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

Khi quá trình nhiệt cảm ứng từ được hỗ trợ bởi các thiết bị di chuyển tự động và giải thuật tạo đường đi thì quá trình biến dạng thép sử dụng trong công nghiệp đóng tàu hiệu quả được cải

iv

LỜI CẢM ƠN

Đó là bốn năm kể từ khi chúng tôi bước chân vào giảng đường Đại Học Sư Phạm

Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian học ở trường Đại Học chúng tôi đã tiếp thu được một lượng 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 được những điều đó nếu không có sự hỗ trợ của trường Đại Học với những chương trình tuyệt vời, cũng như những kiến thức được truyền đạt từ các giảng viên bộ môn Cơ Điện Tử Vì vậy lời cảm ơn đầu tiên chúng tôi xin gởi đến trường Đại Học Sư 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 người giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Ngọc Phương Dưới sự hướng dẫn chân thành và nhiệt tình, chúng tôi đã thực hiện từng bước và trở thành những người nghiên cứu độc lập trong lĩnh vực này và học làm thế nào để tạo ra những ý tưởng cũng như 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 được gởi đến ba mẹ chúng tôi, những người đã đưa 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

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Trong chiến lược 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 được 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 được xem như 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 được sử dụng trong quá trình biến dạng nhiệt: đầu đốt axetylen và đầu cảm ứng từ Trong đề tài này, một quá trình biến dạng nhiệt mới được đưa ra để bẻ cong tấm thép dày Quá trình tạo nhiệt cảm ứng từ có những ưu 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 được tích hợp với robot hoặc máy CNC để tự động hoá Quá trình tạo nhiệt này có thể điều khiển được nhiệt độ trên chi tiết gia công Khi quá trình nhiệt cảm ứng từ được hỗ trợ bởi các thiết bị di chuyển tự động và giải thuật tạo đường đi thì quá trình biến dạng thép sử dụng trong công nghiệp đóng tàu hiệu quả được 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

vi

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

MỤC LỤC

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp i

Nhận xét của giáo viên hướng 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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHỆ UỐN BIÊN DẠNG VỎ TÀU THỦY 1

1.1 Sơ lược sự phát triển ngành đóng tàu 1

1.2 Tình hình nghiên cứu 2

1.2.1 Ngoài nước 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 phương pháp thủ công……… 4

1.2.1.4 Uốn tấm bằng phương pháp gia nhiệt cảm ứng……… 6

1.2.2 Trong nước……….7

1.3 Tổng quan về NC, CNC……… 7

1.4 Hướng nghiên cứu……… 9

1.5 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu………10

1.6 Phương pháp nghiên cứu ………10

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY GIA CÔNG………11

2.1 Các phương án di chuyển của trục toạ độ……… 11

viii

2.1.1 Phương án phôi cố định ……… 11

2.1.2 Phương án phôi di chuyển trên một trục ………11

2.1.3 Phương án phôi di chuyển trên hai trục ……… 12

2.1.4 Lựa chọn phương án di chuyển tối ưu ………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 hướng 16

2.3.1 Dẫn hướng bằng rãnh mang cá 16

2.3.2 Dẫn hướng bằng thanh trượt 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 Phương 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

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐIỆN 49

3.1 Các thiết bị điện của hệ thống 49

3.1.1 Bộ điều khiển trung tâm 49

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

CHƯƠNG 4 BỘ ĐIỀU KHIỂN 53

4.1 Cấu trúc bộ điều khiển 53

4.1.1 Nguyên tắc chung 53

4.1.2 Sơ đồ tổng quát về nguyên lý hoạt đô ̣ng của bô ̣ điều khiển cấp trên 54

4.2 Nội suy 57

4.2.1 Giới thiệu 57

4.2.2 Phương pháp xác định quỹ đạo 58

4.2.2.1 Phương pháp bậc thang 58

4.2.2.2 Phương 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

x

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 chương cho máy 83

4.5.3.4 Bắt đầu thực hiện chương 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 chương trình gia công 87

4.7 Phần mềm của vi điều khiển tớ 87

CHƯƠNG 5 ĐẦU NUNG CẢM ỨNG TỪ 88

5.1 Giới thiệu hiện tượng cảm ứng điện từ 88

5.1.1 Nguồn gốc 88

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 được 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 tượng trao đổi nhiệt trong nung cảm ứng 98

5.2.3.1 Sự dẫn nhiệt 98

5.2.3.2 Tuyền nhiệt đối lưu 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 trường điện từ và trường 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 hưởng L-C 118

5.4.2.5 Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống nung cảm ứng từ 119

CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 120

6.1 Máy biến dạng thép ứng dụng từ trường 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

xii

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 Hướng phát triển 135

Tài liệu tham khảo 136

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 phương 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 phương pháp thủ công 6

