Tài liệu Thiết kế và chế tạo máy biến dạng thép tấm ứng dụng từ trường

LỜI CẢM ƠN Đó là bốn năm kể từ khi chúng tôi bƣớc chân vào giảng đƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian học ở trƣờng Đại Học chúng tôi đã tiếp thu đƣợc một lƣợng kiến thức đáng kể không chỉ về kiến thức chuyên nghành mà là những kiến thức về thế giới xung quanh. Tất nhiên, chúng tôi sẽ không có đƣợc những điều đó nếu không có sự hỗ trợ của trƣờng Đại Học với những chƣơng trình tuyệt vời, cũng nhƣ những kiến thức đƣợc truyền đạt từ các giảng viên bộ môn Cơ Điện Tử. Vì vậy lời cảm ơn đầu tiên chúng tôi xin gởi đến trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh và Bộ môn Cơ Điện Tử. Đồ án này chỉ có thể hoàn thành với sự hỗ trợ to lớn từ ngƣời giảng viên hƣớng dẫn TS. Nguyễn Ngọc Phƣơng. Dƣới sự hƣớng dẫn chân thành và nhiệt tình, chúng tôi đã thực hiện từng bƣớc và trở thành những ngƣời nghiên cứu độc lập trong lĩnh vực này và học làm thế nào để tạo ra những ý tƣởng cũng nhƣ hoàn thành nhiệm vụ đề ra của đồ án. Thầy cũng đã hỗ trợ chúng tôi rất nhiều trong việc tiếp cận những vấn đề mới vì vậy chúng tôi xin gởi đến thầy những lời cảm ơn chân thành nhất. Lời cảm ơn tiếp theo chúng tôi xin gởi đến ông Ông Quang Nhiêu – công ty Sinco – đã hợp tác tích cực để chúng tôi hoàn thành tốt đồ án này. Lời cảm ơn cuối cùng đƣợc gởi đến ba mẹ chúng tôi, những ngƣời đã đƣa chúng tôi đến những cơ hội để có thể đi suốt cuộc đời chúng tôi trên thế giới này. Tp.HCM, ngày 14 tháng 01 năm 2011 Nhóm sinh viên thực hiện iv TÓM TẮT ĐỀ TÀI Trong chiến lƣợc phát triển của Việt Nam đến năm 2020, ngành đóng tàu là một phần rất quan trọng trong công nghiệp hàng hải. Công nghiệp đóng tàu đƣợc hy vọng là ngành đóng góp vào ngân sách lớn thứ hai sau ngành dầu khí sau năm 2020. Quá trình biến dạng thép trong ngành đóng tàu đƣợc xem nhƣ là giai đoạn quan trọng nhất để tạo hiệu quả và tăng độ chính xác của các bề mặt cong của tấm thép ghép nối. Có 2 kiểu nguồn nhiệt đƣợc sử dụng trong quá trình biến dạng nhiệt: đầu đốt Oxyaxetylen và đầu cảm ứng từ. Trong đề tài này, một quá trình biến dạng nhiệt mới đƣợc đƣa ra để bẻ cong tấm thép dày. Quá trình tạo nhiệt cảm ứng từ có những ƣu điểm là công suất nhiệt và sự phân bổ nhiệt dễ dàng tạo ra và điều khiển. Bên cạnh đó hệ thống cảm ứng từ có thể đƣợc tích hợp với robot hoặc máy CNC để tự động hoá. Quá trình tạo nhiệt này có thể điều khiển đƣợc nhiệt độ trên chi tiết gia công. Khi quá trình nhiệt cảm ứng từ đƣợc hỗ trợ bởi các thiết bị di chuyển tự động và giải thuật tạo đƣờng đi thì quá trình biến dạng thép sử dụng trong công nghiệp đóng tàu hiệu quả đƣợc cải thiện đáng kể. Quá trình này là một trong những quá trình sản xuất quan trọng để có thể ứng dụng rộng rãi tạo ra những bề mặt cong trong công 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 của giáo viên hƣớng dẫn .................................................................................. ii Nhận xét của 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 1 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHỆ UỐN BIÊN DẠNG VỎ TÀU THỦY ............................................................... 1 1.1 Sơ lƣợc sự phát triển ngành đóng tàu ................................................................. 1 1.2 Tình hình nghiên cứu ......................................................................................... 2 1.2.1 Ngoài nƣớc ..................................................................................................... 2 1.2.1.1 Uốn tấm thép trên máy cán nhiều trục……………………………. 3 1.2.1.2 Uốn tấm thép trên máy ép…………………………………………4 1.2.1.3 Uốn tấm bằng phƣơng pháp thủ công…………………………….. 4 1.2.1.4 Uốn tấm bằng phƣơng pháp gia nhiệt cảm ứng…………………... 