Thiết kế và mô phỏng máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC

Từ nhu cầu đó đề tài: thiết kế và mô phỏng máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC được xây dựng nhằm thực hiện các công đoạn cắt ống ở trên một cách tự động, chính xác và nhanh h

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài: Thiết kế và mô phỏng máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC……

Tác giả luận văn:.…Phan Huy Lê………Khóa: 2009-2010………

Người hướng dẫn: ……PGS.TS.Tăng Huy………

Nội dung tóm tắt:

a) Lý do chọn đề tài

Hiện nay việc chế tạo giàn khoan dầu khí và các hệ thống dẫn dầu, khí của các nhà máy lọc dầu đang là các công trình quan trọng, khối lượng lớn trong công nghiệp Việt Nam Trong các công trình đó, việc chế tạo kết cấu lớn từ phôi thép ống chiếm chủ yếu Việc cắt các ống đó yêu cầu chính xác đảm bảo khe hở hợp lý cho quá trình hàn lắp hệ thống ống về sau, đặc biệt là các nút giao nhau của nhiều ống với nhau Từ nhu cầu đó đề tài:

thiết kế và mô phỏng máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC được xây dựng

nhằm thực hiện các công đoạn cắt ống ở trên một cách tự động, chính xác và nhanh hơn

b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích của đề tài là thiết kế ra máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC, phục

vụ trong các công trình xây dựng hệ thống giàn khoan dầu khí hoặc hệ thống dẫn dầu, khí Các hệ thống trên thường được xây dựng bằng phương pháp cắt, hàn ghép các phôi ống tròn với nhau Trong đó các ở các nút giao nhau của hệ giàn, các đầu ống thường có biên dạng ống phức tạp, cần cắt chính xác để đảm bảo khe hở hàn hợp lý Do vậy, đối tượng của đề tài này nghiên cứu thiết kế thiết bị cắt ống di động, có thể bám trên các ống

có đường kính khác nhau, phạm vi đường kính từ 200mm đến trên 1000m

Máy sử dụng nguồn cắt plasma hoặc oxy-axetilen để cắt các loại ống kim loại chủ yếu là thép

Máy được điều khiển tự động bám theo quỹ đạo giao của 2 ống trụ với nhau với

mô hình máy gồm 2 bậc tự do gồm: bậc thứ nhất chuyển động quay tròn quanh bề mặt ống, bậc thứ 2 chuyển động dọc đường sinh của ống

Máy được cố định trên mặt ống bởi hệ thống cáp quấn quanh thân ống

c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

Chương 1: tổng quan Chương 2: lý thuyết biên dạng ống và phân tích kết cấu đã có

Trong chương này, lý thuyết biên dạng ống được nghiên cứu ở bài toán tổng quát là: hai ống trụ - đường kính d1, d2 chéo nhau một góc phi trong không gian và khoảng cách trục là l- giao nhau Từ đó phương trình giao tuyến được xây dựng để phát triển phần mềm điều khiển trên máy tính về sau và ứng dụng để điều khiển các trục chuyển

Chương 3: thiết kế kết cấu cơ khí cho toàn máy

Từ việc phân tích kết cấu của máy cắt di động có sẵn trên thị trường, kết cấu cơ khí của máy được thiết kế sao cho gọn nhất, tổng khối lượng của máy không quá 20kg Máy cắt được các đường kính ống từ 200mm đến trên 1000mm và hành trình tính theo đường sinh ống là 400mm Máy sử dụng các kết cấu chính xác, nhỏ gọn như : vitme bi, hộp giảm tốc bánh răng sóng

Chương 4: thiết kế hệ thống điều khiển Thiết kế tổng thể phần cứng, mạch điều khiển cho hệ thống điều khiển CNC cho máy Động cơ servo được điều khiển bằng phần mềm trên máy tính thông qua hệ thống card điều khiển chuyển động của Advantech và các driver của động cơ hãng misubishi Chương 5: Mô phỏng máy trên ngôn ngữ C++ và thư viện openGL

Mô phỏng hoạt động của máy trên giao diện của C++ và openGL, từ đó phát triển thêm để xây dựng phần mềm điều khiển máy trên máy tính

d) Phương pháp nghiên cứu

Bài toán xuất phát từ nhu cầu thực tế Từ nhu cầu đó, các ý tưởng thiết kế máy được hình thành dựa trên các loại máy đã có Máy được nghiên cứu để hoàn thiện hơn

về thiết kế cơ khí Đồng thời kết hợp các kiến thức về tự động hóa, lập trình để xây dựng

hệ thống điều khiển cho máy

e) Kết luận

Qua thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã thực hiện được những nội dung như sau:

Phương trình tính toán quỹ đạo cắt

Tự động hóa, điều khiển CNC máy dẫn đến độ chính xác cao hơn

Sử dụng các kết cấu cơ khí nhỏ gọn trong thiết kế: bánh răng sóng Kết hợp C++ và thư viện opengl để mô phỏng quá trình hoạt động của cơ cấu máy

Máy cắt cần được hoàn thiện trong việc thiết kế, mô phỏng và chế tạo, nhanh chóng có thể ứng dụng được Qua quá trình thực hiện thì tác giả cũng nhận thấy các yếu

tố cần được phát triển thêm:

Thêm một bậc tự do để thay đổi góc của đầu cắt với mép hàn sử dụng trong trường hợp có sử dụng vát mép cắt

Mở rộng trường hợp cho phương trình của quỹ đạo là giao nhau của mặt phẳng với ống tròn, hoặc các đường cong bất kỳ được nhập từ chương trình CAD

Lập quy trình chế tạo cho các chi tiết, lắp ráp thành sản phẩm thật

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Phan Huy Lê

Nơi công tác: Bm Hàn & CNKL – Viện Cơ Khí – Trường Đại học BKHN

Tên đề tài: Thiết kế và mô phỏng máy cắt biên dạng ống tự dộng điều khiển CNC

Chuyên ngành: công nghệ chế tạo máy

Tôi xin cam đoan nội dung trình bày trong luận văn này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Tăng Huy Số liệu, kết quả tính toán là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố ở bất kỳ một công trình nghiên cứu nào khác

Tác giả:

Phan Huy Lê

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRANG

Hình I.1 Hệ thống giàn khoan tự nâng 8 

Hình I.2 Tổ hợp chân giàn khoan 9 

Hình I.3 Mô hình chân giàn khoan 1 

Hình I.4 Hiện trường xây dựng hệ thống giàn khoan 10 

Hình I.5 Công tác chuẩn bị hàn ống 1 

Hình I.7: Nhà máy lọc dầu 11 

Hình I.6 Các biên dạng ống 1 

Hình I.8: Hệ thống ống dẫn 1 

Hình I.9: quy trình cắt biên dạng ống thủ công 13 

Hình I.10 Cắt biên dạng ống thủ công 1 

Hình I.11: Máy CNC cỡ lớn 1 

Hình I.12: Máy cắt Beveler 1 

Hình I.13: Máy cắt bằng dụng cụ có lưỡi 1 

Hình I.14: Máy cắt hãng Koike 1 

Hình II.1 Hệ tọa độ của 2 ống giao nhau 1 

Hình II.2: Giao tuyến của 2 mặt trụ 1 

Hình II.3: Kết cấu máy cắt của hãng Koike 1 

Hình II.4: Máy auto Picle-S 25 

Hình III.1: Sơ đồ nguyên lý cắt Plasma 27 

Hình III.2: Nguồn cắt plasma D12000 1 

Hình III.3: Đồ thị vận tốc cắt so với chiều dày cắt 30 

Hình III.4: Đồ thị tốc độ cắt để đạt được chất lượng mép cắt cao nhất 30 

Hình III.5: Thông số chế độ cắt thép bằng ngọn lửa oxy+axetylen 34 

Hình III.6: Sơ đồ vận tốc cắt 35 

Hình III.7: Tổng thể kết cấu cơ khí của máy 1 

Hình III.8: Sơ đồ lực tác dụng lên máy 1 

Hình III.9: Thông số đai 1 

Hình III.10: kết cấu hộp giảm tốc bánh răng sóng 43 

Hình III.12Kết quả kiểm nghiệm trục 45 

Hình III.11: Kết cấu trục bánh chủ động 1 

Hình III.13: Sơ đồ bố trí ổ lăn 1 

Hình III.14: Kết cấu thân 1 

Hình III.15: Sơ đồ đặt lực lên thân 1 

Hình III.16: Kết quả 48 

Hình III.17: vitme KS05 Hiwin 51 

Hình IV.1: Sơ đồ khối tổng thể hệ thống điều khiển 53 

Hình IV.2: Sơ đồ khối card điều khiển 4 trục PCI-1240U 58 

Hình IV.3: Các tín hiệu điều khiển của PCI-1240U 59 

Hình IV.4: Modun ghép nối ADAM-3952 60 

Hình IV.5: Ghép nối các tín hiệu điều khiển giữa card điều khiển PCI-1240U và bộ điều khiển động cơ ASD-B 67 

Hình IV.6:Ghép nối các tín hiệu điều khiển giữa card điều khiển PCI-1240U và bộ điều khiển động cơ ASD-A 68 

Hình V.1: Cơ chế hoạt động của OpenGl 73 

Hình V.2: Các đối tượng đồ họa cơ bản 75 

Hình V.3: Mô hình cơ bản 78 

Hình V.4: Chi tiết ống 79 

Hình V.5: sơ đồ khối mô phỏng 83 

Hình V.6: Giao diện chương trình mô phỏng 85 

Hình V.7: Phần màn hình mô phỏng 85 

Hình V.8: Bảng điều khiển mô phỏng 1 

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 7

1.1 Nhu cầu thực tế cắt ống theo biên dạng 7

1.2 Các phương pháp cắt biên dạng ống 13

CHƯƠNG II LÝ THUYẾT VỀ BIÊN DẠNG ỐNG VÀ PHÂN TÍCH CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 17

2.1 Giải phương trình giao tuyến của hai hình trụ 17

2.2 Phân tính chọn giải pháp thiết kế cơ khí 24

CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 27

3.1 Lựa chọn hệ thống cắt 27

3.1.1 Nguyên lý cắt plasma: 27

3.1.2 Hệ thống cắt plasma OTC Daihen D12000 29

3.1.3 Hệ Thống cắt bằng khí oxy+ axetylen [6] 32

3.2 Tính toán, lựa chọn kết cấu cơ khí 35

3.2.1 Tính toán động học 35

3.2.2 Tính toán, lựa chọn bộ truyền 36

3.2.3 Thiết kế hệ thống cơ khí thực hiện chuyển động dọc ống 1

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 51_Toc303930648 4.1 Yêu cầu hệ thống điều khiển chuyển động 51