Hình 1.10 Định hình thép tấm bằng phương pháp đường nhiệt 6

Hình 1.11 Hệ thống điều khiển số bằng máy vi tính (CNC system) 9

Hình 2.1 Phương án phôi cố định 11

Hình 2.2 Phương án phôi đặt lên bàn trượt theo một trục 11

Hình 2.3 Phương án phôi đặt lên bàn trượt 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 trượt 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

xiv

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 phương X 29

Hình 2.22 Chuyển vị theo phương Y 29

Hình 2.23 Chuyển vị theo phương Z 30

Hình 2.24 Ứng suất của chữ I 1 30

Hình 2.25 Chuyển theo phương X và phương Y 31

Hình 2.26 Chuyển vị theo phương 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 phương X và phương Y 32

Hình 2.30 Trục trong thực tế 33

Hình 2.31 Ứng suất của trục 33

Hình 2.32 Chuyển vị theo phương X 33

Hình 2.33 Chuyển vị theo phương Y 34

Hình 2.34 Chuyển vị theo phương 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 phương X, phương Y, phương 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 phương X, phương Y, phương Z 37

Hình 2.41 Ứng suất của thùng đỡ 2 38

Hình 2.42 Chuyển theo phương X, phương Y, phương Z 38

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 phương X 39

Hình 2.46 Chuyển vị theo phương Y 39

Hình 2.47 Chuyển vị theo phương 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 trường dưới 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 khối tổng quát của hê ̣ thống kết nối điều khiển 55

Hình 4.4 Sơ đồ giao tiếp điều khiển giữa Host Controller và XYZ Controller 55

Hình 4.5 Sơ đồ giao tiếp điều khiển giữa XYZ Controller và AC Servo Driver 56

Hình 4.6 Sơ đồ khối dành cho điều khiển 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

xvi

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 chương 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 trường của nó 90

Hình 5.4 Dòng điện xoáy sinh ra trong một vật dẫn khi đặt trong từ trường thay đổi 91

Hình 5.5 Hình dáng pan-cake và thép tấm được dùng trong đề tài 91

Hình 5.6 Ảnh hưởng của trễ từ đến đường công suất nhiệt 94

Hình 5.7 Chiều sâu thấm của dòng điện trong thép 95

Hình 5.8 Cường độ dòng điện và cường độ từ trường 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 hưởng L-C 118

Hình 5.20 Sơ đồ hoạt động của hệ thống nung cảm ứng từ 119

Hình 6.1 Mặt trước 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 chương 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 phương đứng 134

xviii

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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHỆ UỐN BIÊN DẠNG VỎ TÀU THỦY

1.1 Sơ lược sự phát triển ngành đóng tàu

Cách đây 3000 năm trước công nguyên, người 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 được thịnh vượng như 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 phương tiện vận chuyển, đi lại bằng đường biển với trọng tải từ nhỏ đến siêu tải trọng, phục vụ cho dân dụng và quốc phòng, như: 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 nước Tây Âu như: 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 như: Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc Hiện nay, Hàn Quốc là một cường quốc về ngành đóng tàu của thế giới

Trong Chiến lược 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 được kỳ vọng sẽ đứng thứ hai về đóng góp cho ngân sách nhà nước, sau dầu khí và vươn 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 được ký kết với nhiều chủng loại, nhiều kích cỡ trọng tải với nhiều quốc gia Ngành đóng tàu Việt Nam hiện đã xuất xưởng được hàng loạt tàu đạt tiêu chuẩn quốc tế, với đủ chủng loại như 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 như nhân công trẻ, năng động, sáng tạo, lành nghề, … và đi sau nên đã ứng dụng được các công nghệ hiện đại của thế giới Do vậy có thể cạnh tranh với các nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển và có thể lọt vào danh sách 5 cường quốc đóng tàu của thế giới: Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc chiếm đến 85% tổng sản lượng, Đức tuy chiếm vị trí thứ 4 nhưng hiện chỉ có chừng hơn 2% hợp đồng đóng tàu toàn thế giới

Để phát huy ưu 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

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 b.Gấp khúc

c Cong lƣợn sóng d.Cong hai chiều về một phía

e 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]

Hiện nay, ngành công nghệ đóng tàu trên thế giới sử dụng các phương pháp tạo hình thép tấm như sau:

1.2.1.1 Uốn tấm thép trên máy cán nhiều trục

Trong các xưởng đóng tàu trên thế giới, thường 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) thường

được 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 được cuốn tròn ra (Hình 1.4) Do đó, phạm vi sử dụng của máy cán hở so với

máy cán kín được 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]

4

1.2.1.2 Uốn tấm thép trên máy ép

Đối với các tấm có đường cong phức tạp thường được uốn trên máy ép bằng các chày

và khuôn mẫu chuyên dụng Đối với các máy vạn năng, có thể uốn được nhiều hình dạng tấm thép khác nhau Để uốn các tấm có biên dạng phức tạp (cong hai chiều), người 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 thường dùng nhất là loại máy ép một trụ hay bốn trụ như