6 1.2.2 Trong nƣớc……………………………………………………………….7 1.3 Tổng quan về NC, CNC………………………………………………………… 7 1.4 Hƣớng nghiên cứu…………………………………………………………….....9 1.5 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu……………………………………10 1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu. ………………………………………………………10 CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY GIA CÔNG…………………………11 2.1 Các phƣơng án di chuyển của trục toạ độ……………………………………....11 vii 2.1.1 Phƣơng án phôi cố định ………………………………………………..11 2.1.2 Phƣơng án phôi di chuyển trên một trục ………………………………11 2.1.3 Phƣơng án phôi di chuyển trên hai trục ………………………………..12 2.1.4 Lựa chọn phƣơng án di chuyển tối ƣu …………………………………12 2.2. Lựa chọn cơ cấu truyền động .......................................................................... 13 2.2.1 Vít me - đai ốc ..................................................................................... 13 2.2.2 Bộ truyền bánh răng ............................................................................ 14 2.3 Bộ dẫn hƣớng ................................................................................................. 16 2.3.1 Dẫn hƣớng bằng rãnh mang cá ............................................................. 16 2.3.2 Dẫn hƣớng bằng thanh trƣợt ................................................................. 16 2.4 Mô phỏng kết cấu hệ thống bằng phần mềm ABAQUS 6.5.1 .......................... 19 2.4.1 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS ...................................................... 19 2.4.2 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn .............................................................. 19 2.4.3 Các số liệu dùng để tính toán................................................................ 26 2.4.4 Kết quả mô phỏng ứng suất và chuyển vị của máy ............................... 28 2.5 Tính toán thông số các bộ truyền ..................................................................... 41 2.5.1 Chọn động cơ cho trục Z ...................................................................... 41 2.5.2 Chọn động cơ cho trục X...................................................................... 42 2.5.3 Chọn động cơ cho trục Y...................................................................... 43 2.6 Chọn động cơ cho hệ thống ............................................................................. 44 2.7 Phân tích động học và động lực học máy ......................................................... 45 2.7.1 Động học của máy ............................................................................... 45 2.7.2 Động học nghịch của máy .................................................................... 46 2.7.3 Ma trận Jacobi và động học vận tốc...................................................... 47 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ ĐIỆN ................................................................................... 49 3.1 Các thiết bị điện của hệ thống .......................................................................... 49 3.1.1 Bộ điều khiển trung tâm ....................................................................... 49 viii 3.1.2 Driver và động cơ (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 đi dây mạch động lực............................................................................. 52 CHƢƠNG 4 BỘ ĐIỀU KHIỂN................................................................................... 53 4.1 Cấu trúc bộ 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 trên ..... 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 quá trình gia công.............................................. 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 bộ điều khiển ..................................................................................... 64 4.3.1 Tổng quan về mạch điều khiển ............................................................. 64 4.3.2 Giới thiệu vi điều khiển ........................................................................ 64 4.3.2.1 Giới thiệu chung về vi điều khiển Atmega8515 ............................. 65 4.3.2.2 Giới thiệu chung về vi điều khiển Atmega8 .................................. 69 4.3.3 Các chức năng của hai vi điều khiển sử dụng trong đồ án .................... 72 4.3.3.1 Ngắt ngoài.................................................................................... 