4.2 Cấu trúc hệ thống 53

4.2.1.1 Máy tính 54

4.2.1.2 Card điều khiển chuyển động 4 trục[11] 55

4.2.1.3 Modun ghép nối 59

4.2.1.4 Bàn phím điều khiển 60

4.2.1.5 Hệ truyền động xoay chiều servo 60

4.2.1.6 Đặc điểm và thông số kỹ thuật của biến tần ASD-A 61

4.2.1.7 Thông số kỹ thuật của ASD-A series 63

4.2.1.8 Thông số kỹ thuật của ASD-B series 65

4.2.2 Ghép nối máy tính PC và card PCI-1240U 66

4.2.3 Ghép nối ADAM-3952 và ASDA-A 66

4.2.4 Ghép nối bảng điều khiển cầm tay (handheld control panel) và bộ điều khiển PCI-1240U 69

4.2.5 Thiết kế giao diện phần mềm điều khiển 70

4.2.6 Xây dựng thuật toán điều khiển 70

CHƯƠNG V MÔ PHỎNG 72

5.1 Giới thiệu về Visual C++ và thư viện MFC, OPENGL 72

5.2 Mô hình hóa cơ cấu máy ở dạng đơn giản 77

5.2.1 Xây dựng mô hình 77

5.3 Mã nguồn chương trình: 81

5.3.1 Khai báo biến 81

5.3.2 Xây dựng phương trình mô phỏng 82

5.3.3 Giao diện mô phỏng 85

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, việc chế tạo các giàn khoan dầu khí đã được chính phủ giao cho các nhà thầu trong nước chủ động thực hiện Các kết cấu giàn khoan chủ yếu được chế tạo từ thép ống tròn bằng phương pháp cắt, hàn Việc cắt phôi thép yêu cầu phải đảm bảo biên dạng chính xác để khi ghép nối lại đảm bảo khe hở hàn hợp lý, đặc biệt tại các nút giao nhau của nhiều ống thì yêu cầu này lại càng cao Máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC cho phép thực hiện thao tác cắt nhanh và chính xác; chỉ cần nhập đường kính các ống cần cắt, góc giao nhau giữa 2 ống, máy sẽ tự động tính toán quỹ đạo và điều khiển đầu cắt bám theo quỹ đạo đó khi cắt Hiện nay trong nước chưa có công ty nào sản xuất được máy này Trong khi các công ty nước ngoài đã sản xuất và cung cấp máy này với giá thành rất cao

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC, tiến tới chế tạo thành công thiết bị này phục vụ cho chế tạo giàn khoan

• Giảm được kích thước khối và lượng của máy cắt, dễ dàng vận chuyển đến các công trường

Tác giả:

Phan Huy Lê

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Nhu cầu thực tế cắt ống theo biên dạng

a Dự án chế tạo giàn khoan tự nâng 90m nước

Các loại giàn khoan tự nâng độ sâu 60m nước trở lên; giàn khoan nửa nổi nửa chìm, tàu khoan phục vụ thăm dò, khai thác dầu khí nằm trong danh mục các sản phẩm cơ khí trọng điểm giai đoạn từ năm 2009 đến 2015 (theo quyết định của thủ tướng chính phủ số 10/2009.QĐ-TTg ngày 16/01/2009 Đây là dự án đóng giàn tự nâng đầu tiên ở Việt Nam Dự án có tổng vốn đầu tư hơn 180 triệu USD, do Công

ty Cổ phần Chế tạo giàn khoan Dầu khí (PV Shipyard) làm tổng thầu

“Giàn khoan tự nâng 90 mét nước” là một tổ hợp giàn khoan tự nâng, di động, có quy mô lớn trên biển, và là sản phẩm cơ khí chế tạo ứng dụng công nghệ cao lần đầu tiên được tổ chức sản xuất tại Việt Nam Việc tự đóng mới giàn khoan

sẽ tạo chủ động cho Tập đoàn Dầu khí Việt Nam triển khai kế hoạch tìm kiếm, thăm dò dầu khí, giảm giá thuê dịch vụ này từ các nhà thầu nước ngoài

Dự án không chỉ mang ý nghĩa đồng hành với mục tiêu phát triển công nghiệp có hàm lượng công nghệ, khoa học kỹ thuật cao và phức tạp của Việt Nam

mà còn đánh dấu sự lớn mạnh và trưởng thành của đội ngũ cán bộ có chuyên môn cao của nước ta nói chung và PV Shipyard nói riêng

Dự án Chế tạo giàn khoan tự nâng là dự án cơ khí trọng điểm quốc gia, và dự

án này có công trình nghiên cứu khoa học công nghệ kèm theo hỗ trợ Đây cũng cũng là dự án khoa học công nghệ về cơ khí có tổng vốn lớn nhất tại Việt Nam hiện nay

Theo kế hoạch, tháng 8/2011 giàn khoan tự nâng đầu tiên của Việt Nam sẽ chính thức hạ thủy và tiếp tục hoàn chỉnh đển tháng 5/2012 sẽ chính thức bàn giao cho Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam đưa vào sử dụng

Hình I.1 Hệ thống giàn khoan tự nâng

Trong đó, việc tổ hợp chân giàn được coi là một công đoạn khó khăn với yêu cầu về độ chính xác tuyệt đối trong căn chỉnh và lắp đặt Theo kế hoạch, thời gian thi công của dự án là 32 tháng (dự kiến bàn giao vào đầu quý II/2010) với tổng khối lượng thi công chế tạo khoảng 11.000 tấn Việc thực hiện thành công công đoạn này là điều kiện quan trọng giúp Giàn khoan tự nâng 90m nước được triển khai theo đúng tiến độ đặt ra Vì thế nên việc tự động hóa trong các giai đoạn thiết kế và chế tạo là rất cần thiết để đẩy nhanh tiến độ của công trình, vừa đảm bảo chất lượng và

đỡ tốn công sức lao động

Hình I.2 Tổ hợp chân giàn khoanNhư trên hình I.2 là tổ hợp chân giàn

khoan Tổ hợp này bao gồm từ 3 đến

5 chân, các chân này được điều khiển

bằng thuỷ lực hoặc bằng điện Trong

thời gian di chuyển giàn ở tư thế nổi,

và chân ở vị trí nâng lên Để cắm nó

xuống đáy biển ở vị trí làm việc, chỉ

việc hạ các chân xuống và cắm nó

xuống đáy biển, và giàn sẽ nâng lên

khoảng 12- 20 m trên mực nước

Hệ thống chân giàn khoan được chế

tạo từ phôi ống Đường kính trụ chính

có thể lên đến 2m Các thanh giằng sẽ được hàn nối vào các trụ chính nên chân giàn

Hình I.3 Mô hình chân giàn khoan

khoan có kết cấu hệ khung Khối lượng hàn cắt hệ khung này là rất lớn và yêu cầu

độ chính xác các mối lắp ghép trước khi hàn là rất lớn

Hình I.4 Hiện trường xây dựng hệ thống giàn khoan

Từ thiết kế tổng thể của chân giàn khoan, kỹ sư phải có nguyên công phân tách đoạn và chuẩn bị phôi ống ban đầu

Hình I.5 Công tác chuẩn bị hàn ống

Để có thể hàn chính xác và đảm bảo yêu cầu của mép hàn giữa các ống, nguyên công cắt ống đòi hỏi phải chính xác và thời gian cắt phải nhanh để đảm bảo khối lượng công việc đặt ra [11]

Kết cấu ống tạo thành khi hai ống trụ giao nhau và giao tuyến của chúng là một đường cong 3D

Thực tế tồn tại nhiều biên dạng ống khác như: giao tuyến của mặt phẳng giao với mặt trụ, giao tuyến của rãnh then trên bề mặt ống

Xuất phát từ yêu cầu cắt biên dạng ống một cách linh hoạt, bài toán cắt ống theo biên dạng được đặt ra để đi đến thiết kế thiết bị cắt ống

Nam tuy đã trở thành nước xuất khẩu dầu thô từ 20 năm nay nhưng công nghiệp lọc hoá dầu vẫn chỉ mới ở trong giai đoạn chuẩn bị hoặc bắt đầu khởi động Điển hình

là các dự án lọc dầu: Nghi Sơn (Thanh Hóa),Long Sơn (Bà Rịa -Vũng Tàu), Dung Quất (Quảng Ngãi) của Tập đoàn Dầu Khí Quốc Gia Việt Nam(PVN) Ngoài ra còn

có các dự án lọc dầu của các công ty nước ngoài như: Dự án lọc dầu Vũng Rô (Phú Yên), nhà máy lọc dầu tại KCN Đình Vũ, Hải Phòng

Việc xây dựng các nhà máy lọc

dầu bao gồm một khối lượng lớn là việc

xây dựng, lắp ráp các hệ thống ống dẫn

Lắp ghép hệ thống ống dẫn dầu

khí bao gồm hàn các đường ống thẳng

và hàn các nhánh ống Bài toán biên

dạng ống được đặt ra với cả hai trường hợp

trên Ở trường hợp nối hai ống thẳng, giao tuyến là một đường tròn, tuy vậy công việc cắt ống, vát mép ống đòi hỏi sự nhanh gọn, chất lượng mép cắt cần trơn đảm bảo cho quá trình lắp ghép, hàn đạt chất lượng tốt nhất có thể Trường hợp hai ống giao nhau là bài toán tổng quát về cắt ống theo biên dạng

Hình I.8: Hệ thống ống dẫn

1.2 Các phương pháp cắt biên dạng ống

a Cắt thủ công

Quy trình cắt biên dạng thủ công ( lấy dấu)

Hình I.9: quy trình cắt biên dạng ống thủ công

• Ưu điểm:

- Tính linh động cao, yêu cầu về thiết bị không quá phức tạp

• Nhược điểm:

- Tốn nhiều thời gian, mức độ tự động hóa thấp

- Độ chính xác, độ nhẵn của mép cắt thấp gây khó khăn trong công đoạn hàn đấu ống trong giai đoạn sau

Hình I.10 Cắt biên dạng ống thủ công

b Cắt bằng máy CNC cỡ lớn:

Trên thế giới, máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC đã được các nước tiên tiên nghiên cứu, thiết kế và chế tao, điển hình là ở Đức và Mỹ

Nguyên lý của cắt máy cắt cỡ lớn:

Ống cần cắt được gá đặt lên mâm

cặp nằm ngang, thực hiện 1 chuyển

động quay tròn quanh tâm ống Hệ

thống con lăn được lắp trên ray dẫn

để giữ cho ống nằm ngang

Đầu cắt thực hiện 3 chuyển động

theo ba trục X,Y,Z : trục X song

song với đường tâm ống; trục Y, Z

lần lượt theo chiều thẳng đứng và nằm ngang trong mặt phẳng vuông góc với trục chính

Quá trình cắt là quá trình phối hợp 4 chuyển động của máy để tạo thành giao tuyến cần cắt

Hình I.11: Máy CNC cỡ lớn

• Ưu điểm:

- có thể cắt được các đường kính ống nhỏ

- Độ cứng vững của máy cao nên độ chính xác cắt cao

- Có thể cắt được nhiều biên dạng trong cùng 1 lần gá, vị trí tương đối giữa các đường cắt chính xác

• Nhược điểm:

- Kích thước máy lớn, cồng kềnh

- Yêu cầu về kích thước các trục chuyển động tăng khi đường kính ống tăng

- Đồ gá ống lớn, yêu cầu về nhà xưởng cũng có quy mô lớn Việc gá lắp ống lên thiết bị mất nhiều công sức, thời gian

- Các thiết bị này đều phải nhập khẩu 100% với giá thành rất cao Khi máy gặp sự cố phải chờ chuyên gia nước ngoài đến xử lý mất thời gian và làm chậm trễ sản xuất Phần mềm điều khiển do các công ty nước ngoài viết nên

có những cản trở trong việc tiếp cận và sửa chữa sau này

c Cắt bằng các thiết bị cắt di động

Các thiết bị cắt di động thường yêu cầu kích thước khối lượng nhỏ gọn để có thể tự hành trên bề mặt các ống Bộ phận cắt hiên nay được sử dụng có thể là cắt gọt bằng dụng cụ có lưỡi, cắt bằng oxi+ khí cháy (axetylen hoặc khí gas) hoặc plasma Trong đó, phương pháp cắt bằng gas được sử dụng phổ biến nhưng nó vẫn

có nhược điểm là nhiệt độ cắt không cao cho nên khó cắt được các kim loại màu và hợp kim cứng

Hình I.12: Máy cắt Beveler

Hình I.13: Máy cắt bằng dụng

cụ có lưỡi

Hình I.14: Máy cắt hãng Koike

Chuyển động của máy thường chỉ là 1 chuyển động quay quanh bề mặt ống,

và dẫn động có thể bằng thủ công hoặc động cơ điện xoay chiều bình thường

Các thiết bị cắt di động hiện nay chủ yếu phục vụ công việc cắt các miệng ống

có biên dạng phẳng Như hình vẽ ở trên, khi cắt biên dạng ống theo 1 quỹ đạo giao

tuyến hai ống với nhau thì cơ cấu cam được sử dụng chủ yếu Phương pháp sử dụng cam dẫn này có nhược điểm là lắp đặt hệ thống mất nhiều thời gian, độ chính xác không cao và phải sử dụng nhiều loại cam dẫn khác nhau khi quỹ đạo cắt thay đổi

CHƯƠNG II LÝ THUYẾT VỀ BIÊN DẠNG ỐNG VÀ PHÂN TÍCH

CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

2.1 Giải phương trình giao tuyến của hai hình trụ

Bài toán tổng quát cho 2 trụ giao nhau:

Xét 2 mặt trụ có đường tâm là 2 đường thẳng chéo nhau:

• góc lệch giữa 2 đường tâm là φ ;

- tịnh tiến mặt trụ T1 đi 1 đoạn l0 dọc trục Oy

- xoay mặt trụ T1 đi góc φ quanh trục Oy

Khi này ma trận chuyển trục tọa độ là:

mặt trụ T2 Tổng quát trong hệ trục tọa độ của mặt trụ T1có phương trình:

1

R cos R

θθβ

T2:

x:= R2 cos( 2) cos( )+ sin( ).

y:=R2 sin( 2) + l0

z:=-R2 .sin( ).cos( 2)+ cos( )

Giao của 2 mặt trụ là nghiệm của hệ phương trình:

Thay kết quả( 8) vào phương trình (4) và giải ta có α:

α sin φ ( ) r2 sin⋅ ( φ − θ2 ) + 2 2 r1 ⋅ ⋅ 2− 2 l0 ⋅ 2 − r22+ r22⋅ cos 2 ( ⋅ θ2 ) − 4 l0 ⋅ r2 ⋅ sin θ2 ⋅ ( ) + r2 sin ⋅ ( φ + θ2 )

