thiết kế robot khảo sát bồn thép

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ- BỘ MƠN THIẾT KẾ MÁY  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ ROBOT KHẢO SÁT BỒN THÉP SVTH: Đoàn Khuê MSSV: 1511627 GVHD: PGS TS Nguyễn Tấn Tiến TP HCM – 2019 LỜI CẢM ƠN Lời xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Tấn Tiến hướng dẫn theo sát tác giả suốt trình làm luận văn Qua giúp tác giả rèn luyện kỹ làm việc chuyên nghiệp, tư người kỹ sư khí Bên cạnh đó, tác giả gửi lời cảm ơn đến tập thể anh em Hitech Mechatronic Lab có giúp đỡ hỗ trợ kịp thời để tác giả hoàn thành luận văn Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến thành viên gia đình ln ủng hộ động viên tác giả vật chất lẫn tinh thần suốt trình làm luận văn Tác giả Đồn Kh ii TĨM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn nghiên cứu thiết kế robot khảo sát bồn thép để phục vụ việc kiểm tra mức độ ăn mòn thành bồn thép đầu dò siêu âm Robot có cấu tạo gồm có hệ thống dẫn động sử dụng xích vận chuyển xe hệ thống quét dùng đầu dò để khảo sát độ dày bồn chứa thép Các cơng việc bao gồm: Khảo sát loại robot, cảm biến, cấu qt; lựa chọn phương án; tính tốn, thiết kế hệ thống quét, thiết kế hệ thống dẫn động, thiết kế sơ sơ đồ mạch điện; thiết kế giải thuật điều khiển tổng quát iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH HÌNH VẼ vi DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .1 A Tổng quan kiểm tra khơng phá hủy bồn thép chứa hóa chất: B Phương tiện kiểm tra bồn chứa siêu âm nay: I Khảo sát loại robot kiểm tra bồn chứa nay: .4 II Khảo sát loại đầu dò sử dụng cho kiểm tra siêu âm: 11 III Các kết cấu gá đặt đầu dò: 15 IV Các dạng hiển thị liệu đo độ dày: 19 C Mục tiêu, nhiệm vụ giới hạn đề tài: .20 I Mục tiêu luận văn: 20 II Nhiệm vụ luận văn: .20 III Thông số kỹ thuật: 21 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN .22 A Phân tích chức Robot: 22 B Lựa chọn truyền động quét bề mặt: 22 C Lựa chọn nguyên lý bám: 23 D Lựa chọn nam châm: 23 E Lựa chọn cấu dẫn động: 24 iv I Lựa chọn truyền động chính: 24 II Lựa chọn truyền động giảm tốc: 24 III Lựa chọn động cơ: .25 F Lựa chọn đầu dò: 25 G Tóm tắt lựa chọn phương án: .27 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ 29 A Thiết kế khí: .29 I Thiết kế hệ thống khảo sát: 29 II Thiết kế hệ thống truyền động: 34 III Thiết kế phần thân robot: 45 B Thiết kế điện điều khiển: 49 I Yêu cầu thiết kế: 49 II Sơ đồ thiết kế điện cho robot: .50 III Lựa chọn linh kiện thiết bị điện cho Robot: 50 IV Thiết kế giải thuật điều khiển: 52 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 56 PHỤ LỤC 1: THÔNG SỐ CỦA CÁC BÁNH DẪN VÀ BỊ DẪN CỦA BỘ TRUYỀN XÍCH VẬN CHUYỂN XE .57 PHỤ LỤC 2: THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC 58 PHỤ LỤC 3: THÔNG SỐ RAY TRƯỢT VÀ CON TRƯỢT 59 PHỤ LỤC 4: THÔNG SỐ BÁNH ĐAI RĂNG 60 PHỤ LỤC 5: THÔNG SỐ KỸ THUẬT LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO .65 v DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1: Cấu trúc bồn amonia Hình :Cấu tạo robot kiểm tra không phá hủy Hình :Các phận phụ trợ robot Hình 4: Robot Versatrax 100 MicroMag Hình 5: Sơ đồ nguyên lý Robot Versatrax 100 MicroMag Hình 6: Robot Scorpion panel điều khiển Hình 7: Sơ đồ nguyên lý Scorpion Hình 8: Robot ALSTOM GE oil and gas Hình 9: Sơ đồ nguyên lý ALSTOM .8 Hình 10: Robot NAVIC chưa mang theo đầu dò siêu âm Hình 11: Sơ đồ nguyên lý NAVIC Hình 12: Robot Accutrak LT- Tank Scanning 10 Hình 13: Sơ đồ nguyên lý Robot Accustrak LT 11 Hình 14: Nguyên lý hoạt động chuyển đổi siêu âm .11 Hình 15: Một số đầu dò biến tử đơn 12 Hình 16: Một số đầu dò biến tử kép 13 Hình 17: Một số đầu dò mối hàn 13 Hình 18: Nguyên lý phát sóng tổ hợp pha 14 Hình 19: Đầu dò DLA 14 Hình 20: Bánh xe quét cho mặt phẳng mặt cong 15 Hình 21: Khung gá đầu dò 16 Hình 22: Khung gá đầu dò theo phương dọc trục 16 Hình 23: Khung gá đầu dò có chốt xoay 17 Hình 24: Cánh tay quét với chạy 18 vi Hình 25: Khung gá đầu dò theo phương dọc 19 Hình 26: Hiển thị liệu A-Scan .19 Hình 27: Hiển thị liệu B-Scan .20 Hình 28: Hiển thị liệu dạng C-Scan 20 Hình 29: Đầu dò siêu âm thành phần(single element transducer) 21 Hình 31: Đầu dò tiếp xúc trực tiếp đơn biến tử Olympus .27 Hình 32: Sơ đồ lựa chọn phương án cho robot 28 Hình 33: Mơ hình lưới qt 30 Hình 34: Sơ đồ định vị kẹp chặt đầu dò 31 Hình 35: Sơ đồ nguyên lý khối đồ gá 31 Hình 36: Mơ hình tính truyền đai 32 Hình 37: Kết cấu trục pulley bị động 33 Hình 38: Mơ hình hệ thống qt 34 Hình 39: Phân tích lực tác dụng lên robot 35 Hình 40: Sơ đồ động học xích vận chuyển xe .37 Hình 41: Kết cấu xích gá đặt nam châm 40 Hình 42: Sơ đồ động hệ thống dẫn động .41 Hình 43: Sơ đồ bố trí bánh lăn .43 Hình 44: Kết cấu trục bánh bị dẫn .44 Hình 45: Hình dạng mặt bên .46 Hình 46: Hình dạng trục nối .46 Hình 47: Hình dạng nối .47 Hình 48: Mơ hình 3D phần thân robot 47 Hình 49: Sơ đồ hệ thống điện cho robot .50 Hình 50: Giải thuật điều khiển robot 53 Hình 51: Giải thuật di chuyển đến vị trí theo yêu cầu .54 vii Hình 52: Giải thuật khảo sát bồn chứa .55 viii DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1: Thông số cánh tay quét số hãng 17 Bảng 2: So sánh truyền động quét .22 Bảng 3: So sánh nguyên lý bám bồn chứa 23 Bảng 4: So sánh loại nam châm 23 Bảng 5: So sánh truyền động 24 Bảng 6: So sánh truyền động trung gian 25 Bảng 7: So sánh loại đầu dò siêu âm .25 Bảng 8: Thông số ổ lăn W 627/5 X .33 Bảng 8: Các thông số truyền xích .38 Bảng 9: Các thông số hộp giảm tốc bánh trụ cấp khai triển .41 Bảng 10:Thông số động SRC-545S-6511F 42 Bảng 11: Phân bố tỷ số truyền 43 Bảng 12: Thông số ổ lăn W 627/5 X 45 Bảng 13: Bảng dung sai lắp ghép .47 ix CHƯƠNG 1: Tổng quan CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN A Tổng quan kiểm tra không phá hủy bồn thép chứa hóa chất: Trong ngành cơng nghiệp dầu khí hóa chất, việc tồn trữ hóa chất thực bồn chứa mặt đất( Ground storage