Thiết kế một loại robot hoạt động bên trong đường ống hay còn gọi là robot đường ống.

hoạt động bên trong đường ốnghoạt động bên trong đường ốnghoạt động bên trong đường ốnghoạt động bên trong đường ốngTrong đề tài này em đã chọn phương pháp hàn MIGMAG cho thiết kế của mình bởi vì những ưu điểm của hàn MIGMAG như sau: Việc cấp vật liệu hàn được tích hợp vào trong tay hàn (súng hàn) nên tay hàn có kích thước tương đối nhỏ gọn hơn so với hàn TIG (hàn TIG tay hàn và bộ phận cấp que hàn phụ riêng biệt nên cần thiết kế đồ gá phức tạp). Thiết bị hàn MIGMAG trên thị trường có giá thành tương đối rẻ hơn hàn TIG, đặc biệt là hàn MAG sử dụng khí bảo vệ là CO2 nên được sử dụng rộng rãi hơn. Đường ống cần hàn được tạo thành từ thép hợp kim nên phương pháp hàn MIG MAG là hoàn toàn hợp lý. Tuy nhiên việc sử dụng phương pháp hàn TIG vào robot hàn

i

Lời cảm ơn

Kể từ ngày đặt những bước chân đầu tiên vào giảng đường H1, mà nay đã 4 cái hè trôi qua dưới mái trường Bách Khoa Có người nói “Nắng Bách Khoa thiêu đốt đời trai trẻ” nhưng mấy ai nhận ra rằng Bách Khoa đã cho ta quá nhiều thứ, từ những giảng viên đầy nhiệt huyết sẵn sàng trao đi những kiến thức quý giá của bản thân hay những mùa đồ án làm nên thương hiệu của trường, không những thế mà còn đó là một mùa hè xanh đậm chất Bách Khoa mà mấy ai có thể quên được Nhưng tiệc nào thì cũng phải đến lúc tàn, cũng đã đến lúc em rời khỏi ghế giảng đường để bước tiếp trên một chặng đường mới

Đối với em, có lẽ 4 năm qua sẽ không được trọn vẹn nếu thiếu đi “Bách Khoa” Bách Khoa đã cho em nếm trải được thế nào là vui buồn sướng khổ Sướng khi được lên lớp gặp bạn bè, được thầy cô chỉ dạy những kiến thức chuyên môn lẫn kinh nghiệm sống hằng ngày Khổ là những khi thâu đêm suốt sáng tràn ngập trong đồ án, thi cử hay những lần gục ngã khi vướng phải một môn học nào đó Tất cả đã tôi rèn nên một người sinh viên có thể gánh vác được mọi công việc, không những giỏi về chuyên môn mà còn có cả tấm lòng lương thiện

Đầu tiên là lời cảm ơn chân thành nhất gửi đến các thầy cô của trường Đại học Bách Khoa TPHCM và đặc biệt là các thầy cô trong mái nhà chung cơ khí đã dìu dắt, tận tình chỉ dạy chúng em từ những bước đi đầu tiên trên giảng đường đại học

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn TS Nguyễn Hải Đăng

đã hết lòng giúp đỡ và chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Qua đây, em cũng xin gửi gắm lời cảm ơn yêu thương đến gia đình, đã là chỗ vựa vững chắc cho em trong trong suốt cuộc đời này

Bên cạnh đó là lời cảm ơn dành cho tất cả bạn bè đã giúp đỡ lẫn nhau trong quá trình học tập tại trường

Cuối cùng, em xin gửi lời chúc sức khoẻ, hạnh phúc đến tất cả quý thầy cô, cán bộ nhân viên của trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

Đại học Bách Khoa TP.HCM

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2019 Sinh viên thực hiện đề tài

ii

MỤC LỤC

Chương 1 Tổng quan 1

1.1 Giới thiệu về robot hàn đường ống (Pipeline Robot) 1

1.2 Phân loại robot đường ống 2

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 4

1.3.1 Robot pipe Clawer 4

1.3.2 Robot Smart-Spider 5

1.3.3 Robot kiểu sâu đo 5

1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước 6

1.4.1 Robot kiểm tra cống thoát nước 7

1.4.2 Robot khảo sát cống ngầm tại TPHCM 7

1.4.3 Robot thông đường ống các loại tàu biển – Đại học Bách Khoa TPHCM……… 8

1.4.4 Robot khảo sát đường ống – Đại học Bách Khoa TPHCM 9

1.5 Lý do chọn đề tài 9

1.6 Các yêu cầu và thông số kỹ thuật 10

1.7 Mục tiêu của đề tài 11

Chương 2 Tính toán cơ khí 12

2.1 Kết cấu tổng thể 12

2.2 Một số thiết kế phần chân của robot 12

2.2.1 Dùng lò xo tự điều chỉnh 12

2.2.2 Cơ cấu sử dụng cặp visme đai ốc 13

2.2.3 Cơ cấu sử dụng ba cặp visme - đai ốc đặt song song 14

2.3 Thiết kế sơ bộ phần thân 14

2.4 Thiết kế cụm chân robot 17

2.4.1 Phân tích lực nén cần thiết tác dụng lên mỗi bánh xe 17

2.4.2 Phân tích lực nén cần thiết tác dụng lên cụm bánh xe 18

iii

2.4.3 Tính toán cơ cấu truyền động và lò xo 20

2.5 Tính toán các cơ cấu cụm thân robot 36

2.5.1 Tính toán lực hãm khớp chống quá tải 36

2.5.2 Thiết kế bộ truyền vít me - đai ốc cụm thân 39

2.5.3 Chọn động cơ cho cụm thân 41

2.6 Thiết kế cơ cấu hàn đường ống 42

2.6.1 Tính toán truyền động và chọn động cơ các khớp 42

2.6.2 Thiết kế bộ bánh răng côn khớp 1 45

2.6.3 Thiết kế vít me – đai ốc cánh tay hàn 49

Chương 3 Công nghệ hàn của robot 52

3.1 Một số phương pháp hàn có thể sử dụng trên robot 52

3.1.1 Hàn TIG 52

3.1.2 Hàn MIG-MAG 53

3.1.3 Ứng dụng robot vào quá trình hàn 55

3.2 Phân tích đặc điểm mối hàn và nhiệt hàn 57

3.3 Phương pháp hàn được sử dụng cho robot đường ống 58

Chương 4 Hệ thống điều khiển và các thiết bị điện 62

4.1 Điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến RF (Radio Frequency) 62

4.1.1 Lý thuyết về song vô tuyến RF 62

4.1.2 Đặc điểm của sóng vô tuyến RF 63

4.2 Mạch thu phát RF NRF24L01 + 65

4.3 Arduino mega 2560 ADK R3 66

4.4 Hệ thống nguồn điện và các thiết bị ngoại vi trên robot 71

4.4.1 Hệ thống nguồn điện 72

4.4.2 Các thiết bị ngoại vi và cảm biến 72

4.5 Sơ đồ điều khiển cánh tay hàn 73

Chương 5 Phương hướng bảo dưỡng và cải tiến 75

iv

5.1 Các hư hỏng có thể xuất hiện trong quá trình robot được đưa vào sử dụng 75

5.2 Một số phương hướng bảo trì, bảo dưỡng robot đường ống 75

5.3 Phương hướng cải tiến robot 76

5.3.1 Cải tiến cụm chân 76

5.3.2 Cải tiến cụm tay hàn 76

Chương 6 Kết luận 77

6.1 Kết luận 77

6.1.1 Các vấn đề đã được giải quyết 77

6.1.2 Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu và giải quyết 77

6.2 Tự đánh giá của bản thân 77

v

Mục lục hình ảnh

Chương 1

Hình 1.1 Ứng dụng của robot đường ống 1

Hình 1.2 Robot đường ống 2

Hình 1.3 Robot Pipe Clawer 4

Hình 1.4 Robot Smart-Spider 5

Hình 1.5 Các bộ phận và nguyên lý chuyển động của robot kiểu sâu đo 6

Hình 1.6 Robot kiểm tra cống thoát nước 7

Hình 1.7 Robot kiểm tra đường ống của công ty thoát nước đô thị TPHCM 8

Hình 1.8 Sản phẩm robot đường ống của PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến – Đại học Bách Khoa TPHCM 8

Hình 1.9 Robot khảo sát đường ống của Thạc sĩ Võ Anh Huy – Đại học Bách Khoa TPHCM 9

Chương 2 Hình 2.1 Sơ đồ động cơ cấu chân tự điều chỉnh kích thước 12

Hình 2.2 Sơ đồ động cơ cấu sử dụng cặp vít me – đai ốc 13

Hình 2.3 Cấu trúc ba vít me đặt song song 14

Hình 2.4 Trường hợp robot có cả hai đầu nằm ngoài đoạn cong 15

Hình 2.5 Trường hợp robot có cả hai đầu nằm trong đoạn cong 16

Hình 2.6 Phân tích các lực tác dụng lên bánh xe của chân robot 17

Hình 2.7 Kết cấu 3D cụm chân robot 18

Hình 2.8 Phân tích các lực tác dụng lên cụm chân robot (chỉ tính 1 phía) 18

Hình 2.9 Kết cấu truyền động của cụm chân 20

Hình 2.10 Trường hợp bánh xe chịu lực lớn nhất 21

Hình 2.11 Phân tích các lực tác dụng 21

Hình 2.12 Sơ đồ đặt lực trục truyền 32

Hình 2.13 Sơ đồ trục truyền 34

vi

Hình 2.14 Hình dạng 3D của khớp chống quá tải động cơ 36

Hình 2.15 Mô hình 3D cánh tay hàn 3 bậc tự do 42

Hình 2.16 Cơ cấu truyền động của các khớp 42

Hình 2.17 Kích thước và sơ đồ lực các khớp 43

Hình 2.18 Kết quả tính toán momen xoắn từ chương trình 43

Chương 3 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hàn TIG 52

Hình 3.2 Sơ đồ thiết bị hàn TIG 53

Hình 3.3 Cấu tạo mỏ hàn TIG 53

Hình 3.4 Nguyên lý hàn MIG-MAG 54

Hình 3.5 Sơ đồ thiết bị hàn MIG-MAG 55

Hình 3.6 Cấu tạo mỏ hàn MIG 55

Hình 3.7 Robot hàn MIG của hãng Panasonic 56

Hình 3.8 Robot hàn TIG của hãng Panasonic 56

Hình 3.9 Robot hàn được sử dụng trong nghành sản xuất ô tô 57

Hình 3.10 Tổ chức kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt 57

Hình 3.11 Máy hàn MIG không dùng khí Ozito và dây hàn lõi thuốc 59

Hình 3.12 Mô hình 3D của súng hàn MIG-MAG 60

Hình 3.13 Mô hình 3D kết cấu giữ tay hàn 60

Hình 3.14 Mô hình 3D robot hoạt động trong đường ống 61

Chương 4 Hình 4.1 Máy bay không người lái được điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến 62

Hình 4.2 Module thu phát RF 62

Hình 4.3 Sơ đồ khối mạch phát sóng RF 63

Hình 4.4 Sơ đồ khối mạch thu sóng RF 63

Hình 4.5 Mạch thu phát NRF24L01 + PA NLA 2.4GHz ăng ten rời cho khoảng cách truyền lên đến 1km, và bộ điều khiển sử dụng sóng RF ở tần số 2.4GHz 66

Hình 4.6 Arduino Mega 2560 ADK R3 66

vii

Hình 4.7 Phần mềm Arduino IDE 67 Hình 4.8 Pin Lipo 14.8V 1550 mAh 4s 95c và mạch giảm áp 72 Hình 4.9 Cảm biến khoảng cách hồng ngoại, cảm biến góc nghiêng và cảm biến nhiệt độ 72 Hình 4.10 Sơ đồ điều khiển cánh tay hàn 73 Hình 4.11 Bố trí cảm biến để đo khoảng cách từ tay hàn đến đường ống 74

Chương 6

Hình 6.1 1 Snake Arm Robot 76

viii

Mục lục bảng

Chương 1

Bảng 1.1 Phân biệt các loại robot đường ống 2

Chương 2 Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật của hệ thống truyền động 22

Bảng 2.2 Thông số hình học lò xo 1 23

Bảng 2.3 Thông số hình học lò xo 2 24

Bảng 2.4 Thông số hình học của lò xo 3 26

Bảng 2.5 Thông số bộ truyền bánh răng cụm chân robot 31

Bảng 2.6 Thông số của lò xo khớp chống quá tải 38

Bảng 2.7 Bảng đặc tính truyền động của cụm thân robot 41

Bảng 2.8 Đặc tính truyền động của khớp xoay 44

Bảng 2.9 Đặc tính truyền động của khớp 1 44

Bảng 2.10 Đặc tính truyền động của khớp 2 44

Bảng 2.11 Thông số bộ truyền bánh răng khớp 1 48

Chương 4 Bảng 4.1 Phân loại sóng RF theo bước sóng 64

Chương 5 Bảng 5.1 Một số nguyên nhân gây hư hỏng robot và biện pháp khắc phục 75

1

Chương 1 Tổng quan

1.1 Giới thiệu về robot hàn đường ống (Pipeline Robot)

Ngày nay, từ các ngành công nghiệp khai thác như: dầu mỏ, khí đốt, nước ngầm… đến các công trình xây dựng đều sử dụng nhiều loại đường ống với kích thước và vật liệu khác nhau Do đó, việc bảo trì thường xuyên cũng như dò tìm các khuyết tật bên trong đường ống mà không cần phải tháo dỡ hay bất cứ công việc khó khăn nào là một điều hết sức cần thiết Từ đó, yêu cầu về một loại robot có thể thay thế con người làm việc bên trong các đường ống là cần thiết và thực tế

Khái niệm “Pipeline Robot” đã có cách đây từ khá lâu Đây là một dạng robot có cấu trúc đặc biệt, phù hợp với điều kiện làm việc là không gian bên trong đường ống Với mục tiêu cải tiến để robot có chức năng đặc biệt hơn nữa là có thể hàn và sửa chữa bên trong đường ống, nơi mà con người khó mà tiếp xúc một cách dễ dàng Ngày nay với trình độ khoa học kỹ thuật phát triển vượt bậc, đặc biệt là cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã tạo

ra nhiều loại robot đường ống với kích thước từ lớn đến nhỏ, từ đơn giản đến phức tạp, chứa đựng đầy đủ thành tựu phát triển của nhân loại

Hình 1.1 Ứng dụng của robot đường ống

Dựa trên một số loại robot đường ống đã được nghiên cứu và phát triển ở tại Việt Nam cũng như là trên thế giới Từ đó em đã thiết kế lại và cho ra đời robot đường ống với mục tiêu chính là có thể hàn và dò các khuyết tật bên trong lòng của đường ống kim loại Robot đường ống được điều khiển thông qua sóng radio có tầm hoạt động tương đối lớn

2

Hình 1.2 Robot đường ống

1.2 Phân loại robot đường ống

Ta có thể phân loại robot dựa vào đặc điểm cơ khí cũng như cách thức chuyển động bên trong đường ống thành các dạng dưới đây

Bảng 1.1 Phân biệt các loại robot đường ống

Pig type Lợi dụng lực đẩy từ chất khí hay chất

lỏng để di chuyển bên trong đường ống

3

Wheel type

Robot sử dụng 4 bánh xe để chuyển động bên trong đường ống Robot chỉ có thể chuyển động với đường ống nằm ngang

Caterpillar type Robot sử dụng bánh xích đai thay vì 4

bánh xe như Wheel type

Wall-press type

Các chân robot tạo áp lực bám lên thành ống Có thể sử dụng bánh xe xích hoặc đai để chuyển động Robot có khả năng

di chuyển với đường ống thẳng đứng

Walking type

Robot sử dụng các chân có khớp chuyển động bước đi trong đường ống Robot này có cơ cấu chuyển động rất phức tạp

Inchworm type

Chuyển động của robot mô phỏng từ chuyển động của sâu đo, trường lên từng bước với tốc độ khá chậm Phù hợp với đường ống đường kính nhỏ và ngắn

4

Screw type Robot có thể chuyển động nhờ khả năng

xoắn vít bên trong đường ống

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Từ khi cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 bùng nổ, việc ứng dụng robot vào tất cả các lĩnh vực ngày càng trở nên phổ biến, trong đó có robot đường ống Việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng nhiều loại công nghệ, vật liệu mới đã phần tạo nên bức tranh công nghệ đầy màu sắc Trong những năm gần đây, robot đường ống ngày càng được sử dụng rộng rãi và cải tiến liên tục với nhiều kích thước và công nghệ hiện đại như GPS, cảm biến hồng ngoại, camera quan sát, …cho khả năng hoạt động linh hoạt và hiệu quả hơn

Trên thế giới đã có nhiều bước tiến vượt bậc trong việc nghiên cứu và ứng dụng robot đường ống vào các công việc khó khăn và nguy hiểm Một số loại robot có thể hoạt động với khoảng cách lên đến vài chục km thông qua công nghệ GPS và vệ tinh, hoạt động liên tục trong một khoảng thời gian lớn mà không cần tiếp thêm năng lượng Bên cạnh việc sử dụng vào các lĩnh vực như dầu khí và tàu biển, robot đường ống còn đảm nhận vai trò quan trọng trong một số lĩnh vực khác chẳng hạn như quân sự, nghiên cứu khoa học…

1.3.1 Robot pipe Clawer

Đơn vị thực hiện: Đại học Florida Atlantic – tác giả Eirk Martinson, Mark Miller, Sheraz Wasi, Tom Kelly

Đặc điểm hình dạng và chức năng của robot: Robot được cấu tạo gồm nhiều đoạn nhỏ, mỗi đoạn gồm có cơ cấu dẫn động và dẫn hướng độc lập tạo sự linh hoạt cho robot khi hoạt động trong đường ống

Hình 1.3 Robot Pipe Clawer

5

Robot chuyển động nhờ các bánh xe của cụm động lực được bố trí lệch một góc với nhau, khi bánh xe quay tạo lực đẩy giúp robot chuyển động về phía trước theo kiểu xoắn vít Cùng lúc đó các bánh xe ở cụm dẫn hướng bám vào ống định hướng cho robot

Ưu điểm: Cấu trúc đơn giản, hoạt động linh hoạt khi qua các khúc co

Nhược điểm: Chỉ hoạt động với đường ống có một đường kính cố định

1.3.2 Robot Smart-Spider

Đơn vị thực hiện: Đại học Aalborg Đan Mạch – tác giả Ying Qu, Petar Durdevic, Zhenyu, Esbjerg

Đặc điểm hình dạng và chức năng của robot: Robot được thiết kế với ba cụm chân được

bố trí lệch nhau một góc 1200, đường kính của robot có thể được tăng giảm nhờ các vít me truyền động đến các khớp ở cụm chân Nhờ vậy robot có thể bám vào đường ống, các bánh

xe chuyển động làm robot di chuyển

Hình 1.4 Robot Smart-Spider

Ưu điểm: Phù hợp với nhiều loại đường kính ống

Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, kém linh hoạt

1.3.3 Robot kiểu sâu đo

Đơn vị thực hiện: Học viện kỹ thuật Nippon, Nhật Bản – tác giả Manabu Ono, Toshiaki Hamano, Shigeo Kato

Đặc điểm hình dạng và chức năng của robot: Robot hoạt động nhờ cơ chế khí nén – đẩy, hai đầu của robot gồm các vòng ma sát với nhiệm vụ bám hoặc nhả với thành ống, phần thân ở giữa là cơ chế khí nén – đẩy truyền động bằng cao su

6

Hình 1.5 Các bộ phận và nguyên lý chuyển động của robot kiểu sâu đo

Nguyên lý chuyển động của robot: Khi khí được rút ra hết chiều dài robot nhỏ nhất (step 1) khi bơm khí vào bộ phận ma sát phía sau bám vào thành ống phần đầu được đẩy lên một đoạn (step 2) Khi rút khí ra phần ma sát ở đầu bám vào thành ống dẫn đến phần đuôi sẽ được kéo lên một đoạn (step 3) Các bước này liên tục diễn ra, robot cứ thế di chuyển về phía trước

