời tất cả các cánh tay robot thuỷ lực trong quá trình khoan, dựa trên các thông số đã xác định từ hộ chiếu nổ mìn.

+ m: là số tay máy trên hệ thống robot khoan lỗ nổ mìn

+ G{GxGyGzG}: là hệ quy chiếu của mặt gương (hệ này hoàn toàn xác định bởi hệ thống la bàn số gắn trên thiết bị)

 Thuật toán được mô tả như sau:

Bước 1: Đặt v trí điểm O của h th ng

Khi robot được hạ xuống giếng hiệu chỉnh vị trí O của robot bằng cách điều khiển xoay góc θ1m sao cho thoả mãn:

Như vậy vị trí ban đầu các tay trùng với các tia Gti

Bước 2: Phân vùng hoạt động từng tay θ 1max

Hình 2.17 Phân vùng hoạt động từng tay máy

Miền giới hạn góc xoay của khớp vai các robot được gọi là θ1max Vị trí chuẩn được xác định là “ ”, nhằm chia vùng hoạt động của từng tay máy sao cho nhỏ hơn θ1max.

Bước 3: Quy luật di chuyển của c c c nh tay

Các tay đồng loạt hoạt động theo quy luật từ như được mô tả trên hình 2.18

 Thiết kế quỹ đạo dịch chuyển chạy không từ lỗ gia công

Quá trình dịch chuyển của robot từ vị trí lỗ khoan Ej đến Ej+1 được xác định bởi gia số ∆R và ∆α, trong đó quỹ đạo đường đi của robot được mô tả rõ ràng.

Khoảng cách an toàn từ mặt gương được ký hiệu là h, trong khi bán kính hướng tâm của các hàng lỗ khoan được biểu thị bằng R K Các gia số ∆R và ∆α sẽ được cài đặt vào thiết bị, phụ thuộc vào năng suất thi công, công suất của nguồn thủy lực và hệ thống van điều khiển của thiết bị.

Mô phỏng chuyển động

 Thông s kích thước động học của robot

Hình 2.18 Quy luật di chuyển của các cánh tay robot

38 b1 = 605 mm; c1 = 1600 mm; γ2 = 0,22494 rad; b2 = 833 mm; c2 = 300 mm; γ5 = 0,159722 rad

Như vậy điểm chia quỹ đạo dịch chuyển của một tay máy robot là N = 800 điểm.

 Thông s kỹ thuật hộ chiếu nổ mìn

Nhóm lỗ Bán kính [mm] Số lỗ Góc nghiêng Đột phá R 1 = 1300 6 10º hướng tâm

Bảng 2.2: Thông số các lỗ khoan trên hộ chiếu nổ mìn

STT α (rad) β (rad) r (mm) x (mm) y (mm)

Trong quá trình di chuyển giữa các lỗ khoan, việc chuyển động của các khớp cần được thực hiện một cách mượt mà để tránh thay đổi đột ngột Do đó, khoảng cách từ lỗ khoan thứ i đến lỗ khoan thứ i + 1 được chia thành n điểm nhỏ, như mô tả trong hình 2.19.

Bằng cách áp dụng công thức tọa độ khớp đã giải và kết hợp với bảng thông số biến khớp được tọa độ hóa từ hộ chiếu nổ mìn, chúng ta có thể tính toán các biến khớp của robot từ i đến i+1.

41 tại từng thời điểm thi công Qua đó nhận được các đồ thị biến khớp  1 ,  2 , 4 , 5 và độ dài các xy lanh theo thời gian:

Hình 2.20 Đồ thị biến khớp khi 1 tay máy hoạt động

(ghi chú: θ 4 = π trong trường hợp này, θ 4 sẽ thay đổi khi robot khoan lỗ gia cố giếng đứng)

560 580 f) Đồ thị độ dài xy lanh 3 m m

2500 e) Đồ thị biến khớp d 3 hay độ dài xy lanh 2 m m

960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1120 d) Đồ thị độ dài xy lanh 1 m m

Xuất phát từ yêu cầu công nghệ thi công khoan lỗ nổ mìn, mô hình robot và tay máy đã được thiết kế và xây dựng trên phần mềm SolidWorks Hệ trục tọa độ D H được đặt cho các cụm chi tiết trên tay máy, và các file định dạng stl được xuất ra để sử dụng trong việc mô phỏng chuyển động trên phần mềm Visual Studio 2012 Giao diện của phần mềm lập trình mô phỏng Visual Studio 2012 được thể hiện trong Hình 2.22.

1- Module OpenGL quản lý đồ họa

2- Module OpenGL quản lý thông tin Robot

Module OpenGL quản lý đồ họa gồm các lớp cơ bản như:

 OpenGLInit.h & OpenGLInit.cpp: Chứa lớp khởi tạo OpenGL

 Color h & Color cpp: Chứa lớp biểu diễn màu sắc

 Light.h & Light.cpp: Chứa lớp quản lý ánh sáng

 Material.h & Material.cpp: Chứa lớp quản lý vật liệu

 Vec3D.h: Chứa các lớp tiện ích về vector 3D

Hình 2.21 Quy trình mô phỏng chuyển động của robot

 STL_File.h & STL_File.cpp: Chứa lớp đọc file STL

 Vector4D.h: Chứa các lớp tiện ích về vector 4D, matrix 4D

 MayaCamera.h: Chứa các lớp về thao tác chuột

Module OpenGL quản lý thông tin Robot gồm các lớp cơ bản như:

 Model.h & Model.cpp: Chứa các lớp quản lý các Model chi tiết, thông số D-H

 Robot h & Robot cpp: Chứa các lớp vẽ và đọc dữ liệu của các chi tiết

Hình 2.23 Mô phỏng quá trình khoan của tay máy robot

Hình 2.22 Giao diện lập trình Visual Studio 2012

Sau khi giải bài toán động học ngược, chúng tôi đã xây dựng công thức cho các biến khớp Dữ liệu các biến khớp được lưu trữ dưới dạng file txt và nạp vào chương trình mô phỏng, kết hợp với bảng thông số quỹ đạo đã được thiết lập Hình 2.23 và hình 2.24 minh họa quá trình khoan lỗ của tay máy robot, được lập trình bằng ngôn ngữ C++ trong phần mềm Visual Studio 2012.