tank-ATS) Trong q trình lưu trữ, hóa chất bị rò rỉ mơi trường bên ngồi thành bồn bị nứt rỗ mòn, kết từ ăn mòn hóa chất lưu trữ bên Để khắc phục vấn đề này, phương pháp kiểm tra dựa rủi ro(risk based inspection - RBI) thực Phương pháp dựa việc đánh giá xác suất hậu tượng sai hỏng cho bồn chứa độc lập khác Mục đích phương pháp để tối đa hóa an toàn hoạt động độ tin cậy bồn chứa Phương pháp kiểm tra không phá hủy phương pháp chủ yếu để kiếm tra bồn chứa hoạt động khơng ảnh hưởng đến tính trạng nguyên vẹn bồn chứa, dễ thực không độc hại thực Hiện có nhiều phương pháp kiểm tra khơng phá hủy khác với nhiều ứng dụng mục đích khác nhau: Phương pháp Ưu điểm Hạn chế Kiểm tra từ tính Độ nhạy cao Tiếp cận từ phía bên bồn (MT) Đo chiều dày xác Khơng đo chiều sâu Cần chuẩn bị bề mặt Kiểm tra Kiểm tra bồn Ít nhạy MT siêu âm(UT) hoạt động Cần di dời lớp bảo ơn Có khả chiều dày chiều sâu Phát xạ Kiểm tra bồn hoạt Ít nhạy UT âm thanh(AE) động Yêu cầu ứng suất học để nhận nhiễu CHƯƠNG 3: Thiết kế Lựa chọn driver: Driver chọn phải phù hợp với cơng suất động cơ, cung cấp đủ dòng cho động hoạt động, tác giả định chọn driver BTS7960 Thông số driver cho PL5 Lựa chọn panel điều khiển: Lựa chọn panel điều khiển để mô tả thao tác người vận hành đến vi điều khiển, sau vi điều khiển điều khiển động để robot đến vị trí mong muốn Ở đây, tác giả sử dụng joysticks với hướng điều khiển X, Y nhờ biến trở trục X,Y Từ đó, xuất mức điện áp đến đầu analog vi điều khiển Thông số joysticks cho PL5 Lựa chọn mạch thu phát: Mục đich việc lựa chọn mạch thu phát để truyền nhận tín hiệu khơng dây panel điều khiển robot Ở đây, tác giả sử dụng mạch RF NRF24L01+ PA + LNA 2.4Ghz NRF-E02 dùng cho việc thu phát tín hiệu Thơng số mạch RF cho PL5 Lựa chọn mạch giảm áp: Lựa chọn mạch giảm áp để điều chỉnh điện áp từ nguồn phù hợp với ngưỡng điện áp cấp cho vi điều khiển xử lý tín hiệu siêu âm hoạt động Tác giả định chọn mạch giảm áp LM2596 Thông số mạch LM2596 cho PL5 Lựa chọn nguồn điện: Nguồn điện lựa chọn phải cung cấp đủ điện áp hoạt động cho động cơ, xử lý tín hiệu siêu âm, vi điều khiển Vì vậy, tác giả định chọn pin lipo có điện áp 14,8V đủ để cấp nguồn cho động hoạt động đồng thời kết hợp với mạch giảm áp để cấp nguồn cho vi điều khiển xử lý tín hiệu siêu âm Đối với panel điều khiển ta dùng pin 9V để cấp nguồn cho vi điều khiển joysticks Lựa chọn driver điều khiển động bước: Driver lựa chọn để điều khiển cho động bước A3967 tương thích với xung điều khiển từ 0-5V, phù hợp với loại động bước dây với mức điện áp đầu vào 7-30VDC dòng từ 50mA/pha – 75mA/pha 51 CHƯƠNG 3: Thiết kế Thông số driver cho PL5 Lựa chọn thiết bị xử lí tín hiệu siêu âm: Nhiệm vụ thiết bị thu-nhận, xử lý tín hiệu siêu âm, tác giả định chọn thiết bị USB-UT350 Ultratek Thông số thiết bị cho PL5 IV Thiết kế giải thuật điều khiển: Việc thiết kế giải thuật điều khiển cho robot khảo sát bồn thép nhằm mục đích để robot di chuyển thực việc khảo sát độ dày bồn chứa