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

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Thiết kế và mô phỏng máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC……
Tác giả luận văn:.…Phan Huy Lê…………………Khóa:..2009-2010………………
Người hướng dẫn:..……PGS.TS.Tăng Huy………………………………………….
Nội dung tóm tắt:

a) Lý do chọn đề tài
Hiện nay việc chế tạo giàn khoan dầu khí và các hệ thống dẫn dầu, khí của các nhà máy
lọc dầu đang là các công trình quan trọng, khối lượng lớn trong công nghiệp Việt Nam.
Trong các công trình đó, việc chế tạo kết cấu lớn từ phôi thép ống chiếm chủ yếu. Việc
cắt các ống đó yêu cầu chính xác đảm bảo khe hở hợp lý cho quá trình hàn lắp hệ thống
ống về sau, đặc biệt là các nút giao nhau của nhiều ống với nhau. Từ nhu cầu đó đề tài:
thiết kế và mô phỏng máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC được xây dựng
nhằm thực hiện các công đoạn cắt ống ở trên một cách tự động, chính xác và nhanh hơn.

b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
Mục đích của đề tài là thiết kế ra máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC, phục
vụ trong các công trình xây dựng hệ thống giàn khoan dầu khí hoặc hệ thống dẫn dầu,
khí. Các hệ thống trên thường được xây dựng bằng phương pháp cắt, hàn ghép các phôi
ống tròn với nhau. Trong đó các ở các nút giao nhau của hệ giàn, các đầu ống thường có
biên dạng ống phức tạp, cần cắt chính xác để đảm bảo khe hở hàn hợp lý. Do vậy, đối
tượng của đề tài này nghiên cứu thiết kế thiết bị cắt ống di động, có thể bám trên các ống
có đường kính khác nhau, phạm vi đường kính từ 200mm đến trên 1000m.
Máy sử dụng nguồn cắt plasma hoặc oxy-axetilen để cắt các loại ống kim loại chủ
yếu là thép.
Máy được điều khiển tự động bám theo quỹ đạo giao của 2 ống trụ với nhau với
mô hình máy gồm 2 bậc tự do gồm: bậc thứ nhất chuyển động quay tròn quanh bề mặt
ống, bậc thứ 2 chuyển động dọc đường sinh của ống.
Máy được cố định trên mặt ống bởi hệ thống cáp quấn quanh thân ống.

c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

Chương 1: tổng quan
Chương 2: lý thuyết biên dạng ống và phân tích kết cấu đã có
Trong chương này, lý thuyết biên dạng ống được nghiên cứu ở bài toán tổng quát
là: hai ống trụ - đường kính d1, d2 chéo nhau một góc phi trong không gian và khoảng
cách trục là l- giao nhau. Từ đó phương trình giao tuyến được xây dựng để phát triển
phần mềm điều khiển trên máy tính về sau và ứng dụng để điều khiển các trục chuyển
động của máy.


Chương 3: thiết kế kết cấu cơ khí cho toàn máy
Từ việc phân tích kết cấu của máy cắt di động có sẵn trên thị trường, kết cấu cơ khí
của máy được thiết kế sao cho gọn nhất, tổng khối lượng của máy không quá 20kg. Máy
cắt được các đường kính ống từ 200mm đến trên 1000mm và hành trình tính theo đường
sinh ống là 400mm. Máy sử dụng các kết cấu chính xác, nhỏ gọn như : vitme bi, hộp
giảm tốc bánh răng sóng.
Chương 4: thiết kế hệ thống điều khiển
Thiết kế tổng thể phần cứng, mạch điều khiển cho hệ thống điều khiển CNC cho
máy. Động cơ servo được điều khiển bằng phần mềm trên máy tính thông qua hệ thống
card điều khiển chuyển động của Advantech và các driver của động cơ hãng misubishi.
Chương 5: Mô phỏng máy trên ngôn ngữ C++ và thư viện openGL
Mô phỏng hoạt động của máy trên giao diện của C++ và openGL, từ đó phát
triển thêm để xây dựng phần mềm điều khiển máy trên máy tính.

d) Phương pháp nghiên cứu.
Bài toán xuất phát từ nhu cầu thực tế. Từ nhu cầu đó, các ý tưởng thiết kế máy
được hình thành dựa trên các loại máy đã có. Máy được nghiên cứu để hoàn thiện hơn
về thiết kế cơ khí. Đồng thời kết hợp các kiến thức về tự động hóa, lập trình để xây dựng
hệ thống điều khiển cho máy.