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 phương 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 phương pháp có thể thực hiện đối với các biên dạng tấm một hay hai chiều Các dụng cụ dùng trong uốn tấm thép được mô tả như

Hình 1.7

Hình 1.7 Những dụng cụ dùng trong việc uốn tấm bằng phương 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 phương pháp dùng đầu đốt khí oxy - axetylen hay còn gọi là phương pháp hỏa công ở Việt Nam, là phương 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 nước tưới vào vùng chi tiết vừa đốt nóng đó, ( Hình 1.8) Sự thay đổi đột

ngột của nhiệt độ, sẽ tạo nên ứng suất dư 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 được cung cấp cho vùng chi tiết Chất lượng tạo hình bề mặt cũng như biên dạng của tấm thép phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của người thợ

Hình 1.8 Uốn vỏ tàu bằng đầu đốt khí oxy – axetylen

6

a Bệ đặc b Bệ khung

Hình 1.9 Bệ dùng để uốn nóng bằng phương pháp thủ công

1.2.1.4 Uốn tấm bằng phương pháp gia nhiệt cảm ứng

- Là phương pháp thường sử dụng trong công nghiệp đóng tàu để định hình các tấm thép vỏ tàu

- Là phương pháp sử dụng nguồn nhiệt để đốt nóng tấm thép từ dòng điện dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: khi cho một dòng điện xoay chiều có tần số cao chạy qua một cuộn dây làm việc (cuộn cảm ứng), xung quanh nó sẽ sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian Nếu đặt trong từ trường này một vật dẫn điện (kim loại hay hợp kim) thì trong vật dẫn cũng xuất hiện một dòng điện cảm ứng khép kín gọi là dòng điện xoáy (dòng Foucault) Các dòng điện này có cùng tần số nhưng ngược chiều với dòng điện trong cuộn dây Dòng điện xoáy xoay chiều trên vật cần nung nóng (tấm thép) cũng phát sinh ra từ trường ngược chiều với từ trường chính trong cuộn dây (cuộn cảm ứng) Do hiệu ứng Joule-Lenz, năng lượng của các dòng điện xoáy xoay chiều chuyển hóa thành nhiệt năng nung nóng vật tấm thép [2]

- Là quá trình sản xuất được sử dụng rộng rãi để định hình các tấm thép với chiều dài khác nhau, có thể tạo các bề mặt phức tạp mà không cần sự can thiệp và hỗ trợ các phương pháp gia công cơ khác

- Định hình tấm thép bằng phương pháp đường nhiệt là quá trình bẻ cong tấm thép dưới biến dạng đàn hồi do quá trình làm nóng và nguội liên tục

Hình 1.10 Định hình thép tấm bằng phương pháp đường nhiệt – Công ty công

nghiệp nặng Samsung và Huyndai (Hàn Quốc)

1.2.2 Trong nước

Tại các nhà máy đóng tàu ở Việt Nam, quá trình tạo hình tấm thép vỏ tàu ngoài việc sử dụng các phương pháp uốn trên máy cán nhiều trục hay uốn trên máy ép, hiện nay sử dụng phương pháp tạo hình nhiệt - cơ bằng đầu đốt oxy-axetylen đã phổ biến Quá trình biến dạng nhiệt này được sử dụng là do thiết bị có giá thành rẻ, tuy nhiên nó phụ thuộc vào kỹ năng của người thợ khi điều chỉnh độ cong của tấm thép theo ý muốn, mặt khác lượng nhiệt sinh ra trong quá trình đốt hỗn hợp khí oxy-axetylen không dễ dàng kiểm soát đặc tính tạo nhiệt từ quá trình phản ứng cháy và về mặt thẩm mỹ cũng như vệ sinh thì gia công bằng đầu đốt oxy-acetylene, đốt nóng trực tiếp bề mặt chi tiết, đồng thời làm nguội nhanh bằng nước nên bề mặt chi tiết dơ bẩn Trong khi đó, đối với các loại tàu công suất lớn, vỏ tàu có bề dày lớn thì việc gia công vỏ tàu đòi hỏi cần phải định dạng biên dạng có độ chính xác cao, quá trình định hình bằng đầu đốt hỗn hợp khí oxy-acetylene chỉ

có thể sử dụng giới hạn trong một số ứng dụng, nên không thể có hiệu quả cao đối với các tàu công suất lớn

Những năm gần đây, Việt Nam cũng đã chế tạo thành công máy uốn và ép vỏ tàu bằng thủy lực, điều khiển bằng PLC (bộ điều khiển lập trình khả dĩ) với trọng tải 1500 tấn, ứng dụng cho tàu chở thô 100.000 tấn