Ưu điểm: Robot đơn giản, dễ chế tạo

Nhược điểm: Di chuyển chậm, khó rẽ cua và tầm hoạt động ngắn

1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước

Việc phát triển và chế tạo robot đường ống ở nước ta trong những năm gần đây liên tục được nghiên cứu và đẩy mạnh, đạt được nhiều thành tựu nổi bật với những sản phẩm cụ thể và thiết thực Kết cấu các loại robot khá đa dạng và áp dụng nhiều công nghệ tiên tiến hiện đại, đáp ứng được các yêu cầu đặt ra, từ đó tạo điều kiện để các loại mô hình robot khác có thể ra đời từ những nền tảng mà các nghiên cứu trước đây để lại

Bên cạnh những nghiên cứu và chế tạo trong nước, Việt Nam đã nhập khẩu một số loại robot đường ống để phục vụ các nghành công nghiệp, xây dựng chẳng hạn như sử dụng robot đường ống để thăm dò khảo sát các đường ống cống hay sử dụng nó để kiểm tra các đường ống dẫn khí, dẫn dầu… những nơi nguy hiểm hoặc có sự hạn chế về mặt tiếp cận của con người Từ đó cho thấy nước ta đang ngày càng chú trọng ứng dụng robot vào tất

cả các lĩnh vực, trong đó có robot đường ống và chủ động tiếp cận công nghệ để có thể sản suất loại robot tương tự với công nghệ và con người Việt Nam

7

Đã có nhiều đề tài nghiên cứu khoa học, luận văn về robot đường ống được triển khai thực hiện ở các trường đại học hay các trung tâm nghiên cứu và một số đề tài đã đi vào thực tiễn phục vụ đời sống xã hội như các công trình đô thị, đường cống thoát nước… Dưới đây là một số đề án về robot đường ống đã được triển khai

1.4.1 Robot kiểm tra cống thoát nước

Đơn vị thực hiện: Công ty TNHH MTV thoát nước Hà Nội

Đặc điểm hình dạng và chức năng: Robot dạng 4 bánh trang bị camera có thể xoay ngang 3600 và quay đứng 1800 Thông tin được truyền từ robot qua cáp truyền đến trung tâm điều khiển là máy tính xách tay Robot có thể hoạt động trong đường ống từ 25-100cm, robot hoạt động bên trong ống và thu thập hình ảnh về các vết nứt vỡ hoặc rác thải đóng kết

Hình 1.6 Robot kiểm tra cống thoát nước

1.4.2 Robot khảo sát cống ngầm tại TPHCM

Robot được nhập khẩu từ Mỹ do công ty thoát nước đô thị TPHCM sở hữu

Đặc điểm hình dạng và chức năng: Trong điều kiện thuận lợi robot có thể thăm dò 300m đường ống trong 8 giờ và 100-150m trong điều kiện không thuận lợi Robot dạng 4 bánh xe được trang bị camera, đèn chiếu sáng và được cấp nguồn thông qua cáp truyền từ trung tâm điều khiển đặt trên xe chuyên dụng

Chi phí: Bao gồm 2 robot, xe chuyên dụng, hệ thống điều khiển với giá trị gần 4 tỷ đồng

8

Hình 1.7 Robot kiểm tra đường ống của công ty thoát nước đô thị TPHCM

1.4.3 Robot thông đường ống các loại tàu biển – Đại học Bách Khoa TPHCM

Đơn vị thực hiện: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến bộ môn cơ điện tử - Đại học Bách Khoa TPHCM

Đặc điểm hình dạng và chức năng: Robot dạng 4 bánh xe, robot có thể chui vào đường ống và di chuyển tiến lùi sử dụng chổi để làm sạch chất bám hoặc bụi bẩn bên trong đường ống tàu Thông qua camera được lắp đặt trên robot, người điều khiển có thể dễ dàng quan sát được tình hình bên trong đường ống và điều khiển robot hoạt động Robot có thể làm

sạch được quãng đường lên đến 15m

Hình 1.8 Sản phẩm robot đường ống của PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến – Đại học Bách

Khoa TPHCM

9

1.4.4 Robot khảo sát đường ống – Đại học Bách Khoa TPHCM

Đơn vị thực hiện: Thạc sĩ Võ Anh Huy bộ môn cơ điện tử - Đại học Bách Khoa TPHCM

Đặc điểm hình dạng và chức năng: Robot có dạng bánh xe 3 hướng phân bố đều gồm

3 module chính: module dẫn động, module truyền động trước và sau, module trung gian Robot có khả năng hoạt động trong các đường ống từ 100-120mm, có khả năng rẽ co chữ

T và co 900 Việc có nhiều module dẫn đến robot khá cồng kềnh, mất độ linh hoạt

Hình 1.9 Robot khảo sát đường ống của Thạc sĩ Võ Anh Huy – Đại học Bách Khoa

TPHCM

1.5 Lý do chọn đề tài

Hiện nay nhu cầu về các thiết bị bảo dưỡng chuyên dụng rất cần thiết và quan trọng, đặc biệt là đối với việc bảo dưỡng và kiểm tra các hệ thống đường ống Việc sửa chữa một đoạn ống trước kia là khá phức tạp, hầu như là công việc thủ công tốn nhiều thời gian nhân lực cũng như là chi phí Từ đó đã hình thành nên một câu hỏi “Liệu có một giải pháp nào

