Tài liệu 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 MÔN 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 đầu tiên xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Tấn Tiến đã hướng dẫn và theo sát tác giả trong suốt quá trình làm luận văn. Qua đó giúp tác giả rèn luyện được kỹ năng làm việc chuyên nghiệp, tư duy của một người kỹ sư cơ khí. Bên cạnh đó, tác giả cũng gửi lời cảm ơn đến tập thể anh em trong Hitech Mechatronic Lab đã có những sự giúp đỡ và hỗ trợ kịp thời để tác giả hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các thành viên trong gia đình luôn ủng hộ và động viên tác giả cả về vật chất lẫn tinh thần trong suốt quá trình làm luận văn. Tác giả Đoàn Khuê ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung của luận văn là nghiên cứu thiết kế robot khảo sát bồn thép để phục vụ việc kiểm tra mức độ ăn mòn của thành bồn thép bằng đầu dò siêu âm. Robot có cấu tạo cơ bản gồm có hệ thống dẫn động sử dụng xích vận chuyển xe và hệ thống quét dùng đầu dò để khảo sát độ dày bồn chứa thép. Các công việc chính bao gồm: Khảo sát các loại robot, cảm biến, cơ cấu quét; lựa chọn phương án; tính toán, thiết kế hệ thống quét, thiết kế hệ thống dẫn động, thiết kế sơ bộ 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 về kiểm tra không phá hủy bồn thép chứa hóa chất: ......................1 B. Phương tiện kiểm tra bồn chứa bằng siêu âm hiện nay: ...................................2 I. Khảo sát các loại robot kiểm tra bồn chứa hiện nay: ...............................4 II. Khảo sát các 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 dữ liệu đo độ dày: ......................................................19 C. Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn của 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 năng của Robot: .................................................................22 B. Lựa chọn bộ truyền động quét bề mặt: ......................................................22 C. Lựa chọn nguyên lý bám:...........................................................................23 D. Lựa chọn nam châm: ..................................................................................23 E. Lựa chọn cơ cấu dẫn động: ........................................................................24 iv I. Lựa chọn bộ truyền động chính: ..................................................................24 II. Lựa chọn bộ 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 cơ 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 và điều khiển: ............................................................................49 I. Yêu cầu thiết kế: ...........................................................................................49 II. Sơ đồ thiết kế điện cho robot: .....................................................................50 III. Lựa chọn linh kiện và 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. ....................................................................................2 Hình 2 :Cấu tạo của robot kiểm tra không phá hủy...................................................3 Hình 3 :Các bộ phận phụ trợ của robot. ....................................................................4 Hình 4: Robot Versatrax 100 MicroMag...................................................................5 Hình 5: Sơ đồ nguyên lý của Robot Versatrax 100 MicroMag. ................................5 Hình 6: Robot Scorpion 2 và panel điều khiển..........................................................6 Hình 7: Sơ đồ nguyên lý của Scorpion. .....................................................................6 Hình 8: Robot ALSTOM của GE oil and gas............................................................7 Hình 9: Sơ đồ nguyên lý của ALSTOM. ...................................................................8 Hình 10: Robot NAVIC 2 chưa mang theo một đầu dò siêu âm. ..............................9 Hình 11: Sơ đồ nguyên lý của NAVIC 2...................................................................9 Hình 12: Robot Accutrak LT- Tank Scanning. .......................................................10 Hình 13: Sơ đồ nguyên lý của Robot Accustrak LT. ..............................................11 Hình 14: Nguyên lý hoạt động của bộ 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 và mặt cong. ...............................................15 Hình 21: Khung gá 1 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 con chạy. .....................................................................18 vi Hình 25: Khung gá đầu dò theo phương dọc...........................................................19 Hình 26: Hiển thị dữ liệu A-Scan. ...........................................................................19 Hình 27: Hiển thị dữ liệu B-Scan. ...........................................................................20 Hình 28: Hiển thị dữ liệu dạng C-Scan. ..................................................................20 Hình 29: Đầu dò siêu âm một thành phần(single element transducer). ..................21 Hình 31: Đầu dò tiếp xúc trực tiếp đơn biến tử của Olympus.................................27 Hình 32: Sơ đồ lựa chọn phương án cho robot. ......................................................28 Hình 33: Mô hình lưới quét. ....................................................................................30 Hình 34: Sơ đồ định vị và kẹp chặt đầu dò. ............................................................31 Hình 35: Sơ đồ nguyên lý khối đồ gá. .....................................................................31 Hình 36: Mô hình tính bộ truyền đai răng. ..............................................................32 Hình 37: Kết cấu trục của pulley bị động. ...............................................................33 Hình 38: Mô hình hệ thống quét..............................................................................34 Hình 39: Phân tích lực tác dụng lên robot. ..............................................................35 Hình 40: Sơ đồ động học của xích vận chuyển xe. .................................................37 Hình 41: Kết cấu xích khi gá đặt nam châm. ..........................................................40 Hình 42: Sơ đồ động của hệ thống dẫn động. .........................................................41 Hình 43: Sơ đồ bố trí các bánh lăn. .........................................................................43 Hình 44: Kết cấu trục của bánh bị dẫn. ...................................................................44 Hình 45: Hình dạng tấm mặt bên. ...........................................................................46 Hình 46: Hình dạng trục nối. ...................................................................................46 Hình 47: Hình dạng tấm nối. ...................................................................................47 Hình 48: Mô hình 3D phần thân của 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 của một số hãng. ..................................................17 Bảng 2: So sánh các bộ truyền động quét...............................................................22 Bảng 3: So sánh các nguyên lý bám bồn chứa. .......................................................23 Bảng 4: So sánh các loại nam châm. .......................................................................23 Bảng 5: So sánh các bộ truyền động chính..............................................................24 Bảng 6: So sánh các bộ truyền động trung gian. .....................................................25 Bảng 7: So sánh các loại đầu dò siêu âm.................................................................25 Bảng 8: Thông số của ổ lăn W 627/5 X. .................................................................33 Bảng 8: Các thông số cơ bản của bộ truyền xích. ...................................................38 Bảng 9: Các thông số của hộp giảm tốc bánh răng trụ 3 cấp khai triển. .................41 Bảng 10:Thông số động cơ SRC-545S-6511F. .......................................................42 Bảng 11: Phân bố tỷ số truyền. ................................................................................43 Bảng 12: Thông số của 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 về kiểm tra