e) Kết luận

Qua thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã thực hiện được những nội dung như
sau:
Phương trình tính toán quỹ đạo cắt
Tự động hóa, điều khiển CNC máy dẫn đến độ chính xác cao hơn
Sử dụng các kết cấu cơ khí nhỏ gọn trong thiết kế: bánh răng sóng
Kết hợp C++ và thư viện opengl để mô phỏng quá trình hoạt động của cơ cấu
máy
Máy cắt cần được hoàn thiện trong việc thiết kế, mô phỏng và chế tạo, nhanh
chóng có thể ứng dụng được. Qua quá trình thực hiện thì tác giả cũng nhận thấy các yếu
tố cần được phát triển thêm:
Thêm một bậc tự do để thay đổi góc của đầu cắt với mép hàn sử dụng trong
trường hợp có sử dụng vát mép cắt.
Mở rộng trường hợp cho phương trình của quỹ đạo là giao nhau của mặt phẳng
với ống tròn, hoặc các đường cong bất kỳ được nhập từ chương trình CAD
Lập quy trình chế tạo cho các chi tiết, lắp ráp thành sản phẩm thật


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là: Phan Huy Lê
Nơi công tác: Bm Hàn & CNKL – Viện Cơ Khí – Trường Đại học BKHN
Tên đề tài: Thiết kế và mô phỏng máy cắt biên dạng ống tự dộng điều khiển
CNC
Chuyên ngành: công nghệ chế tạo máy
Tôi xin cam đoan nội dung trình bày trong luận văn này là công trình nghiên
cứu khoa học của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Tăng Huy. Số liệu, kết quả
tính toán là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố ở bất kỳ một công
trình nghiên cứu nào khác.

Hà Nội, ngày 27 tháng 07 năm 2011
Tác giả:

Phan Huy Lê

1


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TRANG
Hình I.1 Hệ thống giàn khoan tự nâng .......................................................................8 
Hình I.2 Tổ hợp chân giàn khoan ...............................................................................9 
Hình I.3 Mô hình chân giàn khoan .............................................................................1 
Hình I.4 Hiện trường xây dựng hệ thống giàn khoan...............................................10 
Hình I.5 Công tác chuẩn bị hàn ống ...........................................................................1 
Hình I.7: Nhà máy lọc dầu........................................................................................11 
Hình I.6 Các biên dạng ống ........................................................................................1 
Hình I.8: Hệ thống ống dẫn ........................................................................................1 
Hình I.9: quy trình cắt biên dạng ống thủ công........................................................13 
Hình I.10 Cắt biên dạng ống thủ công........................................................................1 
Hình I.11: Máy CNC cỡ lớn .......................................................................................1 
Hình I.12: Máy cắt Beveler .......................................................................................1 
Hình I.13: Máy cắt bằng dụng cụ có lưỡi...................................................................1 
Hình I.14: Máy cắt hãng Koike ..................................................................................1 
Hình II.1 Hệ tọa độ của 2 ống giao nhau....................................................................1 
Hình II.2: Giao tuyến của 2 mặt trụ............................................................................1 
Hình II.3: Kết cấu máy cắt của hãng Koike ...............................................................1 
Hình II.4: Máy auto Picle-S......................................................................................25 
Hình III.1: Sơ đồ nguyên lý cắt Plasma....................................................................27 

Hình III.2: Nguồn cắt plasma D12000 .......................................................................1 
Hình III.3: Đồ thị vận tốc cắt so với chiều dày cắt...................................................30 
Hình III.4: Đồ thị tốc độ cắt để đạt được chất lượng mép cắt cao nhất ...................30 
Hình III.5: Thông số chế độ cắt thép bằng ngọn lửa oxy+axetylen .........................34 
Hình III.6: Sơ đồ vận tốc cắt ....................................................................................35 
Hình III.7: Tổng thể kết cấu cơ khí của máy..............................................................1 
Hình III.8: Sơ đồ lực tác dụng lên máy ......................................................................1 
Hình III.9: Thông số đai .............................................................................................1 
Hình III.10: kết cấu hộp giảm tốc bánh răng sóng ...................................................43 
Hình III.12Kết quả kiểm nghiệm trục ......................................................................45 
Hình III.11: Kết cấu trục bánh chủ động....................................................................1 
Hình III.13: Sơ đồ bố trí ổ lăn ....................................................................................1 
Hình III.14: Kết cấu thân............................................................................................1 
Hình III.15: Sơ đồ đặt lực lên thân .............................................................................1 
Hình III.16: Kết quả..................................................................................................48 
Hình III.17: vitme KS05 Hiwin................................................................................51 
Hình IV.1: Sơ đồ khối tổng thể hệ thống điều khiển................................................53 
Hình IV.2: Sơ đồ khối card điều khiển 4 trục PCI-1240U .......................................58 
Hình IV.3: Các tín hiệu điều khiển của PCI-1240U................................................59 
Hình IV.4: Modun ghép nối ADAM-3952...............................................................60 
Hình IV.5: Ghép nối các tín hiệu điều khiển giữa card điều khiển PCI-1240U và bộ
điều khiển động cơ ASD-B.......................................................................................67 
Hình IV.6:Ghép nối các tín hiệu điều khiển giữa card điều khiển PCI-1240U và bộ
điều khiển động cơ ASD-A ......................................................................................68 
Hình V.1: Cơ chế hoạt động của OpenGl.................................................................73 
2