1.3 Tổng quan về NC, CNC

Ở các máy cắt thông thường, việc điều khiển các chuyển động cũng như thay đổi vận tốc của các bộ phận máy đều được thực hiện bằng tay Với cách điều khiển này, thời gian phụ khá lớn, nên không thể nâng cao năng suất lao động

Để giảm thời gian phụ, cần tiến hành tự động hóa quá trình điều khiển Trong sản xuất hàng khối, hàng loạt lớn, từ lâu người ta dùng phương pháp gia công tự động với việc tự động hóa quá trình điều khiển bằng các vấu tỳ, bằng mẫu chép hình, bằng cam trên trục phân phối Đặc điểm của các loại máy tự động này là rút ngắn được thời gian phụ, nhưng thời gian chuẩn bị sản xuất quá dài (như thời gian thiết kế và chế tạo cam, thời gian điều chỉnh máy )

Nhược điểm này là không đáng kể nếu như sản xuất với khối lượng lớn Trái lại, với lượng sản xuất nhỏ, mặt hàng thay đổi thường xuyên, loại máy tự động này trở nên không kinh tế Do đó cần phải tìm ra phương pháp điều khiển mới Yêu cầu này được thực hiện với việc điều khiển theo chương trình số

Khi gia công những chi tiết lớn có biên dạng phức tạp với kỹ thuật thông thường, thì thời gian gia công lớn và chi phí cao Do đó, sau một thời gian nghiên cứu, biên dạng gia

8

công của những chi tiết lớn có thể dễ dàng được thay thế bởi các chức năng toán học và người ta quyết định chế tạo một bộ điều khiển để điều khiển máy dựa trên cơ sở này Đặc điểm quan trọng của việc tự động hóa quá trình gia công trên các máy CNC là đảm bảo cho máy có tính vạn năng cao Điều đó cho phép gia công nhiều loại chi tiết, phù hợp với dạng sản xuất hàng loạt nhỏ và hàng loạt vừa, mà trên 70% sản phẩm của ngành chế tạo máy được chế tạo trong điều kiện đó

Máy công cụ điều khiển bằng chương trình số NC (Numerical Control) là máy tự động điều khiển (vài hoạt động hoặc toàn bộ hoạt động), trong đó các hành động điều khiển được sản sinh trên cơ sở cung cấp các dữ liệu ở dạng lệnh Các lệnh hợp thành chương trình làm việc Chương trình làm việc này được ghi lên một cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số Cơ cấu mang chương trình có thể là băng đột lỗ, băng từ, hoặc chính bộ nhớ máy tính

Các thế hệ đầu, máy NC còn sử dụng các cáp logic trong hệ thống Phương pháp điều khiển theo điểm và đoạn thẳng tức là không có quan hệ hàm số giữa các chuyển động theo tọa độ Việc điều khiển còn mang tính "cứng" nên chương trình đơn giản và cũng chỉ gia công được những chi tiết đơn giản như gia công lỗ, gia công các đường thẳng song song với các chuyển động mà máy có

Các thế hệ sau, trong hệ thống điều khiển của máy NC đã được cài đặt các cụm vi tính, các bộ vi xử lý và việc điều khiển lúc này phần lớn hoặc hoàn toàn "mềm" Phương pháp điều khiển theo đường biên, tức là có mối quan hệ hàm số giữa các chuyển động theo hướng các tọa độ Các máy NC này được gọi là CNC (Computer Numerical Control) Chương trình được soạn thảo tỉ mỉ hơn và có thể gia công được những chi tiết

có hình dáng rất phức tạp Hiện nay, trên thế giới các máy CNC đã được dùng phổ biến, còn ở Việt Nam cũng đang bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây do các tiện ích mà máy CNC mang lại

Hệ thống NC hiện nay đã ở mức độ khá hoàn thiện Tuy nhiên, do đặc điểm của máy NC là tổ hợp các phần cứng rời rạc, và chương trình điều khiển còn dựa quá nhiều vào phần cứng (ví dụ như: bộ nội suy, cơ cấu so sánh…) và với mức độ phát triển nhanh của ngành công nghệ thông tin (máy vi tính, PLC và các phần mềm) và ngành điều khiển như hiện nay, thì máy NC không còn chiếm được vị trí quan trọng như thuở ban đầu, thay vào đó là các hệ thống CNC, DNC

Trung tâm gia công (CNC – Computer Numerical Control):

Trung tâm gia công CNC là một loại máy NC điều khiển theo chương trình số sử dụng máy vi tính hoặc máy tính công nghiệp (PLC) để thực hiện các chức năng riêng lẻ

của từng mảng linh kiện điện tử của máy NC Sơ đồ biểu diễn như Hình 1.11

Chương trình điều khiển, các câu lệnh

Máy vi tính

Hình 1.11 Hệ thống điều khiển số bằng máy vi tính (CNC system)