2 cos ⋅ ( ) φ

r2 cos ⋅ ( ) φ ⋅ cos ( ) θ2 sin ( ) φ +

Trong hệ tọa độ trụ có nghiệm trên, chuyển sang hệ tọa độ decac :

Do giao tuyến cũng thuộc mặt trụ T1 nên:

Khi R2+l0 >R1 có: sin(θ2) < 1 Khi này 2 trụ giao nhau sẽ tạo ra khoảng hở giữa 2

2.2 Phân tính chọn giải pháp thiết kế cơ khí

Như đã nhận xét ở mục “các phương pháp cắt ống” trong chương 1, ta đi đến chọn lựa giải pháp cắt ống như sau:

Do nhu cầu thực tế sản phẩm có kích thước lớn, được cắt hàn ở ngay tại hiện trường nên phương án cắt bằng máy cắt CNC cỡ lớn là không khả thi; phương án này mất nhiều công sức để có thể vận chuyển máy móc thiết bị, gá đặt phôi ống Mặt khác do công việc cắt ở đây có khối lượng lớn, yêu cầu tự động hóa, chính xác nên phương án cắt bằng tay không được chọn Vì vậy chúng ta chọn phương án thiết kế là phương án máy cắt linh động có khối lượng nhỏ có thể vận chuyển dễ dàng ở công trường

Như phân tích ở trên các phương pháp cắt bằng dụng cụ có lưỡi cắt là không khả thi cho nên ta chọn phương pháp cắt là phương pháp cắt bằng plasma hoặc oxy- axetylen do cắt bằng plasma (hoặc oxy- atylen) có các ưu điểm:

• Kết cấu của đầu cắt đơn giản, dễ dàng thay thế

• Không đòi hỏi công suất cắt lớn

• Có thể cắt được các loại vật liệu có độ cứng khác nhau

a Phân tích kết cấu các máy cắt đã

có

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại máy

cắt bằng khí gas hoặc plasma Phổ biến vẫn

là máy cắt của hãng Koike

Trên hình II.3 là máy cắt picle -1 của

hãng KoiKe., gồm có:

1 Đai ốc tai hồng để điều chỉnh độ căng

của xích từ đó khiến cho máy bám chặt

như đường dẫn hướng cho xe

Hình II.4: Máy auto Picle-S

Loại máy cắt Auto Picle-S như trên hình II.4 có cải tiến thêm về mặt điều khiển chuyển động Chuyển động quanh bề mặt ống được truyền động bằng động cơ

DC 15W Ưu điểm là mép cắt trơn hơn, tốc độ cắt cao hơn, nhược điểm là chưa điều khiển được theo vị trí, biên dạng cắt vẫn chủ yếu là biên dạng phẳng Nếu muốn cắt theo giao tuyến phức tạp thì ta phải sử dụng cam dẫn

Chọn mô hình cắt là mô hình gồm 2 chuyển động: một chuyển động quay tròn

và một chuyển động tịnh tiến để tạo nên sự dịch chuyển theo quỹ đạo của đầu cắt Trong đó, phôi ống đứng yên, máy cắt thực hiện kết hợp hai chuyển động đồng thời

c Máy sử dụng hai động cơ servo để tạo nên hai chuyển động trên

Động cơ 1=> hộp giảm tốc 1=> chuyển động quay của bánh xe

Động cơ 2=> hộp giảm tốc 2 => vít me bi => chuyển động tịnh tiến của đầu cắt

Chuyển động của máy trên bề mặt ống được tạo ra khi bánh xe lăn không trượt trên bề mặt ống Để giữ cho máy cố định trên bề mặt ống ta sử dụng hệ thống cáp quàng qua ống, thắt chặt với thân, mặt khác trên thân máy có bộ phận thít cáp

CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

bị nung chảy được thổi ra khỏi mặt cắt Trong quá trình cắt chỉ sử dụng khoảng 30% năng lượng của hồ quang Cột hồ quang và dòng plasma có đặc điểm của nguồn nhiệt đường

7-Hình III.1: Sơ đồ nguyên lý cắt Plasma

Chất làm mát Điện cực

Trên hình là sơ đồ mỏ cắt, bao gồm buồng hồ quang, và phần tử điện cực để tạo dáng vùng catod của hồ quang cắt và được cách điện so với bộ phận vòi phun

Chất khí tạo plasma được đưa vào buồng hồ quang và thoát ra khỏi vòi cắt dưới dạng cột khí hình trụ Anod là kim loại cần cắt trong trường hợp hồ quang trực tiếp, hoặc thân vòi trong trường hợp hồ quang gián tiếp Thân vòi cắt cũng được sử dụng như anod ở giai đoạn khởi động quá trình cắt Việc gây hồ quang được thực hiện bằng cách tạo điện áp trong khoảng không gian hồ quang thông qua nguồn điện cắt

và cả dưới dạng điện áp cao, tần số cao

Tiếng ồn tần số cao, điện áp cao

Khí thải, hơi thoát ra từ quá trình cắt ( oxit kim loại, ozon, oxit nitơ…) có tính độc hại, bức xạ hồ quang, bức xạ nhiệt không tốt cho sức khỏe

Đối với các tấm thép dày từ 50mm trở lên thì cắt bằng plasma không hiệu quả do chiều dài của ngọn hổ quang không đủ xuyên thấu