Hình V.2: Các đối tượng đồ họa cơ bản ...................................................................75 
Hình V.3: Mô hình cơ bản........................................................................................78 

Hình V.4: Chi tiết ống ..............................................................................................79 
Hình V.5: sơ đồ khối mô phỏng ...............................................................................83 
Hình V.6: Giao diện chương trình mô phỏng...........................................................85 
Hình V.7: Phần màn hình mô phỏng ........................................................................85 
Hình V.8: Bảng điều khiển mô phỏng........................................................................1 

3


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................6
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN........................................................................................7
1.1.

Nhu cầu thực tế cắt ống theo biên dạng......................................................7

1.2.

Các phương pháp cắt biên dạng ống..........................................................13

CHƯƠNG II. LÝ THUYẾT VỀ BIÊN DẠNG ỐNG VÀ PHÂN TÍCH CHỌN GIẢI
PHÁP THIẾT KẾ......................................................................................................17
2.1.

Giải phương trình giao tuyến của hai hình trụ...........................................17

2.2.

Phân tính chọn giải pháp thiết kế cơ khí....................................................24

CHƯƠNG III. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ....................................................27
3.1.

Lựa chọn hệ thống cắt................................................................................27

3.1.1.

Nguyên lý cắt plasma:............................................................................27

3.1.2.

Hệ thống cắt plasma OTC Daihen D12000 ...........................................29

3.1.3.

Hệ Thống cắt bằng khí oxy+ axetylen [6]..............................................32

3.2.

Tính toán, lựa chọn kết cấu cơ khí.............................................................35

3.2.1.

Tính toán động học.................................................................................35

3.2.2.

Tính toán, lựa chọn bộ truyền ................................................................36

3.2.3.

Thiết kế hệ thống cơ khí thực hiện chuyển động dọc ống .......................1

CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN...................51_Toc303930648
4.1.

Yêu cầu hệ thống điều khiển chuyển động ................................................51

4.2.

Cấu trúc hệ thống .......................................................................................53

4.2.1.1. Máy tính .................................................................................................54
4.2.1.2. Card điều khiển chuyển động 4 trục[11]................................................55
4.2.1.3. Modun ghép nối .....................................................................................59
4.2.1.4. Bàn phím điều khiển ..............................................................................60
4.2.1.5. Hệ truyền động xoay chiều servo...........................................................60
4.2.1.6. Đặc điểm và thông số kỹ thuật của biến tần ASD-A .............................61
4.2.1.7. Thông số kỹ thuật của ASD-A series.....................................................63
4.2.1.8. Thông số kỹ thuật của ASD-B series .....................................................65
4.2.2.

Ghép nối máy tính PC và card PCI-1240U............................................66

4.2.3.

Ghép nối ADAM-3952 và ASDA-A .....................................................66

4.2.4. Ghép nối bảng điều khiển cầm tay (handheld control panel) và bộ điều

khiển PCI-1240U ..................................................................................................69
4


4.2.5.

Thiết kế giao diện phần mềm điều khiển ...............................................70

4.2.6.

Xây dựng thuật toán điều khiển .............................................................70

CHƯƠNG V. MÔ PHỎNG .......................................................................................72
5.1.

Giới thiệu về Visual C++ và thư viện MFC, OPENGL.............................72

5.2.

Mô hình hóa cơ cấu máy ở dạng đơn giản.................................................77

5.2.1.
5.3.

Xây dựng mô hình..................................................................................77
Mã nguồn chương trình: ............................................................................81

5.3.1.

Khai báo biến .........................................................................................81

5.3.2.

Xây dựng phương trình mô phỏng .........................................................82

5.3.3.

Giao diện mô phỏng ...............................................................................85

5


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, việc chế tạo các giàn khoan dầu khí đã được chính phủ giao cho các
nhà thầu trong nước chủ động thực hiện. Các kết cấu giàn khoan chủ yếu được chế
tạo từ thép ống tròn bằng phương pháp cắt, hàn.. Việc cắt phôi thép yêu cầu phải
đảm bảo biên dạng chính xác để khi ghép nối lại đảm bảo khe hở hàn hợp lý, đặc
biệt tại các nút giao nhau của nhiều ống thì yêu cầu này lại càng cao. Máy cắt biên
dạng ống tự động điều khiển CNC cho phép thực hiện thao tác cắt nhanh và chính
xác; chỉ cần nhập đường kính các ống cần cắt, góc giao nhau giữa 2 ống, máy sẽ tự
động tính toán quỹ đạo và điều khiển đầu cắt bám theo quỹ đạo đó khi cắt. Hiện nay
trong nước chưa có công ty nào sản xuất được máy này. Trong khi các công ty nước
ngoài đã sản xuất và cung cấp máy này với giá thành rất cao.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế máy cắt biên dạng ống tự động điều
khiển CNC, tiến tới chế tạo thành công thiết bị này phục vụ cho chế tạo giàn khoan
và đường ống dẫn dầu nhằm mục đích:
• Thay thế nhập khẩu, giảm giá thành đầu tư, tạo cho các doanh nghiệp
Việt nam chủ động trong sản xuất.
• Ứng dụng vào thực tế sản xuất trong chế tạo dàn khoan dầu khí, tăng
năng suất, chất lượng trong công việc cắt, hàn nối chân giàn khoan và

đường ống dẫn dầu, khí.
• Giảm được kích thước khối và lượng của máy cắt, dễ dàng vận chuyển
đến các công trường.

Tác giả:

Phan Huy Lê
6


CHƯƠNG I.

TỔNG QUAN

1.1. Nhu cầu thực tế cắt ống theo biên dạng
a. Dự án chế tạo giàn khoan tự nâng 90m nước
Các loại giàn khoan tự nâng độ sâu 60m nước trở lên; giàn khoan nửa nổi nửa
chìm, tàu khoan phục vụ thăm dò, khai thác dầu khí nằm trong danh mục các sản
phẩm cơ khí trọng điểm giai đoạn từ năm 2009 đến 2015 (theo quyết định của thủ
tướng chính phủ số 10/2009.QĐ-TTg ngày 16/01/2009. Đây là dự án đóng giàn tự
nâng đầu tiên ở Việt Nam. Dự án có tổng vốn đầu tư hơn 180 triệu USD, do Công
ty Cổ phần Chế tạo giàn khoan Dầu khí (PV Shipyard) làm tổng thầu.
“Giàn khoan tự nâng 90 mét nước” là một tổ hợp giàn khoan tự nâng, di
động, có quy mô lớn trên biển, và là sản phẩm cơ khí chế tạo ứng dụng công nghệ
cao lần đầu tiên được tổ chức sản xuất tại Việt Nam. Việc tự đóng mới giàn khoan
sẽ tạo chủ động cho Tập đoàn Dầu khí Việt Nam triển khai kế hoạch tìm kiếm,
thăm dò dầu khí, giảm giá thuê dịch vụ này từ các nhà thầu nước ngoài.
Dự án không chỉ mang ý nghĩa đồng hành với mục tiêu phát triển công
nghiệp có hàm lượng công nghệ, khoa học kỹ thuật cao và phức tạp của Việt Nam
mà còn đánh dấu sự lớn mạnh và trưởng thành của đội ngũ cán bộ có chuyên môn

cao của nước ta nói chung và PV Shipyard nói riêng.
Dự án Chế tạo giàn khoan tự nâng là dự án cơ khí trọng điểm quốc gia, và dự
án này có công trình nghiên cứu khoa học công nghệ kèm theo hỗ trợ. Đây cũng
cũng là dự án khoa học công nghệ về cơ khí có tổng vốn lớn nhất tại Việt Nam hiện
nay.
Theo kế hoạch, tháng 8/2011 giàn khoan tự nâng đầu tiên của Việt Nam sẽ
chính thức hạ thủy và tiếp tục hoàn chỉnh đển tháng 5/2012 sẽ chính thức bàn giao
cho Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam đưa vào sử dụng.

7


Hình I.1 Hệ thống giàn khoan tự nâng

Trong đó, việc tổ hợp chân giàn được coi là một công đoạn khó khăn với yêu
cầu về độ chính xác tuyệt đối trong căn chỉnh và lắp đặt. Theo kế hoạch, thời gian
thi công của dự án là 32 tháng (dự kiến bàn giao vào đầu quý II/2010) với tổng khối
lượng thi công chế tạo khoảng 11.000 tấn. Việc thực hiện thành công công đoạn
này là điều kiện quan trọng giúp Giàn khoan tự nâng 90m nước được triển khai theo
đúng tiến độ đặt ra. Vì thế nên việc tự động hóa trong các giai đoạn thiết kế và chế
tạo là rất cần thiết để đẩy nhanh tiến độ của công trình, vừa đảm bảo chất lượng và
đỡ tốn công sức lao động.

8


Hình I.2 Tổ hợp chân giàn khoan
Như trên hình I.2 là tổ hợp chân giàn
khoan. Tổ hợp này bao gồm từ 3 đến
5 chân, các chân này được điều khiển

bằng thuỷ lực hoặc bằng điện. Trong
thời gian di chuyển giàn ở tư thế nổi,
và chân ở vị trí nâng lên. Để cắm nó
xuống đáy biển ở vị trí làm việc, chỉ
việc hạ các chân xuống và cắm nó
xuống đáy biển, và giàn sẽ nâng lên
khoảng 12- 20 m trên mực nước.
Hệ thống chân giàn khoan được chế
tạo từ phôi ống. Đường kính trụ chính

Hình I.3 Mô hình chân giàn khoan

có thể lên đến 2m. Các thanh giằng sẽ được hàn nối vào các trụ chính nên chân giàn
9


khoan có kết cấu hệ khung. Khối lượng hàn cắt hệ khung này là rất lớn và yêu cầu
độ chính xác các mối lắp ghép trước khi hàn là rất lớn.

Hình I.4 Hiện trường xây dựng hệ thống giàn khoan
Từ thiết kế tổng thể của chân giàn khoan, kỹ sư phải có nguyên công phân tách
đoạn và chuẩn bị phôi ống ban đầu

Hình I.5 Công tác chuẩn bị hàn ống
Để có thể hàn chính xác và đảm bảo yêu cầu của mép hàn giữa các ống, nguyên
công cắt ống đòi hỏi phải chính xác và thời gian cắt phải nhanh để đảm bảo khối
lượng công việc đặt ra. [11]

10

Kết cấu ống tạo thành khi hai ống trụ giao nhau và giao tuyến của chúng là một
đường cong 3D.
Thực tế tồn tại nhiều biên dạng ống khác như: giao tuyến của mặt phẳng giao với
mặt trụ, giao tuyến của rãnh then trên bề mặt ống.
Xuất phát từ yêu cầu cắt biên dạng ống một cách linh hoạt, bài toán cắt ống theo
biên dạng được đặt ra để đi đến thiết kế thiết bị cắt ống.

Hình I.6 Các biên dạng ống
b. Hệ thống đường ống dẫn dầu

Hình I.7: Nhà máy lọc dầu

Bất cứ một quốc gia nào đều có nhu cầu lớn về các sản phẩm lọc hoá dầu.
Từ nhu cầu đó, trừ trường hợp quá đặc biệt, các nước đều xây dựng nhà máy lọc
hoá dầu dù nước đó có hay không có nguồn tài nguyên dầu khí để giảm thiểu tối đa
rủi ro do sự phụ thuộc vào thị trường nguồn cung xăng dầu thế giới gây ra. Việt
11


Nam tuy đã trở thành nước xuất khẩu dầu thô từ 20 năm nay nhưng công nghiệp lọc
hoá dầu vẫn chỉ mới ở trong giai đoạn chuẩn bị hoặc bắt đầu khởi động. Điển hình
là các dự án lọc dầu: Nghi Sơn (Thanh Hóa), Long Sơn (Bà Rịa -Vũng Tàu), Dung
Quất (Quảng Ngãi) của Tập đoàn Dầu Khí Quốc Gia Việt Nam(PVN) Ngoài ra còn
có các dự án lọc dầu của các công ty nước ngoài như: Dự án lọc dầu Vũng Rô (Phú
Yên), nhà máy lọc dầu tại KCN Đình Vũ, Hải Phòng .
Việc xây dựng các nhà máy lọc
dầu bao gồm một khối lượng lớn là việc
xây dựng, lắp ráp các hệ thống ống dẫn.
Lắp ghép hệ thống ống dẫn dầu

khí bao gồm hàn các đường ống thẳng
và hàn các nhánh ống . Bài toán biên
dạng ống được đặt ra với cả hai trường hợp

Hình I.8: Hệ thống ống dẫn

trên. Ở trường hợp nối hai ống thẳng, giao tuyến là một đường tròn, tuy vậy công
việc cắt ống, vát mép ống đòi hỏi sự nhanh gọn, chất lượng mép cắt cần trơn đảm
bảo cho quá trình lắp ghép, hàn đạt chất lượng tốt nhất có thể. Trường hợp hai ống
giao nhau là bài toán tổng quát về cắt ống theo biên dạng.

12


1.2. Các phương pháp cắt biên dạng ống
a. Cắt thủ công
Quy trình cắt biên dạng thủ công ( lấy dấu)

Hình I.9: quy trình cắt biên dạng ống thủ công

•

Ưu điểm:

-

Tính linh động cao, yêu cầu về thiết bị không quá phức tạp

•

Nhược điểm:

-

Tốn nhiều thời gian, mức độ tự động hóa thấp

-

Độ chính xác, độ nhẵn của mép cắt thấp gây khó khăn trong công đoạn hàn
đấu ống trong giai đoạn sau.

