Luận văn Thạc sĩ: nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot linh

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm robot linh hoạt nhằm kiểm tra chất lượng bề mặt ống cho giáo dục đào tạo chuyên nghiệp

• Tác giả: Phan Thành Duy
• Người hướng dẫn: PGS-TS. Lê Chí Cương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Chế Tạo Thử Nghiệm Robot Linh Hoạt Nhằm Kiểm Tra Chất Lượng Bề Mặt Ống
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế và chế tạo robot kiểm tra chất lượng

Thiết kế và chế tạo robot là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật cơ khí hiện đại. Luận văn thạc sĩ này tập trung vào nghiên cứu robot linh hoạt nhằm kiểm tra chất lượng bề mặt ống thép. Robot công nghiệp được ứng dụng rộng rãi trong các quy trình sản xuất để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Đặc biệt, trong ngành sản xuất ống thép, việc kiểm tra bề mặt ống đòi hỏi độ chính xác cao và khả năng làm việc liên tục. Thiết kế robot cần phải kết hợp các công nghệ tiên tiến để đạt được hiệu suất tối ưu. Luận văn này trình bày các phương pháp chế tạo và thử nghiệm robot một cách chi tiết và khoa học, nhằm giải quyết các thách thức trong kiểm tra chất lượng bề mặt ống trong sản xuất công nghiệp.

1.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đề tài nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học to lớn trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí. Việc thiết kế robot linh hoạt giúp tối ưu hóa quá trình kiểm tra chất lượng sản phẩm công nghiệp. Nghiên cứu này đóng góp vào sự phát triển của công nghệ automation tại Việt Nam, đặc biệt là trong lĩnh vực kiểm tra chất lượng ống thép. Các kết quả từ chế tạo và thử nghiệm robot cung cấp cơ sở lý thuyết quan trọng cho các dự án tương tự trong tương lai.

1.2. Tính thực tiễn và ứng dụng công nghiệp

Trong thực tế sản xuất, robot kiểm tra chất lượng mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Chế tạo thử nghiệm robot cho phép các nhà máy sản xuất ống thép nâng cao hiệu suất kiểm tra. Robot có khả năng phát hiện các khuyết tật hàn và các vấn đề về bề mặt ống một cách chính xác. Ứng dụng thiết kế robot vào sản xuất công nghiệp giúp giảm chi phí nhân công, tăng độ tin cậy kiểm tra, và nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

II. Quy trình sản xuất ống thép và các khuyết tật

Quy trình sản xuất ống thép là nền tảng quan trọng để hiểu rõ nhu cầu kiểm tra chất lượng bề mặt ống. Có hai phương pháp chính: sản xuất ống thép đúc và ống thép hàn. Mỗi phương pháp tạo ra những loại khuyết tật khác nhau cần được phát hiện. Vật liệu chế tạo ống bao gồm các loại thép khác nhau, mỗi loại có độ bền và khả năng chống ăn mòn khác nhau. Quá trình chế tạo robot phải dựa trên hiểu biết sâu sắc về các loại khuyết tật như khuyết tật hàn, rỗ, cằn mép, và các vấn đề ăn mòn. Một robot kiểm tra chất lượng hiệu quả cần phát hiện được tất cả các loại khuyết tật này để đảm bảo sản phẩm đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp.

2.1. Các phương pháp sản xuất ống thép

Ống thép đúc được sản xuất bằng cách đúc kim loại nóng chảy vào khuôn. Ống thép hàn được tạo ra bằng cách hàn các tấm thép lại với nhau. Ống thép hàn loại lớn yêu cầu quy trình kiểm tra nghiêm ngặt hơn do kích thước lớn. Mỗi phương pháp sản xuất tạo ra các khuyết tật khác nhau, do đó thiết kế robot kiểm tra phải thích ứng với từng loại ống.

2.2. Các loại khuyết tật và yêu cầu kiểm tra

Khuyết tật hàn bao gồm rỗ, cằn mép, và các vết nứt. Ăn mòn bề mặt là vấn đề lớn ảnh hưởng đến tuổi thọ ống. Robot chế tạo cần được trang bị cảm biến hiện đại để phát hiện các khuyết tật này. Vật liệu ống có độ bền mỏng khác nhau, yêu cầu các cài đặt kiểm tra khác nhau cho robot kiểm tra chất lượng.

