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

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: B2010-22-54

S KC 0 0 3 2 1 4


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 của cơ 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 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
Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM
Cơ quan và các cá nhân phối hợp thực hiện:
Cơ quan phối hợp chính
Tên đơn vị phối hợp

phận cơ 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 các thành viên tham gia và đơn vị phối hợp thực hiện ............................. iii
Mục lục ....................................................................................................................... iv
Danh mục hình vẽ ....................................................................................................... ix
Danh mục bảng biểu ................................................................................................. xiv
Thông tin kết quả nghiên cứu .....................................................................................xv

CHƢƠNG 1
ĐẦU NUNG CẢM ỨNG TỪ ...............................................................................8
2.1.1 Giới thiệu hiện tượng cảm ứng điện từ ........................................................8
2.1.1.1 Nguồn gốc ........................................................................................8
2.1.1.2 Cảm ứng nhiệt điện từ ......................................................................9
2.1.1.3 Ứng dụng của nung nóng nhiệt cảm ứng trong công nghiệp ...........9
iv


2.1.2 Lý thuyết về cảm ứng nhiệt điện từ ...........................................................10
2.1.2.1 Nguyên lý của cảm ứng nhiệt điện từ ............................................10
2.1.2.2 Sự phân bố của dòng điện trong vật được gia công .......................14
2.1.2.3 Hiện tượng trao đổi nhiệt trong nung cảm ứng ..............................18
2.1.3 Mô hình toán học của quá trình nung cảm ứng nhiệt ................................21
2.1.3.1 Mô hình toán học trường điện từ và trường nhiệt độ .....................21
2.1.3.2 Mô hình cơ bản của quá trình nung cảm ứng từ ............................24
2.1.4 Thiết kế nung cảm ứng từ ..........................................................................27
2.1.4.1 Một số yêu cầu về thiết bị dùng trong đầu nung cảm ứng .............27
2.1.4.2 Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống nung cảm ứng từ ....................28
2.1.4.3 Các mạch nguyên lý của đầu nung cảm ứng từ .............................29
CHƢƠNG 2

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 trên một trục ........................................34
2.2.1.3 Phương án phôi di chuyển trên hai trục .........................................35
2. 2.1.4 Lựa chọn phương án di chuyển tối ưu ..........................................36
2.2.2. Lựa chọn cơ cấu truyền động ...................................................................36
2.2.2.1 Vít me - đai ốc ................................................................................36

2.4.4 Cấu trúc bộ 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 trên .............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 quá trình gia công ......................................74
2.4.3 Thiết kế bộ điều khiển ...............................................................................78
2.4.3.1 Tổng quan về mạch điều khiển ................................................................ 78

2.4.3.2 Giới thiệu vi điều khiển..................................................................79
2.4.3.3 Các chức năng của hai vi điều khiển sử dụng trong đồ án ............79
vi


2.4.3.4 Mạch nguyên lý .............................................................................87
2.4.4 Sự phân chia nhiệm vụ của phần mềm, vi điều khiển trong hệ thống .....88
2.4.4.1 Phần mềm máy tính .......................................................................88
2.4.4.2 Phần mềm của 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 dữ liệu nội suy cho quá trình gia công ...........................89
2.4.5.3 Các nút điều khiển khác .................................................................89
2.4.6 Phần mềm của vi điều khiển chủ ..............................................................92
2.4.6.1 Nhiệm vụ chính ..............................................................................92
2.4.6.2 Chức năng điều khiển quá trình gia công ......................................93
2.4.6.3 Chức năng di chuyển bàn máy bằng tay (Jog) ...............................93
2.4.6.4 Chức năng điều khiển trở về vị trí Home .......................................93
2.4.6.5 Chức năng dừng chương trình gia công .........................................93