1.4 Hướng nghiên cứu

Để nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh trên thị trường, với tiêu chí đưa Việt Nam trở thành một trong năm cường quốc của thế giới về ngành đóng tàu, ngành đóng tàu trở thành ngành mũi nhọn công nghiệp của đất nước thì cần phải nâng cao và đổi mới hơn nữa công nghệ đóng tàu trong nước Việc tạo biên dạng tấm thép vỏ tàu trước khi lắp ghép vào các phần của thân tàu cũng là một phần quan trọng tạo nên chất lượng của chiếc tàu và nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường Với các phương pháp tạo biên dạng của vỏ tàu hiện nay của Việt Nam như đã nêu trên, tuy rằng

đã đáp ứng được việc tạo ra các biên dạng vỏ tàu cần thiết nhưng xét về mặt kinh tế thì đối với các biên dạng hai chiều phức tạp, các phương pháp trên chưa thể linh hoạt tốt trong việc tạo biên dạng vỏ tàu và còn phải phụ thuộc vào tay nghề của người thợ

Việc tạo biên dạng vỏ tàu bằng phương pháp nhiệt cảm ứng thể hiện nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp cũ:

-Việc tạo nguồn nhiệt và phân bố trên bề mặt tấm thép được điều khiển dễ dàng -Việc đốt nóng tấm thép diễn ra rất nhanh (> 10000C trong < 1giây)

-Cho phép điều khiển chiều sâu vùng ảnh hưởng nhiệt

-Có thể điều khiển biên dạng tấm thép dựa vào vận tốc và dòng điện chạy trong cuộn dây làm việc

-Nâng cao chất lượng sản phẩm do chi tiết không tiếp xúc với lửa hay đầu đốt -Hệ thống nhiệt cảm ứng có thể tích hợp với robot cho việc tự động

-Trang thiết bị không phức tạp và kinh tế

10

1.5 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu

Với mục tiêu nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy biến dạng thép tấm bằng cảm ứng từ trường ứng dụng trong ngành đóng tàu Việt Nam, nên nhiệm vụ của đề tài sẽ giải quyết các vấn đề sau:

- Nghiên cứu tổng quan về quá trình tạo hình bằng nhiệt bằng cảm ứng điện từ

- Nghiên cứu và thiết kế đầu tạo nhiệt bằng cảm ứng điện từ dựa trên định luật Joule

- Thiết kế và chế tạo hệ cơ khí phù hợp nhằm gia công thép tấm dày 10mm, kích thước 1m x 2m

- Thiết kế mạch điện tử điều khiển trung tâm và điều khiển động cơ

- Xây dựng bảng mã G code cơ bản điều khiển đường đi cho thiết bị gia công

- Thiết kế chương trình điều khiển giám sát hệ thống

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành tốt mục tiêu đề ra của đề tài, phương pháp nghiên cứu được đưa ra:

- Tham khảo tài liệu

- Khảo sát thực tế

- Tiến hành thực nghiệm

- Phân tích tổng hợp để thiết kế

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY GIA CÔNG

2.1 Các phương án di chuyển của trục toạ độ

-Phôi được cố định nên giảm thiểu sai số vị trí và sai số khi gia công

-Trục Y ngoài chuyển động của nó còn kèm theo chuyển động trục X và trục Z do đó cần chế tạo cơ hệ có kết cấu vững chắc đảm bảo sự di chuyển ổn định của cơ hệ

-Trục Z mang theo thiết bị gia công

2.1.2 Phương án phôi di chuyển trên một trục

12

Phương án phôi đặt trên bàn trượt như Hình 2.2

Đặc điểm của phương án này:

-Phôi được gá đặt lên trên bàn trượt có thể di chuyển tịnh tiến

-Ít rung động cho cơ hệ hơn phương án đặt phôi cố định Tuy nhiên khi phôi di chuyển

dọc trục Y sẽ xuất hiện sai số khá lớn nếu cơ cấu truyền động trục Y không tốt

2.1.3 Phương án phôi di chuyển trên hai trục

-Phôi được gá đặt trên bàn trượt có thể chuyển động tịnh tiến theo 2 trục

-Trục Z mang theo thiết bị gia công

2.1.4 Lựa chọn phương án di chuyển tối ưu

Trong thiết kế máy công cụ nói chung cũng như máy CNC nói riêng, cần đảm bảo

sự ổn định cũng như sự rung động của máy ở mức chấp nhận được

Đối với phương pháp đặt phôi cố định, khối lượng di chuyển lớn dẫn đến sự rung động do đó cần giảm thiểu khối lượng phần này xuống mức thấp nhất và tăng khối lượng phần cố định Tuy nhiên khối lượng tăng không nên quá lớn

Đối với phương pháp gá phôi trên bàn trượt theo một hay hai trục thì giảm được kích thước của máy và tăng độ linh hoạt của máy