III. Các thành phần chính và kiến trúc robot kiểm tra

Thiết kế robot linh hoạt yêu cầu hiểu rõ các thành phần cơ khí và điện tử. Robot kiểm tra chất lượng ống thường bao gồm hệ thống cơ khí (khung cơ sở, tay máy), hệ thống điều khiển (bộ điều khiển PLC, bộ xử lý tín hiệu), và hệ thống cảm biến (camera, cảm biến quang, cảm biến khoảng cách). Chế tạo robot đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa các thành phần này. Hệ thống cảm biến kiểm tra phải có độ phân giải cao để phát hiện các khuyết tật nhỏ trên bề mặt ống. Bộ điều khiển robot xử lý dữ liệu từ cảm biến và đưa ra quyết định về chất lượng sản phẩm. Các thành phần này phải được tích hợp một cách hàng hóa để đảm bảo hoạt động ổn định của robot kiểm tra chất lượng.

3.1. Hệ thống cơ khí và chuyển động

Thiết kế cơ khí robot gồm khung chính, trục chuyển động tuyến tính, và hệ thống truyền động. Chế tạo robot sử dụng các động cơ bước hoặc servo motor để điều khiển chuyển động chính xác. Các trục chuyển động cho phép robot kiểm tra quét toàn bộ bề mặt ống. Hệ thống cơ khí phải đủ cứng nhắc để giữ ổn định trong môi trường sản xuất công nghiệp.

3.2. Hệ thống cảm biến và xử lý dữ liệu

Robot kiểm tra chất lượng sử dụng nhiều loại cảm biến như camera công nghiệp, cảm biến quang, và cảm biến laser. Thiết kế cảm biến phải phù hợp với các điều kiện môi trường sản xuất. Chế tạo hệ thống xử lý dữ liệu từ cảm biến sử dụng các thuật toán xử lý ảnh và AI. Bộ điều khiển robot phân tích dữ liệu để phát hiện khuyết tật bề mặt và khuyết tật hàn trên ống.

IV. Phương pháp thử nghiệm và kết quả của robot kiểm tra

Thử nghiệm robot kiểm tra chất lượng là giai đoạn quan trọng để đánh giá hiệu suất của hệ thống. Quá trình chế tạo thử nghiệm bao gồm các bài test với các loại ống thép khác nhau, các loại khuyết tật khác nhau, và các điều kiện sản xuất khác nhau. Thiết kế phương pháp thử nghiệm cần đảm bảo tính khách quan và độ tin cậy cao. Kết quả từ thử nghiệm robot cho thấy hiệu suất kiểm tra, độ chính xác phát hiện khuyết tật, và tốc độ kiểm tra. Robot kiểm tra được đánh giá dựa trên các tiêu chí như tỉ lệ phát hiện đúng khuyết tật, tỉ lệ phát hiện sai, và thời gian xử lý. Các kết quả thử nghiệm cung cấp cơ sở để tối ưu hóa thiết kế robot để nâng cao hiệu suất kiểm tra trong điều kiện sản xuất thực tế.

4.1. Phương pháp và quy trình thử nghiệm

Thử nghiệm robot kiểm tra được thực hiện trên các mẫu ống thép có khuyết tật được tạo ra nhân tạo hoặc từ sản xuất thực tế. Chế tạo bộ test bao gồm các ống có khuyết tật hàn, rỗ, cằn mép, và ăn mòn với các mức độ khác nhau. Phương pháp đánh giá sử dụng các chỉ số như độ nhạy, độ đặc hiệu, và độ chính xác tổng thể. Thử nghiệm được lặp lại nhiều lần để đảm bảo tính tin cậy của kết quả.

4.2. Đánh giá hiệu suất và tối ưu hóa

Kết quả thử nghiệm robot kiểm tra cho thấy mức độ hiệu suất của hệ thống. Phân tích kết quả giúp xác định các điểm yếu cần cải thiện trong thiết kế robot. Tối ưu hóa có thể liên quan đến việc điều chỉnh các tham số cảm biến, nâng cao thuật toán xử lý ảnh, hoặc cải thiện hệ thống cơ khí. Thử nghiệm iterative cho phép liên tục cải thiện robot kiểm tra chất lượng để đạt hiệu suất tối ưu trong sản xuất công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu - Chƣơng 2: Tổng quan  Giới thiệu về đường ống, các khuyết tật hàn, ăn mòn của ống; Các phương pháp kiểm tra. Các nghiên cứu trong và ngoài nước cũng như định hướng nghiên cứu của đề tài. - Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết  Trình bày nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm các phương pháp kiểm tra không phá hủy; Trình bày kỹ thuật siêu âm Phased Array. - Chƣơng 4: Yêu cầu và phƣơng án thiết kế  Phân tích các đối tượng thiết kế, phương án thiết kế cũng như xây dựng kết cấu tổng thể robot mang đầu dò siêu âm Phased Array.