không phá hủy bồn thép chứa hóa chất: Trong các ngành công nghiệp dầu khí và hóa chất, việc tồn trữ hóa chất được thực hiện bằng các bồn chứa trên mặt đất( Ground storage tank-ATS). Trong quá trình lưu trữ, hóa chất có thể bị rò rỉ ra môi trường bên ngoài khi thành bồn bị nứt hoặc rỗ mòn, đây là kết quả từ sự ăn mòn của hóa chất được lưu trữ bên trong. Để khắc phục vấn đề này, phương pháp kiểm tra dựa trên rủi ro(risk based inspection - RBI) được thực hiện. Phương pháp này dựa trên việc đánh giá xác suất và hậu quả của hiện tượng sai hỏng cho mỗi bồn chứa độc lập khác nhau. Mục đích của phương pháp này để tối đa hóa sự an toàn trong hoạt động và độ tin cậy của các bồn chứa . Phương pháp kiểm tra không phá hủy hiện nay là phương pháp chủ yếu để kiếm tra các bồn chứa đang hoạt động vì nó không ảnh hưởng đến tính trạng nguyên vẹn của bồn chứa, dễ thực hiện và không độc hại khi thực hiện. Hiện nay có nhiều phương pháp kiểm tra không phá hủy khác nhau với nhiều ứng dụng và mục đích khác nhau: Phương pháp Ưu điểm Hạn chế Kiểm tra từ tính Độ nhạy cao Tiếp cận từ phía bên trong bồn. (MT) Đo chiều dày chính xác Không đo chiều sâu. Cần chuẩn bị bề mặt. Kiểm tra Kiểm tra trong khi bồn đang Ít nhạy hơn MT. siêu âm(UT) hoạt động. Cần di dời lớp bảo ôn. Có khả năng chỉ ra được chiều dày và chiều sâu. Phát xạ Kiểm tra khi bồn đang hoạt Ít nhạy hơn UT. âm thanh(AE) động. Yêu cầu ứng suất cơ học để nhận được nhiễu. 1 CHƯƠNG 1: Tổng quan Phương pháp Kiểm tra khi bồn đang hoạt Là một công nghệ chưa được dấu hiệu hiện động. chứng minh. trường(FSM) Đo đọc sự thay đổi của kích cỡ Phương pháp tương đối, không vết nứt. có khả năng tìm các vết nứt cũ. Phương pháp kiểm tra bằng siêu âm(Untrasonic Testing-UT) hiện nay đang được khuyến khích sử dụng cho việc kiểm tra bồn chứa từ bên ngoài do có thể kiểm tra tự động, bán tự động bằng robot. Do đó, sức khỏe của người kiểm tra sẽ được đảm bảo và không gây ảnh hưởng đến quá trình làm việc của bồn chứa. Qua khảo sát trên các tài liệu về bồn chứa công nghiệp, dữ liệu về bồn chứa Ammonia lỏng của nhà máy Đạm Cà Mau, tác giả đã thu thập được thông số kỹ thuật của bồn như sau:  Kích thước tổng thể: Ø32x20 m.  Bề dày lớp thép ở thành trong của bồn: 20mm.  Mã thép của lớp thành trong của bồn: thép SA516 Gr.60(tiêu chuẩn ASME).  Cấu tạo thành bồn gồm nhiều mảnh thép hình vòng cung lắp ghép với nhau bằng các mối hàn. Hình 1: Cấu trúc bồn amonia. B. Phương tiện kiểm tra bồn chứa bằng siêu âm hiện nay: Nhằm mục đích tiết kiệm thời gian, chi phí nhân lực, tránh điều kiện độc hại từ hóa chất. Hiện nay phương pháp kiểm tra siêu âm trên bồn chứa chủ yếu thực hiện trên robot. Cấu tạo chung của các robot khảo sát bồn chứa hiện nay như sau: 2 CHƯƠNG 1: Tổng quan  Phần robot: Bộ phận điều khiển với vỏ bảo vệ Bộ phận quan sát Giá đỡ đầu dò Khung gầm Đầu dò siêu âm Hình 2 :Cấu tạo của robot kiểm tra không phá hủy  Khung gầm: là bộ phận chính dùng để mang và kết nối tất cả các bộ phận khác của robot cũng như tạo ra khả năng di chuyển cho robot nhờ các bánh xe hoặc bánh xích được dẫn động bằng động cơ có driver điều khiển.  Phần linh kiện điều khiển: dùng để điều khiển các động cơ để tạo chuyển động của robot và thu nhận tín hiệu phản hồi từ các cảm biến vị trí(nếu có) và tín hiệu từ đầu dò siêu âm.  Phần khung gá đầu dò: được tùy biến theo yêu cầu của khách hàng, có khả năng gá nhiều đầu dò để thực hiện những công việc kiểm tra khác nhau.  Phần đầu dò: có thể tùy biến các loại đầu dò tùy theo mục đích sử dụng, thời gian sử dụng, tuổi thọ,…  Phần phụ trợ: 3 CHƯƠNG 1: Tổng quan Hình 3 :Các bộ phận phụ trợ của robot.  Nguồn điện cấp cho hệ thống hoạt động, thường dùng nguồn điện xoay chiều.  Nguồn nước bôi trơn  Hệ thống dây điện và dây dẫn nước: dùng để dẫn điện cho robot hoạt động và dẫn nước bôi trơn cho đầu dò.  Máy tính để quan sát dữ liệu thu thập cũng như kiểm soát hoạt động của robot.  Tay cầm điều khiển: điều khiển robot ở chế độ điều khiển bằng tay. I. Khảo sát các loại robot kiểm tra bồn chứa hiện nay: 1. Robot Versatrax 100 MicroMag của Inuktun: Robot dùng để kiểm tra, giám sát các tháp phản ứng, bồn chứa, vỏ tàu biển, cầu thép, tuabin gió. Robot được thiết kế nhỏ gọn, tùy biến nhiều modun kiểm tra khác nhau, chống nước. 4 CHƯƠNG 1: Tổng quan Hình 4: Robot Versatrax 100 MicroMag 𝑀2 𝑀1 Hình 5: Sơ đồ nguyên lý của Robot Versatrax 100 MicroMag. Đặc tính kỹ thuật:  Vận tốc: 16,6 cm/s.  