ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN THIẾT KẾ MÁY
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ ROBOT KHẢO SÁT BỒN THÉP ĐH BÁCH KHOA
iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Nội dung của luận văn là nghiên cứu thiết kế robot khảo sát bồn thép để phục vụ việc kiểm tra mức độ ăn mòn của thành bồn thép bằng đầu dò siêu âm. Robot có cấu tạo cơ bản gồm có hệ thống dẫn động sử dụng xích vận chuyển xe và hệ thống quét dùng đầu dò để khảo sát độ dày bồn chứa thép.
Các công việc chính bao gồm: Khảo sát các loại robot, cảm biến, cơ cấu quét; lựa chọn phương án; tính toán, thiết kế hệ thống quét, thiết kế hệ thống dẫn động, thiết kế sơ bộ sơ đồ mạch điện; thiết kế giải thuật điều khiển tổng quát.
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................... iii
MỤC LỤC ............................................................................................................... iv
DANH SÁCH HÌNH VẼ ......................................................................................... vi
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ................................................................................... ix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ..................................................................................... 1
A. Tổng quan về kiểm tra không phá hủy bồn thép chứa hóa chất: ...................... 1
B. Phương tiện kiểm tra bồn chứa bằng siêu âm hiện nay: ................................... 2
I. Khảo sát các loại robot kiểm tra bồn chứa hiện nay: ............................... 4
II. Khảo sát các loại đầu dò sử dụng cho kiểm tra siêu âm: ........................ 11
III. Các kết cấu gá đặt đầu dò: ...................................................................... 15
IV. Các dạng hiển thị dữ liệu đo độ dày: ...................................................... 19
C. Mục tiêu, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài: ..................................................... 20
I. Mục tiêu luận văn: .................................................................................. 20
II. Nhiệm vụ luận văn: ................................................................................. 20
III. Thông số kỹ thuật: .................................................................................. 21
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ............................................................. 22
A. Phân tích chức năng của Robot: ................................................................. 22
B. Lựa chọn bộ truyền động quét bề mặt: ...................................................... 22
C. Lựa chọn nguyên lý bám: ........................................................................... 23
D. Lựa chọn nam châm: .................................................................................. 23
E. Lựa chọn cơ cấu dẫn động: ........................................................................ 24
I. Lựa chọn bộ truyền động chính: .................................................................. 24
II. Lựa chọn bộ truyền động giảm tốc: ............................................................ 24
III. Lựa chọn động cơ: ..................................................................................... 25
F. Lựa chọn đầu dò: ........................................................................................ 25
G. Tóm tắt lựa chọn phương án: ..................................................................... 27
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ......................................................................................... 29
A. Thiết kế cơ khí: ............................................................................................... 29
I. Thiết kế hệ thống khảo sát: .......................................................................... 29
II. Thiết kế hệ thống truyền động: ................................................................... 34
III. Thiết kế phần thân robot: ........................................................................... 45
B. Thiết kế điện và điều khiển: ............................................................................ 49
I. Yêu cầu thiết kế: ........................................................................................... 49
II. Sơ đồ thiết kế điện cho robot: ..................................................................... 50
III. Lựa chọn linh kiện và thiết bị điện cho Robot: ......................................... 50
IV. Thiết kế giải thuật điều khiển: ................................................................... 52
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN ........................................................... 56
PHỤ LỤC 1: THÔNG SỐ CỦA CÁC BÁNH DẪN VÀ BỊ DẪN CỦA BỘ TRUYỀN XÍCH VẬN CHUYỂN XE. ................................................................... 57
PHỤ LỤC 2: THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC .............................................. 58
PHỤ LỤC 3: THÔNG SỐ RAY TRƯỢT VÀ CON TRƯỢT ................................ 59
PHỤ LỤC 4: THÔNG SỐ BÁNH ĐAI RĂNG ...................................................... 60
PHỤ LỤC 5: THÔNG SỐ KỸ THUẬT LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ........................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 65
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1: Cấu trúc bồn amonia. .................................................................................... 2
Hình 2 :Cấu tạo của robot kiểm tra không phá hủy ................................................... 3
Hình 3 :Các bộ phận phụ trợ của robot. .................................................................... 4
Hình 4: Robot Versatrax 100 MicroMag ................................................................... 5
Hình 5: Sơ đồ nguyên lý của Robot Versatrax 100 MicroMag. ................................ 5
Hình 6: Robot Scorpion 2 và panel điều khiển.......................................................... 6
Hình 7: Sơ đồ nguyên lý của Scorpion. ..................................................................... 6
Hình 8: Robot ALSTOM của GE oil and gas............................................................ 7
Hình 9: Sơ đồ nguyên lý của ALSTOM. ................................................................... 8