- Chƣơng 5: Tính toán, thiết kế cơ cấu 3  Tính toán lực hút của nam châm, trên cơ sở đó tính toán và chọn công suất động cơ. - Chƣơng 6: Chế tạo, thử nghiệm và đánh giá  Thực hiện chế tạo các chi tiết dựa trên bản vẽ thiết kế rồi lắp ráp và đánh giá quá trình hoạt động. - Chƣơng 7: Kết luận và kiến nghị  Trình bày kết luận và kiến nghị. 4 Chƣơng 2 TỔNG QUAN 2.

Ống dẫn Thép ống đƣợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp nhƣ ngành xây dựng, điện công nghiệp, ngành công nghiệp hóa chất, ngành công nghiệp đóng tàu, cầu cảng , ô tô, khung container, ngành giao thông vận tải, lò hơi trao đổi nhiệt, xây dựng và đóng cọc, kỹ thuật xử lý nƣớc thải, vận chuyển khí đốt, vận chuyển dầu và chất lỏng. Phân loại ống thép Căn cứ vào công nghệ sản xuất và hình dáng ống thép ống thép đƣợc phân thành hai loại ống thép đúc và ống thép hàn. 1: Ống thép từ công nghệ đúc [28] 5 Hình 2. 2: Ống thép hàn thẳng [29] Hình 2.

3: Ống có mối hàn xoắn [30] 6 Quy trình sản xuất ống thép đúc Cán nóng (ống áp lực) : Phôi tròn → nung nóng → khoét lỗ → đẩy áp → thoát lỗ → định đƣờng kính → làm lạnh → ống phôi → nắn thẳng → kiểm tra áp lực → đánh dấu → nhập kho. Cán nguội : Phôi tròn → nung nóng → khoét lỗ → chỉnh đầu → giảm lửa → rửa axit → phun dầu (mạ đồng) → cán nguội nhiều lần → ống phôi → xử lý nhiệt → kiểm tra áp lực → đánh dấu → nhập kho. Quy trình sản xuất ống thép hàn Căn cứ vào hình thức hàn chia làm 2 loại ống hàn là ống hàn thẳng và ống hàn xoắn Tôn cuộn→Cụm nhả cuộn máy cắt→Cắt xẻ theo tính toán→Cuộn lại dải tôn→Cụm nhả dải tôn→Hàn nối dải tôn→Lồng trữ liệu→Uốn thành hình tròn→Hàn cao tần→Gọt đƣờng hàn→Kiểm tra đƣờng hàn→Làm mát ống→Chỉnh hình ống( Tròn, vuông,chữ nhật, ô van)→In chữ→Máy cắt bay(Cắt theo chiều dài yêu cầu)Kiểm tra ống→Vét đầu ống( Với ống tròn )→Phủ dầu bảo quản→Đóng bó Thành phẩm. Quy trình sản xuất ống thép hàn loại lớn Phôi tấm→Chấn định hình mép ngoài→Chấn định hình trung tâm→Ép vào khuôn→Hàn dọc ống→Làm sạch→Kiểm tra→Thành phẩm.

4: Chấn định hình trung tâm tấm [31] Hình 2. 5: Khuôn ép định hình ống [31] 8 Hình 2. 6: Thành phẩm sau khi hàn mép ống [31] Phôi tấm→Máy cuộn →Vát mép hàn→Hàn chìm hồ quang xoắn trong và ngoài ống→Làm sạch→Kiểm tra→Thành phẩm Hình 2. 7: Thành phẩm ống thép với mối hàn xoắn [29] 9 Hình 2.

8: Hệ thống điều khiển tự động chế tạo ống [30] Vật liệu chế tạo ống: Ống đƣợc chế tạo từ thép Cacbon, thép không gỉ, thép hợp kim.  Thép cacbon Loại thép có hai thành phần cơ bản chính là sắt và cacbon, trong khi các nguyên tố khác có mặt trong thép cacbon là không đáng kể. Thành phần phụ trợ trong thép cacbon là mangan (tối đa 1,65%), silic (tối đa 0,6%) và đồng (tối đa 0,6%). Thép không gỉ: Hay còn gọi là inox, là một dạng hợp kim của sắt chứa tối thiểu 10,5% crôm.