Hình I.10 Cắt biên dạng ống thủ công

b.

Cắt bằng máy CNC cỡ lớn:
Trên thế giới, máy cắt biên dạng ống tự động điều khiển CNC đã được các

nước tiên tiên nghiên cứu, thiết kế và chế tao, điển hình là ở Đức và Mỹ.

13


Nguyên lý của cắt máy cắt cỡ lớn:
Ống cần cắt được gá đặt lên mâm
cặp nằm ngang, thực hiện 1 chuyển
động quay tròn quanh tâm ống. Hệ
thống con lăn được lắp trên ray dẫn
để giữ cho ống nằm ngang.
Đầu cắt thực hiện 3 chuyển động

theo ba trục X,Y,Z : trục X song
song với đường tâm ống; trục Y, Z

Hình I.11: Máy CNC cỡ lớn

lần lượt theo chiều thẳng đứng và nằm ngang trong mặt phẳng vuông góc với
trục chính.
Quá trình cắt là quá trình phối hợp 4 chuyển động của máy để tạo thành giao
tuyến cần cắt
•

Ưu điểm:

-

có thể cắt được các đường kính ống nhỏ.

-

Độ cứng vững của máy cao nên độ chính xác cắt cao.

-

Có thể cắt được nhiều biên dạng trong cùng 1 lần gá, vị trí tương đối giữa
các đường cắt chính xác.

•

Nhược điểm:

-

Kích thước máy lớn, cồng kềnh.

-

Yêu cầu về kích thước các trục chuyển động tăng khi đường kính ống tăng

-

Đồ gá ống lớn, yêu cầu về nhà xưởng cũng có quy mô lớn. Việc gá lắp ống
lên thiết bị mất nhiều công sức, thời gian.

-

Các thiết bị này đều phải nhập khẩu 100% với giá thành rất cao. Khi máy
gặp sự cố phải chờ chuyên gia nước ngoài đến xử lý mất thời gian và làm
chậm trễ sản xuất. Phần mềm điều khiển do các công ty nước ngoài viết nên
có những cản trở trong việc tiếp cận và sửa chữa sau này.

14


c.

Cắt bằng các thiết bị cắt di động

Hình I.12:

Máy cắt Beveler

Hình I.14: Máy cắt hãng Koike

Hình I.13: Máy cắt bằng dụng
cụ có lưỡi
Các thiết bị cắt di động thường yêu cầu kích thước khối lượng nhỏ gọn để có

thể tự hành trên bề mặt các ống. Bộ phận cắt hiên nay được sử dụng có thể là cắt
gọt bằng dụng cụ có lưỡi, cắt bằng oxi+ khí cháy (axetylen hoặc khí gas) hoặc
plasma. Trong đó, phương pháp cắt bằng gas được sử dụng phổ biến nhưng nó vẫn
có nhược điểm là nhiệt độ cắt không cao cho nên khó cắt được các kim loại màu và
hợp kim cứng.
Chuyển động của máy thường chỉ là 1 chuyển động quay quanh bề mặt ống,
và dẫn động có thể bằng thủ công hoặc động cơ điện xoay chiều bình thường.
Các thiết bị cắt di động hiện nay chủ yếu phục vụ công việc cắt các miệng ống
có biên dạng phẳng. Như hình vẽ ở trên, khi cắt biên dạng ống theo 1 quỹ đạo giao
15


tuyến hai ống với nhau thì cơ cấu cam được sử dụng chủ yếu. Phương pháp sử dụng
cam dẫn này có nhược điểm là lắp đặt hệ thống mất nhiều thời gian, độ chính xác
không cao và phải sử dụng nhiều loại cam dẫn khác nhau khi quỹ đạo cắt thay đổi.

16


CHƯƠNG II.

LÝ THUYẾT VỀ BIÊN DẠNG ỐNG VÀ PHÂN TÍCH
CHỌN GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

2.1. Giải phương trình giao tuyến của hai hình trụ.
Bài toán tổng quát cho 2 trụ giao nhau:
Xét 2 mặt trụ có đường tâm là 2 đường thẳng chéo nhau:
• góc lệch giữa 2 đường tâm là φ ;
• khoảng cách giữa hai đường tâm là

z

z

đoạn l0
• Mặt trụ T1 có bán kính R1

mt1

• Mặt trụ T2 có bán kính R2

x

Trong không gian hệ tọa độ decac Oxyz,

φ

phương trình mặt trụ

2

2

x
l0

mt 2
Hình II.1 Hệ tọa độ của 2 ống giao nhau

2

có dạng : x + y =R

Để thuận tiện cho việc tính toán chuyển sang hệ tọa độ trụ, bằng cách chuyển hệ
trục tọa độ có thể chọn phương trình mặt trụ T1 ở dạng đơn giản.
T1 :

x:=

y:=R1 sin( 1)

z:= R1 cos( 1)