Hình 10: Robot NAVIC 2 chưa mang theo một đầu dò siêu âm. .............................. 9
Hình 11: Sơ đồ nguyên lý của NAVIC 2. .................................................................. 9
Hình 12: Robot Accutrak LT- Tank Scanning. ....................................................... 10
Hình 13: Sơ đồ nguyên lý của Robot Accustrak LT. .............................................. 11
Hình 14: Nguyên lý hoạt động của bộ chuyển đổi siêu âm ..................................... 11
Hình 15: Một số đầu dò biến tử đơn. ....................................................................... 12
Hình 16: Một số đầu dò biến tử kép. ....................................................................... 13
Hình 17: Một số đầu dò mối hàn. ............................................................................ 13
Hình 18: Nguyên lý phát sóng tổ hợp pha. .............................................................. 14
Hình 19: Đầu dò DLA. ............................................................................................ 14
Hình 20: Bánh xe quét cho mặt phẳng và mặt cong. ............................................... 15
Hình 21: Khung gá 1 đầu dò. ................................................................................... 16
Hình 22: Khung gá đầu dò theo phương dọc trục. .................................................. 16
Hình 23: Khung gá đầu dò có chốt xoay. ................................................................ 17
Hình 24: Cánh tay quét với con chạy. ..................................................................... 18
Hình 25: Khung gá đầu dò theo phương dọc. .......................................................... 19
Hình 26: Hiển thị dữ liệu A-Scan. ........................................................................... 19
Hình 27: Hiển thị dữ liệu B-Scan. ........................................................................... 20
Hình 28: Hiển thị dữ liệu dạng C-Scan. .................................................................. 20
Hình 29: Đầu dò siêu âm một thành phần(single element transducer). .................. 21
Hình 31: Đầu dò tiếp xúc trực tiếp đơn biến tử của Olympus. ................................ 27
Hình 32: Sơ đồ lựa chọn phương án cho robot. ...................................................... 28
Hình 33: Mô hình lưới quét. .................................................................................... 30
Hình 34: Sơ đồ định vị và kẹp chặt đầu dò. ............................................................ 31
Hình 35: Sơ đồ nguyên lý khối đồ gá. ..................................................................... 31
Hình 36: Mô hình tính bộ truyền đai răng. .............................................................. 32
Hình 37: Kết cấu trục của pulley bị động. ............................................................... 33
Hình 38: Mô hình hệ thống quét. ............................................................................. 34
Hình 39: Phân tích lực tác dụng lên robot. .............................................................. 35
Hình 40: Sơ đồ động học của xích vận chuyển xe. ................................................. 37
Hình 41: Kết cấu xích khi gá đặt nam châm. .......................................................... 40
Hình 42: Sơ đồ động của hệ thống dẫn động. ......................................................... 41
Hình 43: Sơ đồ bố trí các bánh lăn. ......................................................................... 43
Hình 44: Kết cấu trục của bánh bị dẫn. ................................................................... 44
Hình 45: Hình dạng tấm mặt bên. ........................................................................... 46
Hình 46: Hình dạng trục nối. ................................................................................... 46
Hình 47: Hình dạng tấm nối. ................................................................................... 47
Hình 48: Mô hình 3D phần thân của robot. ............................................................. 47
Hình 49: Sơ đồ hệ thống điện cho robot. ................................................................. 50
Hình 50: Giải thuật điều khiển robot. ...................................................................... 53
Hình 51: Giải thuật di chuyển đến vị trí theo yêu cầu.. ........................................... 54
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1: Thông số cánh tay quét của một số hãng. .................................................. 17
Bảng 2: So sánh các bộ truyền động quét............................................................... 22
Bảng 3: So sánh các nguyên lý bám bồn chứa. ....................................................... 23
Bảng 4: So sánh các loại nam châm. ....................................................................... 23
Bảng 5: So sánh các bộ truyền động chính.............................................................. 24
Bảng 6: So sánh các bộ truyền động trung gian. ..................................................... 25
Bảng 7: So sánh các loại đầu dò siêu âm. ................................................................ 25
Bảng 8: Thông số của ổ lăn W 627/5 X. ................................................................. 33
Bảng 8: Các thông số cơ bản của bộ truyền xích. ................................................... 38
Bảng 9: Các thông số của hộp giảm tốc bánh răng trụ 3 cấp khai triển. ................. 41
Bảng 10:Thông số động cơ SRC-545S-6511F. ....................................................... 42
Bảng 11: Phân bố tỷ số truyền. ................................................................................ 43
Bảng 12: Thông số của ổ lăn W 627/5 X. ............................................................... 45
Bảng 13: Bảng dung sai lắp ghép. ........................................................................... 47
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
A. Tổng quan về kiểm tra không phá hủy bồn thép chứa hóa chất:
Trong các ngành công nghiệp dầu khí và hóa chất, việc tồn trữ hóa chất được thực hiện bằng các bồn chứa trên mặt đất( Ground storage tank-ATS). Trong quá trình lưu trữ, hóa chất có thể bị rò rỉ ra môi trường bên ngoài khi thành bồn bị nứt hoặc rỗ mòn, đây là kết quả từ sự ăn mòn của hóa chất được lưu trữ bên trong.