Nó ít bị biến màu hay bị ăn mòn nhƣ thép thông thƣờng khác. Thép hợp kim: loại thép mà ngoài sắt, cacbon và các tạp chất ra ngƣời ta còn cố ý đƣa vào các nguyên tố khác nhằm thay đổi tổ chức và tính chất của thép cho đúng với yêu cầu. Các nguyên tố thƣờng gặp là Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Nb, Zr, Cu, B, N, Al. Ngoài ra, tùy theo yêu cầu đặc biệt ta có thể dung các vật liệu khác nhƣ gang, kim loại màu: đồng, nhôm, titan…; ống phi kim; bê tông, bê tông cốt thép, thủy tinh, sứ gốm; ống mềm chế tạo từ chất dẻo, cao su, sợi kim loại.

10 Ống thép chiếm tỷ lện cao nhất, chúng có yêu cầu nhất định về cơ tính và về thành phần hóa học, nhất là hàm lƣợng lƣu huỳnh và phốt pho cùng với các tạp chất khác. Thông thƣờng ngƣời ta sử dụng thép hợp kim thấp, chịu gia công nhiệt và có thể đƣợc thƣờng hóa. Đối với các môi trƣờng ăn mòn, ta phải sử dụng loại thép chịu ăn mòn cao và thành phần hóa học c ng đòi hỏi khắt khe hơn. Để chế tạo ống, ngƣời ta dung công nghệ chủ yếu là cán và hàn, cá biệt là có thể đúc, ống thép cán trực tiếp thƣờng có chất lƣợng không cao do bề dày không đều và có độ ooval lớn.

Ống hàn thƣờng chế tạo từ thép tấm theo kỹ thuật hàn thẳng, để có chất lƣợng cao hơn thƣờng dùng kỹ thuật hàn xoắc ốc. Các dự án trong nƣớc sử dụng đƣờng ống thép Nhà máy thủy điện Đa Nhim Nhà máy thủy điện Đa Nhim là một công trình thủy điện của Việt Nam đƣợc xây dựng trên sông Đa Nhim. Đây là công trình thủy điện đầu tiên, nằm ở nấc thang trên cùng, khai thác tiềm năng thủy điện của hệ thống sông Đồng Nai, nằm giáp ranh giữa tỉnh Lâm Đồng và Ninh Thuận. Nhà máy thủy điện Đa Nhim đƣợc khởi công xây dựng vào tháng 1 năm 1962 đến tháng 12 năm 1964 với sự tài trợ của Chính phủ Nhật Bản.

Nhà máy có tổng công suất thiết kế lắp đặt là 160 MW gồm 4 tổ máy, sản điện lƣợng bình quân hàng năm khoảng 1 tỷ kWh Ở đáy hồ có một đƣờng hầm thủy áp dài 5 km xuyên qua lòng núi nối tới hai ống thủy áp bằng thép dốc 45°, dài 2040 m , mỗi đoạn dài 5m, đƣờng kính 2 m, mỗi ống. Nƣớc từ hồ Đa Nhim theo hệ thống thủy áp này đổ xuống tới hệ thống 4 tuốc bin ở sông Krông Pha (sông Pha) ở độ cao 210 m 11 Hình 2. 9: Tuyến ống nƣớc đập thủy điện Đa Nhim [32] Với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng điện tăng cao, dự án mở rộng Đa Nhim với quy mô 80MW, tổng mức đầu tƣ khoảng 1.900 tỷ đồng đã đƣợc JICA nhất trí tài trợ 85% vốn, dự kiến khởi công vào cuối năm 2015, phát điện vào năm 2018. 10: Bảo trì tuyến ống nƣớc đập thủy điện Đa Nhim [32] 12 Dự án đƣờng ống dẫn dầu từ Việt Nam sang Lào Ngày 22/10/2014, tại Quảng Bình, Công ty cổ phần Lao Petrol (PetroLao) đã ký kết các Hợp đồng tƣ vấn, lập báo cáo khả thi dự án “Xây dựng kho ngoại quan và đƣờng ống dẫn dầu từ Cảng biển Hòn La, Quảng Bình, Việt Nam sang tỉnh Khammouane, Lào” với Công ty Ennergy Commodities (Slovakia) và ký kết Hợp đồng nguyên tắc tƣ vấn thủ tục pháp lý với Hiệp hội các nhà đầu tƣ Việt Nam sang Lào (AVIL).

