thiết kế và chế tạo máy biến dạng thép tấm ứng dụng từ trường

LỜI CẢM ƠN Đó bốn năm kể từ bƣớc chân vào giảng đƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, khoảng thời gian học trƣờng Đại Học tiếp thu đƣợc lƣợng kiến thức đáng kể không kiến thức chuyên nghành mà kiến thức giới xung quanh Tất nhiên, khơng có đƣợc điều khơng có hỗ trợ trƣờng Đại Học với chƣơng trình tuyệt vời, nhƣ kiến thức đƣợc truyền đạt từ giảng viên môn Cơ Điện Tử Vì lời cảm ơn chúng tơi xin gởi đến trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Bộ mơn Cơ Điện Tử Đồ án hồn thành với hỗ trợ to lớn từ ngƣời giảng viên hƣớng dẫn TS Nguyễn Ngọc Phƣơng Dƣới hƣớng dẫn chân thành nhiệt tình, chúng tơi thực bƣớc trở thành ngƣời nghiên cứu độc lập lĩnh vực học làm để tạo ý tƣởng nhƣ hoàn thành nhiệm vụ đề đồ án Thầy hỗ trợ nhiều việc tiếp cận vấn đề chúng tơi xin gởi đến thầy lời cảm ơn chân thành Lời cảm ơn chúng tơi xin gởi đến ơng Ơng Quang Nhiêu – cơng ty Sinco – hợp tác tích cực để chúng tơi hồn thành tốt đồ án Lời cảm ơn cuối đƣợc gởi đến ba mẹ chúng tôi, ngƣời đƣa đến hội để suốt đời giới Tp.HCM, ngày 14 tháng 01 năm 2011 Nhóm sinh viên thực iv TĨM TẮT ĐỀ TÀI Trong chiến lƣợc phát triển Việt Nam đến năm 2020, ngành đóng tàu phần quan trọng cơng nghiệp hàng hải Cơng nghiệp đóng tàu đƣợc hy vọng ngành đóng góp vào ngân sách lớn thứ hai sau ngành dầu khí sau năm 2020 Q trình biến dạng thép ngành đóng tàu đƣợc xem nhƣ giai đoạn quan trọng để tạo hiệu tăng độ xác bề mặt cong thép ghép nối Có kiểu nguồn nhiệt đƣợc sử dụng trình biến dạng nhiệt: đầu đốt Oxyaxetylen đầu cảm ứng từ Trong đề tài này, trình biến dạng nhiệt đƣợc đƣa để bẻ cong thép dày Q trình tạo nhiệt cảm ứng từ có ƣu điểm công suất nhiệt phân bổ nhiệt dễ dàng tạo điều khiển Bên cạnh hệ thống cảm ứng từ đƣợc tích hợp với robot máy CNC để tự động hoá Quá trình tạo nhiệt điều khiển đƣợc nhiệt độ chi tiết gia cơng Khi q trình nhiệt cảm ứng từ đƣợc hỗ trợ thiết bị di chuyển tự động giải thuật tạo đƣờng q trình biến dạng thép sử dụng cơng nghiệp đóng tàu hiệu đƣợc cải thiện đáng kể Quá trình trình sản xuất quan trọng để ứng dụng rộng rãi tạo bề mặt cong cơng nghiệp đóng tàu v ABSTRACT In the development strategy of Vietnam from now to 2020, the shipyard is one of the most important one of the maritime industries This shipbuilding industry is expected to be a second largest field contributing to state budget lower than oil and gas after 2020 The steel forming process in shipyard is considered as an important stage with respect to productivity and precision of curved plates Two types of heat sources can be used in the line heating process: oxyacetylene torch and electro-magnetic induction In this project, an alternative heat source of electro-magnetic