3.1.2 Hệ thống cắt plasma OTC Daihen D12000

Dải cường độ dòng điện ra 30-120A

Hiệu điện thế không tải cao

CTWZ-1201(10m) CTWZM-

1201(20m) CTWZL-1201(30M)

CTPW-1201(10m) CTPWM-

1201(20m) CTPWL-1201(30M) C/đ dòng điện 120A

Hình III.3: Đồ thị vận tốc cắt so với chiều dày cắt[10]

Hình III.4: Đồ thị tốc độ cắt để đạt được chất lượng mép cắt cao nhất

Bảng thông số chế độ cắt trên hệ thống D12000[10, trang 22,23]

Vật liệu

Chiều dày cắt (mm)

Dòng (A) Mỏ tiếp

điện

Tốc độ cắt (cm/min)

Độ cao

mỏ tiếp điện

Chú ý

1.2 150-250 1.6 120-200 2.3 60-150 3.2

3-4

Áp suất khí 0.39 MPa

Phương pháp cắt bằng plasma vẫn có nhược điểm là khó cắt các tấm thép có

chiều dày lớn hoặc nếu được thì hiệu quả, chất lượng mép cắt thấp Cho nên, máy

cần được bổ sung thêm đầu cắt bằng ngọn lửa khí oxy+ axetylen

Cắt kim loại bằng ngọn lửa khí cháy là quá trình dùng nhiệt lượng từ phản

ứng cháy giữa C2H2 (hoặc các khí cacbua hyđro khác) với ôxi để nung nóng chỗ cắt

đến nhiệt độ cháy của kim loại, tiếp đó dùng luồng ôxi có lưu lượng lớn oxy hóa và

thổi bạt lớp ôxit kim loại đã nóng chảy để lộ ra phần kim loại chưa bị ôxi hóa ; lớp

kim loại này lại lập tức bị cháy (ôxi hóa) tạo thành lớp ôxit mới, rồi đến lượt lớp

ôxit mới này bị nóng chảy và bị luồng ôxi cắt thổi đi Cứ thế cho đến khi mỏ cắt đi

hết đường cắt

Cắt bằng ngọn lửa khí cháy có những ưu điểm :

- Thiết bị đơn giản, dễ vận hành

- Có thể cắt được kim loại có nhiều dày lớn

- Năng suất khá cao

Nhược điểm :

- Chỉ có thể cắt được kim loại nào thỏa mãn điều kiện cắt

- Vùng ảnh hưởng nhiệt lớn nên sau khi cắt chi tiết dễ bị cong vênh, biến dạng, đặc biệt là khi cắt các tấm dài

Cắt bằng ngọn lửa khí cháy được sử dụng rộng rãi trong ngành đóng tàu, chế tạo toa xe, xây dựng để cắt thép tấm, phôi tròn và các dạng phôi khác Phương pháp này ngày nay đã được tự động hóa, từ máy cắt tự động kiểu con rùa đến máy cắt điều khiển số hay máy cắt giàn CNC với nhiều mỏ cắt cùng một lúc, mang lại năng suất và hiệu quả rất cao

Điều kiện để kim loại cắt được bằng khí cháy với ôxi

- Nhiệt độ cháy của kim loại phải nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của nó

- Nhiệt độ nóng chảy của ôxit kim loại phải nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại đó Nếu điều kiện này không thỏa mãn thì ôxit kim loại sinh ra trên bề mặt

do phản ứng cháy với ôxi sẽ không nóng chảy và không bị thổi đi, làm cản trở sự ôxi hóa lớp kim loại tiếp theo Ví dụ Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy 2050oC trong khi đó nhiệt độ nóng chảy của Al là 600oC, do vậy không thể cắt Al bằng ngọn lửa khí cháy với ôxi

- Nhiệt lượng sinh ra trong phản ứng cháy của kim loại phải đủ lớn để duy trì quá trình cắt liên tục vì khi cắt thép gần 70% lượng nhiệt sinh ra là do phản ứng cháy của kim loại với ôxi cung cấp, chỉ có 30% là do ngọn lửa nung nóng

- Xỉ tạo thành khi cắt phải có tính chảy loãng cao để có thể dễ dàng bị thổi khỏi rãnh cắt

- Tính dẫn nhiệt của kim loại và hợp kim không được cao quá, nếu không nhiệt sẽ truyền nhanh ra khỏi chỗ cắt làm cho quá trình cắt không ổn định và có thể

bị gián đoạn

Do các điều kiện cắt được nên phương pháp cắt bằng ngọn lửa oxy+ axetylen chỉ được sử dụng để cắt các loại vật liệu thép thường mà khó cắt được các loại hợp kim và kim loại màu khác Cho nên máy được thiết kế để có thể sử dụng hai loại đầu cắt: plasma hoặc oxy+ axetylen

ng kính

lỗ,

mm

Tốc độ cắt, cm/

phút Ôxi Axêtylen Ôxi cắt

Ôxi nung nóng

150 - 200 7 2,8 10 - 15 6,0 0,5 24.0

00 1.000 900

200 - 350 8 3,2 8 - 10 6,0 0,5 30.0

00 1.450 1.300

Hình III.5: Thông số chế độ cắt thép bằng ngọn lửa oxy+axetylen

3.2 Tính toán, lựa chọn kết cấu cơ khí

3.2.1 Tính toán động học

Từ các thông số của hệ thống cắt plasma OTC Daihen D12000 ở mục 3.1 ta thấy vận tốc cắt thường ở trong dải từ 10 đến 250 (cm/phút) Nhưng trong thực tế cắt ống ta chỉ cắt các ống có chiều dày từ 40 mm trở xuống nên ta hạn chế tốc độ cắt trong khoảng từ 60 đến 250 (cm/phút)