Hình 1.9 Bệ dùng để uốn nóng bằng phương pháp thủ công ........................................5
Hình 1.10 Định hình thép tấm bằng phương pháp đường nhiệt ....................................6
Hình 2.1.1 Thí nghiệm định luật cảm ứng của Faraday ................................................8
Hình 2.1.2 Một số ứng dụng nung cảm ứng từ trong công nghiệp .............................10
Hình 2.1.3 Cuộn dây cảm ứng với từ trường của nó ...................................................10
Hình 2.1.4 Dòng điện xoáy sinh ra trong một vật dẫn
khi đặt trong từ trường thay đổi ................................................................11
Hình 2.1.5 Hình dáng đầu gia nhiệt và thép tấm được dùng trong đề tài....................11
Hình 2.1.6 Ảnh hưởng của trễ từ đến đường công suất nhiệt .....................................14
Hình 2.1.7 Chiều sâu thấm của dòng điện trong thép .................................................15
Hình 2.1.8 Cường độ dòng điện và cường độ từ trường là một hàm của chiều sâu d.15
Hình .1.9 Hiệu ứng cảm ứng điện từ dọc biên ............................................................17
Hình 2.1.10 Sơ đồ hoạt động của hệ thống nung cảm ứng từ ...................................29
Hình 2.1.11 Khối nguồn 1 ...........................................................................................29
Hình 2.1.12 Khối nguồn 2 ...........................................................................................30
Hình 2.1.13 Dạng ngõ ra điện áp sau khi qua chỉnh lưu .............................................30
Hình 2.1.14 Khối nguồn 3 ...........................................................................................31
Hình 2.1.15 Khối tạo xung ..........................................................................................32
Hình 2.1.16 Mạch công suất 1 .....................................................................................32
ix


Hình 2.1.17 Mạch công suất 2 .....................................................................................33
Hình 2.1.18 Mạch cộng hưởng L-C ............................................................................33
Hình 2.2.1 Phương án phôi cố định .............................................................................34
Hình 2.2.2 Phương án phôi đặt lên bàn trượt theo một trục ........................................35
Hình 2.2.3 Phương án phôi đặt lên bàn trượt theo hai trục .........................................35
Hình 2.2.4 Bộ truyền vít me – đai ốc có rãnh hồi bi dạng ống ...................................37
Hình 2.2.5 Một số bộ truyền bánh răng thông dụng....................................................38
Hình 2.2.6 Rãnh mang cá ............................................................................................39

Hình 2.2.34 Ứng suất của chữ I 2 ................................................................................54
Hình 2.2.35 Chuyển theo phương X ............................................................................54
Hình 2.2.36 Chuyển vị theo phương Y .......................................................................54
Hình 2.2.37 Chuyển vị theo phương Z ........................................................................55
Hình 2.2.38 Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và độ dịch chuyển đầu từ 55
Hình 2.3.1 Mô hình hóa máy tạo nhiệt bằng từ trường dưới mô hình robot Decard ..60
Hình 2.4.1 Sơ đồ mạch điện hệ thống .........................................................................65
Hình 2.4.2 Sơ đồ đi dây mạch động lực ......................................................................67
Hình 2.4.3 Bộ điều khiển robot theo cấu trúc PC-based .............................................68
Hình 2.4.4 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống kết nối điều khiển ..............................69
Hình 2.4.5 Sơ đồ giao tiếp điều khiển giữa Host Controller và XYZ Controller .......69
Hình 2.4.6 Sơ đồ giao tiếp điều khiển giữa XYZ Controller và AC Servo Driver .....70
Hình 2.4.7 Sơ đồ khối dành cho điều khiển vị trí của Servo driver ............................70
Hình 2.4.8 Khái niệm cơ bản của bộ nội suy ..............................................................71
Hình 2.4.9 Nội suy bậc thang ......................................................................................72
Hình 2.4.10 Nội suy dây cung .....................................................................................73
Hình 2.4.11 Sơ đồ tổng quan của mạch điều khiển .....................................................78
Hình 2.4.12 Các mức Logic của cổng RS232 .............................................................81
Hình 2.4.13 Sơ đồ chân cổng COM máy tính .............................................................81
Hình 2.4.14 Sơ đồ giao tiếp 1 master, 1 slave .............................................................82
Hình 2.4.15 Sơ đồ giao tiếp một master với nhiều Slave ............................................83
xi


Hình 2.4.16 Sơ đồ truyền SPI ......................................................................................84
Hình 2.4.17 Trình tự truyền SPI ..................................................................................84
Hình 2.4.18 Mạch nguyên lý vi điều khiển chủ và cổng truyền thông RS232 ...........85
Hình 2.4.19 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục X ................................85
Hình 2.4.20 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục Y ................................86
Hình 2.4.21 Mạch nguyên lý vi điều khiển tớ điều khiển trục Z ................................86