induction has been used to bend the thick steel plate The induction process has the following advantages as the power and its distribution are easier to control and reproduce Besides the induction system can be integrated with a robotic system for automation Induction heating process is known to produce controllable heat on a conductive workpiece When the induction heating process is applied in association with automatic inductor-handling equipment and a heating line generation algorithm, the productivity of the curved plate forming process is expected to improve greatly This process is an important production process that can be widely used to produce various curved thick plate for ship industry vi MỤC LỤC Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp i Nhận xét giáo viên hƣớng dẫn ii Nhận xét giáo viên phản biện iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt đồ án v Abstract vi Mục lục vii Danh mục hình vẽ viii Danh mục bảng biểu ix CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHỆ UỐN BIÊN DẠNG VỎ TÀU THỦY 1.1 Sơ lƣợc phát triển ngành đóng tàu 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Ngoài nƣớc 1.2.1.1 Uốn thép máy cán nhiều trục…………………………… 1.2.1.2 Uốn thép máy ép…………………………………………4 1.2.1.3 Uốn phƣơng pháp thủ công…………………………… 1.2.1.4 Uốn phƣơng pháp gia nhiệt cảm ứng………………… 1.2.2 Trong nƣớc……………………………………………………………….7 1.3 Tổng quan NC, CNC………………………………………………………… 1.4 Hƣớng nghiên cứu…………………………………………………………… 1.5 Nhiệm vụ đề tài phạm vi nghiên cứu……………………………………10 1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu ………………………………………………………10 CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY GIA CÔNG…………………………11 2.1 Các phƣơng án di chuyển trục toạ độ…………………………………… 11 vii 2.1.1 Phƣơng án phôi cố định ……………………………………………… 11 2.1.2 Phƣơng án phôi di chuyển trục ………………………………11 2.1.3 Phƣơng án phôi di chuyển hai trục ……………………………… 12 2.1.4 Lựa chọn phƣơng án di chuyển tối ƣu …………………………………12 2.2 Lựa chọn cấu truyền động 13 2.2.1 Vít me - đai ốc 13 2.2.2 Bộ truyền bánh 14 2.3 Bộ dẫn hƣớng 16 2.3.1 Dẫn hƣớng rãnh mang cá 16 2.3.2 Dẫn hƣớng trƣợt 16 2.4 Mô kết cấu hệ thống phần mềm ABAQUS 6.5.1 19 2.4.1 Giới thiệu phần mềm ABAQUS 19 2.4.2 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn 19 2.4.3 Các số liệu dùng để tính tốn 26 2.4.4 Kết mô ứng suất chuyển vị máy 28 2.5 Tính tốn thơng số truyền 41 2.5.1 Chọn động cho trục Z 41 2.5.2 Chọn động cho trục X 42 2.5.3 Chọn động cho trục Y 43 2.6 Chọn động cho hệ thống 44 2.7 Phân tích động học động lực học máy 45 2.7.1 Động học máy 45 2.7.2 Động học nghịch máy 46 2.7.3 Ma trận Jacobi động học vận tốc 47 CHƢƠNG THIẾT KẾ ĐIỆN 49 3.1 Các thiết bị điện hệ thống 49 3.1.1 Bộ điều khiển trung tâm 49 viii 3.1.2 Driver động (Motor) 49 3.1.3 Bơm (Pump) 49 3.1.4 Đầu từ (Inductor) 49 3.2 Mạch điện hệ thống 50 3.3 Sơ đồ dây mạch động lực 52 CHƢƠNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 53 4.1 Cấu trúc điều khiển 53 4.1.1 Nguyên tắ c chung 53 4.1.2 Sơ đồ tổ ng quát về nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của bô ̣ điề u khiể n cấ p 54 4.2 Nội suy 57 4.2.1 Giới thiệu 57 4.2.2 Phƣơng pháp xác định quỹ đạo 58 4.2.2.1 Phƣơng pháp bậc thang 58 4.2.2.2 Phƣơng pháp dây cung 59 4.2.3 Giải thuật nội suy cho q trình gia cơng 60 4.2.3.1 Lệnh G0 61 4.2.3.2 Lệnh G1 61 4.2.3.3 Lệnh G2 (G3) 62 4.3 Thiết kế điều khiển 64 4.3.1 Tổng quan mạch điều khiển 64 4.3.2 Giới thiệu vi điều khiển 64 4.3.2.1 Giới thiệu chung vi điều khiển Atmega8515 65 4.3.2.2 Giới thiệu chung vi điều khiển Atmega8 69 4.3.3 Các chức hai vi điều khiển sử dụng đồ án 72 4.3.3.1 Ngắt 72 4.3.3.2 Bộ truyền nhận liệu USART 72 ix 4.3.3.3 Giao tiếp SPI 75 4.3.3.4 Timer/Counter1 77 4.3.4 Mạch nguyên lý 78 4.4 Sự phân chia nhiệm vụ phần mềm, vi điều khiển hệ thống 81 4.4.1Phần mềm máy tính 81 4.4.2Phần mềm vi điều khiển chủ 81 4.4.3 Vi điều khiển tớ 81 4.5 Phần mềm máy tính 81 4.5.1 Nhiệm vụ chung 81 4.5.2Chuẩn bị liệu nội suy cho q trình gia cơng 82 4.5.3 Các nút điều khiển khác 82 4.5.3.1 Điều khiển Jog bàn máy 82 4.5.3.2 Điều khiển Home cho bàn máy (nút Home) 83 4.5.3.3 Đặt chuẩn thảo chƣơng cho máy 83 4.5.3.4 Bắt đầu thực chƣơng trình gia cơng (nút Start) 83 4.5.3.5 Dừng máy (nút Stop) 84 4.5.3.6 Các ô hiển thị trạng thái máy 84 4.6 Phần mềm vi điều khiển chủ 85 4.6.1 Nhiệm vụ 85 4.6.2 Chức điều khiển q trình gia cơng 85 4.6.3 Chức di chuyển bàn máy tay (Jog) 86 4.6.4 Chức điều khiển trở vị trí Home 86 4.6.5 Chức dừng chƣơng trình gia công 87 4.7 Phần mềm vi điều khiển tớ 87 CHƢƠNG ĐẦU NUNG CẢM ỨNG TỪ 88 5.1 Giới thiệu tƣợng cảm ứng điện từ 88 5.1.1 Nguồn gốc 88 x 5.1.2 Cảm ứng nhiệt điện từ 89 5.1.3 Ứng dụng nung nóng nhiệt cảm ứng công nghiệp 90 5.2 Lý thuyết cảm ứng nhiệt điện từ 90 5.2.1 Nguyên lý cảm ứng nhiệt điện từ 90 5.2.2 Sự phân bố dòng điện vật đƣợc gia cơng 94 5.2.2.1 Hiệu ứng bề mặt 94 5.2.2.2 Hiệu ứng lân cận 96 5.2.2.3 Hiệu ứng vòng 97 5.2.2.4 Hiệu ứng dọc biên 97 5.2.3 Hiện tƣợng trao đổi nhiệt nung cảm ứng 98 5.2.3.1 Sự dẫn nhiệt 98 5.2.3.2 Tuyền nhiệt đối lƣu 99 5.2.3.3 Sự xạ 100 5.3 Mơ hình tốn học trình nung cảm ứng nhiệt 101 5.3.1 Mơ hình tốn học trƣờng điện từ trƣờng nhiệt độ 101 5.3.2 Mơ hình q trình nung cảm ứng từ 104 5.4 Thiết kế nung cảm ứng từ 110 5.4.1 Lý thuyết thiết kế đầu nung cảm ứng từ 110 5.4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch đầu nung cảm ứng từ 115 5.4.2.1 Khối nguồn 115 5.4.2.2 Khối tạo xung 116 5.4.2.3 Mạch công suất 117 5.4.2.4 Khối tạo cộng hƣởng L-C 118 5.4.2.5 Sơ đồ khối hoạt