Kết quả mô phỏng và đồ thị tính toán cho thấy robot hoạt động chính xác theo quỹ đạo đã được xác định, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu công nghệ Điều này chứng tỏ tính chính xác và độ tin cậy của các kết quả tính toán trong thiết kế.

Hình 2.24 Robot thực hiện quá trình khoan lỗ trong phần mềm mô phỏng

TÍNH TOÁN LỰA CHỌN HỆ THỐNG XY LANH THUỶ LỰC

Đặt vấn đề

Chương này trình bày bốn nhiệm vụ chính đó là:

- Thiết lập biểu thức tính chọn hành trình xy lanh theo yêu cầu về kích thước và công nghệ mà thiết bị cần phải đáp ứng;

- Thiết lập biểu thức tính chọn áp lực xy lanh để đáp ứng được yêu cầu về lực;

- Phân tích và tính các lực tại một số khớp;

- Một số dạng phá huỷ thường gặp của khớp và tính kiểm nghiệm bền cho khớp Dưới đây là nội dung cụ thể.

Mô hình hoá kết cấu về dạng nguyên lý

3.2.1 Khớp vai của thiết bị

Trong thiết bị, có các thành phần chính bao gồm: khâu cố định gắn trên thân thiết bị, khớp bản lề hỗ trợ cánh tay tạo chuyển động lật, khâu cánh tay, khớp bản lề cho phép chuyển động lật trong không gian của xylanh, và xylanh tạo ra chuyển động lật cho cánh tay thiết bị Để dễ dàng trong quá trình tính toán, việc mô hình hóa kết cấu theo dạng nguyên lý như mô tả ở hình 3.2 là cần thiết.

Hình 3.1 Cơ lật khớp vai trong tay máy robot đào hầm giếng đứng

Cơ cấu hoạt động theo nguyên lý sau: Điều khiển cẳng tay gật gù lên xuống được điều khiển nhờ xy lanh

Như vậy nhiệm vụ của chương này với cơ cấu khớp vai robot:

 Xác định hành trình của xy lanh để đảm bảo cẳng tay được gật gù từ [αmin÷αmax]

 Xác định áp lực xy lanh để lựa chọn xy lanh đảm bảo nâng được cánh tay theo yêu cầu công nghệ mà robot đáp ứng

Bài viết đề cập đến các thành phần chính của cơ chế chuyển động trong robot, bao gồm khớp bản lề đỡ cánh tay giúp tạo chuyển động lật, xylanh điều khiển chuyển động lật cổ tay, và khớp bản lề tạo chuyển động lật trong không gian của xylanh Ngoài ra, còn có khâu cẳng tay, khớp bản lề tạo góc lật và khâu cổ tay, tất cả đều đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng linh hoạt và chính xác của robot.

Hình 3.3 Cơ cấu lật khớp cổ tay trong tay máy robot đào hầm giếng đứng

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu lật khớp vai tay máy robot

Cơ cấu hoạt động theo nguyên lý sau: Điều khiển cổ tay gật gù lên xuống được điều khiển nhờ xy lanh

Như vậy nhiệm vụ của chương này với cơ cấu khớp cổ tay robot:

 Xác định hành trình của xy lanh để đảm bảo cẳng tay được gật gù từ [βmin÷βmax]

 Xác định áp lực xy lanh để lựa chọn xy lanh đảm bảo nâng được cổ tay theo yêu cầu công nghệ mà robot đáp ứng

3.2.3 Xy lanh tịnh tiến cẳng tay robot

Bài viết đề cập đến các thành phần quan trọng trong hệ thống thủy lực, bao gồm khớp vai, khớp lắp xy lanh thủy lực, và xy lanh thủy lực Ngoài ra, còn có khâu cố định, khớp lắp cần pittong của xy lanh thủy lực, khớp trượt, và khâu tịnh tiến, mỗi thành phần đều đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.

Từ kết cấu được mô tả trên hình 3.4 ta có sơ đồ nguyên lý chuyển động tịnh tiến cẳng tay robot được mô tả trên hình 3.5

Hình 3.4 Cơ cấu c ng tay tay máy robot

: chuyển động tịnh tiến của xy lanh cẳng tay robot

Cơ cấu hoạt động theo nguyên lý sau:

Xy lanh thủy lực được lắp đặt bên trong khâu cố định qua hai khớp, cho phép tạo ra chuyển động tịnh cho cơ cấu cẳng tay.

Tính hành trình xy lanh khớp quay vai

Xét trong mặt phẳng xOz, khâu cẳng tay xoay quanh trục khớp vai Như vậy cơ cấu ở hình 1 được mô hình hóa về dạng lược đồ hình 3 3.6

- H1là khoảng cách từ khớp vai tới khớp xy lanh

- L1 là khoảng cách từ khớp vai tới khớp cầu

- max là góc gật gù cao nhất

-  min là góc gật gù thấp nhất

-  1 max là chiều dài lớn nhất của xy lanh 1 chiếu trên mặt phẳng xOz

Hình 3.6 Mô hình h a khớp vai ở vị trí α max , α min

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý chuyển động tịnh tiến c ng tay robot

-  1 min là chiều dài nhỏ nhất của xy lanh 1 chiếu trên mặt phẳng xOz

Xét ΔO1O2A, áp dụng định lý hàm số cos, ta có: max 1

Ta xét cẳng tay ở hai trường hợp sau:

 Trường hợp vị trí cao nhất max 1

Chiều dài của xy lanh luôn là giá trị dương, vì vậy chúng ta chọn giá trị dương cho  1 max Sau khi thay thế các thông số ban đầu đã cho, chúng ta tính được giá trị  1 max.