72 4.3.3.2 Bộ truyền nhận dữ 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 của phần mềm, vi điều khiển trong hệ thống ............. 81 4.4.1Phần mềm máy tính .............................................................................. 81 4.4.2Phần mềm của 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 dữ liệu nội suy cho quá trình gia công ................................... 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 hiện chƣơng trình gia công (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 của vi điều khiển chủ..................................................................... 85 4.6.1 Nhiệm vụ chính .................................................................................... 85 4.6.2 Chức năng điều khiển quá trình gia công .............................................. 85 4.6.3 Chức năng di chuyển bàn máy bằng tay (Jog)....................................... 86 4.6.4 Chức năng điều khiển trở về vị trí Home .............................................. 86 4.6.5 Chức năng dừng chƣơng trình gia công ................................................ 87 4.7 Phần mềm của vi điều khiển tớ ...................................................................... 87 CHƢƠNG 5 ĐẦU NUNG CẢM ỨNG TỪ ................................................................. 88 5.1 Giới thiệu hiện 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 của nung nóng nhiệt cảm ứng trong công nghiệp ................. 90 5.2 Lý thuyết về cảm ứng nhiệt điện từ .................................................................. 90 5.2.1 Nguyên lý của cảm ứng nhiệt điện từ ................................................... 90 5.2.2 Sự phân bố của dòng điện trong vật đƣợc gia công ............................... 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 trong 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 bức xạ .................................................................................... 100 5.3 Mô hình toán học của quá trình nung cảm ứng nhiệt ...................................... 101 5.3.1 Mô hình toán học trƣờng điện từ và trƣờng nhiệt độ ........................... 101 5.3.2 Mô hình cơ bản của quá trình nung cảm ứng từ .................................. 104 5.4 Thiết kế nung cảm ứng từ .............................................................................. 110 5.4.1 Lý thuyết về 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 của hệ thống nung cảm ứng từ .................. 119 CHƢƠNG 6 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ....................... 120 6.1 Máy biến dạng thép ứng dụng từ trƣờng ........................................................ 120 6.2 Giao diện chính của 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 của tấm thép vỏ tàu .................................................................. 2 Hình 1.2 Biên dạng của tấm thép lắp ghép tạo thành vỏ tàu ............................................. 2 Hình 1.3 Máy cán kín của hãng QFI – Mỹ ....................................................................... 3 Hình 1.4 Máy cán hở của hãng MG – Italia...................................................................... 3 Hình 1.5 Máy ép thủy lực một trụ của hãng WETORI – Taiwan ...................................... 4 Hình 1.6 Máy ép thủy lực bốn trụ của hãng KRR - Ấn Độ ............................................... 4 Hình 1.7 Những dụng cụ dùng trong việc uốn tấm bằng phƣơng pháp thủ công ............... 4 Hình 1.8 Uốn vỏ tàu bằng đầu đốt khí oxy – axetylen ...................................................... 5 Hình 1.9 Bệ dùng để uốn nóng bằng phƣơng pháp thủ công ............................................ 6 Hình 1.10 Định hình thép tấm bằng phƣơng pháp đƣờng nhiệt ........................................ 6 Hình 1.11 Hệ thống điều khiển số bằng máy vi tính (CNC system) .................................. 9 Hình 2.1 Phƣơng án phôi cố định ................................................................................... 11 Hình 2.2 Phƣơng án phôi đặt lên bàn trƣợt theo một 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 bộ truyền bánh răng thông dụng .......................................................... 15 Hình 2.6 Rãnh mang cá .................................................................................................. 16 Hình 2.7 Thanh trƣợt ..................................................................................................... 16 Hình 2.8 Sơ đồ động của máy ........................................................................................ 17 Hình 2.9 Sơ đồ lắp ráp của hệ thống .............................................................................. 18 Hình 2.10 Các dạng biên chung giữa các phần tử ........................................................... 21 Hình 2.11 Phần tử một 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 và các phần tử thực tam giác ............................................. 22 xiii Hình 2.16 Phần tử qui chiếu một chiều .......................................................................... 23 Hình 2.17 Phần tử qui chiếu 2 chiều .............................................................................. 23 Hình 2.18 Phần tử tứ diện .............................................................................................. 23 Hình 2.19 Phần tử sáu mặt ............................................................................................. 24 Hình 2.20 Ứng suất của toàn máy .................................................................................. 28 Hình 2.21 Chuyển vị theo phƣơng X.............................................................................. 29 Hình 2.22 Chuyển vị theo phƣơng Y.............................................................................. 29 Hình 2.23 Chuyển vị theo phƣơng Z .............................................................................. 30 Hình 2.24 Ứng suất của chữ I 1...................................................................................... 30 Hình 2.25 Chuyển theo phƣơng X và phƣơng Y ............................................................ 31 Hình 2.26 Chuyển vị theo phƣơng Z .............................................................................. 31 Hình 2.27 Bánh lăn trong thực tế .................................................................................. 32 Hình 2.28 Ứng suất của bánh lăn ................................................................................... 32 Hình 2.29 Chuyển theo phƣơng X và phƣơng Y ............................................................ 32 Hình 2.30 Trục trong thực tế ......................................................................................... 33 Hình 2.31 Ứng suất của trục .......................................................................................... 33 Hình 2.32 Chuyển vị theo phƣơng X.............................................................................. 33 Hình 2.33 Chuyển vị theo phƣơng Y.............................................................................. 34 Hình 2.34 Chuyển vị theo phƣơng Z .............................................................................. 34 Hình 2.35 Tấm đỡ trong thực tế .................................................................................... 34 Hình 2.36 Ứng suất của tấm đỡ ...................................................................................... 35 Hình 2.37 Chuyển theo phƣơng X, phƣơng Y, phƣơng Z ............................................... 35 Hình 2.38 Thùng đỡ 1 và thùng đỡ 2 trong thực tế ........................................................ 36 Hình 2.39 Ứng suất thùng đỡ 1 ...................................................................................... 37 Hình 2.40 Chuyển theo phƣơng X, phƣơng Y, phƣơng Z ............................................... 37 Hình 2.41 Ứng suất của thùng đỡ 2 ................................................................................ 38 Hình 2.42 Chuyển theo phƣơng X, phƣơng Y, phƣơng Z ............................................... 