Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực thi công các công trình ngầm, khoan lỗ nổ mìn chiếm từ 35% đến 50% tổng thời gian thi công, ảnh hưởng trực tiếp đến tiến độ và hiệu quả kinh tế của dự án. Ở Việt Nam, các công trình ngầm cỡ nhỏ và vừa thường sử dụng phương pháp khoan thủ công bằng búa khoan khí nén cầm tay, dẫn đến sai lệch vị trí lỗ khoan so với thiết kế và năng suất thấp. Trong khi đó, các thiết bị khoan tự động, đặc biệt là robot khoan lỗ nổ mìn thủy lực, đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi ở các công trình lớn trên thế giới, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả thi công. Tuy nhiên, các thiết bị này chủ yếu được nhập khẩu và chưa được nghiên cứu phát triển phù hợp với điều kiện thi công tại Việt Nam.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu điều khiển động học tay máy robot khoan lỗ nổ mìn trong thi công các công trình ngầm, nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quá trình khoan. Mục tiêu cụ thể bao gồm thiết lập phương trình động học cho hệ tay máy robot thủy lực 7 bậc tự do, xác định thông số điều khiển biến khớp, lập trình mô phỏng quỹ đạo khoan theo hộ chiếu nổ mìn, và tính toán lựa chọn hệ thống xy lanh thủy lực phù hợp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công trình ngầm có diện tích hầm từ 7m² đến trên 12m², với dữ liệu và mô hình được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật của tay máy robot thương mại và các quy trình thi công thực tế.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc làm chủ công nghệ robot khoan lỗ nổ mìn, đồng thời có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc tự động hóa quá trình khoan, nâng cao năng suất và an toàn lao động trong thi công các công trình ngầm, đặc biệt là các công trình thủy điện cỡ nhỏ và vừa, cũng như các công trình an ninh quốc phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H): Được sử dụng để thiết lập hệ tọa độ và ma trận biến đổi tọa độ cho các khớp và xy lanh trong hệ tay máy robot 7 bậc tự do, giúp mô hình hóa chính xác chuyển động và vị trí của giá khoan trong không gian ba chiều.

  • Động học robot chuỗi hở và chuỗi kín: Phân tích động học tay máy robot dựa trên cấu trúc chuỗi động học hở và chuỗi kín, trong đó các khớp quay và khớp trượt được mô hình hóa để xác định vị trí và hướng của mũi khoan.

  • Phương pháp Newton-Raphson: Áp dụng để giải hệ phương trình động học ngược dư dẫn động với 7 ẩn và 6 phương trình, nhằm xác định các biến điều khiển cho xy lanh thủy lực.

  • Phân tích lực và tính toán kết cấu: Sử dụng các công thức hình học và cơ học vật liệu để tính toán hành trình, áp lực và lực tác động lên các xy lanh và khớp, đồng thời kiểm nghiệm độ bền, mỏi và các dạng phá hủy của chi tiết tai, chốt trong tay máy.

Các khái niệm chính bao gồm: bậc tự do của robot, hộ chiếu nổ mìn, quỹ đạo khoan, xy lanh thủy lực, khớp các-đăng, và mô hình hóa chuyển động gật gù, xoay của tay máy.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và mô phỏng số:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu kỹ thuật trong nước và quốc tế, thông số kỹ thuật của tay máy robot thủy lực thương mại (Atlas Copco), dữ liệu hộ chiếu nổ mìn thực tế, và các kết quả nghiên cứu về cơ học đất đá, gia cố đường hầm.

  • Phương pháp phân tích: Thiết lập hệ phương trình động học dựa trên phương pháp D-H, giải hệ phương trình động học ngược bằng phương pháp Newton-Raphson, tính toán lực và hành trình xy lanh theo các công thức hình học và cơ học vật liệu.

  • Mô phỏng số: Xây dựng mô hình 3D tay máy trên phần mềm SolidWorks, xuất dữ liệu sang Visual Studio 2012 để lập trình mô phỏng chuyển động bằng ngôn ngữ C++ với thư viện OpenGL, kiểm chứng quỹ đạo và biến khớp trong quá trình khoan.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018, bao gồm giai đoạn tổng hợp tài liệu, thiết kế mô hình và phương trình, lập trình mô phỏng, tính toán lựa chọn xy lanh và kiểm nghiệm kết cấu, kết luận và đề xuất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết lập thành công phương trình động học tay máy robot 7 bậc tự do
    Hệ phương trình động học được xây dựng dựa trên phương pháp Denavit-Hartenberg, với 7 biến khớp và 6 phương trình, giải bằng phương pháp Newton-Raphson. Kết quả cho phép xác định chính xác vị trí và hướng của giá khoan theo hộ chiếu nổ mìn với sai số nhỏ, đảm bảo độ chính xác cao trong thi công.

  2. Mô phỏng quỹ đạo khoan phản ánh đúng công nghệ thi công thực tế
    Mô phỏng chuyển động tay máy trên phần mềm Visual Studio 2012 với 2774 điểm quỹ đạo cho thấy các biến khớp và hành trình xy lanh thay đổi liên tục, mượt mà, phù hợp với yêu cầu khoan các nhóm lỗ mìn tạo biên, phá phụ, đột phá và khoan trồng. Đồ thị biến khớp d3.1, d3.2, d3, d3.35 và góc θ6 được xác định rõ ràng theo thời gian.

  3. Tính toán lựa chọn xy lanh thủy lực phù hợp với yêu cầu công nghệ
    Qua phân tích lực tác động lên các khớp vai, cổ tay và cẳng tay, hành trình và áp lực xy lanh được xác định chính xác. Ví dụ, hành trình xy lanh khớp vai được tính dựa trên góc gật gù từ $\theta_{1min}$ đến $\theta_{1max}$, với chiều dài xy lanh lớn nhất và nhỏ nhất được xác định qua các công thức hình học. Áp lực xy lanh được tính toán đảm bảo nâng được cánh tay theo yêu cầu công nghệ.

  4. Kiểm nghiệm độ bền và phân tích các dạng phá hủy của chi tiết tai, chốt
    Các công thức tính toán ứng suất dập, kéo, cắt và mô men uốn được áp dụng để kiểm tra độ bền của các chi tiết chịu lực chính trong tay máy. Kết quả cho thấy các chi tiết đáp ứng yêu cầu an toàn với hệ số an toàn phù hợp, đảm bảo sự ổn định và bền vững trong quá trình vận hành.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng phương pháp động học robot và mô phỏng số giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong điều khiển tay máy khoan lỗ nổ mìn. So với phương pháp khoan thủ công truyền thống, robot khoan tự động giúp giảm sai lệch vị trí lỗ khoan, tăng năng suất và đảm bảo an toàn lao động. Các kết quả mô phỏng và tính toán lực phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về robot khoan thủy lực, đồng thời được điều chỉnh phù hợp với điều kiện thi công tại Việt Nam.

Việc lựa chọn xy lanh thủy lực dựa trên phân tích lực và hành trình giúp tối ưu hóa thiết kế tay máy, giảm chi phí và tăng tuổi thọ thiết bị. Kiểm nghiệm độ bền chi tiết giúp đảm bảo an toàn vận hành trong môi trường làm việc khắc nghiệt của các công trình ngầm. Các biểu đồ biến khớp và lực tác dụng có thể được trình bày qua đồ thị thời gian và bảng số liệu để minh họa rõ ràng quá trình vận hành tay máy.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển và hoàn thiện thuật toán điều khiển động học tay máy robot
    Áp dụng thuật toán Newton-Raphson và phương pháp D-H để xây dựng phần mềm điều khiển tự động, nâng cao độ chính xác và khả năng thích ứng với các điều kiện địa chất khác nhau. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ robot.

  2. Chế tạo và thử nghiệm mẫu tay máy robot khoan lỗ nổ mìn thủy lực phù hợp với điều kiện Việt Nam
    Dựa trên kết quả tính toán và mô phỏng, thiết kế và sản xuất mẫu thử nghiệm để kiểm tra hiệu quả thực tế, từ đó hoàn thiện thiết kế. Thời gian thực hiện: 18 tháng. Chủ thể: Các trường đại học kỹ thuật và doanh nghiệp cơ khí.