 Trường hợp vị trí thấp nhất min 1

Do chiều dài của xy lanh luôn là giá trị dương, ta chọn giá trị dương cho  1 min Thay thế các thông số ban đầu đã cho, ta tính được giá trị của  1 min như sau:

Từ việc xác định chiều dài xy lanh ở hai vị trí cao nhất và thấp nhất, ta có thể tính toán được hành trình xy lanh tương ứng.

Tính hành trình xy lanh khớp cổ tay

- H2 là khoảng cách từ khớp cổ tay tới khớp xy lanh

- L2là khoảng cách từ khớp cổ tay tới khớp cầu

-  2 max là chiều dài lớn nhất của xy lanh 3 chiếu trên mặt phẳng xOz

-  2 min là chiều dài nhỏ nhất của xy lanh 3 chiếu trên mặt phẳng xOz

- H4 là khoảng cách từ C1 đến C2 chiếu trên mặt phẳng xOz

- là góc được xác định bởi công thức arctan( )3,58

Xét ΔC1C2D, áp dụng định lý hàm số cos, ta có:

Với α là góc tạo bởi cánh tay và phương thẳng đứng tại thời điểm tính

Ta xét cơ cấu cổ tay ở hai trường hợp sau:

 Trường hợp vị trí mở nhất

Do chiều dài của xy lanh luôn dương, chúng ta chọn giá trị dương cho  2 max Thay thế các thông số ban đầu, ta tính được giá trị  2 max như sau:

Hình 3.7 Mô hình h a khớp cổ tay ở vị trí β max , β min min

 Trường hợp vị trí thu nhất

Do chiều dài của xy lanh luôn dương, ta chọn giá trị dương cho  2 min Thay thế các thông số ban đầu, ta tính được giá trị  2 min như sau:

Từ các cơ sở tính toán chiều dài của xy lanh tại hai vị trí mở và thu hẹp, chúng ta có thể xác định được hành trình của xy lanh tương ứng.

Tính chọn xy lanh

3.5.1 Tính toán áp lực lên các xy lanh

 Tính toán áp lực xy lanh 1

Gắn trục tọa độ lên mô hình cơ cấu, ta được các lực mà tải cơ cấu phải chịu tác động như hình 3.8

- P là hợp lực tác dụng lên khâu 1 bao gồm trọng lực của cụm tay khoan và cổ tay;

- P11là trọng lực của khâu cố định của cẳng tay;

- P12là trọng ực của khâu động của cẳng tay; l

Hình 3.8 Biểu diễn lực tác dụng lên cơ cấu c ng tay

- P2 là trọng lực của xy lanh ;

Áp lực F12 là lực mà xy lanh phải chịu Để tính toán áp lực này, cần tách xy lanh ra và thay thế bằng phản lực từ xy lanh tác động lên khớp nối tại vị trí A của khâu cẳng tay.

- P12là trọng lực của khâu động của cẳng tay;

- P2 là trọng lực của xy lanh;

- F12là áp lực xy lanh phải chịu;

- L là khoảng cách từ O1đến khớp cầu;

- c1 là khoảng cách từ O1đến điểm đặt hợp lực P;

- c2 là khoảng cách từ O1 đến điểm đặt trọng lực P12;

- c3 là khoảng cách từ O1 đến điểm đặt trọng lực P11

Các thành phần lực tác dụng lên xy lanh:

- P21 là trọng lực của phần động xy lanh;

Hình 3.9 Biểu diễn lực tác dụng lên khâu 1

Hình 3.10 Các thành phần lực tác dụng lên xy lanh

- P22 là trọng lực của phần tĩnh xy lanh.

Ta xét hai vị trí của cơ cấu là vị trí cao nhất (max) và vị trí thấp nhất ( min )

 Trường hợp vị trí cao nhất Để tìm được F21, ta phân tích thành các lực như hình 3.11 sau

- P1 là thành phần lực dọc trục của P;

- P2 là thành phần lực vuông góc của P;

- P111 là thành phần lực dọc trục của P11;

- P112 là thành phần lực vuông góc của P11;

- P12là trọng lực của khâu động của cẳng tay;

- P121 là thành phần lực dọc trục của P12;

- P122 là thành phần lực vuông góc của P12;

- L là khoảng cách từ O1đến khớp cầu;

- c1 là khoảng cách từ O1đến điểm đặt hợp lực P;

- c2 là khoảng cách từ O1 đến điểm đặt trọng lực P12;

- γ1 là góc hợp giữa phương của P và phương của P1;

- γ2 là góc hợp giữa phương của P12 và phương của P121;

- γ3 là góc hợp giữa phương của P11 và phương của P111;

- μ là góc hợp giữa phương của F21 và phương của F221

Hình 3.11 Phân tích lực tác dụng lên khâu 1 trong trường hợp α max

Ta có P, P12 và P11 có phương vuông góc với trục Ox nên γ1 = γ2 = γ3 = αmax

Ba thông số trên đã được xác định ở phần tính hành trình Áp dụng định lý hàm số cos trong ΔO1O2A, ta có: cos

Ta có phương trình cần bằng mô men đối với tâm quay O1:

 sin sin sin sin max 12 2 max 3 max 12

 (3.17) Để cơ cấu trong trạng thái tĩnh thì tổng mô men bằng 0:

 Trường hợp vị trí thấp nhất (α min )

Tương tự như với trường hợp cơ cấu ở vị trí cao nhất, F21 được xác định như sau

Lực lớn nhất mà xy lanh cần thực hiện là F21max = 29312,69 [N] Để đảm bảo cơ cấu cân bằng, xy lanh phải tác động một lực đẩy theo phương trùng với phương của lực này.

55 dọc trục, có chiều ngược với chiều hợp lực F và có độ lớn bằng độ lớn hợp lực F Như vậy, lực kéo xy lanh phải thỏa mãn công thức:

Gắn trục tọa độ lên mô hình cơ cấu, ta được các lực mà cơ cấu phải chịu như hình 3.12

- P là hợp lực tác dụng lên cơ cấu cẳng tay bao gồm trọng lực của cụm tay khoan và cổ tay

- P12là trọng lực của khâu động

- là góc nghiêng của cánh tay

- P là hợp lực tác dụng lên cơ cấu cẳng tay bao gồm trọng lực của cụm tay khoan và cổ tay

- P1 là thành phần lực dọc trục của P. α α α x y

Hình 3.12 Lực tác động lên khâu tịnh tiến cơ cấu c ng tay α α P 121

Hình 3.13 Phân tích lực tác dụng lên khâu tịnh tiến cơ cấu c ng tay

- P2 làthành phần lực vuông góc của P.

- P12là trọng lực của khâu động.

- P121 là thành phần lực dọc trục của P12

- P122 là thành phần lực vuông góc của P12

- là góc nghiêng của cánh tay

Theo yêu cầu thiết kế với:

Hợp lực tác dụng theo phương dọc trục lên khâu tịnh tiến của cơ cấu cẳng tay là:

Dễ thấy, F đạt giá trị lớn nhất tại min = 20°

Để đảm bảo cơ cấu hoạt động cân bằng, xy lanh cần tạo ra một lực kéo theo phương dọc trục, ngược chiều với hợp lực F và có độ lớn tương đương với hợp lực F Do đó, lực kéo của xy lanh phải đáp ứng công thức cụ thể.

Gắn trục tọa độ lên mô hình cơ cấu, ta được các lực mà cơ cấu phải chịu như hình 3.14

Hình 3.14 Biểu diễn lực tác dụng lên cơ cấu cổ tay

- Pk là trọng lực của cụm tay khoan;

- Pclà trọng lực của cụm cổ tay;

- P3 là trọng lực của xy lanh;

Góc β được xác định là góc giữa khâu cổ tay và phương thẳng đứng Để tính toán áp lực lên xy lanh, cần tách biệt xy lanh và thay thế bằng phản lực từ xy lanh tác động lên khớp gắn với khâu cổ tay tại vị trí D.

- F43là lực do xy lanh tác dụng lên cơ cấu cổ tay;

- d1 là khoảng các từ C2 đến điểm đặt trọng lực Pc;

- d2 là khoảng các từ C2 đến điểm đặt trọng lực Pk;

- L2là khoảng cách từ khớp cổ tay đến khớp cầu;

- β là góc giữa khâu cổ tay và phương thẳng đứng.

Các thành phần lực tác dụng lên xy lanh:

- P31là trọng lực của phần động xy lanh;

- P32là trọng lực của phần tĩnh xy lanh.

Do cơ cấu chỉ hoạt động trong khoảng mở từ 0° đến 50°, chúng ta chỉ cần xem xét cơ cấu ở vị trí mở nhất Các vị trí khác có thể được phân tích bằng công thức tương tự.

Hình 3.16 Các thành phần lực tác dụng lên xy lanh

Hình 3.15 Biểu diễn lực tác dụng lên khâu 2

58 Để tìm được F43, ta phân tích thành các lực như hình 3.17 sau

- Pk1 là thành phần lực dọc trục của Pk;

- Pk2 là thành phần lực vuông góc của Pk;

- Pc1 là thành phần lực dọc trục của Pc;

- Pc2 là thành phần lực vuông góc của Pc;

- F43là lực do xy lanh tác dụng lên cơ cấu cổ tay;

- F431 là thành phần lực dọc trục của F43;

- F432 là thành phần lực vuông góc của F43;

- d1 là khoảng các từ c2 đến điểm đặt trọng lực Pc;

- d2 là khoảng các từ c2 đến điểm đặt trọng lực Pk;

- L2là khoảng cách từ khớp cổ tay đến khớp cầu;

-  1 là góc hợp giữa phương của Pkvà phương của trục;

-  2 là góc hợp giữa phương của Pc và phương của trục;

- ρ là góc hợp giữa phương của F43 và phương của trục;

- β là góc giữa khâu cổ tay và phương thẳng đứng

Ta có Pc và Pk có phương vuông góc với trục Ox nên:  1 = 2= βmax

Hình 3.17 Phân tích lực tác dụng lên khâu 2

Ba thông số trên đã được xác định ở phần tính hành trình. Áp dụng định lý hàm số cos trong ΔC1C2D, ta có: cos  max 2

Ta có phương trình cân bằng mô men đối với tâm quay C2:

 sin sin sin max 2 max 43 2

 (3.27) Để cơ cấu trong trạng thái tĩnh thì tổng mô men bằng 0:

Để đạt được cơ cấu cân bằng, xy lanh cần tác động một lực kéo có phương trùng với phương dọc trục, ngược chiều với hợp lực F và có độ lớn bằng độ lớn của hợp lực F Do đó, lực kéo của xy lanh phải tuân theo công thức cụ thể.

3.5.2 Tính đường kính xy lanh

Xy lanh có dạng sơ đồ nguyên lý được biểu diễn như trong hình 3.18

- D: Đường kính trong xy lanh;

Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý xy lanh thủy lực

- d: Đường kính cần xy lanh;

- A1: Diện tích tiết diện pitong;

- A3: Diện tích tiết diện pitong vùng vành khăn xy lanh;

- Fđ: Lực đẩy của xy lanh

Diện tích pittông và diện tích vùng vành khăn:

Lực đẩy của xy lanh thủy lực:

F đ = pA1 (3.32) Áp suất bên trong xy lanh:

- A1: diện tích tiết diện pittông [mm 2 ]

- p: áp suất trong xy lanh [N/mm 2 ]

- F đ : lực đẩy của xy lanh [N] Áp suất của xy lanh sẽ tính bởi công thức:

Với  : hiệu suất, tra bảng 3.1

Bảng 3.1 Hiệu suất xylanh thủy lực p (bar) 30 120 160

Thay A1từ (3.31) vào (3.34) ta được:

D2 F đ (3.36) Để xy lanh làm việc an toàn ta chọn áp suất 30 [bar] = 3 [N/mm 2 ] tương ứng hiệu suất  0,9

Từ công thức (3 36) ta xác định đường kính lòng trong của xy lanh thủy lực:

Tra bảng 2 ta chọn xy lanh có thông số như sau:

Xy lanh 1 Xy lanh 2 Xy lanh 3 Đường kính lòng trong D [mm] D 1 = 120 D 2 = 50 D 3 = 80 Đường kính cần d [mm] d 1 90 = d 2 35 = d 3 50 =

Sơ đồ nguyên lý xy lanh thủy lực biểu diễn quan hệ giữa lưu lượng và vận tốc theo diện tích pitong của xy lanh như hình 3.19

- A1: diện tích của xylanh [mm 2 ]

Lưu lượng dầu chảy vào xylanh được tính theo công thức sau:

Hình 3.19 Các giá trị Q, v, A của xy lanh

Chọn vận tốc đẩy của xy lanh là v = 0,1 [m/s] = 100 [mm/s], thay vào công thức, ta tính được lưu lượng dầu của xy lanh 1, xy lanh 2 và xy lanh 3 như sau:

Xy lanh 1 Xy lanh 2 Xy lanh 3 Diện tích A 1 [mm 2 ] 11304 1962,5 5024 Lưu lượng dầu Q [lít/phút] 67,824 11,775 30,144

Bảng 3.2 Catalog xy lanh thủy lực

Diện tích Lực tại 250 bar Lưu lượng tại 0,1m/s

Piston Vùng cần Vành khăn Đẩy Chênh Đẩy Chênh

Phân tích lực tác động lên một số khớp

3.6.1 Khớp xoay lật cánh tay Để đơn giản trong tính toán, ta kí hiệu các khớp trong cụm chi tiết số 1 như hình 3.20

1- Khâu cố định của robot (gắn trên thân robot).

2- Khớp bản lề đỡ cánh tay tạo chuyển động lật.

2.1- Chốt lỗ của khớp 2.2- Tai của khớp.

4- Khớp bản lề tạo chuyển động lật trong không gian của xylanh.

5- Xylanh tạo chuyển động lật cánh tay robot

6- Khớp bản lề tạo góc lật. Để phân tích lực tác dụng lên khâu 3 và khớp tạo chuyển động lật, ta sẽ xét trong trường hợp xylanh chịu áp lực lớn nhất là khi cẳng tay ngẩng lên một góc max Ở trường hợp này ta coi liên kết tại O1 là liên kết bản lề phẳng, các lực tác động lên cơ cấu đã được xác định ở chương 2, nên có hình 3.21

Hình 3.20 Cơ cấu lật khớp vai trong tay máy robot đào hầm giếng đứn g

- P là hợp lực tác dụng lên khâu 3 bao gồm: trọng lực của cụm tay khoan, cổ tay

- P12 là trọng lực khâu động của cẳng tay

- P11 là trọng lực khâu cố định của cẳng tay

- F21 là lực do xy lanh (1) tác động.

- F21x là thành phần lực song song với trục O1xπ của F21

- F21z là thành phần lực vuông góc với trục O1zπ của F21.

- Liên kết bản lề phẳng tại O1: Phản lực liên kết được phân tích làm hai thành phần vuông góc với nhau là ZO1 và XO1.

- αmax là góc hợp giữa phương của khâu 3 và trục z.

- μ là góc hợp giữa phương của lực F21 và trục khâu 3.

- μ1 là góc hợp giữa phương của lực F21 và trục x.

- μ2 là góc hợp giữa phương của khâu 3 và trục x.

 Tính hai thành phần F21x và F21z:

Ta có: F21x vuông góc với trục z nên αmax + μ2 2

(với F21 đã được xác định ở phần tính áp lực xy lanh ở trên) α max α max μ 1 μ μ 2

Hình 3.21 Biểu diễn lực tác động lên khâu 3 và khớp tạo chuyển động lật trong mặt ph ng π

 Tính toán XO1 và ZB1:

Tổng các lực tác động lên khâu 3 và khớp tại O1 theo phương O1x π :

Tổng các lực tác động lên khâu 3 và khớp tại O1 theo phương O1zπ:

 F kz  Z O 1  P 11  F 21 z  P 12  P (3.46) Để cơ cấu cân bằng thì tổng các lực tác động lên khớp tại O1 theo phương O1xπ và O1zπ phải bằng 0:

Từ các công thức (3.45), (3.46), thế vào công thức (3.47), giải hệ phương trình ta được:

3.6.2 Cụm khớp lật 4 Để đơn giản trong tính toán, ta kí hiệu các khớp trong cụm chi tiết số 1 như trên hình 3.22

Hình 3.22 Cơ cấu lật khớp vai trong tay máy robot đào hầm giếng đứng

4.1- Chốt lỗ của khớp 4.2- Tai của khớp.

6- Khớp bản lề tạo góc lật Để phân tích lực tác động lên khớp 4 ta sẽ xét trong trường hợp xylanh chịu áp lực lớn nhất khi cẳng tay ngẩng lên một góc max Ở trường hợp này ta coi liên kết tại O3 là liên kết bản lề phẳng, các lực tác động lên cơ cấu đã được xác định ở trên, nên có hình 3.23

- P51 là trọng lực khâu động của xylanh

- P52 là trọng lực khâu cố định của xylanh

- F1là lực tác động lên xy lanh 5.

- F1x là thành phần lực song song với trục O1x của F1

- F1z là thành phần lực song song với trục O1z của F1.

- Liên kết bản lề phẳng tại O3: Phản lực liên kết được phân tích làm hai thành phần vuông góc với nhau là Z O 3 và

- ϴ là góc hợp giữa phương của xylanh và trục O2x.

 Tính toán XO2 và ZO2:

Tổng các lực tác động lên xylanh và khớp tại O3 theo phương O2x:

Tổng các lực tác động lên xylanh và khớp tại O3 theo phương O2z:

Hình 3.23 Biểu diễn lực tác động lên xylanh và khớp bản lề

67 Để cơ cấu cân bằng thì tổng các lực tác động lên khớp tại O3 theo phương O2x và O2z phải bằng 0:

Từ các công thức (3.49), (3.50), thế vào công thức (3 ), giải hệ phương trình 51 ta được:

3.6.3 Cụm khớp lật 6 Để đơn giản trong tính toán, ta kí hiệu các khớp trong cụm chi tiết số 6 như hình 3.24

6- Khớp bản lề tạo góc lật.

Để phân tích lực tác động lên xylanh và khớp, chúng ta sẽ xem xét trường hợp xylanh chịu áp lực lớn nhất khi cẳng tay được nâng lên một góc tối đa Trong tình huống này, chốt lỗ của khớp và tai của khớp sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng chịu lực của hệ thống.

Hình 3.24 Cơ cấu lật khớp vai trong tay máy robot đào hầm giếng đứng

68 ta coi liên kết tại O2 là liên kết bản lề phẳng, các lực tác động lên cơ cấu đã được xác định ở trên, nên có hình 3.25

- P51 là trọng lực khâu động của xy lanh

- P52 là trọng lực khâu cố định của xy lanh

- F1là lực tác động lên xy lanh 5.

- F1x là thành phần lực song song với trục O1x của F1

- F1z là thành phần lực song song với trục O1z của F1

- Liên kết bản lề phẳng tại O2: Phản lực liên kết được phân tích làm hai thành phần vuông góc với nhau là Z O 2 và

- ϴ là góc hợp giữa phương của xy lanh (1) và trục O2x

 Tính toán XO1 và ZO1:

Tổng các lực tác động lên xylanh và khớp tại O2 theo phương O2x:

Tổng các lực tác động lên xylanh và khớp tại O2 theo phương O2z:

 F kz  Z O 2  P 51  P 52  F 1 z (3.54) Để cơ cấu cân bằng thì tổng các lực tác động lên khớp tại O2 theo phương O2xπ và O2zπ phải bằng 0:

Từ các công thức (3.53), (3.54), thế vào công thức (3 ), giải hệ phương trình 55 ta được:

Hình 3.25 Biểu diễn lực tác động lên xy lanh và khớp bản lề tạo g c lật

Tính toán kết cấu chốt

Mặt cắt kết cấu khớp được mô tả như hình 3.26

1 - Chốt lỗ trên của khớp

R O - Lực tác động lên chốt

Chiều dài giữa hai điểm đặt lực d, tương ứng với đường kính chốt, là yếu tố quan trọng trong việc tính toán lực và mômen Để đơn giản hóa, lực tác dụng được đặt tại trung điểm của chốt, dẫn đến việc xuất hiện hai phản lực tại hai tai trên của khớp bản lề Điều này cũng đồng nghĩa với việc chốt có nguy cơ bị uốn và cắt.

Từ đó, ta có thể vẽ được sơ đồ chịu lực của chốt (hình 27a), biểu đồ lực cắt Q 3 (hình 3.27b) và biểu đồ momen uốn Mx (hình 3.27c) d

Hình 3.26 Mặt cắt kết cấu khớp

Lực tác động lên chốt lên được xác định như phần a) có giá trị:

X - lực tác động theo phương x.

Z - lực tác động theo phương z.

Mặt cắt nguy hiểm tại vị trí có giá trị M x lớn nhất, theo như biểu đồ momen uốn, ta tìm được giá trị của M x max :

M  (3.58) Ứng suất tương đương theo thuyết bền thế năng biến đổi hình dạng:

   t - Ứng suất cho phép của trục để trục đủ bền

 td - Ứng suất tương đương

Hình 3.27 a) Sơ đồ chịu lực của chốt b) Biểu diễn lực cắt c) Biểu diễn momen uốn

Các giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp có thể xác định theo hai công thức dưới đây:

M – Momen uốn tại mặt cắt đang xét d – Đường kính chốt

Q – Lực cắt tại mặt cắt đang xét.

Dựa vào các thuyết bền trong sức bền vật liệu, chúng ta có thể bỏ qua giá trị của ứng suất tiếp và chỉ xem xét giá trị của [σt], nằm trong khoảng từ 60 đến 80 MPa, tùy thuộc vào loại vật liệu được chọn để làm chốt.

Từ công thức (3.41) và (3.42), ta tìm được đường kính chốt:

Trong đó giá trị M lấy giá trị lớn nhất M x max đã được xác định ở công thức (3.58), từ đó ta chọn được đường kính chốt thích hợp.

 Kiểm nghiệm Để kiểm nghiệm lại tính toán đường kính chốt đã nêu ở trên, ta sử dụng công thức (3.40) để kiểm nghiệm lại điều kiện bền của chốt

Theo công thức (3.42) ta tính được giá trị ứng suất tiếp τk với giá trị

Để xác định giá trị σtd từ biểu thức (3.40), nếu σtd ≤ [σt], đường kính chốt đã chọn là hợp lý Ngược lại, nếu σtd > [σt], cần chọn lại đường kính chốt d và tiến hành kiểm nghiệm lại để đảm bảo tính thích hợp.

Tính toán kết cấu tai

Các thông số kích thước bích trên được biểu diễn như hình 3.28

Do tác động lực của cơ cấu cẳng thay tác dụng lên tai, các dạng phá hủy của tai được biểu diễn như hình 3.29

Trong đó: 1 Bị cắt đứt; 2 Bị dập; 3 Bị kéo đứt

Hình 3.29 Các dạng phá hủy của tai

Hình 3.28 Các thông số kích thước bích trên

Từ các dạng hư hại trên bề mặt chi tiết, chúng ta có thể xác định kích thước của các khớp dựa trên các ứng suất cho phép, nhằm ngăn ngừa sự phá hủy của kết cấu.

Khi lực kéo tác động vào kết cấu ở vị trí góc α = αmax, tai sẽ bị cắt đứt tại đỉnh do lực tác động Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc xác định điều kiện bền cắt của tai để đảm bảo tính ổn định và an toàn của kết cấu.

2 (3.63) Trong đó: τ - ứng suất cắt.

Q - lực từ chốt tác động lên tai, lấy

Q R t2.2 - chiều dày tai. δ2.2 - chiều dày vành tai δ2.2 = R2.2 – r2.2 r2.2- bán kính lỗ, lấy r2.2 = r2.1 đã được tính ở trên.

[τc] - ứng suất cắt đứt cho phép.

Kiểm tra lại các kết quả tính toán cho ứng suất dập và ứng suất kéo Nếu cấu trúc chưa đạt yêu cầu bền vững, cần điều chỉnh các giá trị của t2.2 và δ2.2 để đảm bảo kết cấu đủ bền trong mọi tình huống.

Lực tác dụng theo phương x lên tai của cơ chi tiết gây ra một vùng bị dập Theo công thức tính ứng suất dập, chúng ta có thể xác định mức độ ứng suất trong vùng này.

Trong đó: σd - là ứng suất dập.

Q - là lực từ chốt tác dụng lên tai

[σd] - là ứng suất cho phép theo điều kiện va đập khi làm việc.

Từ đó ta chọn được chiều dày tai:

Khi chọn chiều dày tối đa của tai, cần đảm bảo rằng \( d_2 \) không vượt quá \( 2d_1 \) Sau đó, kiểm nghiệm lại bằng công thức (3.15); nếu \( \sigma_d \) nhỏ hơn hoặc bằng \( \sigma_d \), thì điều kiện bền đủ; nếu \( \sigma_d \) lớn hơn \( \sigma_d \), cần xem xét lại kích thước tai hoặc điều chỉnh đường kính chốt \( d \).

Trường hợp bị kéo đứt xảy ra khi cơ cấu ở vị trí có góc α = αmax, như mô tả trong hình ở chương 2 Lúc này, tai chịu lực kéo từ dưới lên, dẫn đến tình trạng kéo đứt hai bên tai Do hình dáng không đối xứng và chiều dày vành tai không bằng nhau, chúng ta chỉ tính toán ở vị trí có vành tai nhỏ hơn, được thể hiện trong hình 3.29 Tính toán theo ứng suất kéo cho kết quả cụ thể.

Trong đó: σ k - ứng suất kéo.

Q- lực từ chốt tác dụng lên tai, lấy

Q R t2.2 - chiều dày tai. δ 2.2 - chiều dày vành tai δ2.2 = D2.2 d– 2.2

[σ k]- ứng suất kéo cho phép.

Từ đó, ta xác định giá trị của vành tai δ2.2:

Để đảm bảo kết cấu đủ bền, cần chọn giá trị δ2.2 phù hợp và kiểm nghiệm lại giá trị này bằng công thức (3.17) Nếu kết quả không đạt yêu cầu về độ bền, có thể xem xét tăng giá trị t2.2 hoặc δ2.2.

Tính chọn xy lanh và một số khớp

Dựa trên các thông số ban đầu, chương đã xác định và tính toán các thông số của ba xy lanh chính Từ đó, thông qua catalog xy lanh thủy lực, đã lựa chọn được các loại xy lanh thủy lực tác động hai chiều phù hợp.

- H1 = 1600mm - khoảng cách từ khớp vai tới khớp xy lanh

- L1 = 500mm - khoảng cách từ khớp vai tới khớp cầu

- α góc tạo bởi cánh tay và với phương thẳng đứng-

- H2 = 720mm - khoảng cách từ khớp cổ tay tới khớp xy lanh

- L2 = 400mm - khoảng cách từ khớp cổ tay tới khớp cầu

- β góc tạo bởi cơ cấu cổ tay và phương thẳng đứng-

- P11 = 1000 [N] - trọng lực của khâu cố định cơ cấu cẳng tay

- P12 = 600 [N] - trọng lực của khâu động cơ cấu cẳng tay

- P = 5000 [N] - trọng lực của cụm tay khoan

- Pc = 1000 [N] - trọng lực của cụm cổ tay

 Thông số tính toán, lựa chn:

Thông s ố Xy lanh 1 Xy lanh 2 Xy lanh 3 Giá tr ị  max [mm] 1547,87 719,23

L c tác d ng l n nh t F ự ụ ớ ấ max [N] 29312,69 10348,07 5262,28 Đường kính lòng trong D [mm] 120 80 50 Đườ ng kính c n d [mm] ầ 90 50 35

Lưu lượ ng d u Q [Lít/phút] ầ 67,824 30,144 11,775

3.9.2 Tính toán lựa chọn một số khớp

 Các số liệu cho trước

Với vật liệu chọn là thép C45, có các giá trị ứng suất :

- Lấy hệ số an toàn s = 2.