38 xiv Hình 2.43 Chữ I 2 trong thực tế .................................................................................... 39 Hình 2.44 Ứng suất của chữ I 2...................................................................................... 39 Hình 2.45 Chuyển theo phƣơng X.................................................................................. 39 Hình 2.46 Chuyển vị theo phƣơng Y.............................................................................. 39 Hình 2.47 Chuyển vị theo phƣơng Z .............................................................................. 40 Hình 2.48 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và độ dịch chuyển đầu từ ........ 40 Hình 2.49 Mô hình hóa máy tạo nhiệt bằng từ trƣờng dƣới mô hình robot Decard ......... 45 Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện hệ thống ............................................................................... 50 Hình 3.2 Sơ đồ đi dây mạch động lực ............................................................................ 52 Hình 4.1 Bộ điều khiển robot theo cấu trúc PC-based .................................................... 53 Hình 4.2 Các thành phần tối thiểu cho một bộ điều khiển .............................................. 54 Hình 4.3 Sơ đồ khố i tổng quát của hê ̣ thố ng kế t nố i điề u khiể n ...................................... 55 Hình 4.4 Sơ đồ giao tiế p điều khiển giữa Host Controller và XYZ Controller ................ 55 Hình 4.5 Sơ đồ giao tiế p điều khiển giữa XYZ Controller và AC Servo Driver.............. 56 Hình 4.6 Sơ đồ khố i dành cho điề u khiể n vi ̣trí của Servo driver .................................... 56 Hình 4.7 Khái niệm cơ bản của bộ nội suy ..................................................................... 57 Hình 4.8 Nội suy bậc thang ............................................................................................ 58 Hình 4.9 Nội suy dây cung............................................................................................. 59 Hình 4.10 Sơ đồ tổng quan của mạch điều khiển............................................................ 64 Hình 4.11 Sơ đồ khối cấu trúc Atmega8515 ................................................................... 67 Hình 4.12 Sơ đồ khối cấu trúc Atmega8 ........................................................................ 70 Hình 4.13 Các mức Logic của cổng RS232 .................................................................... 73 Hình 4.14 Sơ đồ chân cổng COM máy tính .................................................................... 74 Hình 4.15 Sơ đồ giao tiếp 1 master, 1 slave ................................................................... 75 Hình 4.16 Sơ đồ giao tiếp một master với nhiều Slave ................................................... 75 Hình 4.17 Sơ đồ truyền SPI ........................................................................................... 76 Hình 4.18 Trình tự truyền SPI ........................................................................................ 77 xv Hình 4.19 Mạch nguyên lý vi điều khiển chủ và cổng truyền thông RS232 .................... 78 Hình 4.20 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục X........................................ 78 Hình 4.21 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục Y........................................ 79 Hình 4.22 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục Z ........................................ 79 Hình 4.23 Mạch nguyên lý đầu vào công tắc hành trình và tín hiệu điều khiển .............. 80 Hình 4.24 Mạch nguyên lý đầu vào tín hiệu xung Index từ AC Driver Servo ................. 80 Hình 4.25 Giao diện chƣơng trình điều khiển máy phay CNC........................................ 84 Hình 5.1 Thí nghiệm định luật cảm ứng của Faraday ..................................................... 88 Hình 5.2 Một số ứng dụng nung cảm ứng từ trong công nghiệp ..................................... 90 Hình 5.3 Cuộn dây cảm ứng với từ trƣờng của nó .......................................................... 