Theo yêu cầu gia công thép tấm của đề tài, tấm thép sau khi gia công sẽ bị biến dạng do đó không thể gá chặt phôi vào bệ đỡ cũng như di chuyển phôi trong gia công Thêm vào đó là kích thước gia công của phôi khá lớn nên phương án đặt phôi cố định là phù hợp nhất

2.2 Lựa chọn cơ cấu truyền động

Với yêu cầu đặt ra cho máy là có thể gia công thép tấm có độ dày 10mm và kích thước giới hạn 1m x 2m, vì vậy khoảng hành trình chuyển động của đầu từ phải lớn hơn 1m theo trục X, 2m theo trục Y và dịch chuyển theo phương thẳng đứng lớn hơn 10mm

Do yêu cầu về kích thước chuyển động của 2 trục X,Y khá lớn ta chọn cơ cấu truyền động là bộ truyền động bánh răng - thanh răng Do hành trình chuyển động trục Z nhỏ, độ phân giải cao nên cơ cấu vít me – đai ốc được chọn

2.2.1 Vít me - đai ốc

Vít me – đai ốc làm việc theo nguyên lý ăn khớp của cặp ren( giữa ren trong trên đai ốc với ren ngoài trên trục vít me) để biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến Tuỳ theo tính chất tiếp xúc của cặp ren người ta chia làm hai loại:

ma sát trượt và ma sát lăn

*Vít me – đai ốc ma sát trượt thường có bước ren nhỏ nên tốc độ của đai ốc sẽ nhỏ

bù lại độ chính xác đạt được khá cao Thêm một ưu điểm nữa là khả năng tạo lực đẩy dọc trục lớn Tuy nhiên do ma sát trượt nên ren của trục vít và đai ốc mòn rất nhanh dẫn đến

độ chính xác giảm nhanh chóng Hiệu suất của bộ truyền ma sát trượt cũng không cao chỉ

từ 30-40%

*Vít me – đai ốc ma sát lăn ( vít me bi ):

Hình 2.4 Bộ truyền vít me – đai ốc có rãnh hồi bi dạng ống[3]

Trên vít me và đai ốc có các rãnh và các viên bi sẽ lăn trên rãnh này như Hình 2.4

Các con lăn quay và chuyển động tịnh tiến đối với vít và đai ốc, do đó để luôn tồn tại các

Hạn chế lớn nhất của bộ truyền vít me bi là giá thành cao Ngoài ra ren nhiều mối

có góc nâng ren γ lớn hơn so với ren một mối nên không ứng dụng vào quá trình hoạt động cần sự tự hãm

Trong việc ứng dụng từ trường để làm biến dạng nhiệt thép tấm, khoảng cách giữa thiết bị gia nhiệt và phôi là một yếu tố rất quan trọng, cần đảm bảo khoảng cách này theo đúng yêu cầu đề ra ban đầu Vì vậy bộ truyền vít me bi là lựa chọn tối ưu cho truyền động trục Z, đưa thiết bị gia công di chuyển lên xuống nhẹ nhàng, ổn định

Để thực hiện tự hãm cho trục vít ta sử dụng hộp giảm tốc trục vít ren một mối

Từ những đặc điểm trên, trục vít me đai ốc được chọn để truyền động cho trục Z Các thông số trục vít như sau:

chéo nhau hay biến đổi chuyển động quay thành tịnh tiến hoặc ngược lại Hình 2.5 biểu

diễn một số loại bánh răng thông dụng

Hình 2.5 Một số bộ truyền bánh răng thông dụng

Ưu điểm của bộ truyền bánh răng:

+Tỉ số truyền không thay đổi do không có hiện tượng trượt trơn

+Hiệu suất cao có thể đạt 0.95 - 0.99

+Làm việc với vận tốc lớn

+Tuổi thọ cao, làm việc với độ tin cậy cao

+Dễ tìm kiếm trên thị trường

Tuy nhiên bộ truyền này đòi hỏi độ chính xác khi gia công bánh răng cao, có tiếng

ồn khi làm việc với vận tốc lớn

Đối với việc biến dạng tấm thép bằng nhiệt từ hiện tượng cảm ứng điện từ thì tốc

độ di chuyển của thiết bị gia nhiệt thường ở mức thấp Do đó có thể loại bỏ được nhược điểm tiếng ồn của bộ truyền

Từ những đặc điểm trên, bộ truyền bánh răng – thanh răng là lựa chọn tối ưu cho trục X và trục Y với các thông số tiêu chuẩn như sau:

+Chiều dài thanh răng:

2.3.2 Dẫn hướng bằng thanh trượt

Hình 2.7 Thanh trƣợt [4]