Hình 2.5.25 Biến dạng của tấm thép 6 theo phương đứng ........................................109

xiii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.2.1 Khối lượng của các chi tiết trong máy ......................................................42
Bảng 2.2.2 Cơ tính của các loại thép ...........................................................................42
Bảng 2.2.3 Môdun đàn hồi của một số loại vật liệu ...................................................43
Bảng 2.2.4 Thông số bộ động cơ servo HA-FE 23 .....................................................59
Bảng 2.3.1 Bảng tham số Denavit – Hatenberg ..........................................................60
Bảng 2.4.1 Mô tả các chân cổng COM máy tính ........................................................82
Bảng 2.5.1 Các thông số công nghệ máy ....................................................................97

xiv


THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: 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 Trường Thịnh
Tel: 0903.675.673
- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
- Thời gian thực hiện: 03/2010 đến 10/2011
2. Mục tiêu:
Đề xuất một phương pháp tạo hình nhiệt thép tấm sử dụng từ trường tần số cao để
đốt nóng, dựa trên nguyên lý cảm ứng điện trường xuất phát từ năng lượng hấp thụ

1. General information:
Project title:
Design and development of induction heating machine for deforming steel plate in
shipyard
Code number: B2010-22-54
Coordinator: Nguyen Truong Thinh
Implementing Institution: University of Technical Education Ho Chi Minh City
Duration: from 03/2010 to 10/2011
2. Objectives:
- Giving a methodology of thermal forming of steel plates that uses the high frequency
magnetic field to heat, based on the principle of electromagnetic induction form absorb
energy of alternative electromagnet in the steel plate.
- Automating the process of deformation of thickness and large size steel plate, thus it
can be used in the shipyard.
- Using this new method can improve quality, productivity, economic efficiency in the
ship building industry or manufacturing the industrial equipment.
3. Creativeness and innovativeness:
Using this method allow us to easily control the power and heat distribution, thus the
product quality will be increased. Besides that, integrating the inductor into the
automatic system will increase productivity.
4. Research results:
The group of research has designed and developed the numerical thermal
deforming the steel plates based on principle of electromagnetic induction and design
the control software to move inductor accord with user’s commands. The machine
with the approciate size can be used in shipbuilding industry.
5. Products:
- Machine of deforming of steel plate.
- Inductor.
- The monitoring and processing software.
6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:


Phần 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU:
Trong các nhà máy đóng tàu hiện nay, hầu hết việc tạo hình vỏ tàu đều sử dụng đầu
đốt oxy – axetylen (hàn gió đá) để biến dạng nhiệt tấm thép dày. Bên cạnh đó việc tạo
quỹ đạo đường đi của đầu tạo nhiệt hoàn toàn dựa trên kinh nghiệm của người thợ. Do
đó quá trình này hiện nay không đảm bảo tạo bề mặt cong chính xác do việc điều
khiển hầu như phụ thuộc vào kinh nghiệm có được từ bản thân người thợ. Quá trình
này là quá trình thử sai, do đó nó không tiết kiệm được thời gian cũng như tiền bạc,
nâng cao giá thành sản xuất các thiết bị.
Phương pháp tạo hình bằng cảm ứng điện trường là một phương pháp mới đang
được bắt đầu ứng dụng trong các nhà máy đóng tàu trên thế giới. Các nghiên cứu hiện
nay trên thế giới đều tập trung vào việc thiết kế và tính toán biến dạng của tấm thép
trong quá trình định dạng mà chưa đi sâu nghiên cứu việc thiết kế tối ưu đầu tạo nhiệt
cũng như việc tiên đoán đường di chuyển của nó.
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC :
1.2.1 Nƣớc ngoài
Một bộ phận lớn các chi tiết kết cấu thân tàu thủy đòi hỏi phải xử lý uốn trước khi
lắp ghép thành phân đoạn, tổng đoạn hay trực tiếp lên thân tàu. Quá trình tạo hình tấm
thép trong ngành đóng tàu là một giai đoạn khá quan trọng. Có thể điểm qua các kiểu
biên dạng tấm vỏ tàu như Hình 1.1 và Hình 1.2.

Hình 1.1 Biên dạng cong của tấm thép vỏ tàu.[1]
a. Cong hình chóp nón.
c. Cong lượn sóng.
e. Cong hai chiều về một phía.

b.Gấp khúc.
d.Cong hai chiều về một phía.
f.Cong hai chiều về hai phía.

người ta có thể thực hiện uốn hỗn hợp trên máy cán và máy ép: trên máy cán, uốn sơ
bộ để đạt độ cong một chiều lớn, còn trên máy ép, uốn độ cong nhỏ còn lại.
Máy ép uốn tấm ngày nay thường dùng nhất là loại máy ép một trụ hay bốn trụ như
Hình 1.5 và Hình 1.6.