90 Hình 5.4 Dòng điện xoáy sinh ra trong một vật dẫn khi đặt trong từ trƣờng thay đổi...... 91 Hình 5.5 Hình dáng pan-cake và thép tấm đƣợc dùng trong đề tài.................................. 91 Hình 5.6 Ảnh hƣởng của trễ từ đến đƣờng công suất nhiệt ............................................. 94 Hình 5.7 Chiều sâu thấm của dòng điện trong thép ........................................................ 95 Hình 5.8 Cƣờng độ dòng điện và cƣờng độ từ trƣờng là một hàm của chiều sâu d ......... 96 Hình 5.9 Hiệu ứng cảm ứng điện từ dọc biên ................................................................. 98 Hình 5.10 Khoảng cách giữa các vòng dây .................................................................. 112 Hình 5.11 Tác dụng của thiết kế cuộn dây đến khả năng cảm ứng từ ........................... 113 Hình 5.12 Hình dáng pan-cake thực tế ......................................................................... 114 Hình 5.13 Khối nguồn 1............................................................................................... 115 Hình 5.14 Khối nguồn 2............................................................................................... 115 Hình 5.15 Khối nguồn 3............................................................................................... 116 Hình 5.16 Khối tạo xung.............................................................................................. 117 Hình 5.17 Mạch công suất 1 ........................................................................................ 117 Hình 5.18 Mạch công suất 2 ........................................................................................ 118 Hình 5.19 Mạch cộng hƣởng L-C ................................................................................ 118 Hình 5.20 Sơ đồ hoạt động của hệ thống nung cảm ứng từ........................................... 119 xvi Hình 6.1 Mặt trƣớc của máy ........................................................................................ 120 Hình 6.2 Mặt sau của máy ........................................................................................... 120 Hình 6.3 Tủ điện và bảng điều khiển............................................................................ 121 Hình 6.4 Đồ thị đáp ứng vận tốc của động cơ các trục ................................................. 123 Hình 6.5 Giao diện chính của chƣơng trình điều khiển ................................................. 123 Hình 6.6 Đo độ biến dạng thép tấm trên máy CMM ..................................................... 124 Hình 6.7 Quỹ đạo của đầu từ ....................................................................................... 125 Hình 6.8 Hình dạng tấm thép 1 sau gia công ................................................................ 125 Hình 6.9 Hình dạng của tấm thép 1 mô phỏng trên máy tính ........................................ 126 Hình 6.10 Quỹ đạo của đầu từ...................................................................................... 126 Hình 6.11 Hình dạng tấm thép 2 sau gia công .............................................................. 127 Hình 6.12 Hình dạng của tấm thép 2 mô phỏng trên máy tính ...................................... 127 Hình 6.13 Quỹ đạo của đầu từ...................................................................................... 128 Hình 6.14 Hình dạng tấm thép 3 sau gia công .............................................................. 128 Hình 6.15 Hình dạng của tấm thép 3 mô phỏng trên máy tính ...................................... 129 Hình 6.16 Quỹ đạo của đầu từ...................................................................................... 129 Hình 6.17 Hình dạng tấm thép 4 sau gia công .............................................................. 130 Hình 6.18 Hình dạng của tấm thép 4 mô phỏng trên máy tính ...................................... 130 Hình 6.19 Hình dạng tấm thép 4 sau gia công .............................................................. 131 Hình 6.20 Hình dạng tấm thép 5 sau gia công .............................................................. 131 Hình 6.21 Hình dạng của tấm thép 5 mô phỏng trên máy tính ...................................... 132 Hình 6.22 Quỹ đạo của đầu từ...................................................................................... 132 Hình 6.23 Hình dạng tấm thép 6 sau gia công .............................................................. 133 Hình 6.24 Hình dạng của tấm thép 6 mô phỏng trên máy tính ...................................... 133 Hình 6.25 Biến dạng của tấm thép 6 theo phƣơng đứng ............................................... 134 xvii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Khối lƣợng của các chi tiết trong máy ............................................................. 26 Bảng 2.2 Cơ tính của các loại thép ................................................................................. 27 Bảng 2.3 Môdun đàn hồi của một số loại vật liệu .......................................................... 27 Bảng 2.4 Thông số bộ động cơ servo HA-FE 23 ............................................................ 44 Bảng 2.5 Bảng tham số Denavit – Hatenberg ................................................................. 45 Bảng 4.1 Mô tả các chân cổng COM máy tính ............................................................... 74 Bảng 6.1 Các thông số công nghệ máy......................................................................... 122 xviii CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHỆ UỐN BIÊN DẠNG VỎ TÀU THỦY 1.1 Sơ lƣợc sự phát triển ngành đóng tàu Cách đây 3000 năm trƣớc công nguyên, ngƣời Ai Cập cổ đại đã biết lắp ghép các tấm ván gỗ vào thân tàu để đáp ứng nhu cầu đi lại của mình. Từ đó đến nay, ngành đóng tàu thế giới đã trải qua các giai đoạn phát triển và đạt đƣợc thịnh vƣợng nhƣ ngày nay. Từ những chiếc bè gỗ, tiếp đến là những chiếc tàu, thuyền bằng kim loại có trọng tải vừa và nhỏ. Đến ngày nay, hàng loạt các phƣơng tiện vận chuyển, đi lại bằng đƣờng biển với trọng tải từ nhỏ đến siêu tải trọng, phục vụ cho dân dụng và quốc phòng, nhƣ: tàu container, tàu sân bay, tàu chở dầu, tàu du lịch, … Ngành đóng tàu thế giới những năm ở thế kỷ XVIII và XIX, tập trung chủ yếu ở các nƣớc Tây Âu nhƣ: Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha, Anh, Ý, Hà Lan, Đức, Bỉ, … Cuối thế kỷ XX và đầu thế kỷ XXI, ngành công nghiệp tàu thuỷ chuyển dần từ Tây Âu rồi sang Đông Âu rồi sang Đông Á nhƣ: Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc. Hiện nay, Hàn Quốc là một cƣờng quốc về ngành đóng tàu của thế giới. Trong Chiến lƣợc Biển Việt Nam đến năm 2020, công nghiệp đóng tàu là một trong hai trụ cột quan trọng nhất của ngành kinh tế hàng hải, lĩnh vực đƣợc kỳ vọng sẽ đứng thứ hai về đóng góp cho ngân sách nhà nƣớc, sau dầu khí và vƣơn lên đứng thứ nhất sau năm 2020. Đối với Việt Nam, cơ hội của hội nhập đã có, những hợp đồng tàu xuất khẩu đã đƣợc ký kết với nhiều chủng loại, nhiều kích cỡ trọng tải với nhiều quốc gia. Ngành đóng tàu Việt Nam hiện đã xuất xƣởng đƣợc hàng loạt tàu đạt tiêu chuẩn quốc tế, với đủ chủng loại nhƣ tàu hàng từ 1.000 - 150.000 tấn, tàu chở dầu thô trên 100.000 tấn, tàu chở container cỡ lớn, tàu chở ô tô, khí hóa lỏng và cả các loại tàu cứu hộ, tàu cao tốc phục vụ cho an ninh, quốc phòng, … Với những lợi thế vốn có của Việt Nam nhƣ nhân công trẻ, năng động, sáng tạo, lành nghề, … và đi sau nên đã ứng dụng đƣợc các công nghệ hiện đại của thế giới. Do vậy có thể cạnh tranh với các nƣớc có nền công nghiệp đóng tàu phát triển và có thể lọt vào danh sách 5 cƣờng quốc đóng tàu của thế giới: Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc chiếm đến 85% tổng sản lƣợng, Đức tuy chiếm vị trí thứ 4 nhƣng hiện chỉ có chừng hơn 2% hợp đồng đóng tàu toàn thế giới. Để phát huy ƣu thế của mình, ngoài những thuận lợi nói trên, ngành đóng tàu Việt Nam cần tiến xa hơn nữa trong công nghệ đóng tàu, đặc biệt là công đoạn tạo hình vỏ tàu, nó là 1 yếu tố quyết định không nhỏ đến chất lƣợng của tàu cũng nhƣ giá thành sản phẩm và khả năng cạnh tranh trên thị trƣờng. 