  3. Ứng dụng công nghệ định vị và giám sát từ xa trong quá trình khoan
    Tích hợp hệ thống định vị và cảm biến để giám sát quá trình khoan tự động, giảm thiểu sai số và tăng cường an toàn lao động. Thời gian thực hiện: 24 tháng. Chủ thể: Các công ty công nghệ tự động hóa và thi công công trình.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các đơn vị thi công công trình ngầm
    Tổ chức các khóa đào tạo về vận hành và bảo dưỡng robot khoan lỗ nổ mìn, nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ công nhân và kỹ sư. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể: Các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Cơ Điện tử, Robot và Tự động hóa
    Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về động học robot, mô hình hóa chuyển động và điều khiển tay máy thủy lực, phù hợp cho nghiên cứu và phát triển công nghệ robot thi công.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và chế tạo thiết bị thi công công trình ngầm
    Thông tin về thiết kế, tính toán và lựa chọn xy lanh thủy lực giúp các doanh nghiệp tối ưu hóa sản phẩm, nâng cao hiệu quả và độ bền thiết bị.

  3. Các đơn vị thi công công trình thủy điện, khai thác than và hầm ngầm
    Luận văn cung cấp giải pháp tự động hóa khoan lỗ nổ mìn, giúp cải thiện năng suất, giảm chi phí và tăng cường an toàn lao động trong thi công.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách trong lĩnh vực xây dựng và công nghiệp
    Nghiên cứu này hỗ trợ đánh giá và phát triển các chính sách thúc đẩy ứng dụng công nghệ robot trong thi công công trình ngầm, góp phần nâng cao năng lực công nghiệp quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nghiên cứu điều khiển động học tay máy robot khoan lỗ nổ mìn?
    Vì khoan lỗ nổ mìn chiếm phần lớn thời gian thi công và ảnh hưởng đến chất lượng công trình. Điều khiển động học giúp nâng cao độ chính xác, tự động hóa quá trình khoan, giảm sai lệch và tăng năng suất.

  2. Phương pháp Denavit-Hartenberg được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Phương pháp D-H được sử dụng để thiết lập hệ tọa độ và ma trận biến đổi cho từng khớp và xy lanh trong tay máy robot, giúp mô hình hóa chính xác chuyển động và vị trí của giá khoan trong không gian ba chiều.

  3. Làm thế nào để giải hệ phương trình động học ngược dư dẫn động?
    Luận văn áp dụng phương pháp Newton-Raphson để giải hệ phương trình với 7 ẩn và 6 phương trình, tìm ra các biến điều khiển xy lanh thủy lực phù hợp với vị trí và hướng khoan yêu cầu.

  4. Các thông số kỹ thuật của tay máy robot được lấy từ đâu?
    Dữ liệu được thu thập từ các tay máy robot thủy lực thương mại của hãng Atlas Copco, kết hợp với các thông số hộ chiếu nổ mìn thực tế và các tài liệu kỹ thuật trong nước và quốc tế.

  5. Lợi ích thực tiễn của nghiên cứu này đối với thi công công trình ngầm là gì?
    Nghiên cứu giúp phát triển công nghệ robot khoan lỗ nổ mìn tự động, nâng cao hiệu quả thi công, giảm sai lệch vị trí lỗ khoan, tăng năng suất, đảm bảo an toàn lao động và giảm chi phí vận hành.

Kết luận

  • Đã thiết lập thành công hệ phương trình động học tay máy robot khoan lỗ nổ mìn 7 bậc tự do, giải bằng phương pháp Newton-Raphson, đảm bảo độ chính xác cao trong định vị mũi khoan.
  • Mô phỏng chuyển động tay máy trên phần mềm Visual Studio 2012 phản ánh đúng quỹ đạo khoan thực tế, hỗ trợ kiểm chứng và tối ưu hóa thiết kế.
  • Tính toán lựa chọn xy lanh thủy lực và kiểm nghiệm độ bền chi tiết giúp đảm bảo hiệu suất và độ bền của tay máy trong điều kiện thi công khắc nghiệt.
  • Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, mở ra hướng phát triển công nghệ robot khoan lỗ nổ mìn tự động phù hợp với điều kiện Việt Nam.
  • Đề xuất các giải pháp phát triển, chế tạo và ứng dụng robot khoan lỗ nổ mìn, đồng thời đào tạo chuyển giao công nghệ cho các đơn vị thi công.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai phát triển mẫu thử nghiệm, hoàn thiện thuật toán điều khiển và ứng dụng công nghệ định vị trong thi công tự động. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, liên hệ với nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.