Tải trọng vận chuyển: 4,54 kg  Vật liệu khung gầm: Nhôm Anode.  Nhiệt độ hoạt động: 0-40o C  Robot có khả năng kháng nước.  Phương pháp điều khiển: Điều khiển bằng tay và điều khiển tự động. 2. Robot Scorpion 2 của Silverwing: 5 CHƯƠNG 1: Tổng quan Robot được hãng Eddyfi Technologies thiết kế để kiểm tra bên trong và bên ngoài các kết cấu như: bồn chứa, bể chứa với độ dày lớp vật liệu từ 5100mm. Robot được thiết kế với 4 bánh xe gắn nam châm, sử dụng đầu dò siêu âm dạng con lăn(tần số 5MHz) nên không cần nước bôi trơn. Hình 6: Robot Scorpion 2 và panel điều khiển. 𝑀1 𝑀2 𝑀1 𝑀2 Hình 7: Sơ đồ nguyên lý của Scorpion. Đặc tính kỹ thuật:  Kích thước: 463 x 272 x 117 mm  Khối lượng bao gồm pin: 8,8 kg  Tốc độ quét khi điều khiển bằng tay: 12,5cm/s.  Tốc độ quét khi điều khiển theo chương trình: 15cm/s.  Nhiệt độ hoạt động: 0-80oC.  Nguồn điện: Pin Li-ion dùng tối đa 4 giờ. 6 CHƯƠNG 1: Tổng quan  Phương pháp điều khiển: bằng tay(manual) và tự động theo chương trình. 3. Robot ALSTOM của GE oil and gas: Robot có khung gầm được điều chỉnh bằng tay để phù hợp với các loại bán kính ống khác nhau, được dẫn động bởi 4 bánh xe nam châm. Sử dụng trong việc giám sát, lập bản đồ ăn mòn, kiểm tra mối hàn với độ chính xác cao. Ứng dụng trong công nghiệp dầu khí và công nghiệp năng lượng. Hình 8: Robot ALSTOM của GE oil and gas. 7 CHƯƠNG 1: Tổng quan Hình 9: Sơ đồ nguyên lý của ALSTOM. Đặc tính kỹ thuật:  Khối lượng(không bao gồm dây và đầu dò): 9,3 kg  Tải trọng vận chuyển: 15 kg.  Nhiệt độ hoạt động: 0-50oC  Kích thước: 358x357x154 mm  Tốc độ: 60 mm/s  Bộ điều khiển động cơ: 2 bộ điều khiển tích hợp với 2 động cơ DC không chổi than. 4. Robot NAVIC 2 - Base Crawler của JIREH Industries: NAVIC 2 – Base Crawler có kết cấu kiểu modun, chạy bằng 4 bánh xe nam châm, có khả năng điều khiển, được thiết kế để sử dụng cho nhiều ứng dụng quét và kiểm tra khác nhau, cả trên đường ống và bồn chứa. Trình hoạt động quét dựa trên khả năng của những kiểu quét trên đường kính ngoài nhỏ nhất của ống là 30,5 cm. 8 CHƯƠNG 1: Tổng quan Hình 10: Robot NAVIC 2 chưa mang theo một đầu dò siêu âm. 𝑀2 𝑀1 Hình 11: Sơ đồ nguyên lý của NAVIC 2. Đặc tính kỹ thuật:  Kích thước: 308x282x125 mm  Nhiệt độ hoạt động: -20oC – 50oC  Nhiệt độ bề mặt tối đa quét được: 150oC  Khả năng tải theo phương thẳng đứng: 10 kg  Khối lượng khung gầm: 7,7 kg  Tốc độ di chuyển thay đổi trong khoảng: 0-25 cm/s.  Phương pháp điều khiển: Điều khiển bằng tay(Manual). 9 CHƯƠNG 1: Tổng quan 5. Robot Accutrak LT – Tank scanning của hãng AUT Solution: Robot được phát triển cho ứng dụng khảo sát bồn thép API653 bằng B-scan được điều khiển bởi bộ điều khiển bằng tay 2 trục sử dụng Joystick. Đầu dò được sử dụng là loại biến tử kép 3/4in(Tần số quét 5MHz). Loại robot này có thể nâng cấp lên hệ thống quét 3 trục. Hình 12: Robot Accutrak LT- Tank Scanning. Đặc tính kỹ thuật:  Tốc độ quét: 15cm/s.  Khối lượng: 7,7kg.  Nguồn điện: Điện xoay chiều hoặc pin.  Phương pháp điều khiển: Điều khiển bằng tay(Manual) hoặc tự động theo chương trình. 10 CHƯƠNG 1: Tổng quan 𝑀1 𝑀2 Hình 13: Sơ đồ nguyên lý của Robot Accustrak LT. II. Khảo sát các loại đầu dò sử dụng cho kiểm tra siêu âm: Đầu dò siêu âm dùng cho việc đo chiều dày từ 1 phía hiện nay chủ yếu là loại đầu dò có cả đầu thu và đầu phát(transceiver) có chức năng vừa phát sóng vừa thu nhận tín hiệu do môi trường tạo ra. Loại sóng của đầu dò này phát ra là sóng dọc(Longitudinal Wave), với tần số trong khoảng 0,5-20 MHz. 1. Bộ chuyển đổi siêu âm(Ultrasonic Transducers): Hình 14: Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi siêu âm  Đầu dò biến tử đơn(Singe Element Transducer): Là một đầu dò sử dụng 1 thành phần sóng dọc tiếp xúc trực tiếp với vật liệu được kiểm tra. Sử dụng một tấm chống mòn ở chỗ tiếp xúc để chống nứt, chống mòn và tăng độ bền, được thiết kế cho bề mặt gồ ghề, kiểm tra được nhiều loại vật liệu khác nhau. Đầu dò này được dùng cho việc đo độ dày chính 11