thép theo ý muốn người vận hành mặt đất, trình thiết kế bao gồm việc thiết kế giải thuật điều khiển chính, giải thuật di chuyển giải thuật khảo sát bồn chứa Giải thuật điều khiển robot: Giải thuật điều khiển bao gồm giải thuật di chuyển đến vị trí quét giải thuật quét để thu thập liệu nhằm mục đích thực nhiệm vụ quét theo mong muốn người vận hành 52 CHƯƠNG 3: Thiết kế Bật nguồn Quét thu thập liệu Không Di chuyển đến vị trí cần qt Qt xong? Có Quay vị trí ban đầu Tắt nguồn Hình 50: Giải thuật điều khiển robot Giải thuật di chuyển: Giải thuật di chuyển dựa việc điều khiển tốc độ động DC, robot đổi hướng di chuyển có chênh lệnh tốc độ góc đặt vào động DC, giải thuật sử dụng đến robot đến vị trí mong muốn 53 CHƯƠNG 3: Thiết kế Không Không Không Khởi động Rẽ phải? Đi thẳng? Có Có Có Kích động quay vận tốc Không Tăng tốc độ động bên trái Rẽ trái? Tăng tốc độ động bên trái Đến vị trí qt? Có Dừng lại Hình 51: Giải thuật di chuyển đến vị trí theo yêu cầu Giải thuật khảo sát bồn chứa: Giải thuật khảo sát bồn chứa thực robot đến vị trí theo mong muốn người vận hành, sau tiến hành quét để lấy liệu độ dày kiểu 2D(C-Scan) để xây dựng đồ ăn mòn cho bồn chứa 54 CHƯƠNG 3: Thiết kế Bắt đầu Kích động DC chạy tốc độ để robot di chuyển 2mm Kích động bước cho trượt di chuyển 150 mm Không Dừng động DC Dừng động bước Qt xong? Có Kết thúc Hình 52: Giải thuật khảo sát bồn chứa 55 CHƯƠNG IV: Đánh giá kết luận CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN A Đánh giá kết Luận văn giải vấn đề sau:  Tìm hiểu tổng quan robot khảo sát bồn chứa, loại đầu dò siêu âm dùng để đo độ dày, kết cấu gá đặt đầu dò  Thiết kế hệ thống quét sử dụng trượt di động  Thiết kế hệ thống dẫn động  Thiết kế sơ hệ thống điện xây dựng giải thuật điều khiển tổng quát B Vấn đề chưa giải Chưa thực việc chế tạo thực nghiệm, việc thiết kế chủ yếu thiết kế phần khí C Hướng phát triển  Phát triển giải thuật điều khiển tự động cho robot  Tăng suất quét  Giảm kích cỡ robot 56 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: THÔNG SỐ CỦA CÁC BÁNH DẪN VÀ BỊ DẪN CỦA BỘ TRUYỀN XÍCH VẬN CHUYỂN XE Thơng số bánh xích dẫn: Thông số bánh bị dẫn bánh lăn: 57 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 2: THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC        Điện áp: 6V Cường độ dòng điện: 0,66A Momen xoắn: 0,03Nm Kích thước: 35x35x27(cm), trục ra: 5mm Góc bước: 0,9o Loại: Pha dây Khối lượng: 134g 58 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 3: THÔNG SỐ RAY TRƯỢT VÀ CON TRƯỢT 59 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 4: THÔNG SỐ BÁNH ĐAI RĂNG 60 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 5: THÔNG SỐ KỸ THUẬT LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Thông số mạch phát triển Arduino Mega:  Nguồn hoạt động: 6-9 V  Số chân digital: 54 (15 chân PWM)  Sô chân analog: 16 Thông số driver BTS 7956:  Nguồn 6-27V  Dòng điện tải mạch: 15A (tải cảm)  Tín hiệu logic: 3,3 - 