động hệ thống nung cảm ứng từ 119 CHƢƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 120 6.1 Máy biến dạng thép ứng dụng từ trƣờng 120 6.2 Giao diện máy 123 6.3 Sản phẩm thực nghiệm 124 6.3.1 Tấm thép 1: 500 x 400 x 10mm 125 6.3.2 Tấm thép 2: 500 x 500x10 mm 126 xi 6.3.3 Tấm thép 3: 500 x 500 x10 mm 128 6.3.4 Tấm thép 4: 500 x 400 x 20 mm 129 6.3.5 Tấm thép 5: 500 x 500 x10 mm 131 6.3.6 Tấm thép 6: 500 x 500 x 10 mm 133 6.4 Kết luận 135 6.5 Hƣớng phát triển 135 Tài liệu tham khảo 136 xii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Biên dạng cong thép vỏ tàu Hình 1.2 Biên dạng thép lắp ghép tạo thành vỏ tàu Hình 1.3 Máy cán kín hãng QFI – Mỹ Hình 1.4 Máy cán hở hãng MG – Italia Hình 1.5 Máy ép thủy lực trụ hãng WETORI – Taiwan Hình 1.6 Máy ép thủy lực bốn trụ hãng KRR - Ấn Độ Hình 1.7 Những dụng cụ dùng việc uốn phƣơng pháp thủ cơng Hình 1.8 Uốn vỏ tàu đầu đốt khí oxy – axetylen Hình 1.9 Bệ dùng để uốn nóng phƣơng pháp thủ cơng Hình 1.10 Định hình thép phƣơng pháp đƣờng nhiệt Hình 1.11 Hệ thống điều khiển số máy vi tính (CNC system) Hình 2.1 Phƣơng án phơi cố định 11 Hình 2.2 Phƣơng án phơi đặt lên bàn trƣợt theo trục 11 Hình 2.3 Phƣơng án phôi đặt lên bàn trƣợt theo hai trục 12 Hình 2.4 Bộ truyền vít me – đai ốc có rãnh hồi bi dạng ống 13 Hình 2.5 Một số truyền bánh thơng dụng 15 Hình 2.6 Rãnh mang cá 16 Hình 2.7 Thanh trƣợt 16 Hình 2.8 Sơ đồ động máy 17 Hình 2.9 Sơ đồ lắp ráp hệ thống 18 Hình 2.10 Các dạng biên chung phần tử 21 Hình 2.11 Phần tử chiều 21 Hình 2.12 Phần tử hai chiều 21 Hình 2.13 Phần tử tứ diện 21 Hình 2.14 Phần tử lăng trụ 22 Hình 2.15 Phần tử qui chiếu phần tử thực tam giác 22 xiii Bảng 6.1 Các thông số công nghệ máy Thông số kỹ thuật STT Không gian hoạt động Theo phƣơng X:2400mm Theo phƣơng Y:1200mm Theo phƣơng Z:100mm Độ xác Định vị: 0.5mm Lặp lại: 0.1mm Tốc độ dịch chuyển lớn bàn Theo phƣơng X:25mm/s máy Theo phƣơng Y:25mm/s Theo phƣơng Z:6mm/s Gia tốc lớn 1,25m/s2 Công suất đầu nung 25kVA Tần số đầu nung 45kHz Chuẩn lập trình, điều khiển máy G code 121 Đáp ứng hệ thống: Hình 6.4 Đồ thị đáp ứng vận tốc động trục 6.2 Giao diện máy Hình 6.5 Giao diện chƣơng trình điều khiển 122 6.3 Sản phẩm thực nghiệm: Việc thực nghiệm đƣợc tiến hành loại thép CT3 có độ dày lần lƣợt: 10mm 20mm Kết đạt đƣợc thép đƣợc biến dạng nhiệt theo đƣờng định sẵn đạt đƣợc độ biến dạng nhƣ mong muốn Các sản phẩm đƣợc đo máy đo Smart-CMM WENZEL Hình 6.6 Đo biến dạng thép máy CMM Các thép đƣợc đo độ biến dạng cách lấy toạ độ 350 điểm đƣợc đánh dấu trƣớc gia công Dữ liệu sau đo đạc đƣợc đƣa vào xử lý mô phần mềm Matlab 123 6.3.1 Tấm thép 1: 500 x 400 x 10mm Hình 6.7 Quỹ đạo đầu từ Quỹ đao đầu từ đƣờng thẳng song song cách nhƣ hình vẽ Khoảng cách đầu từ thép h = 3mm Hình 6.8 Hình dạng thép