BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY TẠO HÌNH NHIỆT THÉP TẤM BẰNG CẢM ỨNG TRONG CÔNG NGHIỆP ĐÓNG TÀU THỦY S K C 0 9 MÃ SỐ: B2010-22-54 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY TẠO HÌNH NHIỆT THÉP TẤM BẰNG CẢM ỨNG TRONG CÔNG NGHIỆP ĐÓNG TÀU THỦY Mã số: B2010-22-54 Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Trƣờng Thịnh TP.HCM, 7/2011 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÁY TẠO HÌNH NHIỆT THÉP TẤM BẰNG CẢM ỨNG TRONG CÔNG NGHIỆP ĐÓNG TÀU THỦY Mã số: B2010-22-54 Xác nhận quan chủ trì đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) TP.HCM, 7/2011 ii Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) DANH SÁCH NHỮNG NGƢỜI THAM GIA ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo máy tạo hình nhiệt thép cảm ứng công nghiệp đóng tàu thủy Mã số: B2010-22-54 Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Trƣờng Thịnh Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM Cơ quan cá nhân phối hợp thực hiện: Cơ quan phối hợp Tên đơn vị phối hợp Nội dung phối hợp nghiên cứu Đại học Quốc Gia Chonnam- Hàn Kết hợp nghiên cứu thiết kế tạo nhiệt Quốc cảm ứng điện trường Các cá nhân phối hợp thực Họ tên Đơn vị công tác Nội dung nghiên cứu cụ thể lĩnh vực chuyên giao môn Nguyễn Ngọc Phương ĐHSPKT Tp.HCM Thiết kế phận điều khiển máy Nguyễn Minh Khai ĐH Chonnam Thiết kế phận cảm ứng Tưởng Phước Thọ ĐHSPKT Tp.HCM Thiết kế phận truyền động phận khí Nguyễn Xuân Quang ĐHSPKT Tp.HCM Thiết kế phần mềm Đường Minh Hiếu ĐHSPKT Tp.HCM Thư ký đề tài – P QLKH Thời gian thực hiện: 03/2010 đến 10/2011 iii MỤC LỤC Trang bìa i Trang bìa phụ ii Danh sách thành viên tham gia đơn vị phối hợp thực iii Mục lục iv Danh mục hình vẽ ix Danh mục bảng biểu xiv Thông tin kết nghiên cứu .xv Tóm tắt đề tài xvii Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 1.2.1 Nước 1.2.1.1 Uốn thép máy cán thép nhiều trục…………………… 1.2.1.2 Uốn thép máy ép……………………………………… 1.2.1.3 Uốn phương pháp thủ công……………………………4 1.2.1.4 Uốn phương pháp gia nhiệt cảm ứng………………….5 Trong nước…………………………………………………………… 1.2.2 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI…………………………………………………………… 1.4 PHƢƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU……………………………7 PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƢƠNG ĐẦU NUNG CẢM ỨNG TỪ .8 2.1.1 Giới thiệu tượng cảm ứng điện từ 2.1.1.1 Nguồn gốc 2.1.1.2 Cảm ứng nhiệt điện từ 2.1.1.3 Ứng dụng nung nóng nhiệt cảm ứng công nghiệp iv 2.1.2 Lý thuyết cảm ứng nhiệt điện từ 10 2.1.2.1 Nguyên lý cảm ứng nhiệt điện từ 10 2.1.2.2 Sự phân bố dòng điện vật gia công .14 2.1.2.3 Hiện tượng trao đổi nhiệt nung cảm ứng 18 2.1.3 Mô hình toán học trình nung cảm ứng nhiệt 21 2.1.3.1 Mô hình toán học trường điện từ trường nhiệt độ .21 2.1.3.2 Mô hình trình nung cảm ứng từ 24 2.1.4 Thiết kế nung cảm ứng từ 27 2.1.4.1 Một số yêu cầu thiết bị dùng đầu nung cảm ứng .27 2.1.4.2 Sơ đồ khối hoạt động hệ thống nung cảm ứng từ 28 2.1.4.3 Các mạch nguyên lý đầu nung cảm ứng từ .29 CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHẦN CƠ KHÍ GIA CÔNG 2.2.1 Các phương án di chuyển trục toạ độ 34 2.2.1.1 Phương án phôi cố định 34 2.2.1.2 Phương án phôi di chuyển trục 34 2.2.1.3 Phương án phôi di chuyển hai trục 35 2.1.4 Lựa chọn phương án di chuyển tối ưu 36 2.2.2 Lựa chọn cấu truyền động 36 2.2.2.1 Vít me - đai ốc 36 2.2.2.2 Bộ truyền bánh 38 2.2.3 Bộ dẫn hướng 39 2.2.3.1 Dẫn hướng rãnh mang cá 39 2.2.3.2 Dẫn hướng trượt 39 2.2.4 Mô kết cấu hệ thống phần mềm ABAQUS 6.5.1 41 2.2.4.1 Các số liệu dùng để tính toán 41 2.2.4.2 Kết mô ứng suất chuyển vị máy .43 2.2.5 Tính toán thông số truyền .56 2.5.1 Chọn động cho trục Z 56 v 2.5.2 Chọn động cho trục X 57 2.5.3 Chọn động cho trục Y 58 2.6 Chọn động cho hệ thống 59 CHƢƠNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY 2.3.1 Động học máy 60 2.3.2 Động học nghịch máy 61 2.3.3 Ma trận Jacobi động học vận tốc 62 CHƢƠNG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY GIA CÔNG 2.4.1 Các thiết bị điện hệ thống 64 2.4.1.1 Bộ điều khiển trung tâm 64 2.4.1.2 Driver động (Motor) .64 2.4.1.3 Bơm (Pump) 64 2.4.1.4 Đầu từ (Inductor) 64 2.4.2 Mạch điện hệ thống 65 2.4.3 Sơ đồ dây mạch động lực 67 2.4.4 Cấu trúc điều khiển .68 2.4.4.1 Nguyên tắ c chung 68 2.4.4.2 Sơ đồ tổng quát về nguyên lý của bộ điều khiển cấp .69 2.4.2 Nội suy .71 2.4.2.1 Giới thiệu .71 2.4.2.2 Phương pháp xác định quỹ đạo .72 2.4.2.3 Giải thuật nội suy cho trình gia công 74 2.4.3 Thiết kế điều khiển .78 2.4.3.1 Tổng quan mạch điều khiển 78 2.4.3.2 Giới thiệu vi điều khiển 79 2.4.3.3 Các chức hai vi điều khiển sử dụng đồ án 79 vi 2.4.3.4 Mạch nguyên lý .87 2.4.4 Sự phân chia nhiệm vụ phần mềm, vi điều khiển hệ thống .88 2.4.4.1 Phần mềm máy tính .88 2.4.4.2 Phần mềm vi điều khiển chủ 88 2.4.4.3 Vi điều khiển tớ 88 2.4.5 Phần mềm máy tính 88 2.4.5.1 Nhiệm vụ chung .88 2.4.5.2Chuẩn bị liệu nội suy cho trình gia công 89 2.4.5.3 Các nút điều khiển khác 89 2.4.6 Phần mềm vi điều khiển chủ 92 2.4.6.1 Nhiệm vụ 92 2.4.6.2 Chức điều khiển trình gia công 93 2.4.6.3 Chức di chuyển bàn máy tay (Jog) .93 2.4.6.4 Chức điều khiển trở vị trí Home .93 2.4.6.5 Chức dừng chương trình gia công 93 2.4.7 Phần mềm vi điều khiển tớ 94 CHƢƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 2.5.1 Máy biến dạng thép ứng dụng từ trường 95 2.5.2 Giao diện máy 98 2.5.3 Sản phẩm thực nghiệm 99 2.5.3.1 Tấm thép 1: 500 x 400 x 10mm 100 2.5.3.2 Tấm thép 2: 500 x 500x10 mm 101 2.5.3.3 Tấm thép 3: 500 x 500 x10 mm 103 2.5.3.4 Tấm thép 4: 500 x 400 x 20 mm 104 2.5.3.5 Tấm thép 5: 500 x 500 x10 mm 106 2.5.3.6 Tấm thép 6: 500 x 500 x 10 mm 107 2.5.4 Kết luận 110 2.5.5 Đề nghị hướng phát triển 110 vii Tài liệu tham khảo 111 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Biên dạng cong thép vỏ tàu .1 Hình 1.2 Biên dạng thép lắp ghép tạo thành vỏ tàu Hình 1.3 Máy cán kín hãng QFI – Mỹ Hình 1.4 Máy cán hở hãng MG – Italia Hình 1.5 Máy ép thủy lực trụ hãng WETORI – Taiwan Hình 1.6 Máy ép thủy lực bốn trụ hãng KRR - Ấn Độ Hình 1.7 Những dụng cụ dùng việc uốn phương pháp thủ công Hình 1.8 Uốn vỏ tàu đầu đốt khí oxy – axetylen Hình 1.9 Bệ dùng để uốn nóng phương pháp thủ công Hình 1.10 Định hình thép phương pháp đường nhiệt Hình 2.1.1 Thí nghiệm định luật cảm ứng Faraday Hình 2.1.2 Một số ứng dụng nung cảm ứng từ công nghiệp .10 Hình 2.1.3 Cuộn dây cảm ứng với từ trường 10 Hình 2.1.4 Dòng điện xoáy sinh vật dẫn đặt từ trường thay đổi 11 Hình 2.1.5 Hình dáng đầu gia nhiệt thép dùng đề tài 11 Hình 2.1.6 Ảnh hưởng trễ từ đến đường công suất nhiệt .14 Hình 2.1.7 Chiều sâu thấm dòng điện thép 15 Hình 2.1.8 Cường độ dòng điện cường độ từ trường hàm chiều sâu d.15 Hình 1.9 Hiệu ứng cảm ứng điện từ dọc biên 17 Hình 2.1.10 Sơ đồ hoạt động hệ thống nung cảm ứng từ 29 Hình 2.1.11 Khối nguồn 29 Hình 2.1.12 Khối nguồn 30 Hình 2.1.13 Dạng ngõ điện áp sau qua chỉnh lưu .30 Hình 2.1.14 Khối nguồn 31 Hình 2.1.15 Khối tạo xung 32 Hình 2.1.16 Mạch công suất .32 ix Hình 2.5.9 Hình dạng thép mô máy tính 2.5.3.2 Tấm thép 2: 500 x 500x10 mm 400 100 200 300 400 500 300 200 100 V= mm/s Front surface Hình 2.5.10 Quỹ đạo đầu từ Quỹ đạo đầu từ đường zigzag, tạo thành hình tam giác Hình 2.5.10 Khoảng cách từ đầu từ tới thép h = mm 101 Hình 2.5.11 Hình dạng thép sau gia công Sau gia công, thép có hình yên ngựa Hình 2.5.11 Hình 2.5.12 Hình dạng thép mô máy tính 102 2.5.3.3 Tấm thép 3: 500 x 500 x10 mm y (mm) 500 No heating R175 1st path 400 R125 Start point 300 R 75 200 100 2nd path 100 3rd path 200 300 400 500 x (mm) Hình 2.5.13 Quỹ đạo đầu từ Quỹ đạo đầu từ đường tròn cách Hình 2.5.13, khoảng cách từ đầu từ đến thép h = mm Hình 2.5.14 Hình dạng thép sau gia công Tấm thép sau gia công có hình yên ngựa với độ biến dạng lớn thép số Hình 2.5.14 Hình 2.5.15 103 Hình 2.5.15 Hình dạng thép mô máy tính 2.5.3.4 Tấm thép 4: 500 x 400 x 20 mm 500 400 v 300 200 100 100 200 300 400 500 Front surface Back surface V= m/s Hình 2.5.16 Quỹ đạo đầu từ Quỹ đạo đầu từ đường thẳng vuông góc với hai mặt thép biểu diễn Hình 2.5.16, khoảng cách từ đầu từ tới thép h = mm Tấm thép sau gia công có hình dạng Hình 2.5.17 mô Hình 2.5.18 104 Hình 2.5.17 Hình dạng thép sau gia công Hình 2.5.18 Hình dạng thép mô máy tính 105 2.5.3.5 Tấm thép 5: 500 x 500 x10 mm 500 400 300 200 100 v 100 200 300 400 500 Front surface V= m/s Hình 2.5.19 Hình dạng thép sau gia công Với quỹ đạo đầu từ quy định Hình 2.5.19, thép sau gia công có hình dạng cong lên hai bên Hình 2.5.20 mô Hình 2.5.21 Hình 2.5.20 Hình dạng thép sau gia công 106 Hình 2.5.21 Hình dạng thép mô máy tính 2.5.3.6 Tấm thép 6: 500 x 500 x 10 mm 500 400 300 200 V= m/s 100 v Start point 100 V=5 mm/s 200 300 400 500 Front surface Hình 2.5.22 Quỹ đạo đầu từ Quỹ đạo đầu từ hình vuông cách Hình 2.5.22 Khoảng cách từ đầu từ tới thép h = mm 107 Hình 2.5.23 Hình dạng thép sau gia công Tấm thép sau gia công bị xoắn lại Hình 2.5.23 mô Hình 2.5.24 Hình 2.5.24 Hình dạng thép mô máy tính 108 Hình 2.5.25 Biến dạng thép theo phƣơng đứng 109 2.5.4 Kết luận Với tình hình phát triển ngành đóng tàu Việt