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.2.1 Nước ngoài Một bộ phận lớn các chi tiết kết cấu thân tàu thủy đòi hỏi phải xử lý uốn trƣớc khi lắp ghép thành phân đoạn, tổng đoạn hay trực tiếp lên thân tàu. Quá trình tạo hình tấm thép trong ngành đóng tàu là một giai đoạn khá quan trọng. Có thể điểm qua các kiểu biên dạng tấm vỏ tàu nhƣ Hình 1.1 và Hình 1.2. Hình 1.1 Biên dạng cong của tấm thép vỏ tàu.[1] a. Cong hình chóp nón. c. Cong lƣợn sóng. e. Cong hai chiều về một phía. b.Gấp khúc. d.Cong hai chiều về một phía. f.Cong hai chiều về hai phía. Hình 1.2 Biên dạng của tấm thép lắp ghép tạo thành vỏ tàu.[1] 2 Hiện nay, ngành công nghệ đóng tàu trên thế giới sử dụng các phƣơng pháp tạo hình thép tấm nhƣ sau: 1.2.1.1 Uốn tấm thép trên máy cán nhiều trục. Trong các xƣởng đóng tàu trên thế giới, thƣờng sử dụng các loại máy cán chính sau. a. Máy cán kín. Là loại máy vững chắc, có chiều dài làm việc của trục cán từ 8 ÷ 15m, có thể cán tấm dày từ 25 ÷ 30mm, tùy thuộc vào độ lớn của trục cán. Máy cán kín (Hình 1.3) thƣờng đƣợc dùng để cán các tấm tôn bao mạn và boong tàu vì hạn chế của nó là chỉ cán tới góc 1800. Hình 1.3 Máy cán kín của hãng QFI – Mỹ.[1] b. Máy cán hở. Cho khả năng nâng một đầu trục và tháo một trong hai ổ đỡ đầu trục, khi cần thiết lấy một vật đƣợc cuốn tròn ra (Hình 1.4). Do đó, phạm vi sử dụng của máy cán hở so với máy cán kín đƣợc mở rộng hơn, bên cạnh đó do cách bố trí trục cán nên có thể sử dụng máy cán hở vào việc uốn tròn, uốn hình côn, làm phẳng, đồng thời cũng có thể dùng gấp mép tấm. Hình 1.4 Máy cán hở của hãng MG – Italia.[1] 3 1.2.1.2 Uốn tấm thép trên máy ép. Đối với các tấm có đƣờng cong phức tạp thƣờng đƣợc uốn trên máy ép bằng các chày và khuôn mẫu chuyên dụng. Đối với các máy vạn năng, có thể uốn đƣợc nhiều hình dạng tấm thép khác nhau. Để uốn các tấm có biên dạng phức tạp (cong hai chiều), ngƣời ta có thể thực hiện uốn hỗn hợp trên máy cán và máy ép: trên máy cán, uốn sơ bộ để đạt độ cong một chiều lớn, còn trên máy ép, uốn độ cong nhỏ còn lại. Máy ép uốn tấm ngày nay thƣờng dùng nhất là loại máy ép một trụ hay bốn trụ nhƣ Hình1.5 và Hình 1.6. Hình 1.5 Máy ép thủy lực một trụ của hãng WETORI – Taiwan.[1] Hình 1.6 Máy ép thủy lực bốn trụ của hãng KRR - Ấn Độ.[1] 1.2.1.3 Uốn tấm bằng phương pháp thủ công. a. Uốn tấm bằng phương pháp đánh búa. Là phƣơng pháp uốn tấm vỏ tàu bằng cách vạch dấu, sau đó sử dụng búa và các công cụ hỗ trợ để tạo biên dạng tấm thép. Là phƣơng pháp có thể thực hiện đối với các biên dạng tấm một hay hai chiều. Các dụng cụ dùng trong uốn tấm thép đƣợc mô tả nhƣ Hình 1.7. 4 Hình 1.7 Những dụng cụ dùng trong việc uốn tấm bằng phƣơng pháp thủ công. a.Búa tròn. b.Búa đầu dẹt. c.Kẹp vận chuyển. d.Chìa vặn. e.Vít định vị. f.Càng giữ tấm. g.Tấm đệm. h.Càng đệm. i.Đòn tay dài. k.Đòn tay ngắn. b. Uốn tấm bằng đầu đốt khí Oxy - axetylen. Uốn tấm bằng phƣơng pháp dùng đầu đốt khí oxy - axetylen hay còn gọi là phƣơng pháp hỏa công ở Việt Nam, là phƣơng pháp sử dụng nguồn nhiệt của đầu đốt khí oxy – axetylen để đốt nóng vùng chi tiết cần uốn đến gần nhiệt độ nóng chảy của kim loại, rồi sau đó ta dùng nƣớc tƣới vào vùng chi tiết vừa đốt nóng đó, ( Hình 1.8). Sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ, sẽ tạo nên ứng suất dƣ tại vùng chi tiết bị đốt nóng, làm cho vùng chi tiết đó bị uốn cong. Biên dạng cần tạo của vỏ tàu tùy thuộc vào nhiệt độ đƣợc cung cấp cho vùng chi tiết. Chất lƣợng tạo hình bề mặt cũng nhƣ biên dạng của tấm thép phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của ngƣời thợ. Hình 1.8 Uốn vỏ tàu bằng đầu đốt khí oxy – axetylen. c. Uốn nóng tấm. - Phƣơng pháp uốn nóng tấm đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp trong xƣởng không có các máy cán hoặc máy ép hay các tấm quá dày hay các tấm có biên dạng quá phức tạp. - Vật liệu đƣợc nung nóng đến 10000C trong lò nung có kích thƣớc tùy thuộc vào độ lớn của tấm, sau đó tấm đƣợc đƣa lên bệ khung hay bệ đặc để rèn thủ công hoặc đƣa lên bàn ép để ép bằng máy thủy lực nhƣ Hình 1.9. 5