sau gia cơng Tấm thép sau gia cơng có hình dạng lƣợn sóng nhƣ Hình 6.8 đƣợc mơ nhƣ Hình 6.9 124 Hình 6.9 Hình dạng thép mơ máy tính 6.3.2 Tấm thép 2: 500 x 500x10 mm 400 100 200 300 400 500 300 200 100 V= mm/s Front surface Hình 6.10 Quỹ đạo đầu từ Quỹ đạo đầu từ đƣờng zigzag, tạo thành hình tam giác đƣợc nhƣ Hình 6.10 Khoảng cách từ đầu từ tới thép h = mm 125 Hình 6.11 Hình dạng thép sau gia cơng Sau gia cơng, thép có hình n ngựa nhƣ Hình 6.11 Hình 6.12 Hình dạng thép mơ máy tính 126 6.3.3 Tấm thép 3: 500 x 500 x10 mm y (mm) 500 No heating R175 1st path 400 R125 Start point 300 R 75 200 100 2nd path 100 3rd path 200 300 400 500 x (mm) Hình 6.13 Quỹ đạo đầu từ Quỹ đạo đầu từ đƣờng tròn cách nhƣ Hình 6.13, khoảng cách từ đầu từ đến thép h = mm Hình 6.14 Hình dạng thép sau gia công 127 Tấm thép sau gia cơng có hình n ngựa với độ biến dạng lớn thép số nhƣ Hình 6.14 Hình 6.15 Hình 6.15 Hình dạng thép mơ máy tính 6.3.4 Tấm thép 4: 500 x 400 x 20 mm 500 400 v 300 200 100 100 200 300 400 500 Front surface Back surface V= m/s Hình 6.16 Quỹ đạo đầu từ 128 Quỹ đạo đầu từ đƣờng thẳng vng góc với hai mặt thép đƣợc biểu diễn Hình 6.16, khoảng cách từ đầu từ tới thép h = mm Tấm thép sau gia cơng có hình dạng nhƣ Hình 6.17 đƣợc mơ nhƣ Hình 6.18 Hình 6.17 Hình dạng thép sau gia cơng Hình 6.18 Hình dạng thép mơ máy tính 129 6.3.5 Tấm thép 5: 500 x 500 x10 mm 500 400 300 200 100 v 100 200 300 400 500 Front surface V= m/s Hình 6.19 Hình dạng thép sau gia cơng Với quỹ đạo đầu từ đƣợc quy định nhƣ Hình 6.19, thép sau gia cơng có hình dạng cong lên hai bên nhƣ Hình 6.20 đƣợc mơ nhƣ Hình 6.21 Hình 6.20 Hình dạng thép sau gia cơng 130 Hình 6.21 Hình dạng thép mơ máy tính 6.3.6 Tấm thép 6: 500 x 500 x 10 mm 500 400 300 200 V= m/s 100 v Start point 100 V=5 mm/s 200 300 400 Front surface Hình 6.22 Quỹ đạo đầu từ 131 500 Quỹ đạo đầu từ hình vng cách nhƣ Hình 6.21 Khoảng cách từ đầu từ tới thép h = mm Hình 6.23 Hình dạng thép sau gia công Tấm thép sau gia công bị xoắn lại nhƣ Hình 6.22 đƣợc mơ nhƣ Hình 6.23 Hình 6.24 Hình dạng thép mơ máy tính 132 Hình 6.25 Biến dạng thép theo phƣơng đứng 133 6.4 Kết luận Với tình hình phát triển ngành đóng tàu Việt Nam nhƣ nêu chƣơng trƣớc, việc tìm giải pháp cho khâu biến dạng thép làm vỏ tàu cần thiết Việc tự động hố q trình biến dạng thép làm tăng suất nhƣ độ xác sản phẩm sau gia công Dựa nhu cầu thực tế đề tài đƣợc thiết kế, thực đáp ứng đầy đủ yêu cầu đề tốc độ, độ xác hình dạng thép sau gia công Với tốc độ gia công cao,dễ chế tạo, lắp đặt đặc biệt khả tự động hoá cao, máy biến dạng thép ứng dụng từ trƣờng hƣớng phát triển có khả ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp đóng tàu Việt Nam 6.6 Hƣớng phát triển Sau thời gian nghiên cứu thi cơng, nhóm hoàn thành đƣợc