để sửa chữa hay kiểm tra đường ống mà không cần tháo dỡ chúng?” Để trả lời cho câu hỏi trên em đã ra quyết định chọn đề tài luận văn của mình là thiết kế một loại robot hoạt động bên trong đường ống hay còn gọi là robot đường ống Đây là đề tài khá hay và đầy thách thức, thách thức ở đây là đặc thù các loại đường ống ở Việt Nam có chất lượng tương đối kém và cũ, cũng như với mục tiêu là cải tiến robot từ những nghiên cứu trước đây và các

cụ thể là thiết kế robot đường ống

1.6 Các yêu cầu và thông số kỹ thuật

Mục tiêu thiết kế robot đường ống giải quyết được những yêu cầu sau:

- Cấu tạo để chuyển động bên trong đường ống và hướng thay đổi đường ống

- Khả năng thay đổi kích thước theo kích thước của đường ống

- Cách thức điều khiển robot

- Năng lượng sử dụng cho robot

- Có khả năng mang các cơ cấu phụ trợ như: cơ cấu hàn, thăm dò hay cơ cấu lau dọn đường ống

- Ngoài ra còn quan tâm đến một số yếu tố khác như môi trường và tính kinh tế Nguyên lý hoạt động của robot:

Các bánh xe bám sát vào mặt trong của đường ống và có thể thay đổi tuỳ theo đường kính ống từ 650 đến 720mm Chuyển động tịnh tiến bên trong đường ống nhờ ma sát giữa bánh xe với thành ống

Robot được tích hợp camera và đèn trợ sáng để ta có thể quan sát các hoạt động của robot diễn ra trong đường ống, từ đó việc điều khiển trở nên linh hoạt và dễ dàng hơn Các thông số kỹ thuật:

- Kích thước đường ống

- Kích thước robot

- Trọng lượng thô của robot

- Tốc độ di chuyển trong đường ống và các cơ cấu truyền động

- Bán kính cong nhỏ nhất mà robot có thể vượt qua

- Lực tác dụng giữa bánh xe và thành ống

- Khả năng chịu tải của các bánh xe

11

- Tầm hoạt động xa nhất của robot (sóng radio)

1.7 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu cuối cùng của đề tài là thiết kế được robot đường ống đạt được những yêu cầu kỹ thuật đã nêu ra bằng cách tra cứu các tài liệu chuyên ngành và sử dụng các phần mềm chuyên dụng để thiết kế và mô phỏng Ở đây em sử dụng các phần mềm thông dụng như Solidworks, Autocad và một số phần mềm phụ trợ Ngoài ra, có thể chế tạo và vận hành thử một số cụm kết cấu của robot

Chế tạo được mô hình robot với công nghệ in 3D và thử nghiệm với đường ống mẫu

để kiểm ra khả năng hoạt động của robot

Các chỉ tiêu cần đạt được:

- Robot hoạt động đúng với mục tiêu đã đề ra

- Robot có kết cấu hợp lý, di chuyển được trong lòng ống

- Khả năng vận hành của các cơ cấu

- Hệ thống điều khiển hoạt động tốt

- Tính toán các thông số kỹ thuật bằng các phần mềm

- Bảo trì robot sau khi hoàn thành

- Tối ưu hoá trong thiết kế và chế tạo robot

Ta phải tính toán được chiều dài của robot để có thể đảm bảo được robot có thể di chuyển được qua khúc co 900

Để robot có thể hàn được bên trong đường ống thì cơ cấu chân phải cứng vững, độ bám cao và ổn định

Trước hết ta phải xác định được đây là dạng robot hoạt động bên trong đường ống với không gian được giới hạn bởi đường kính của ống Do đó việc thiết kế phải đảm bảo được đường kính bao của robot phải nhỏ hơn đường kính của ống Từ đó đưa ra một số ý tưởng

về kết cấu phần chân của robot

2.2 Một số thiết kế phần chân của robot

2.2.1 Dùng lò xo tự điều chỉnh

Hình 2.1 Sơ đồ động cơ cấu chân tự điều chỉnh kích thước Phân tích đặc điểm của cơ cấu:

Ưu điểm:

13

- Đây là cơ cấu đơn giản, dễ thiết kế và chế tạo

- Đảm bảo cho robot luôn bám vào thành đường ống

- Hoạt động hiệu quả với nhiều loại đường ống

Nhược điểm:

- Khó đưa vào vị trí bắt đầu khi mới vào đường ống

- Vì đường ống có kích thước thay đổi từ ∅500mm đến ∅700mm nên nếu sử dụng

cơ cấu này thì lực bám sẽ có lúc lớn lúc nhỏ tuỳ vào độ nén của lò xo → Do đó ta

không thể sử dụng phương án này

2.2.2 Cơ cấu sử dụng cặp visme đai ốc

Hình 2.2 Sơ đồ động cơ cấu sử dụng cặp vít me – đai ốc

Phân tích đặc điểm của cơ cấu:

Ưu điểm:

- Linh hoạt trong việc điều khiển từng chân

- Cơ cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp ráp

- Hoạt động chính xác nhờ cơ cấu visme – đai ốc

Nhược điểm:

- Do hai visme nằm đối xứng nên chiều dài bị hạn chế

- Không đảm bảo độ cứng vững khi hàn

14

2.2.3 Cơ cấu sử dụng ba cặp visme - đai ốc đặt song song

Hình 2.3 Cấu trúc ba vít me đặt song song

Phân tích đặc điểm của kết cấu:

Ưu điểm:

- Cơ cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp ráp

- Hoạt động chính xác nhờ cơ cấu visme – đai ốc

- Ba cặp visme đặt song song đảm bảo độ cứng vững cao

Nhược điểm:

- Kết cấu có bố trí phức tạp, khó láp ráp

- Cần tính toán chuyển động, cơ cấu để đảm bảo ba trục visme cùng vận tốc quay

 Ta chọn cơ cấu này vì nó phù hợp với những yêu cầu đặt ra trước đó: độ cứng

vững, thích ứng với nhiều đường kính ống

2.3 Thiết kế sơ bộ phần thân

Trong quá trình di chuyển bên trong đường ống của robot, phần khó nhất là khi robot vượt qua đường ống cong, do đó ta cần phải tính toán kích thước phần thân sao cho robot

có thể dễ dàng vượt qua khúc cong Kích thước robot có thể quá dài hoặc quá to gây cản trở khi vượt qua khúc cong 900

Để dễ dàng phân tích ta có thể chia ra 2 trường hợp cụ thể:

- Trường hợp 1 robot có có cả hai đầu nằm ngoài đoạn cong

- Trường hợp 2 robot có có cả hai đầu nằm trong đoạn cong

Xét trường hợp 1:

15

Hình 2.4 Trường hợp robot có cả hai đầu nằm ngoài đoạn cong

- Giới hạn của đường kính robot

2)Cos450 - (R - 𝐷

2) – d] = 2[2(R + 𝐷

2)Cos450 - (R - 𝐷

2 + d) Xét trường hợp 2:

16

Hình 2.5 Trường hợp robot có cả hai đầu nằm trong đoạn cong

- Giới hạn đường kính robot:

• Phân tích đặc điểm của từng phương án:

Phương án 1: Có thể chia robot thành 2 hay nhiều cụm được nối linh hoạt với nhau bằng khớp cứng hoặc lò xo Mỗi cụm sẽ đảm nhận chức năng khác nhau

Ưu điểm:

- Robot di chuyển linh hoạt khi vào cua

Nhược điểm:

- Không đảm bảo độ cứng vững của robot khi làm việc

Phương án 2: Tối đa khả năng co rút của chân robot, đảm bảo robot có thể hoạt động với nhiều khúc cong có bán kính khác nhau Giảm chiều dài của robot bằng cách lược bỏ một số kết cấu không cần thiết hoặc tích hợp các kết cấu lại với nhau

17

Ưu điểm:

- Robot có thể cứng vững khi làm việc

- Khả năng điều chỉnh phù hợp với nhiều kích thước ống

Nhược điểm:

- Khó khăn trong việc tích hợp một số kết cấu

2.4 Thiết kế cụm chân robot

Robot hoạt động nhờ vào các bánh xe bám chặt vào thành đường ống giúp robot có thể

di chuyền ổn định dọc theo đường ống Do đó, chân robot cần phải có một lực nén giúp robot luôn bám vững lên thành bằng cách sử dụng lò xo nén và khả năng tự hãm của vít

me – đai ốc, hệ thống lò xo được nối từ vít me ra đến chân của robot tạo thành bộ khung giúp robot có thể co duỗi một cách linh hoạt, vừa tạo ra độ nén đủ lớn để robot có thể bám

chặt vào đường ống khi di chuyển cũng như là khi thực hiện quá trình hàn

Lực bám lớn nhất là khi robot di chuyển trong đường ống thẳng đứng Ước tính khối lượng của robot khoảng 15kg chia đều lên các chân của robot

2.4.1 Phân tích lực nén cần thiết tác dụng lên mỗi bánh xe

Hình 2.6 Phân tích các lực tác dụng lên bánh xe của chân robot

Để robot không rơi xuống bởi tác dụng của trọng lực thì: Fms > P

6 , mà Fms = Fn.f

Trong đó:

2.4.2 Phân tích lực nén cần thiết tác dụng lên cụm bánh xe

Hình 2.7 Kết cấu 3D cụm chân robot Lực tác dụng lên các cơ cấu lò xo (xét trường hợp đường ống thẳng không có khuyết tật):

Hình 2.8 Phân tích các lực tác dụng lên cụm chân robot (chỉ tính 1 phía)

19

- Ta có: N = F = Fn + P = 72 + 150 = 222 N (Tổng lực lớn nhất tác dụng lên 2 bánh xe)

Lực tác dụng của khớp nối 1 lên cụm trượt Fv = Fk1sinα

Trường hợp αmin = 220 khi chân robot duỗi ra dài nhất tương ứng với đường kính robot đạt cực đại:

20

2.4.3 Tính toán cơ cấu truyền động và lò xo

Các cơ cấu truyền động được tính toán bao gồm:

- Chọn động cơ và phân phối tỷ số truyền

- Cặp bánh răng trụ

- Trục truyền và ổ lăn

Hệ thống giảm sốc nối cụm chân với cụm thân bao gồm lò xo 1,2 và 3

2.4.3.1 Tính toán cơ cấu truyền động

Nguyên lý hoạt động: Moment quay từ động cơ đến trục dẫn nhờ cặp bánh răng trụ có

tỷ số truyền 1:1, trục dẫn quay làm quay puli truyền động qua đai răng đến bánh dẫn Khi bánh dẫn quay sẽ kéo theo làm quay bánh xe nhờ vào lực ma sát (nhờ lực ép giữa hai bánh lăn bị động với bánh dẫn)

Bánh xe được cấu tạo từ ba lớp: lớp giữa là vòng thép chịu lực, lớp trong và lớp ngoài

là các vòng cao su nhằm tăng ma sát với các con lăn

Ta xét trường hợp cụm bánh xe chịu lực lớn nhất:

Bộ truyền bánh răng trụ

Động cơ Đai răng

2.4.3.2.1 Tính toán và chọn lò xo giảm sốc 1

Chọn vật liệu lò xo thép nhiều cacbon, theo bảng 15.1 [2], σb = 1500MPa; 𝜏b = 1400MPa; 𝜏-1 = 400MPa; 𝜏ch = 900MPa Với tải trọng thay đổi [𝜏] = 0,3 σb = 0,3.1500 = 450MPa Fmax = 66,16 N; Fmin = 38,33N

Chọn dạng lò xo đầu dây dạng 4 (tài liệu [2]) Khi đó các thông số hình học lò xo được xác định theo bảng sau:

5 Kiểm tra lò xo theo hệ số an toàn:

Gía trị trung bình và cường độ tải trọng được xác định theo công thức:

24

Chọn vật liệu lò xo thép nhiều cacbon, theo bảng 15.1 [2], σb = 1500MPa; 𝜏b = 1400MPa; 𝜏-1 = 400MPa; 𝜏ch = 900MPa Với tải trọng thay đổi [𝜏] = 0,3 σb = 0,3.1500 = 450MPa Fmax = 36,23 N; Fmin = 30N

Chọn dạng lò xo đầu dây dạng 4 (tài liệu [2]) Khi đó các thông số hình học lò xo được xác định theo bảng sau:

Chọn d = 2mm, do đó giữa d và c có sự phù hợp Đường kính trung bình D = 8.2 = 16mm

3 Số vòng làm việc của lò xo theo công thức:

Chọn dạng lò xo đầu dây dạng 4 (tài liệu [2]) Khi đó các thông số hình học lò xo được xác định theo bảng sau:

5 Kiểm tra lò xo theo hệ số an toàn:

Gía trị trung bình và cường độ tải trọng được xác định theo công thức:

4 Xác định chiều dài côn ngoài

Chiều dài côn ngoài của bánh răng côn chủ động được xác định theo độ bền tiếp xúc.Theo công thức thiết kế:

T1 = 0,8465 (Nm) Mômen xoắn trên trục bánh chủ động

[σH] = 450 (MPa) - ứng suất tiếp xúc cho phép

Ta chọn mte = 1,25 (mm)

Tính lại mtm

6 Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc

Ứng suất tiếp xúc xuất hiện trên bề mặt răng côn phải thỏa mãn điều kiện:

σH = ZM ZH Zε √2 T1 KH √ubr2 + 1

0,85 b dm12 ubr [𝜎𝐻] (CT 2.54) Trong đó:

- ZM = 196 MPa1/3 , hệ số kể đến cơ tính vật liệu của các bánh răng ăn khớp Vật liệu

là thép

- ZH, hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc ZH = 2,5 α = 200

- Zε , hệ số kể đến sự trùng khớp của răng đối với bánh côn răng thẳng Zε = 0,96 khi εα = 1,2

- KH – hệ số tải trọng khi tính về tiếp xúc: KH = KHβ KHv

- KHβ – hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng

30

b = Ψbe.Re = 0,3.26,87 = 8,061 chọn b = 8 mm

 σH = 465,2 √2 0,8465.103 1,08 √12 + 1

0,85 8 25,52 1 = 355,75 MPa

Vậy: σH < [𝜎𝐻] = 450 MPa  thỏa mãn điều kiện độ bền mỏi tiếp xúc

7 Kiểm tra răng về độ bền uốn

Để đảm bảo độ bền uốn cho răng, ứng suất sinh ra tại chân răng không được vượt quá một giá trị cho phép

σF = 2 T1 KF YF

0,85 b mnm dm1 ≤ [σF] (CT 2.56) Trong đó:

- T1 – mômen xoắn trên bánh chủ động, T1 = 0,8465 (Nm)

- mnm - môđum pháp trung bình, với bánh côn răng thẳng

Ta thấy: σF = 63,02 (MPa) < [σF] = 246,86 (MPa)

Vậy điều kiện mỏi uốn được đảm bảo

31

Bảng 2.5 Thông số bộ truyền bánh răng cụm chân robot

Đường kính chia ngoài de1 = de2 = 38 mm

Với T – mômen xoắn của trục: T = 816,45 (Nmm),

[τ] - ứng suất xoắn cho phép với vật liệu thép C45 có: [τ] = (15…30) MPa