17

y


T2’: khi có góc φ=0

x:=R2 cos( 2);

y:=R2 sin( 2);

z:=

Tổng quát: mặt trụ T2 có thể thu được theo mặt trụ T2 bằng cách chuyển hệ trục tọa
độ.
- tịnh tiến mặt trụ T1 đi 1 đoạn l0 dọc trục Oy
- xoay mặt trụ T1 đi góc φ quanh trục Oy.
Khi này ma trận chuyển trục tọa độ là:

⎡1
⎢0
A: = ⎢
⎢0
⎢
⎣0

0
1
0
0

0
0
1
0

0⎤
l0 ⎥⎥
.
0⎥

⎥
1⎦

⎡ cos ϕ
⎢ 0
⎢
⎢ − sin ϕ
⎢
⎣ 0

0 sin ϕ 0⎤
1
0
0⎥⎥
=
0 cos ϕ 0⎥
⎥
0
0
1⎦

qua phép đổi trục tọa độ đó:
18

⎡ cosϕ
⎢ 0
⎢
⎢ − sin ϕ
⎢
⎣ 0

0 sin ϕ 0 ⎤
1
0
l0 ⎥⎥
0 cosϕ 0 ⎥
⎥
0
0
1⎦


mặt trụ T2 Tổng quát trong hệ trục tọa độ của mặt trụ T1có phương trình:
T2=A.T2’
⎡ cosϕ
⎢ 0
hay T2= ⎢
⎢ − sin ϕ
⎢
⎣ 0

0 sin ϕ 0 ⎤ ⎡ R2 cos(θ 2 ) ⎤
1
0
l0 ⎥⎥ ⎢⎢ R2 sin(θ 2 ) ⎥⎥
.
⎥
0 cosϕ 0 ⎥ ⎢
β
⎥ ⎢

⎥
0
0
1⎦ ⎣
1
⎦

thu được phương trình mặt trụ T2 là
T2:

x:= R2 .cos( 2). cos( )+ . sin( ).

y:=R2. sin( 2) + l0

z:=-R2. .sin( ).cos( 2)+ .cos( )

Giao của 2 mặt trụ là nghiệm của hệ phương trình:
⎧ R2 .cos(θ 2 ). cos(ϕ ) + β . sin (ϕ ) = α
⎪
⎨ R2. sin(θ 2 ) + l0 = R1.sin(θ1 )
⎪− R .sin(ϕ ).cos(θ ) + β .cos(ϕ ) = R .cos(θ )
2
1
1
⎩ 2.

Gải hệ phương trình:

19

β

α − r2⋅ cos ( φ ) ⋅ cos ( θ2)
sin ( φ )

sin ( θ1)

cos ( θ1)

l0 + r2⋅ sin ( θ2)
r1

β ⋅ cos ( φ ) − r2⋅ sin ( φ ) ⋅ cos ( θ2)
r1

(4)

(5)

(6)

Bình phương và cộng tương ứng 2 vế phương trình (5), (6) ta có:
2
2
⎛ l0 + r2⋅ sin ( θ2) ⎞ + ⎛ β ⋅ cos ( φ ) − r2⋅ sin ( φ ) ⋅ cos ( θ2) ⎞ 0
⎜
⎜
r1
r1

⎝
⎠ ⎝
⎠

(7)

Giải phương trình (7) ta có nghiệm β:

β

⎛⎜ r2⋅ sin ( φ − θ2) + 2⋅ 2⋅ r12 − 2⋅ l02 − r22 + r22⋅ cos ( 2⋅ θ2) − 4⋅ l0⋅ r2⋅ sin ( θ2) + r2⋅ sin ( φ + θ2) ⎞
⎜
⎟
2⋅ cos ( φ )
⎜
⎟
⎜ r2⋅ sin ( φ − θ2) − 2⋅ 2⋅ r12 − 2⋅ l02 − r22 + r22⋅ cos ( 2⋅ θ2) − 4⋅ l0⋅ r2⋅ sin ( θ2) + r2⋅ sin ( φ + θ2) ⎟
⎜
2⋅ cos ( φ )
⎝
⎠

(8)

Thay kết quả( 8) vào phương trình (4) và giải ta có α:
α

α

⎛ r2⋅ sin ( φ − θ2) + 2⋅ 2⋅ r12 − 2⋅ l02 − r22 + r22⋅ cos ( 2⋅ θ2) − 4⋅ l0⋅ r2⋅ sin ( θ2) + r2⋅ sin ( φ + θ2) r2⋅ cos ( φ ) ⋅ cos ( θ2) ⎞