Có công thức tính ứng suất giới hạn :

Do tính toán đều trong trạng thái tĩnh nên tính theo ứng suất chảy:     200

- Xét trường hợp có lực tác động lên xy lanh là lớn nhất với góc tạo bởi cánh tay và phương thẳng đứng  max = 75°, giá trị góc μ = 86,82 o

 Tính toán lực tác động Áp dụng các công thức (3.48) và các số liệu tính toán lực ở chương , tính được 3 các giá trị lực các động :

Các đơn vị của lực tính bằng N

 Tính toán kích thước chốt 2.1

Chọn chiều dài của chốt  2 1 = 80 [mm]

Với các giá trị lực trên : Mmax = 712855,2 [Nm m] Áp dụng công thức (3.62), đường kính chốt d2.1 = 32,91 mm, chọn d2.1 = 36 mm Kiểm nghiệm lại theo công thức (3.64 ):

Như vậy, kích thước chọn là đủ bền

 Tính toán kích thước tai 2.2

Theo công tức (3 ), tính được chiều dà65 y tai t2.2 = 5,4 mm Chọn chiều dày tai t2.2 = 15 mm

Theo công thức (3 ), tính được chiều dày vành tai δ67 2.2 = 16,5 mm Chọn chiều dày vành tai δ2.2 = 20 mm

Các kích thước này đã được kiểm nghiệm lại là đủ bền

 Tính toán lực tác động Áp dụng các công thức (3 ) và các số liệu tính toán lực ở chương , tính được 52 3 các giá trị lực các động :

Với các giá trị lực trên: Mmax = 586253,76 [Nmm] Áp dụng công thức (3.62), đường kính chốt d4.1 = 30,8 mm, chọn d4.1 = 36 mm

Kiểm nghiệm lại theo công thức (3.64 ):

Như vậy, kích thước chọn là đủ bền.

Theo công tức (3 ), tính được chiều dày tai t65 4.2 = 4,8 mm Chọn chiều dày tai t4.2 = 10 mm

Các kích thước này đã được kiểm nghiệm lại là đủ bền.

 Tính toán lực tác động Áp dụng các công thức (3 ) và các số liệu tính toán lực ở chương , tính được 56 3 các giá trị lực các động :

Với các giá trị lực trên : Mmax = 586253,76 [Nmm] Áp dụng công thức (3.62), đường kính chốt d6.1 = 30,8 mm, chọn d2.1 = 36 mm Kiểm nghiệm lại theo công thức (3.64 ):

Như vậy, kích thước chọn là đủ bền

Theo công tức (3 ), tính được chiều dày tai t65 6.2 = 4,8 mm Chọn chiều dày tai t2.2 = 15 mm

Các kích thước này đã được kiểm nghiệm lại là đủ bền

 Thông số tính toán, lựa chn:

Chi u dài ch t ề ố  2 1 = 80 [mm]  4 1 = 60 [mm]  6 1 = 80 [mm] Đườ ng kính ch t ố d 2.1 = 36 [mm] d 4.1 = 30 [mm] d 6.1 = 36 [mm] Chi u dày tai ề t 2.2 = 15 [mm] t 4.2 = 10 [mm] t 6.2 = 15 [mm] Chi u dày vành tai ề δ 2.2 = 20 [mm] δ 4.2 = 10 [mm] δ 6.2 = 20 [mm]

Chương 3 đã xây dựng công thức và tính toán để lựa chọn thông số xy lanh phù hợp dựa trên các thông số kỹ thuật đã cho Trên cơ sở các thông số đã chọn, độ bền của một số khớp quan trọng cũng được tính toán và kiểm nghiệm Các thông số và kích thước của xy lanh cùng các cụm khớp được trình bày rõ ràng.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I Các kết quả của luận văn

Luận văn đã đạt được những kết quả quan trọng như sau: i) Hệ thống hoá tài liệu từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả trong và ngoài nước, để tạo ra một tài liệu tổng quan về các công nghệ thi công giếng đứng, đặc biệt là công nghệ khoan lỗ nổ mìn, phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực thi công công trình ngầm và thiết kế robot thi công ii) Điểm mới của luận văn là đề xuất giải pháp điều khiển hình động học cho hệ thống robot thuỷ lực 2 bậc tự do trong thi công giếng đứng iii) Kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng qua mô phỏng, cho phép phát triển phần mềm tự động điều khiển cho các thiết bị bán tự động tại Việt Nam, nhằm điều khiển hệ thống tay máy robot thuỷ lực theo hộ chiếu nổ mìn Luận văn này có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả thi công giếng đứng bằng công nghệ khoan nổ mìn.

II Những đề xuất tiếp theo

Luận văn đã đóng góp một phần khiêm tốn vào nghiên cứu thiết bị khoan lỗ nổ mìn và hướng tới việc thiết kế chế tạo robot đáp ứng công nghệ Để hoàn thiện đề tài, cần tiếp tục nghiên cứu về thuật điều khiển độc lập các tay máy cho hộ chiếu nổ mìn phức tạp, tối ưu hoá kết cấu của robot và cánh tay robot Hơn nữa, việc nghiên cứu và hoàn thiện thiết kế cơ khí, hệ thống điện, thủy lực, định vị và cảm biến là cần thiết để tự động hoá hoàn toàn quá trình thi công, đồng thời tăng độ tin cậy và cứng vững của thiết bị khi tự hành.

Tiêu đề	Mô Phỏng Động Học Tay Máy 25 Bậc Tự Do Khoan Lỗ Nổ Mìn Trong Thi Công Giếng Đứng
Tác giả	Phạm Hoàng Tùng
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Thùy Dương
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Cơ Điện Tử
Thể loại	Luận Văn Thạc Sĩ
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	94
Dung lượng	9,07 MB