11: Tuyến ống dẫn dầu từ Việt Nam sang Lào [33] Các hạng mục đầu tƣ gồm kho ngoại quan tại cảng Hòn La với quy mô, sức chứa khoảng 300.000m3, sử dụng cho mục đích tạm nhập tái xuất xăng dầu sang Lào. Tuyến ống dài 290km dự kiến đƣợc lắp đặt từ cảng Hòn La (tỉnh Quảng Bình, Việt Nam) đến huyện Thakek (tỉnh Khammoune, Lào). Hệ thống 4 trạm bơm và kho trung gian. Theo kế hoạch, đến quý 4/2015 sẽ chính thức khởi công dự án.

Thời gian thực hiện dự án trong vòng 30 tháng; đến cuối năm 2017 đầu năm 2018, dự án sẽ đi vào khai thác hoạt động. 1: Thông số kỹ thuật của ống thép do Nga sản xuất STT Các loại ống Kích thƣớc của ống Quy chuẩn Đƣờng kính Bề dày Chiều r OCT ngoài (mm) (m) dài (m) 1 Ống thép hàn 8 ÷ 1620 1÷4 1,5 ÷ 18 10704-63 2 Ống hàn – kéo nguội và 5 ÷ 76 0.5 ÷ 3 1,5 ÷ 8,5 10704-63 cán nguội 3 Ống hàn với mối hàn 426 ÷ 1220 4 ÷ 12 10 ÷ 18 8696-62 xoắn vít 4 Ống thép liền cán nóng 25 ÷ 530 2,5 ÷ 75 4 ÷ 12,5 8732-70 5 Ống thép liền kéo nguội 1 ÷ 200 0,1 ÷ 12 1,5 ÷ 9 8734-58 và cán nguội 6 Ống chế tạo chính xác 4 ÷ 710 0,1 ÷ 32 1÷9 9567-60 7 Ống liền chịu áp lực cao 6 ÷ 13 2 ÷ 4,5 0,5 ÷ 4 11017-72 8 Ống thép liền gia công 57 ÷ 325 3,5 ÷ 32 1,5 ÷ 10 9940-72 nóng bằng thép không gỉ 9 Ống liền gia công nguội 5 ÷ 250 0,2 ÷ 22 1,5 ÷ 9 9941-72 và gia công nóng bằng thép không gỉ 10 Ống hàn bằng thép không 8 ÷ 102 1÷4 1,5 ÷ 8 11068-64 gỉ 14 2. Trên quan điểm nhìn nhận vấn đề ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại và gây ra thiệt hại thì: Sự ăn mòn kim loại là quá trình làm giảm chất lượng và tính chất của kim loại do sự tương tác của chúng với môi trường sâm thực gây ra [1]. Sự ăn mòn thƣờng bắt đầu xảy ra trên bề mặt kim loại, rồi quá trình phát triển vào sâu bên trong kèm theo sự biến đổi thành phần và tính chất của kim loại và hợp kim.

Phân loại ăn mòn Ăn mòn có thể đƣợc phân loại: - Dựa theo quá trình ăn mòn: ăn mòn hóa học, ăn mòn điện hóa. - Dựa theo môi trƣờng: ăn mòn trong khí (oxy, khí sunfuarơ, khí H2S, .), ăn mòn trong không khí, ăn mòn trong đất và ăn mòn trong chất lỏng (kiềm, axit, muối). Phân loại mức độ chịu ăn mòn của vật liệu Bảng 2. 2: Mức độ chịu ăn mòn của vật liệu [15] Nhóm chịu ăn mòn Chỉ số ăn mòn sâu(mm/năm) Thang Cực kỳ bền < 0,001 1 0,001 - 0,005 2 Rất bền 0,005 - 0,010 3 0,01 - 0,05 4 Bền 0,05 - 0,1 5 0,1 - 0,5 6 Khá bền 0,5 - 1 7 1,0 - 5,0 8 Kém bền 5 - 10 9 Không bền > 10 10 Đa số kim loại đều bị ăn mòn khi tiếp xúc với môi trƣờng.

Khả năng phát sinh ăn mòn phụ thuộc nhiều yếu tố: loại kim loại, tính chất môi trƣờng, nhiệt độ, thời gian, áp lực. Ăn mòn đều Đặc điểm của dạng ăn mòn đều là tốc độ ăn mòn ở mọi chỗ trên bề mặt gần bằng nhau. 12: Đặc điểm dạng ăn mòn đều [1] 2.