+
2⋅ cos ( φ )
sin ( φ )
⎝
⎠

sin ( φ ) ⋅ ⎜

⎛ r2⋅ sin ( φ − θ2) − 2⋅ 2⋅ r12 − 2⋅ l02 − r22 + r22⋅ cos ( 2⋅ θ2) − 4⋅ l0⋅ r2⋅ sin ( θ2) + r2⋅ sin ( φ + θ2) r2⋅ cos ( φ ) ⋅ cos ( θ2) ⎞
+
2⋅ cos ( φ )
sin ( φ )
⎝
⎠

sin ( φ ) ⋅ ⎜

Điều kiện để β có nghĩa là biểu thức dưới căn phải có nghĩa
2

2

2

2

2⋅ r1 − 2⋅ l0 − r2 + r2 ⋅ cos ( 2⋅ θ2) − 4⋅ l0⋅ r2⋅ sin ( θ2) > 0

Trong hệ tọa độ trụ có nghiệm trên, chuyển sang hệ tọa độ decac :
Do giao tuyến cũng thuộc mặt trụ T1 nên:

20


Xgt=

Ygt=R1 sin( 1)

Zgt= R1 cos( 1)

Ta có kết quả các nghiệm α,β, φ như sau:
⎧
1
⎪
2
2
2
2
⎪α = cos(ϕ ) R2 .cos(θ 2 ) ± R1 − R2 .sin (θ 2 ) − 2.R2 .sin(θ 2 ).l0 − l0 .sin(ϕ )
⎪
1
⎪
R2 .sin(ϕ ).cos(θ 2 ) ± R12 − R2 2 .sin 2 (θ 2 ) − 2.R2 .sin(θ 2 ).l0 − l0 2
⎨β =
cos(ϕ )
⎪
⎪
2
2
2

2 ⎞
⎛
⎪θ = arctg ⎜ R2 .sin(θ 2 ) + l0 , ± R1 − R2 .sin (θ 2 ) − 2.R2 .sin(θ 2 ).l0 − l0 ⎟
⎪ 1
⎜
⎟
R1
R1
⎝
⎠
⎩

(
(

)
)

Trong hệ tọa độ đecac ta có phương trình như sau:
⎧ x := α
⎪
z
⎪
⎨ y := R1.sin(θ 1) =
cotg (θ1 )
⎪
⎪⎩ z := R1.cos(θ1 ) = − R2 .sin(ϕ ).cos(θ 2 ) + β .cos(ϕ )

Thay lại kết quả tìm được α,β,θ1 ở trên vào, nghiệm được viết lại thành :

21


⎧
1
⎪
2
2
2
2
⎪α = cos(ϕ ) R2 .cos(θ 2 ) ± R1 − R2 .sin (θ 2 ) − 2.R2 .sin(θ 2 ).l0 − l0 .sin(ϕ )
⎪
1
⎪
R2 .sin(ϕ ).cos(θ 2 ) ± R12 − R2 2 .sin 2 (θ 2 ) − 2.R2 .sin(θ 2 ).l0 − l0 2
⎨β =
c
os(
)
ϕ
⎪
⎪
2
2
2
2 ⎞
⎛
⎪θ = arctg ⎜ R2 .sin(θ 2 ) + l0 , ± R1 − R2 .sin (θ 2 ) − 2.R2 .sin(θ 2 ).l0 − l0 ⎟
⎪ 1
⎜

⎟
R1
R1
⎝
⎠
⎩

(
(

)
)

Điều kiện: R2 + l0 ≤ R1 Để nghiệm tồn tại. Phù hợp thực tế: khi 2 trụ giao nhau thì
không thể có phần giao nhau là hở,
với l0 là khoảng cách giữa 2 trục, φ là góc nghiêng giữa 2 trục, R1, R2 là bán kính
của 2 trục
trong nghiệm có tham số: 0≤θ2 ≤2π
Xét các trường hợp cụ thể:

Xét biểu thức: ∆= R12 − R2 2 .sin 2 (θ 2 ) − 2.R2 .sin(θ 2 ).l0 − l0 2

pt ∆=0 có nghiệm : sin(θ 2 ) =

± R1 − l0
R2

Trường hợp 1 :

22

Khi R2+l0 >R1 có: sin(θ2) < 1 Khi này 2 trụ giao nhau sẽ tạo ra khoảng hở giữa 2

Hình II.2: Giao

tuyến của 2 mặt trụ

trụ.
Trường hợp 2:

R2+l0 = R1 Khi này sin(θ2) = -1, ∆=0, 2 ống trụ cắt nhau tạo giao tuyến liên tục từng

đoạn
Trường hợp 3:

R2+l0 < R1 Khi này ∆ 0 vì thế hệ nghiệm đã cho là 2 đường cong liên tục.

23