Để khắc phục vấn đề này, phương pháp kiểm tra dựa trên rủi ro(risk based inspection - RBI) được thực hiện. Phương pháp này dựa trên việc đánh giá xác suất và hậu quả của hiện tượng sai hỏng cho mỗi bồn chứa độc lập khác nhau. Mục đích của phương pháp này để tối đa hóa sự an toàn trong hoạt động và độ tin cậy của các bồn chứa .
Phương pháp kiểm tra không phá hủy hiện nay là phương pháp chủ yếu để kiếm tra các bồn chứa đang hoạt động vì nó không ảnh hưởng đến tính trạng nguyên vẹn của bồn chứa, dễ thực hiện và không độc hại khi thực hiện.
Hiện nay có nhiều phương pháp kiểm tra không phá hủy khác nhau với nhiều ứng dụng và mục đích khác nhau:
Phương pháp
Ưu điểm
Hạn chế
Kiểm tra từ tính
(MT)
Độ nhạy cao
Đo chiều dày chính xác
Tiếp cận từ phía bên trong bồn.
Không đo chiều sâu.
Cần chuẩn bị bề mặt.
Kiểm tra
siêu âm(UT)
Kiểm tra trong khi bồn đang hoạt động.
Có khả năng chỉ ra được chiều dày và chiều sâu.
Ít nhạy hơn MT.
Cần di dời lớp bảo ôn.
Phát xạ
âm thanh(AE)
Kiểm tra khi bồn đang hoạt động.
Ít nhạy hơn UT.
Yêu cầu ứng suất cơ học để nhận được nhiễu
Phương pháp
dấu hiệu hiện
trường(FSM)
Kiểm tra khi bồn đang hoạt
động.
Đo đọc sự thay đổi của kích cỡ
vết nứt.
Là một công nghệ chưa được
chứng minh.
Phương pháp tương đối, không
có khả năng tìm các vết nứt cũ.
Phương pháp kiểm tra bằng siêu âm(Untrasonic Testing-UT) hiện nay đang
được khuyến khích sử dụng cho việc kiểm tra bồn chứa từ bên ngoài do có thể
kiểm tra tự động, bán tự động bằng robot. Do đó, sức khỏe của người kiểm tra sẽ
được đảm bảo và không gây ảnh hưởng đến quá trình làm việc của bồn chứa.
Qua khảo sát trên các tài liệu về bồn chứa công nghiệp, dữ liệu về bồn chứa
Ammonia lỏng của nhà máy Đạm Cà Mau, tác giả đã thu thập được thông số kỹ
thuật của bồn như sau:
Kích thước tổng thể: Ø32x20 m.
Bề dày lớp thép ở thành trong của bồn: 20mm.
Mã thép của lớp thành trong của bồn: thép SA516 Gr.60(tiêu chuẩn
ASME).
Cấu tạo thành bồn gồm nhiều mảnh thép hình vòng cung lắp ghép với nhau
bằng các mối hàn.
Hình 1: Cấu trúc bồn amonia.
B. Phương tiện kiểm tra bồn chứa bằng siêu âm hiện nay:
Nhằm mục đích tiết kiệm thời gian, chi phí nhân lực, tránh điều kiện độc hại từ
hóa chất. Hiện nay phương pháp kiểm tra siêu âm trên bồn chứa chủ yếu thực hiện
trên robot. Cấu tạo chung của các robot khảo sát bồn chứa hiện nay như sau:
