Luận văn: Thiết kế và mô phỏng máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC

Phân tích toàn diện Thiết kế máy cắt biên dạng ống tự động CNC: Luận văn thạc sĩ góp phần nâng cao kiến thức chuyên ngành và ứng dụng

• Tác giả: Phan Huy Lê
• Người hướng dẫn: PGS. Tang Huy
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Thiết kế và mô phỏng máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Máy Cắt Biên Dạng Ống Tự Động CNC

Máy cắt biên dạng ống tự động CNC là thiết bị quan trọng trong công nghiệp chế tạo, đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng hệ thống giàn khoan dầu khí và các hệ thống dẫn dầu, khí. Luận văn thạc sĩ này tập trung vào thiết kế và mô phỏng máy cắt ống có khả năng xử lý đường kính từ 200mm đến trên 1000mm với độ chính xác cao. Nhu cầu thực tế từ các nhà máy lọc dầu đòi hỏi phải cắt các biên dạng ống phức tạp, đảm bảo khe hở hợp lý cho quá trình hàn lắp. Máy cắt CNC được thiết kế với mô hình gồm 2 bậc tự do: bậc thứ nhất chuyển động quay tròn quanh bề mặt ống, bậc thứ hai chuyển động dọc theo đường sinh. Việc ứng dụng công nghệ điều khiển tự động không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn tăng hiệu suất sản xuất đáng kể.

1.1. Nhu Cầu Thực Tế Và Ứng Dụng Công Nghiệp

Các công trình xây dựng hệ thống dẫn dầu, khí hiện nay đòi hỏi độ chính xác cao trong cắt ống thép. Phương pháp cắt biên dạng ống truyền thống gặp nhiều hạn chế về độ chính xác và thời gian sản xuất. Máy cắt CNC tự động giải quyết các vấn đề này bằng cách tự động hóa quá trình, nâng cao hiệu suất lao động và giảm chi phí sản xuất. Ứng dụng nguồn cắt plasma hoặc oxy-acetylene cho phép xử lý các loại thép khác nhau với chất lượng cao.

1.2. Mục Đích Và Phạm Vi Nghiên Cứu

Mục đích chính của luận văn là thiết kế máy cắt ống tự động điều khiển CNC có khả năng cắt ống với đường kính 200mm đến trên 1000mm. Phạm vi nghiên cứu bao gồm lý thuyết biên dạng ống, thiết kế cơ khí, và hệ thống điều khiển tự động. Máy được thiết kế gọn nhẹ (không quá 20kg) với hành trình tính theo đường sinh ống là 400mm, sử dụng các cơ cấu chính xác như vitme, hộp giảm tốc bánh răng sóng.

II. Lý Thuyết Biên Dạng Ống Và Phân Tích Kết Cấu

Lý thuyết biên dạng ống là nền tảng khoa học cho thiết kế máy cắt CNC. Bài toán giao tuyến được xây dựng dựa trên trường hợp hai ống trụ có đường kính khác nhau (d₁, d₂), chéo nhau một góc φ trong không gian với khoảng cách trục là l. Phương trình giao tuyến được phát triển để tính toán quỹ đạo cắt chính xác, đảm bảo độ chính xác cao hơn so với phương pháp thủ công. Từ các phương trình toán học này, phần mềm điều khiển được xây dựng để điều khiển các trục chuyển động của máy. Phân tích kết cấu cơ khí của máy cắt hiện có trên thị trường cho phép tối ưu hóa thiết kế, giảm khối lượng và tăng độ bền. Ứng dụng công nghệ CAD trong quá trình thiết kế giúp mô phỏng và kiểm chứng tính khả thi của giải pháp.

2.1. Phương Trình Toán Học Tính Quỹ Đạo Cắt

Phương trình giao tuyến được xây dựng dựa trên các tham số hình học của hai ống trụ. Quỹ đạo cắt được tính toán từ giao điểm của hai mặt trụ, cho phép xác định chính xác các điểm cắt. Phần mềm tính toán quỹ đạo được phát triển để xử lý các bài toán phức tạp, nâng cao độ chính xác cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Công thức toán học này là cơ sở để điều khiển tự động CNC hoạt động hiệu quả.

2.2. Cơ Cấu Chuyển Động Hai Bậc Tự Do

Mô hình máy gồm 2 bậc tự do: bậc thứ nhất thực hiện chuyển động quay tròn quanh bề mặt ống, bậc thứ hai thực hiện chuyển động dọc theo đường sinh của ống. Thiết kế này cho phép điều khiển chính xác vị trí đầu cắt tại bất kỳ điểm nào trên bề mặt ống. Hệ thống được cố định bằng các ống cấp quấn quanh thân ống, đảm bảo ổn định trong quá trình cắt. Cơ cấu này tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác.

III. Thiết Kế Kết Cấu Cơ Khí Máy Cắt CNC

Thiết kế kết cấu cơ khí máy cắt biên dạng ống tự động CNC tập trung vào việc tối ưu hóa không gian, giảm khối lượng và tăng độ chính xác. Máy được thiết kế gọn nhẹ với khối lượng không quá 20kg, cho phép dễ dàng di chuyển và lắp đặt tại các công trường. Cơ cấu chính xác bao gồm vitme bị, hộp giảm tốc bánh răng sóng, và các chi tiết liên kết được chọn lọc từ các nhà sản xuất uy tín. Máy có hành trình tính theo đường sinh ống là 400mm, đủ để xử lý các loại ống với đường kính từ 200mm đến trên 1000mm. Nguồn cắt plasma hoặc oxy-acetylene được tích hợp để cắt các loại thép khác nhau. Thiết kế modular cho phép dễ dàng bảo trì và thay thế các chi tiết. Việc sử dụng các vật liệu chất lượng cao đảm bảo độ bền và độ tin cậy của máy trong thực tế sản xuất.

3.1. Các Cơ Cấu Chính Xác Và Vật Liệu

Vitme bị là cơ cấu truyền động chính cho chuyển động tuyến tính của đầu cắt. Hộp giảm tốc bánh răng sóng được sử dụng để giảm tốc độ và tăng mô-men xoắn, đảm bảo sự ổn định của máy. Các chi tiết được chế tạo từ thép chất lượng cao và nhôm hợp kim để giảm khối lượng mà vẫn duy trì độ cứng. Lựa chọn vật liệu chính xác cao từ các nhà cung cấp hàng đầu giúp nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

3.2. Yêu Cầu Về Khối Lượng Và Hành Trình

Máy được thiết kế với khối lượng tối đa 20kg để đảm bảo tính di động và dễ lắp đặt. Hành trình 400mm theo đường sinh ống cho phép xử lý các ống có độ dài khác nhau. Thiết kế này cân bằng giữa tính gọn nhẹ và hiệu suất hoạt động, phù hợp với các điều kiện công trường thực tế. Độ chính xác định vị được kiểm soát chặt chẽ thông qua hệ thống điều khiển CNC để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

IV. Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Và Mô Phỏng Máy

Hệ thống điều khiển CNC máy cắt biên dạng ống được thiết kế dựa trên phần cứng hiện đại và phần mềm chuyên dụng. Động cơ servo được điều khiển bằng phần mềm trên máy tính thông qua hệ thống card điều khiển của Advantech và các driver từ Mitsubishi. Mô phỏng máy được thực hiện trên ngôn ngữ C++ kết hợp thư viện OpenGL, cho phép hiển thị quá trình hoạt động của máy trên giao diện đồ họa. Phần mềm điều khiển tự động tính toán quỹ đạo cắt từ phương trình giao tuyến và điều khiển chuyển động của các trục một cách chính xác. Mô phỏng 3D giúp xác minh tính khả thi của thiết kế trước khi chế tạo thực tế. Hệ thống này nâng cao độ chính xác và hiệu suất sản xuất so với các máy cắt thủ công truyền thống.

4.1. Thiết Kế Phần Cứng Và Hệ Thống Điều Khiển

Hệ thống card điều khiển Advantech là trung tâm của hệ thống điều khiển CNC, quản lý các tín hiệu điều khiển từ máy tính. Driver Mitsubishi điều khiển các động cơ servo để thực hiện chuyển động theo quỹ đạo được tính toán. Cảm biến vị trí phản hồi vị trí hiện tại của đầu cắt, đảm bảo độ chính xác cao. Bộ nguồn điện được thiết kế để cung cấp năng lượng ổn định cho toàn bộ hệ thống. Thiết kế mô-đun hóa cho phép dễ dàng nâng cấp và bảo trì.

4.2. Mô Phỏng Và Phần Mềm Điều Khiển Trên Máy Tính

Phần mềm mô phỏng được lập trình bằng C++ và sử dụng thư viện OpenGL để hiển thị quá trình cắt 3D. Giao diện người dùng cho phép nhập tham số ống (đường kính, độ dài, góc giao) và tự động tính toán quỹ đạo cắt. Mô phỏng thời gian thực giúp kiểm chứng hiệu suất trước khi triển khai thực tế. Chương trình điều khiển trên máy tính giao tiếp với hệ thống CNC qua cổng kết nối chuyên dụng, điều khiển chuyển động của các trục một cách tự động và chính xác cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: tẳng quan Chương 2: lý thuyết biên dạng ông và phân tích kết câu dã có Trong chương này, lý thuyết biên đạng ông được nghiên cứu ở bài toán tổng quát Ja: hai ống trụ - đường kính đi, đ2 chéo nhau một góc phi trang không gian và khoảng, cách trục là I- giao nhau. Từ đó phương trình giao Luyễn được xảy dựng để phát triển phân mềm điều khiển trên máy tỉnh về san và ứng dụng để điều khiến các trục chuyển động của máy Chương 3: thiết ké két cần cơ khả cho tean may Từ iệc phân tỉch kết cân của máy cắt đi đông có sẵn trên thị trường, kết câu cơ khí của máy được thiết k sao cho gọn nhất, Lổng khổi lượng của máy không quá 20kg. Máy cắt được các đường kinh ống từ 200nun đến trên 1000nun và hành trình tính theo đường, sinh ông là 400mm. Máy sử dụng các kết câu chính xác.

nhỏ gợn như : vitme bị, hộp giảm tốc bánh răng sóng, Chương 4: thiết kế hệ thông, điều khiển Thiết kế tổng thể phần cứng, mạch điền khiến cho hệ thông điều khiển CKC cho. Dông cơ servo được diễu khiển băng phản mễm trên máy tính thông, qua hệ thông, card điều khiển chuyên động cia Advantechvà céc driver eda dug cv hing mnisubishi. Mô phỏng máy trên ngôn ngữ C++ và thư viên openGL Mâ phỏng hoạt động của máy lrên giao điện của Cl! và openGI., từ đó phát triển thèm để xây dựng phân mễm điển khiển máy trên may tỉnh. đ) Phương pháp nghiên cứu.

Bài toán xuất phát từ nha cân thực tế. Từ nhu cầu đó, các ý tưởng thiết kế máy. được hình thành dựa trêu các loại máy đã có. Máy được nghiên cứu đẻ hoàn thiện hơn về thiết kế cơ khi.

Đồng thời kết hop các kiến thức về tự động hóa, lập trình để xây đựng, hệ thông điền khiến cho may. œ@ Kêiluận Qua thoi giam thực hiện luận văn, tác giả đã thực hiện được những nội dung sue sau Phương trình lính toán quỹ đạo cắt Tw déng héa, điều khiến CNC máy đẫn dên độ chính xác cao hơn. Sứ đụng các kết cẫn eơ khi nhó gợn trong thiết kế: bánh răng sóng. Két hop C++ va thư viện opengl để mô phông quá trình hoạt động của cơ cẩn may May tất cầu được hoàn thiện trong việc thiết kế, mô phỏng và chế tạo, whan chóng có thể ứng dụng được.

Qua quả trình thục hign thi tác giả cũng, nhận thấy các yến tổ rằn được phát triển thêm, Thêm một bậc tự do đễ thay đổi góc của đấu cất với mép hàn sử dụng trong. trường hợp có sử đựng vát mép cắt Mở rộng trường hợp cho phương trình của quỹ đạo là giao nhan của mặt phẳng, voi ông tròn, hoặc các đường cong bắt kỳ được nhập tử chương trình CAD. Lập quy trình chế tạo cào các chủ tiết, lắp ráp thành sản phẩm thật CỘNG IIÖA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA. VI#T NAM Độc lập — Tự do — Hạnh phúc LOT CAM BOAN Tôi là: Phan Huy Lê Nơi công tác: Bm Hàn & CNKI.

- Viện Cơ Khí — Trường Đại học BKHN. 'Tên để tài: Thiết kế và mỏ phóng máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển cnc Chuyên ngành: công nghệ chế tạo máy Tôi xin căm đoạn nội dụng trinh bày trong luận văn này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi đưới sự hướng đễn của PGS. Số liệu, kết quả tính toán lả hoàn toản trung thực vả chua từng được công bê ở bất ký một công trình nghiên ứu nào khác. Hà Nội, ngày 27 tháng Ô7 năm 2011 Tác giã: Than Huy Lê MỤC LỤC LÔI MÓĐÁU.

Nha cầu thựctế cắt ông theo biển dạng. Các phương pháp cất biên dạng ông. CHUONG LY THUYET VE BIEN DANG ONG VA PH: CH CHON GLAL PHÁP THIẾT KẺ. Giải phương trình giao tuyến của hai hình trụ.2, Phản tính chọn giải pháp thiết kế cơ khí.

THIET Kit 1 THONG CO KU. Lựa chọn hệ Không cắt - - + 3. Hệ thống cắt plasma OTC Daihen D12000.3, LIệ Thống cắt bằng khi oxy+ axetylen [6. Tỉnh toản, lựa chọn kết cầu cơ khi.

Tỉnh toán động học - - 35 3. Tinh oán, lựa chọn bộ truyền - - 36 3. Thiết kế hệ thông cơ khí thực hiện chuyển động doc ống 1 CHUONG IV. THIRT KR HE THONG DIPU KHIP} _.

_ Yêu câu hệ thống điều khiển chuyên động. Câu trúc hệ thống. Card điều khiển chuyển động 4 trục|11] 35 42. Hân phim điều khiển.

118 truyền động xoay chiều servo. Đặc điểm và thông số kỹ thuật của biển lần ASD-A. Thông số kỹ thuật gủa ASD-A series - 63 4. Thông số kỹ thuật của ASD-B serics - 6 4.

Ghép nỗi máy tính PC và card PCI-1240U,. Ghépnỗi ADAM-3952 vá ASDA-/ 66 12.4, Ghép nỗi bảng điều khiến câm tay (handheld control manh! và bộ điều khiển PCI-1240U. HH HHH,10 H010 tre. AT A25, Thiết kế giao điện phần mềm điều khiển.

Xây dung thuật toán điểu khiến CHUONG V. Giới thigu vé Visual C+ va thư viện MFC, OPI 5.2, Mô hình hỏa cơ câu máy ở dạng dơn giản. - Xây dựng môhình. Mã nguồn chương trìh: 531 Khai báo biên ~ - Š._ Xây dưng phương trinh mô phỏng 5.3, Giao diện mô phỏng.

coi ooeerorre 6“ DANII MUC TINH VE, DO TID TRANG Hình 1.1 Hệ thống giản khoan tự mang oo. csccscsescsessssssssssssseeseeeeesiie si 8 Hinh I.2 Té hop chân giàn khoan.3 Mồ hình chân giàn khoan. HH H Ha Hư, 1 Tình 1.4 Hiện hưởng xây đựng hệ thẳng giản khoan. - - 10 TIinhT 5 Công tác chain bi hn CHẾ: 1 Hin 1.7: Nhả máy lọc dẫu.sosererrnrrirrreriririsrrrorirooTÏ Tinh L6 Các biên dạng ông, - 1 Hình L8: Hệ thống ông dẫn.

TH H HH hư geuet ¬.- HinhL®: quy trình cất biên đạng ông thủ sông.10 Cắt biên dạng ống thú công. ào cnieeieeeeroe 1 Tình L.11: May CNC cf lin - 1 TlinhL12: May cat Beveler - - 1 Hình 1.13: Máy cất bằng dụng cụ có lưỡi. se rves 1 TinhL114: Máy cắt hăng Koike 1 Hình H.1 Hệ tọa độ của 2 ống giao nhau. 222222222222 22227C2E2Eerrirrrrrrrxer 1 HinhI12: Giao tuyển cña 2 mặt trụ.3: Kết cầu máy cắt của hãng Koike.cccccccccccre seessessT Hinh 1.4: May auto Picke-S.

- - - 25 Tlinh IIL}: So dé nguyénly catPlasma. - + Tình IIL2: Nguồn cắt plasma D12000. " Tlinh IIL3: D6 thị vận tốc cắt sơ vớichiến day cat - - 30 Tình I4: Đỏ thị tốc đô cốt đẻ dạt được chút lượng mớp cắt cao nhát. 30 Hinh IIL 5: Thông số chế độ cắt thép bang ngọn lửa oxy | lehien m.

BA Hình IH. 35 Tình ITT7: Tổng thể kết cân cơ khí của mày. - oe Tlinh HLS: So 46 hye tac dụng lên máy. " Tình I9: Thông số dai.10: kết câu hộp giảm tế bánh rùng sông - seven AB Tình TT.12KẾt quả kiểm nghiệm trục.

- 45 Hình IT11: Kết câu trục bánh chủ động. - cel Hình LHL13: 8ơ dễ bỏ trí ô lăn,. nhu ue, 1 1 Tinh ITTL15: Sơ để đặt lực lên thân.17: vitme KR05 Miwin. 51 inh TV 1: So dé khdi king thể hệ thẳng điệu khiển 3 Hinh IV.2: So dé khéi card điển khiển 4 trục PCI-1240UT - - 58 Hinh1V.3: Các tin hiệu diễu khiển của PCI-1240U.4: Modun ghép nói ADAM-3952 60 1linh 1V.5: Ghép néi các tín hiệu điểu khiển giữa card điều khiển PCI- 1 2⁄10U và bệ điều khiến động cơ ASD-B.6:Ghép nỗi các tín hiệu điều khiển giữa card điều khiển PCI-1240U và bộ điều khiển động sơ ASD-A.

68 Tinh V1: Cơ chế hoạt động của OpenG] 73 2 MỤC LỤC LÔI MÓĐÁU. Nha cầu thựctế cắt ông theo biển dạng. Các phương pháp cất biên dạng ông. CHUONG LY THUYET VE BIEN DANG ONG VA PH: CH CHON GLAL PHÁP THIẾT KẺ.

Giải phương trình giao tuyến của hai hình trụ.2, Phản tính chọn giải pháp thiết kế cơ khí. THIET Kit 1 THONG CO KU. Lựa chọn hệ Không cắt - - + 3. Hệ thống cắt plasma OTC Daihen D12000.3, LIệ Thống cắt bằng khi oxy+ axetylen [6.

Tỉnh toản, lựa chọn kết cầu cơ khi. Tỉnh toán động học - - 35 3. Tinh oán, lựa chọn bộ truyền - - 36 3. Thiết kế hệ thông cơ khí thực hiện chuyển động doc ống 1 CHUONG IV.

THIRT KR HE THONG DIPU KHIP} _. _ Yêu câu hệ thống điều khiển chuyên động. Câu trúc hệ thống. Card điều khiển chuyển động 4 trục|11] 35 42.

Hân phim điều khiển. 118 truyền động xoay chiều servo. Đặc điểm và thông số kỹ thuật của biển lần ASD-A. Thông số kỹ thuật gủa ASD-A series - 63 4.

Thông số kỹ thuật của ASD-B serics - 6 4. Ghép nỗi máy tính PC và card PCI-1240U,. Ghépnỗi ADAM-3952 vá ASDA-/ 66 12.4, Ghép nỗi bảng điều khiến câm tay (handheld control manh! và bộ điều khiển PCI-1240U. HH HHH,10 H010 tre.

AT Hinh L1 Hệ thông giản khoan tự nâng Trong đỏ, việc tô hợp chân giản được coi là một công đoạn khó khăn với yêu cầu vẻ độ chính xác tuyệt đổi trong căn chỉnh và lắp đặt. Theo kẻ hoạch, thời gian thi công của dự án lả 32 tháng (dự kiến bản giao vao dau quy II/2010) vai tong khối lượng thi công chế tạo khoảng 11. Việc thực hiện thảnh công công đoạn nảy là điều kiện quan trọng giúp Gian khoan tự nâng 90m nước được triển khai theo. đúng tiền độ đặt ra.

Vì thể nên việc tư động hóa trong các giai đoạn thiết kế và chẻ tạo là rất cân thiết đẻ đầy nhanh tiến độ của công trình, vừa đâm bảo chất lượng va đỡ tốn công sức lao đồng. TONG QUAN LI Nhu cin thực tễ cắt Ống theo biên dang a. Dự án chế tạo giàn khoan tự nâng 9m nước Các loại giàn khoan tự nâng độ sâu 6Ôm mước trở lên, giản khoan nửa nỗi nửa châm, tàu khoan phục vụ thăm đỏ, khái thác đầu khí nằm trong danh muc m phẩm cơ khi trọng điểm giai doạn từ nim 2009 dén 2015 (theo quyết dịnh của thủ tướng chính phủ số 10/2009 QÐ-TTg ngày 16/01/2009. Đây là dự án đóng giàn tự nang đầu tiên ở Việt Nam.

Dự ám có tong vốn đầu Lư hơn 180 triệu USD, do Công, ty Cổ phân Chế tạo giản khoan Dâu khi (PV Shipyard) lam tang thau. “Giản khoan tự nâng 90 mét nước” là một tổ hợp giàn khoan tự nang, di động, có quy mô lớn trên biến, và là sản phẩm cơ khi chế tạo ứng dụng công nghệ cao lần đầu tiên được tổ chức sẵn xuất tại Vier Nam. Việc tự đông mới giản khoan sẽ tạo chủ động cho lập đoản Dầu khi Việt Mam triển khai kế hoạch tim kiểm, thăm đỏ đâu khi, giấm giá thuê địch vụ này từ các nhà thâu nước ngoài.