Nam nêu chương trước, việc tìm giải pháp cho khâu biến dạng thép làm vỏ tàu cần thiết Việc tự động hoá trình biến dạng thép làm tăng suất độ xác sản phẩm sau gia công Dựa nhu cầu thực tế đề tài thiết kế chế tạo đầu nung cảm ứng máy gia công, thực đáp ứng đầy đủ yêu cầu đề tốc độ, độ xác hình dạng thép sau gia công Với tốc độ gia công cao, dễ chế tạo, lắp đặt đặc biệt khả tự động hoá cao, máy biến dạng thép ứng dụng từ trường hướng phát triển có khả ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp đóng tàu Việt Nam 2.5.5 Đề nghị hƣớng phát triển Máy chế tạo cần thực nghiệm nhà máy đóng tàu như: Nhà máy đóng tàu Sài Gòn, Nhà máy đóng tàu Huyndai, nhà máy đóng tàu, máy sử dụng công ty đóng vỏ thùng xe Với đặc điểm phân tích trên, đầu nung cảm ứng hoàn toàn ứng dụng vào mục đích khác như: tôi, hoá cứng bề mặt Đối với phần điều khiển máy tích hợp nhiều thiết bị gia công thay cho đầu nung để thực trình gia công khác như: cắt, hàn với đầu cắt laser, plasma, oxy-axetylen không gian 2D Để tiếp tục hoàn thiện máy biến dạng thép cảm ứng điện từ, tiếp tục thực nghiên cứu sau: - Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn lý thuyết mỏng việc phân tích chất trình biến dạng thép - Mô trình tạo nhiệt biến dạng thép phần mềm Comsol 3.4 Abaqus 6.5 - Sử dụng mạng notron thần kinh nhân tạo (ANN) để đưa giải pháp tiên đoán quỹ đạo di chuyển đầu cảm ứng 110 Tài liệu tham khảo [1]URL: http://www.cimolai.com/site_eng/index.php?option=com_content&view=article&id=9 0&Itemid=2 [2] URL: http://www.imexbb.com/four-roll-hydraulic-plate-bending-machine 612479.htm [3] Yulia Pleshivtseva And Edgar Rapoport, Optimal Control Of Induction Heating Processes, Crc Press 2006, Print Isbn: 978-0-8493-3754-3, Ebook Isbn: 978-1-42001949-0 [4] Richard E.Haimbauah, Practical Induction heating,Material Park, Ohio, 2001 [5] S.Zinn, S.L.Semiation, Elements of induction heating: Design, Control and Applications, DOI:10.1361/eoih P001 Newyork,1998 [6] Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị Liên Anh, Trang bị điện-điện tử máy công nhgiệp dùng chung, Nhà xuất giáo dục, Hà Nội, 2006 [7] Phạm Thị Hoa, Giáo trình vẽ kỹ thuật,Nhà xuất Hà Nội, 2005 [8] Suk-Hwan Sub, Seong-Kyoon Kang, Dae-Hyuk Chung, Ian Stroud, Theory and Design of CNC Systems, Springer-Verlag London Limited, 2008 [9] Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vượng, Sức bền vật liệu, Nhà xuất giáo dục, Hà Nội, 2006 [10] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động khí, Cty Cổ phần in Sách giáo khoa TP-Hà Nội, 2006 [11] Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, Nhà xuất ĐH Quốc gia Tp.HCM, 2004 [12] Saeed B.Niku, Introduction to Robotics Analysis, Systems, Applications, Prentice Hall, Inc.Upper Saddre Driver, New Jersey, 2001 [13] URL http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486.pdf 111 PHỤ LỤC CÁC BÀI BÁO 112 PHỤ LỤC MINH CHỨNG ĐÀO TẠO 113 PHỤ LỤC BẢN SAO THUYẾT MINH ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ ĐÃ ĐƯỢC PHÊ DUYỆT 114