Robot kiểm tra, vệ sinh, sơn thành bồn kim loại

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Robot kiểm tra, vệ sinh, sơn thành bồn kim loại nghiên cứu ra dòng robot dựa trên nguyên lý từ tính có khả năng leo các bồn kim loại để thực thi các công tác kiểm tra, vệ sinh, sơn bề mặt củng như có thể thực thi các nhiệm vụ khác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Robot kiểm tra, vệ sinh, sơn thành bồn kim loại

CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA ROBOT KIỂM TRA, VỆ SINH, SƠN THÀNH BỒN KIM LOẠI Triệu Minh Triết, Trần Văn Long, Hồ Quang Sinh Công ty Nhiệt điện Phú Mỹ Tóm tắt : Trong Ngành công nghiệp nặng nói chung và lĩnh vực nhà máy điện nói riêng, các bồn kim loại được sử dụng lưu trữ nguyên/ nhiên liệu để phục vụ sản xuất rất nhiều. Nhằm đảm bảo an toàn, các bồn kim loại này cần phải được kiểm tra, bảo dưỡng thường xuyên. Tuy nhiên, công tác kiểm tra, bảo dưỡng các bồn này gặp khó khăn và hạn chế do kết cấu các bồn này thường rất cao, chi phí giàn giáo, nhân công rất lớn. Nhân công công tác trên cao nguy hiểm và hiệu quả công việc chưa cao. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn nêu trên, việc thiết kết Robot có khả năng thay thế con người thực hiện các công tác kiểm tra, bảo dưỡng các bồn này là cần thiết. Robot được thiết kế vận hành dựa trên cân bằng giữa các lực: trọng lực, lực ma sát, lực từ trường của nam châm. Giúp robot bám chặt vào thành các bồn kim loại mà không bị rơi ra khi thực hiện các nhiệm vụ. Robot có thể di chuyển theo lộ trình mong muốn ở các chế độ vận hành khác nhau, bằng tay hoặc theo chế độ lập trình sẵn. Tùy theo mục đích sử dụng, cánh tay Robot được thiết kế để có thể gắn các dụng cụ, thiết bị phù hợp để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Cụ thể: - Khi cần kiểm tra bề mặt, độ dày bồn: Robot sẽ được gắn thêm camera kết hợp máy đo độ dày UT/MT để kiểm tra. - Khi thực hiện vệ sinh bề mặt: Robot sẽ kết hợp máy phun nước áp lực cao từ máy nén qua ống dẫn phân phối đến cánh tay Robot qua béc phun để vệ sinh bề mặt. - Khi thực hiện sơn bề mặt: Robot sẽ kết hợp với các béc sơn. Sơn áp lực cao từ máy sơn qua ống dẫn phân phối đến các béc sơn. Từ khoá: Robot, bồn kim loại, robot leo bồn kim loại, vệ sinh bồn, sơn bồn Abstract: In heavy industry, particularly power plant sector, metal tanks are widely used for storage fuel/ material suppling to production process. In order to ensure the safety, these metal tanks are inspected and maintained regularly. However, the inspection and maintenance have many difficulties and limitation due to the height of tank, requirements of scaffolding and labor. Moreover, these hazardous process makes humans in danger and lower efficiency. Based on the reality needs, it is necessary to design a Robot which is able to alternate humans doing such tank inspection and maintenance. This robot is designed to operate on a balance between forces: gravity, friction, and magnetic force. That helps the robot move on vertical metal sheets and prevent falling off. 303
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 The robot can move following to expected routes in both manual or auto mode. Depending on the applications, the robot arm will be fitted relevant equipment, devices on its arms in order to perform variety jobs, such as: - For measuring the thickness: Camera and UT/MT tester will be fitted. - For cleaning the surface: The system performs the cleaning process by the use of high pressure water compressor. For painting the surface: The system use together with high pressure paint sprayer. In this process liquid paint is deliver and atomized on the target surface. Keyword: Robot, metal tank, tankbot, tank cleaning, tank painting 1. GIỚI THIỆU Trong Ngành công nghiệp hiện đại việc tự động hóa thiết bị là cấp thiết đều này sẽ giúp nâng cao năng suất lao động củng như độ tin cậy của thiết bị. Robot thay thế con người thực hiện các công tác nặng nhọc có tính lặp lại thì trên thế giới đã có từ lâu. Tuy nhiên, việc robot có khả năng hoạt động độc lập thì vấn đề khá mới đối với nước có nền kinh tế đang phát triễn như Việt Nam. Hiện tại các robot này chúng ta chỉ có thể mua hoặc thuê từ các nước có nền công nghiệp phát triễn hơn. Việc chế tạo robot công nghiệp có khả năng leo trèo thay thế con người trong các môi trường làm việc nguy hiểm, độc hại để thực hiện các công tác thì các công ty, tập đoàn lớn đã có. Tuy nhiên tùy theo nhu cầu sử dụng thực tế cũng như khuyến khích nghiên cứu các sản phẩm đặc trưng cho công ty thực thi các nhiệm vụ cụ thể cho nhà máy. Xuất phát từ đặc điểm trên nhóm công tác đã nghiên cứu ra dòng robot dựa trên nguyên lý từ tính có khả năng leo các bồn kim loại để thực thi các công tác kiểm tra, vệ sinh, sơn bề mặt củng như có thể thực thi các nhiệm vụ khác. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT/PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Robot được thiết kế vận hành dựa trên cân bằng giữa các lực: trọng lực, lực ma sát, lực từ trường của nam châm. Giúp robot bám vào các bổn kim loại mà không bị rơi ra khi thực hiện các nhiệm vụ. 2.1. Nghiên cứu lực bám cân bằng robot 2.1.1. Đối với bề mặt bồn đứng Các bồn, tường, tuyến ống kết cấu kim loại (đa số là sắt hoặc hợp kim sắt), dùng lực từ trường nam châm vĩnh củu để giữ robot không bị rơi, dựa trên cơ sở đó ta có các tính toán thiết kế phù hợp: 304
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Tank Fms N Fg Mô hình robotcác lực chính Bình thường robot chịu tác dụng của trọng lực Fg , để đạt trạng thái cân bằng : Fg = Fms Trong đó: Fms = µ.N; µ: hệ số ma sát ta chọn µ = 0.75 cho các chất liệu thông dụng; N: là áp lực bề mặt. Như vậy để giữ trạng thái cân bằng từ ta chỉ việc giữa áp lực bề mặt và hệ số má sát ổn định, thành lập công thức: N = Fms/µ = Fg/µ = Fg/0.75 Fg: là trọng lượng bản thân robot và vật tư mang vác, Với trường hợp treo ngược (vệ sinh đáy) Pipe N Fg Mô hình robot cho trường hợp treo ngược 305
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 Trong trường hợp này ta có thể thấy để đạt trạng thái cân bằng từ cần thiết ta chỉ cần thỏa điều kiện sau: N =1.2 Fg N: là áp lực bề mặt Fg: là trọng lượng bản thân robot và vật tư mang vác Đối với trường hợp di chuyển trên các bề mặt nghiêng sẽ là tổ hợp của 2 trường hợp này 2.1.2. Phần xử lý trung tâm Phần xử lý trung tâm làm bộ não cửa robot, ưu tiên sử dụng bộ sử lý và thực thi đa chức năng. Hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp. Bộ xử lý myRIO là thiết bị lập trình điều khiển nhúng thời gian thực được thiết kế bởi National Instruments cho các dự án nghiên ứng dụng công nghiệp. Với thiết kế tích hợp vi xử lý và FPGA Xilinx Zynq-7010 có tốc độ xử lý lên đến 667 MHz, myRIO có khả năng đáp ứng các hệ thống đòi hỏi bộ điều khiển có tốc độ xử lý cao và bền bỉ. Đặc biệt là các hệ thống đòi hỏi tốc độ phản hồi nhanh như CNC, robot… Cấu hình chi tiết: - 40 ngõ vào/ra kỹ thuật số. - Ngõ vào tương tự: 8 kênh đơn đầu cuối và 2 kênh vi sai. - Ngõ ra tương tự: 4 kênh đơn đầu cuối và 2 kênh vi sai. - 1 kênh đầu vào tín hiệu âm thanh và 1 kênh đầu ra tín hiệu âm thanh - Cảm biến gia tốc: 3 trục, ±8 g, 12 bit, 800 S/s - Kết nối thông qua wifi, USB. Bộ xử lý trung tâm myRIO 306
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA 2.1.3. Nghiên cứu thiết phần kết cấu robot Động cơ robot ưu tiên sử dụng loại động cơ momen xoắn lớn ở các dãy tốc độ thấp, hiệu suất ổn định, tốc độ đáp ứng cao, điều khiển vòng kín, nhiệt độ thấp, rung động nhỏ. Động cơ có ba chế độ điều khiển vòng lặp phản hồi (postition loop, speed loop, and current loop). Khung kết cấu robot: phần khung được thiết kế bằng hợp kim nhôm gọn nhẹ có giúp giảm trọng lượng robot di chuyển linh hoạt trên mọi bề mặt. Bánh xe robot sử dụng bánh xe hợp kim có phủ nhựa teflon có độ bám cao giúp tăng độ ma sát khi di chuyển trên bề mặt đứng. Thiết kế với 2 bánh chủ động, được đẫn động bằng động cơ Hybrid servo thông qua hộp giảm tốc dang trục vít, cho tính cơ động và độ an toàn cao nhất kể cả khi mất điện đột ngột. Tỉ lệ giữa các kích thước Dài – Rộng – Cao điều chỉnh phù hợp nhất với trạng thái chuyển động đa phương (theo cả ba trục x,y,z) , khi đó hướng của momen lực tác động lên khung xe thay đổi liên tục chứ không ổn định như với chạy trên mặt phẳng. Do vậy tỉ lệ lớn theo chiều ngang cho sự chủ động tốt khi chuyển hướng liên tục. Xuất phát từ nhu cầu trên đưa ra thông số thiết kế dự kiến cho robot như sau: Thông số kỹ thuật chính Kích thước DxRxC 600x700x350 mm Trọng lượng không tải 28 kg Khả năng mang tải 15 kg Tốc độ di chuyển 0.3 m/s Điện áp cấp 24 VDC 307
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 Hình 1. Tổng quan thiết kế Robot 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU-TÍNH TOÁN-MÔ PHỎNG 3.1. Tính toán phần lực từ cho robot di chuyển trên các bề mặt Khi di chuyển bề mặt đứng. Theo bản thiết kế trọng lượng bản thân robot là 24kg và trọng lượng mang vác trung bình là 12kg, với hệ số an toàn 0.2  lực hút N cần thiết cho robot là khoảng 550N. Khi di chuyển bề mặt ngang thì lực hút cần thiết là khoảng 430N cho khối lượng mang vác 12 kg.  Lực hút cần thiết cho khối nam châm > 550N. Qua nghiên cứu để hiện thực hóa tính toán lực từ từ cơ sở tính toán như trên, nhóm nghiên cứu đã cho nam châm Neodium là loại nam châm vĩnh cửu có đường sức từ dày và bền bỉ theo thời gian. Để đảm bảo lực từ nhón đã sử dụng 6 khối nam chân Neodium kích thức 150x150x15mm được gắn trên khối nhôm sẽ đảm bảo được vấn đề thực tế cần giải quyết là tỉ lệ giữa lực hút và trọng lượng, và sự thay đổi momen động lượng giữa các trạng thái chuyển động tăng tốc giảm tốc. Bánh được thiết kế bằng nhôm đúc nguyên khối gia công cắt gọt và lưu hóa Polyurethane, đây là loại vật liệu bền về cơ học và hóa học, cho độ bám tốt trên hầu hết bề mặt với hệ số ma sát > 0.75 đảm bảo bám dính trên tất cả bề mặt. 308
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Nam châm Neodium giữ thăng bằng robot 3.2. Bộ xử lý trung tâm Thiết bị NI-myRIO nói chung là một nền tảng nhúng chạy độc lập mang tính cách mạng, tích hợp phần cứng/phần mềm cho phép người dùng thiết kế và chế tạo hệ thống thực nhanh hơn bao giờ hết. MyRIO tích hợp chứa một bộ xử lý ARM lõi thép và chip nhúng FPGA của Xilinx trên một hệ thống chip (System on a Chip). Được thiết kế từ ban đầu dành cho việc giảng dạy và nghiên cứu kỹ thuật, myRIO cũng bao gồm sẵn những đầu ra (I/Os), tích hợp từ WiFi và một lớp vỏ rắn chắc. Để giao tiếp giữa phần mềm LabVIEW 2015 với các phần tử trong hệ thống ta sử dụng bộ điều khiển NI myRIO 1900 của hãng National Instruments Các khối chức năng được sắp xếp và có mối quan hệ với nhau được thể hiện trong hình 2. Sơ đồ bố trí chân trên cổng A, B trên bộ điều khiển NI-myRIO 1900 như hình 3. Sơ đồ bố trí chân trên cổng C của bộ điều khiển NI-myRIO 1900 hình 4. Chức năng của các chân trên cổng A, B của bộ điều khiển NI-myRIO 1900 Chân Tham Loại đầu Miêu tả chức năng chiếu vào/ra +5V DGND Đầu ra Điện áp ra +5V AI AGND Đầu vào 0-5V so với chân tham chiếu, đơn kênh đầu vào tương tự AO AGND Đầu ra 0-5V so với chân tham chiếu, đơn kênh đầu ra tương tự AGND NA NA Chân tham chiếu cho chân tín hiệu vào/ra tương tự +3,3V DGND Đầu ra Điện áp ra +3,3V 309
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 Chân Tham Loại đầu Miêu tả chức năng chiếu vào/ra DIO DGND Đầu vào/ra Kênh số tương thích với tín hiệu đầu ra là 3,3 V; tín hiệu đầu vào 3,3-5V UART.RX DGND Đầu vào UART nhận tín hiệu vào, giống như đường DIO UART.TX DGND Đầu ra UART truyền tín hiệu ra, giống như đường DIO DGND NA NA Chân tham chiếu cho chân tín hiệu số, +3,3V và +5V Bộ xử lý trung tâm myRIO Bộ điều khiển trung tâm NI myRIO tương tác với người dùng thông qua kết nối RF không dây đến tay cầm điều khiển, Tại vị trí tay cầm có màn hình hiển thị hình ảnh truyền về từ camera đặt trên thân Robot. 310
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Khi có lệnh diều khiển chuyển động từ tay cầm, dựa trên kết quả hồi tiếp từ động cơ, bộ điều khiển trung tâm xử lí và phát xung phù hợp để đáp ứng chuyển động. Bắt đầu Đọc dữ liệu từ IBUS Xử lý tín hiệu và gán các kênh điều khiển Cánh tay Di Chuyển Kênh 9 = 1 Kênh 7 = 1 Y Quay cánh tay Y Y Cảm biến A Cảm biến B Nhận giá trị kênh 1 Nhận giá trị kênh 2 N Y Y N Kênh 1 > 0 Kênh 1 > 0 N Đảo cánh Đảo cánh Kênh 2 > 0 tay từ trái Cánh tay tiếp tục quay tay từ phải sang phải sang trái N Y Di chuyển tiến Di chuyển lùi Di chuyển tiến rẽ phải Kênh 1 < 0 Kênh 1 > 0 Kênh 1 < 0 N N Kênh 2 > 0 Kênh 2 < 0 Kênh 2 > 0 Y Y Y Di chuyển lùi rẽ phải Di chuyển tiến rẽ trái Di chuyển lùi rẽ trái Kết thúc Lưu đồ điều khiển của khối myRIO  Lệnh điều khiển được nhận từ bộ điều khiển tay cầm (Gửi tất cả dữ liệu của 10 kênh) thông qua sóng RF và được chuyển đổi sang UART và giao tiếp với UART của bộ điều khiển myRIO. 311
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022  Đọc và phân tích dữ liệu từ UART để được giá trị ở từng kênh (Từ kênh 1 đến kênh 10)  Trong đó: Kênh 1: Điều khiển tới và lui Kênh 2: Điều khiển trái và phải Kênh 3: Đang dự phòng Kênh 4: Đang dự phòng Kênh 5: Điều khiển tốc độ của cánh tay Kênh 6: Điều khiển tốc độ di chuyển Kênh 7: Cho phép xe chạy Kênh 8: Đang dự phòng Kênh 9: Cho phép tay quay Kênh 10: Đang dự phòng Lập trình thử nghiệm bộ xử lý trung tâm myRIO 312