Hình 1.5 Máy ép thủy lực một trụ của hãng WETORI – Taiwan.[1]

3


Hình 1.6 Máy ép thủy lực bốn trụ của hãng KRR - Ấn Độ.[1]
1.2.1.3 Uốn tấm bằng phương pháp thủ công.
a. Uốn tấm bằng phương pháp đánh búa.
Là phương pháp uốn tấm vỏ tàu bằng cách vạch dấu, sau đó sử dụng búa và các
công cụ hỗ trợ để tạo biên dạng tấm thép. Là phương pháp có thể thực hiện đối với các
biên dạng tấm một hay hai chiều. Các dụng cụ dùng trong uốn tấm thép được mô tả
như Hình 1.7.

Hình 1.7 Những dụng cụ dùng trong việc uốn tấm bằng phƣơng pháp thủ công.
a.Búa tròn. b.Búa đầu dẹt. c.Kẹp vận chuyển. d.Chìa vặn. e.Vít định vị.
f.Càng giữ tấm. g.Tấm đệm. h.Càng đệm. i.Đòn tay dài. k.Đòn tay ngắn.
b. Uốn tấm bằng đầu đốt khí Oxy - axetylen.
Uốn tấm bằng phương pháp dùng đầu đốt khí oxy - axetylen hay còn gọi là phương
pháp hỏa công ở Việt Nam, là phương pháp sử dụng nguồn nhiệt của đầu đốt khí oxy –
axetylen để đốt nóng vùng chi tiết cần uốn đến gần nhiệt độ nóng chảy của kim loại,
rồi sau đó ta dùng nước tưới vào vùng chi tiết vừa đốt nóng đó, ( Hình 1.8). Sự thay
đổi đột ngột của nhiệt độ, sẽ tạo nên ứng suất dư tại vùng chi tiết bị đốt nóng, làm cho
vùng chi tiết đó bị uốn cong. Biên dạng cần tạo của vỏ tàu tùy thuộc vào nhiệt độ được
cung cấp cho vùng chi tiết. Chất lượng tạo hình bề mặt cũng như biên dạng của tấm
thép phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của người thợ.

5


-

Là quá trình sản xuất được sử dụng rộng rãi để định hình các tấm thép với chiều

dài khác nhau, có thể tạo các bề mặt phức tạp mà không cần sự can thiệp và hỗ trợ các
phương pháp gia công cơ khác.
-

Định hình tấm thép bằng phương pháp đường nhiệt là quá trình bẻ cong tấm

thép dưới biến dạng đàn hồi do quá trình làm nóng và nguội liên tục.

Hình 1.10 Định hình thép tấm bằng phƣơng pháp đƣờng nhiệt – Công ty công
nghiệp nặng Samsung và Huyndai (Hàn Quốc).
1.2.2 Trong nƣớc.
Tại các nhà máy đóng tàu ở Việt Nam, quá trình tạo hình tấm thép vỏ tàu ngoài việc
sử dụng các phương pháp uốn trên máy cán nhiều trục hay uốn trên máy ép, hiện nay
sử dụng phương pháp tạo hình nhiệt - cơ bằng đầu đốt oxy-axetylen đã phổ biến. Quá
trình biến dạng nhiệt này được sử dụng là do thiết bị có giá thành rẻ, tuy nhiên nó phụ
thuộc vào kỹ năng của người thợ khi điều chỉnh độ cong của tấm thép theo ý muốn,
mặt khác lượng nhiệt sinh ra trong quá trình đốt hỗn hợp khí oxy-axetylen không dễ
dàng kiểm soát đặc tính tạo nhiệt từ quá trình phản ứng cháy và về mặt thẩm mỹ cũng
như vệ sinh thì gia công bằng đầu đốt oxy-acetylene, đốt nóng trực tiếp bề mặt chi tiết,
đồng thời làm nguội nhanh bằng nước nên bề mặt chi tiết dơ bẩn. Trong khi đó, đối
với các loại tàu công suất lớn, vỏ tàu có bề dày lớn thì việc gia công vỏ tàu đòi hỏi cần
phải định dạng biên dạng có độ chính xác cao, quá trình định hình bằng đầu đốt hỗn
hợp khí oxy-acetylene chỉ có thể sử dụng giới hạn trong một số ứng dụng, nên không