mục tiêu đề nhƣng nhiều thiếu sót Nên nhóm đề xuất số vấn đề để khắc phục điểm yếu làm cho máy trở nên hoàn thiện hơn: +Nâng cao độ cững vững hệ thống khí -Thiết kế lại trục Z để có độ cứng vững cao -Thiết kế đối trọng cho đầu từ +Cần trang bị thêm thiết bị cảm biến để biết đƣợc khoảng cách đầu từ thép trình biến dạng +Cần trang bị thêm camera quan sát để tiện cho ngƣời điều khiển + Có thể kết nối thêm để gia công thép có kích thƣớc lớn 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]URLhttp://www.cimolai.com/site_eng/index.php?option=com_content&view=article& id=90&Itemid=2 [2] URL http://www.imexbb.com/four-roll-hydraulic-plate-bending-machine-612479.htm [3] Phạm Thị Hoa, Giáo trình vẽ kỹ thuật,Nhà xuất Hà Nội, 2005 [4] Suk-Hwan Sub, Seong-Kyoon Kang, Dae-Hyuk Chung, Ian Stroud, Theory and Design of CNC Systems, Springer-Verlag London Limited, 2008 [5] Trần Ích Thịnh, Ngô Nhƣ Khoa, Phương pháp phần tử hữu hạn, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2007 [6] Abaqus, Abaqus/Cae: Geometry Import And Meshing, 2010 URL http://www.simulia.com/services/pdfs/cae_geom_import_mesh-summary.pdf [7] ABAQUS, Analysis of Composite Materials with Abaqus, 2010 URL http://www.simulia.com/services/pdfs/composites-summary.pdf [8] Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vƣợng, Sức bền vật liệu, Nhà xuất giáo dục, Hà Nội, 2006 [9] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, Cty Cổ phần in Sách giáo khoa TP-Hà Nội, 2006 [10] Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, Nhà xuất ĐH Quốc gia Tp.HCM, 2004 [11] Saeed B.Niku, Introduction to Robotics Analysis, Systems, Applications, Prentice Hall, Inc.Upper Saddre Driver, New Jersey, 2001 [12] URL http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf [13] Yulia Pleshivtseva And Edgar Rapoport, Optimal Control Of Induction Heating Processes, Crc Press 2006, Print Isbn: 978-0-8493-3754-3, Ebook Isbn: 978-1-42001949-0 [14] Richard E.Haimbauah, Practical Induction heating,Material Park, Ohio, 2001 [15] S.Zinn, S.L.Semiation, Elements of induction heating: Design, Control and Applications, DOI:10.1361/eoih P001 Newyork,1998 135 ... trình tạo hình nhiệt cảm ứng điện từ - Nghiên cứu thiết kế đầu tạo nhiệt cảm ứng điện từ dựa định luật Joule - Thiết kế chế tạo hệ khí phù hợp nhằm gia cơng thép dày 10mm, kích thƣớc 1m x 2m - Thiết. .. việc tự động -Trang thiết bị không phức tạp kinh tế 1.5 Nhiệm vụ đề tài phạm vi nghiên cứu Với mục tiêu nghiên cứu thiết kế chế tạo máy biến dạng thép cảm ứng từ trƣờng ứng dụng ngành đóng tàu... 5.4.2.4 Khối tạo cộng hƣởng L-C 118 5.4.2.5 Sơ đồ khối hoạt động hệ thống nung cảm ứng từ 119 CHƢƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 120 6.1 Máy biến dạng thép ứng dụng từ trƣờng