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA  Điều khiển tay quay: Sau khi nhận lệnh cho phép tay quay sẽ đọc dữ liệu cài đặt tốc độ của tay quay. Khi tay quay đến cảm biến A nhận và xuất tín hiệu để tay quay ngược lại. Khi tay quay đến cảm biến B nhận và xuất tín hiệu để tay quay ngược lại. Trong quá trình quay của tay thì có thể điều khiển tốc độ thông qua điều khiển kênh 6 trên tay. Lập trình thử nghiệm bộ xử lý trung tâm myRIO  Điều khiển tay quay: - Sau khi nhận lệnh cho phép tay quay sẽ đọc dữ liệu cài đặt tốc độ của tay quay. - Khi tay quay đến cảm biến A nhận và xuất tín hiệu để tay quay ngược lại. - Khi tay quay đến cảm biến B nhận và xuất tín hiệu để tay quay ngược lại. - Trong quá trình quay của tay thì có thể điều khiển tốc độ thông qua điều khiển kênh 6 trên tay cầm. 313
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022  Điều khiển di chuyển của xe: - Sau khi nhận lệnh cho phép di chuyển từ tay cầm - Đọc giá trị cài đặt tốc độ từ kênh 5 của tay cầm - Sau khi nhận lệnh từ kênh 1 so sánh giá trị + Nếu lớn hơn 0 sẽ cho xe di chuyển tới + Nếu nhỏ hơn 0 sẽ cho xe di chuyển lui.  Sau khi nhận lệnh từ kênh 2 và 1 sẽ so sánh - Nếu kênh 2 lớn hơn 0 và kênh 1 lớn hơn 0 sẽ cho xe chạy tới rẽ phải. - Nếu kênh 2 nhỏ hơn 0 và kênh 1 lớn hơn 0 sẽ cho xe chạy tời rẽ trái. - Nếu kênh 2 lớn hơn 0 và kênh 1 nhỏ hơn 0 sẽ cho xe chạy lui rẽ phải. - Nếu kênh 2 nhỏ hơn 0 và kênh 1 nhỏ hơn 0 sẽ cho xe chạy lui rẽ trái. GND Hybird Motor Sensor A Sensor B 24+ Hand GND s 24+ GND DIR ENB PWM GND s 24+ 5+ 5+ R = 10k R = 10k GND 7 9 14 11 12 GND GND Port C GND 24+ GND 24+ PWM 27 27 PWM ENB ENB Hybird 3 3 Hybird Motor DIR DIR Motor 5 5 A B GND Port A Port B GND GND 14 GND 12+ GND UART Tay điều Thiết bị khiển phát 5+ Nhận RF RF GND Sơ đồ đấu dây cho khối điều khiển trung tâm myRIO 314
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA 3.3. Kết quả thử nghiệm Sau khi lập trình thiết kế robot đã chạy thử nghiệm với các chế độ vận hành: Gồm 2 chế độ: Bằng tay và bán tự động  Chế độ điều khiển: Robot sẽ vận hành theo điều khiển của vận hành viên thông qua tay cầm điều khiển.  Chế độ bán tự động: Một vùng chuyển động được thiết lập trước, Robot sẽ tự động vận hành vệ sinh hoặc sơn một khu vực được thiết lập dưới sự giám sát của vận hành viên. Có thể có một số can thiệp trong quá trình vận hành tự động, nếu vận hành viên quan sát và phát hiện chuyển động bất thường của Robot.  Tùy mục đích sử dụng, robot sẽ được áp dụng trong các trường hợp sau: - Kiểm tra bề mặt, độ dày: Robot sẽ được gắn thêm camera kết hợp máy đo độ dày UT/MT để kiểm tra. - Vệ sinh bề mặt: Robot kết hợp máy phun nước áp lực cao từ máy nén qua ống dẫn phân phối đến cánh tay Robot qua béc phun để vệ sinh bề mặt. Sơn bề mặt: Robot kết hợp với các béc sơn. Sơn áp lực cao từ máy sơn qua ống dẫn phân phối đến các béc sơn. Robot di chuyển theo chế độ lập trình sẵn để phân phối lớp sơn đều bề mặt. 4. KẾT LUẬN Giải pháp này đã được nghiên cứu thử nghiệm thành công thực hiện cho các công tác kiểm tra bồn nhiên liệu tại nhà máy điện. Tuy nhiên giải pháp cũng có thể ứng dụng rộng rãi cho các công ty trong lĩnh vực điện, dầu khí. Hiện tại dựa trên giải pháp này nhóm công tác nghiên cứu thêm 1 dòng sản phẩm robot có khả năng leo trên tất cả các bề mặt phi kim loại dựa trên nguyên lý hút châm không. 315