Theo phần phân tích kết cấu máy đã có ở mục 2.2 ta có: máy được chế tạo

có hai chuyển động chính cho nên vận tốc cắt là vecto tổng hợp của hai vecto tốc độ: 1 vecto tiếp tuyến với bề mặt ống và vuông góc với trục ống(Vx), một vecto song song với trục của ống(Vy)

ω là vận tốc góc của hệ thống máy khi chuyển động quay quanh ống

Giả sử giữa bánh xe với bề mặt ống không có hiện tượng trượt thì ta có thể coi hệ thống máy và ống như một hệ thống bánh răng hành tinh trong đó bánh xe làm bánh răng hành tinh Khi bánh xe có bán kính R1 và tự quay quanh tâm với vận tốc góc là ω1 khi đó

Vận tốc góc ω được tính theo công thức: 1.R1

ω = ; ωđc là vận tốc góc của động cơ và n là tỉ số truyền của hệ thống

giảm tốc Trong phần thiết kế cơ khí cụm động học 1 ta sẽ tính chọn động cơ và tỉ

3.2.2 Tính toán, lựa chọn bộ truyền

Tham khảo các loại máy cắt ống di

động trên thị trường như: … Ta

thấy khối lượng của hệ thống máy

thường thấp hơn 15 Kg cho nên ta

đặt thiết kế sơ bộ: máy cần thiết kế

có khối lượng 15Kg

Hình III.7: Tổng thể kết cấu cơ khí của máy

• Chọn công suất động cơ 1

Điều kiện: Pđc ≥ Pyc, trong đó

Pyc : Công suất yêu cầu trên trục động

cơ

Giả sử toàn bộ xe được lắp chặt

trên bề mặt ống và giữa bánh xe và bề

mặt ống chỉ lăn không trượt Bán kính sơ bộ của bánh xe là r=50mm=0,05m

Do bánh xe lăn không trượt trên bề

mặt ống nên điểm A là tâm quay tức thời Ước lượng cánh tay đòn của trọng lực G đối với A gần bằng 2r Ta có Momen cần thiết để thắng lại momen do trọng lực gây

ra ở vị trí như hình vẽ (chưa kể đến ma sát lăn trong các ổ bi):

( )

2 150.0,1 15

Mặt khác do ống cố định và tâm bánh xe có vận tốc dàiV V= x =0,0295( / )m s nên vận tốc góc của bánh xe

Hình III.8: Sơ đồ lực tác dụng lên máy

=> Công suất làm việc là:

1 15.2.5,63

17,68(W) 9,55 9,55

ηht = ηmol ηnot ηpbr ηqbrt ηrbrc ηstv ηtvlk ηx ηđ ηknTrong đó: Số ổ lăn m = 1 => ηmol = 0,991 = 0,99;

Số ổ trượt n = 0 => ηnot = 1;

Số bánh răng p = 0 => ηpbr = 1;

Số bánh răng trụ làm việc q = 1 => ηqbrt = 0,9851 = 0,985;

Số bánh răng côn làm việc r = 0 => ηrbrc = 1;

Số cặp trục vít bánh vít s = 0 => ηstv = 1;

Số vòng lót kín t = 0 => ηtvlk = 1 ; Hiệu suất xích ηx = 1 ;

Hiệu suất đai ηđ = 1 ; Hiệu suất khớp nối ηkn = 1

=> ηht = 0,99.1.1.0,985.1.1.1.1.1.1 ≈ 0,975

+ Công suất yêu cầu trên trục động cơ là:

17,68

18,130,975

k > (hệ số quá tải)

+ Với sơ đồ đơn giản và yêu cầu công suất động cơ yêu cầu nhỏ, tuy nhiên khi kể đến ma sát lăn trong các ổ bi và để hệ thống có tính mở, tức là có thể đo được các loại đèn có khối lượng lớn hơn về sau, ta chọn động cơ có công suất lớn hơn nhiều

so với công suất yêu cầu Chọn động cơ của hãng Misubishi có số hiệu là: UFS13B

HC-Động cơ HC-UFS13B là động cơ Servo xoay chiều một pha với điện áp nguồn cấp

là 120V, tốc độ động cơ được điều khiển vô cấp bằng bộ điều khiển đi kèm với các thông số kĩ thuật cơ bản như sau:

• Công suất đầu ra định mức: 100W

• Mô men quay định mức: 0,32 Nm

• Mô men quay lớn nhất: 0,95 Nm

• Tốc độ quay định mức: 3000 v/ph

• Tốc độ quay lớn nhất: 4500 v/ph

• Trọng lượng: 1,2 Kg