5V  Tần số điều khiển: 25kHz  Có chống q nhiệt, q áp, q dòng, ngắn mạch Thông số Joysticks:  Nguồn cấp:3,3V 5V 61 PHỤ LỤC  Tín hiệu ngõ ra: digital nút ấn analog trục X, Y theo nguồn cấp Thông số mạch thu phát RF NRF24L01:  IC chính: NRF24L01P  Tần số hoạt động: 2.4~2.525Ghz  Điện áp hoạt động thấp: ~ 3.6VDC  Tốc độ truyền liệu cao: 250k ~ 2Mbps  Chuẩn giao tiếp: SPI  Mức logic giao tiếp: TTL, tương thích 3.3VDC - 5VDC  Tích hợp khuếch đại công suất PA + LNA  Công suất phát: 20dbm  Khoảng cách tối đa: 1800m  Kênh: 125 kênh truyền thơng  Anten PCB tích hợp ngõ anten chuẩn Ipex 62 PHỤ LỤC Thông số mạch giảm áp LM2596:  Tần số hoạt động: < 150 kHz  Điện áp ngõ vào: 4-30V  Điện áp ngõ ra: 1,5-29V  Cường độ dòng tối đa: 3A  Công suất: 15W Thông số driver A3967: 63 PHỤ LỤC Thông số USB UT 350:  Hoạt động độc lập không cần kết nối với máy tính  Xử lý tín hiệu thời gian thực chip DSP  Nguồn hoạt động: DC 9V/1A từ nguồn USB máy tính  Có tích hợp phần mềm hiển thị sóng hệ điều hành Windows  Tần số lấy mẫu: 50MHz, 25MHz, 12,5MHz, 6,25MHz  Khoảng tần số đầu dò: - 10MHz  Loại đầu dò: Biến tử đơn, biến tử kép  Khối lượng: 1lb  0,7kg 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Olympus, Ultrasonic Transducers Technical Notes, Olympus Corporation of Americas, 2018 [2] Olympus, Scanners and Accessories, Olympus Corporation of Americas, 2018 [3] Olympus, Untrasonic Tranducers, Olympus Corporation of Americas, 2018 [4] Misumi, Linh kiện tiêu chuẩn khí tự động hóa, Cơng ty TNHH Misumi Việt Nam, 2017 [5] Nguyễn Thanh Nam, Giáo trình Phương pháp thiết kế kỹ thuật, Nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2014 [6] Nguyễn Hữu Lộc, Giáo trình sở thiết kế máy, Nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2016 [7] Ninh Đức Tốn, Dung sai lắp ghép, Nhà xuất Giáo dục, 2009 [8] Trịnh chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 2015 [9] Lê Khánh Điền, Vẽ kỹ thuật khí, Nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2007 [10] Robert L Mott, Edward M Vavrek, Jyhwen Wang, Machine Elements in Mechanical Design 6th, Pearson Education, 2018 [11] ASM International, ASM Handbook vol 17: Nondestructive Evaluation and Quality Control 9th, ASM Handbook Committee, 1992 [12] https://nexxis.com.au/product-catalogue/non-destructive-testing-ndt/ [13] https://www.jireh.com/products/navic-2-base-crawler/ [14] http://www.autsolutions.net/ 65 ... 3: THIẾT KẾ 29 A Thiết kế khí: .29 I Thiết kế hệ thống khảo sát: 29 II Thiết kế hệ thống truyền động: 34 III Thiết kế phần thân robot: 45 B Thiết. .. dò để khảo sát độ dày bồn chứa thép Các cơng việc bao gồm: Khảo sát loại robot, cảm biến, cấu qt; lựa chọn phương án; tính tốn, thiết kế hệ thống quét, thiết kế hệ thống dẫn động, thiết kế sơ... phương án cho chức Khảo sát bồn thép Di chuyển bồn thép Khảo sát ăn mòn Thu thập liệu Quét bề mặt Bám lên bề mặt Truyền động Hình 30: Sơ đồ phân tích chức robot khảo sát bồn thép B Lựa chọn truyền