Thanh trượt (Hình 2.7) hiện nay chủ yếu dùng các con lăn hình trụ hoặc dùng các

viên bi bằng thép Các viên bi được đặt trong hai rãnh ở hai phía của con trượt, giúp con trượt di chuyển nhẹ nhàng mà không tạo ra tiếng ồn Sử dụng thanh trượt giúp việc lắp đặt

và bảo dưỡng dễ dàng

Đối với việc biến dạng thép tấm có kích thước lớn đòi hỏi kích thước máy lớn, chiều dài hai trục X, Y lớn không thể sử dụng bộ truyền rãnh mang cá do khó gá đặt, khối lượng lớn Phương án sử dụng thanh trượt là tối ưu vì chiều dài và khối lượng thanh trượt phù hợp với yêu cầu

Do kích thước và khối lượng thiết bị tương đối lớn (40kg) nên lựa chọn thanh trượt dẫn hướng với các thông số:

*Kết cấu chung của máy biến dạng thép tấm

Từ những yêu cầu về kích thước phôi, điều kiện gia công thì cấu trúc tổng thể của máy đã được xây dựng như sau:

18

Kết cấu chung (Hình 2.8) bao gồm:

+ Trục Z: mang thiết bị gia công (đầu từ) Di chuyển lên xuống bằng trục vít me bi Động cơ truyền động thông qua hộp giảm tốc 1:30 có tự hãm

+ Trục X: các tấm đỡ mang theo kết cấu của trục Z và kết nối với thanh trượt bi bằng các con trượt Động cơ truyền động qua hộp giảm tốc và bộ truyền bánh răng - thanh răng Dẫn hướng bằng hai thanh trượt bi

+ Trục Y: mang theo kết cấu của hai trục X và Z bằng các tấm đỡ và thùng đỡ Động cơ truyền động thông qua hộp giảm tốc, bộ truyền bánh răng - thanh răng và hai cặp bánh lăn

Sơ đồ lắp ráp của hệ thống như Hình 2.9

Chữ I1

Trục truyền động Y

răng

Hộp số

Động

cơ X Bánh răng

Trục vít

2.4 Mô phỏng kết cấu hệ thống bằng phần mềm ABAQUS 6.5.1

2.4.1 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS

ABAQUS là một phầm mềm thương mại dùng để mô phỏng công trình, kết cấu máy dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Phạm vi giải quyết của nó từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn đề mô phỏng phi tuyến phức tạp ABAQUS có thư viện phần

tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng thực tế bất kì Đồng thời thư viện vật liệu có thể mô phỏng hầu hết tính năng vật liệu điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, bê tông cốt thép, đá và đất ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất, chuyển vị), mà còn có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn

đề trong các lĩnh vực như truyền dẫn điện, từ trường, phân tích âm thanh, điện tử, phân tích cơ học thổ nhưỡng, phân tích cơ học môi trường điện áp

ABAQUS là phần mềm mang tính thương mại cao, thân thiện với người dùng, sử dụng tương đối đơn giản Vấn đề phức tạp nhất cũng có thể rất dễ dàng thiết lập mô hình Trong đa số vấn đề phân tích mô phỏng, thậm chí trong vấn đề phi tuyến tính cấp cao, người dùng chỉ cần cung cấp hình dạng hình học, tính năng vật liệu, điều kiện biên và trường hợp tải trọng của kết cấu là có thể tiến hành phân tích Trong phân tích phi tuyến tính, ABAQUS có khả năng tự lựa chọn lượng tăng tải phù hợp và độ chính xác hội tụ Không chỉ có khả năng lựa chọn các tham số này, mà trong quá trình phân tích còn có khả năng không ngừng điều chỉnh tham số để thu được hiệu quả cao nhất

ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu: ABAQUS/Standard và ABAQUS/Explicit Ngoài ra vẫn có hai khối phân tích phụ có công dụng đặc biệt: ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design ABAQUS/CAE là khối giao tiếp với người dùng, làm công tác tiền xử

lý như: thiết lập mô hình, gán thuộc tính, điều kiện biên và phân chia mạng lưới… ABAQUS/Viewer dùng để tiến hành phân tích và xử lý kết quả

2.4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ô tô, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, v.v, đến những bài toán của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện - từ trường v.v Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp cũng đã được tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng.[5]

Giả sử V là miền xác định của một đại lượng cần khảo sát nào đó (chuyển vị, ứng

suất, biến dạng, nhiệt độ, v.v.) Ta chia V ra nhiều miền con v e có kích thước và bậc tự do

hữu hạn Đại lượng xấp xỉ của đại lượng trên sẽ được tính trong tập hợp các miền v e

Phương pháp xấp xỉ nhờ các miền con v e được gọi là phương pháp xấp xỉ bằng các phần tử hữu hạn, nó có một số đặc điểm sau:

+Xấp xỉ nút trên mỗi miền con v e chỉ liên quan đến những biến nút gắn vào nút của

v e và biên của nó

+Các hàm xấp xỉ trong mỗi miền con v e được xây dựng sao cho chúng liên tục trên

v e và phải thoả mãn các điều kiện liên tục giữa các miền con khác nhau

+Các miền con v e được gọi là các phần tử

-Định nghĩa hình học phần tử hữu hạn

Nút hình học là tập hợp n điểm trên miền V để xác định hình học các PTHH Chia

miền V theo các nút trên, rồi thay miền V bằng một tập hợp các phần tử v e có dạng đơn

giản hơn Mỗi phần tử v e cần chọn sao cho nó được xác định giải tích duy nhất theo các

toạ độ nút hình học của phần tử đó, có nghĩa là các toạ độ nằm trong v e hoặc trên biên của nó.[5]

Việc chia miền V thành các phần tử v e phải thoả mãn hai qui tắc sau:

+Hai phần tử khác nhau chỉ có thể có những điểm chung nằm trên biên của chúng Điều này loại trừ khả năng giao nhau giữa hai phần tử Biên giữa các phần tử có thể là các

điểm, đường hay mặt (Hình 2.10)

+Tập hợp tất cả các phần tử v e phải tạo thành một miền càng gần với miền V cho

trước càng tốt Tránh không được tạo lỗ hổng giữa các phần tử

-Phần tử một chiều (Hình 2.11)

Hình 2.11 Phần tử một chiều -Phần tử hai chiều (Hình 2.12)

Hình 2.12 Phần tử hai chiều -Phần tử tứ diện (Hình 2.13)

Hình 2.13 Phần tử tứ diện -Phần tử lăng trụ (Hình 2.14)

Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc baPhần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba

22

Hình 2.14 Phần tử lăng trụ

2.4.2.2 Phần tử quy chiếu, phần tử thực

Với mục đích đơn giản hoá việc xác định giải tích các phần tử có dạng phức tạp, đưa

vào khái niệm phần tử qui chiếu, hay phần tử chuẩn hoá, ký hiệu là v r

-Phép biến đổi phải có tính hai chiều (song ánh) đối với mọi điểm  trong phần tử

qui chiếu hoặc trên biên; mỗi điểm của v r ứng với một và chỉ một điểm của v e và ngược lại

-Mỗi phần biên của phần tử qui chiếu được xác định bởi các nút hình học của biên đó ứng với phần biên của phần tử thực được xác định bởi các nút tương ứng

- Một phần tử qui chiếu v r được biến đổi thành tất cả các phần tử thực v e cùng loại

nhờ các phép biến đổi khác nhau Phần tử qui chiếu còn được gọi là phần tử bố-mẹ

- Có thể coi phép biến đổi hình học nói trên như một phép đổi biến đơn giản

-  (, ) được xem như hệ toạ độ địa phương gắn với mỗi phần tử

*Phần tử qui chiếu một chiều (Hình 2.16)

Hình 2.16 Phần tử qui chiếu một chiều

*Phần tử qui chiếu hai chiều (Hình 2.17)

Hình 2.17 Phần tử qui chiếu 2 chiều

*Phần tử qui chiếu ba chiều

,0

1

/ 2

1

/ 3 , 2 / 3 2

/ 3 , 1 / 3

2

/ 3

1

/ 3

1

/ 3

2

/ 3





0 1-

1



1

-

1-

1



1

/ 2

0Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Phần tử bậc nhất

24

-Phần tử sáu mặt (Hình 2.19)

Hình 2.19 Phần tử sáu mặt

c Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất

Tham khảo tài liệu [5] ta có các công thức (2.1-2.12)

Có thể chia lực tác dụng ra ba loại và ta biểu diễn chúng dưới dạng véctơ cột: -Lực thể tích : f = f[ f x , f y , f z ] T

-Lực diện tích : T = T[ T x , T y , T z ] T

-Lực tập trung P i: P i = P i [ P x , P y , P z ] T

Chuyển vị của một điểm thuộc vật được ký hiệu bởi:

u = [u, v, w] T (2.1) Các thành phần của Tenxơ biến dạng được ký hiệu bởi ma trận cột:

 = [x , y , z , yz , xz , xy ] T (2.2) Trường hợp biến dạng bé:

T x

v y

u x

w z

u y

w z

v z

w y

v x

f T

05

000

00

00

50000

00

01

00

01

00

01

211

, ,

,

E D

E : là môđun đàn hồi,

: là hệ số Poisson của vật liệu

d Nguyên lý cực tiểu hóa thế năng toàn phần

Thế năng toàn phần  của một vật thể đàn hồi là tổng của năng lƣợng biến dạng U

và công của ngoại lực tác dụng W:

Với vật thể đàn hồi tuyến tính thì năng lƣợng biến dạng trên một đơn vị thể tích đƣợc xác định bởi:

12

T

Do đó năng lƣợng biến dạng toàn phần:

12

T V

T V

T

P u TdS u FdV u W

T V

T V

T

P u TdS u dV f u dV

12

Trong đó: u là véctơ chuyển vị và P i là lực tập trung tại nút i có chuyển vị là u i