BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ DI ĐỘNG ỨNG DỤNG TRONG PHUN KHỬ KHUẨN Ngành KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Giảng viên hướng dẫn TS NGUYỄN HOÀI NHÂN Sinh viên thực hiện Lương Trần Hải Dương MSSV 1711030333 LỚP 17DCTA3 Vy Xuân Hoàng MSSV 1711030358 LỚP 17DCTA3 Võ Thành Phương MSSV 1711030374 LỚP 17DCTA3 TP Hồ Chí Minh, năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN.
GIỚI THIỆU
Giới thiệu đề tài
Trong bối cảnh đại dịch COVID-19, Việt Nam đang phải đối mặt với những thách thức lớn trong việc thực hiện các công việc tay chân và nguy hiểm Để giảm thiểu sự tiếp xúc và lây lan virus, việc thực hiện các công việc này một cách "gián tiếp" là cần thiết Điều này dẫn đến nhu cầu về các sản phẩm thiết thực nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng Nhóm chúng tôi đã quyết định thiết kế và gia công xe phun khử khuẩn điều khiển qua thiết bị di động, nhằm đảm bảo an toàn trong môi trường có nguy cơ nhiễm COVID-19.
Xe phun khử khuẩn được thiết kế để hoạt động linh hoạt, giúp giảm bớt gánh nặng cho những người làm việc trong môi trường dịch bệnh hiện nay Việc phun khử khuẩn là công việc vất vả và tiềm ẩn nhiều nguy hiểm cho sức khỏe của đội ngũ tuyến đầu chống dịch Sự ra đời của xe phun khử khuẩn không chỉ đảm bảo an toàn mà còn nâng cao hiệu quả và tính thực tiễn trong công việc, góp phần bảo vệ sức khỏe cho những người tham gia chống dịch.
Mục đích đề tài
Xe phun khử khuẩn giúp giảm bớt vất vả cho nhân viên làm việc trong môi trường dịch bệnh và hạn chế tiếp xúc Đồng thời, nó tạo cơ hội cho sinh viên áp dụng kiến thức học được để nghiên cứu và thiết kế Với cấu trúc cơ khí đơn giản kết hợp với các thành phần điện tử, xe phun khử khuẩn trở thành nền tảng lý tưởng cho sinh viên khám phá và học hỏi thêm về ngành kỹ thuật.
Nhiệm vụ cần thực hiện
- Tìm hiểu công dụng, tính năng của thiết bị
- Tính toán, thiết kế thiết bị, tính toán tay máy (động học), tính toán xe di động
- Bản vẽ thiết kế thiết bị
- Lập trình điều khiển thiết bị
- Gia công, lắp ráp, chạy thử, đánh giá hiệu quả
Phạm vi giới hạn của đồ án
Do sự hạn chế về thời gian và kinh phí từ các thành viên trong nhóm, sản phẩm được thiết kế và gia công với quy mô nhỏ, dẫn đến độ hoàn thiện chưa cao.
Với kiến thức và khả năng thực hành còn hạn chế, tính công nghệ trong sản phẩm chưa được đa dạng hóa Bài viết này tập trung vào nghiên cứu và chế tạo xe phun khử khuẩn, đáp ứng nhu cầu trong mùa dịch Covid-19 hiện nay.
Khó khăn trong quá trình thực hiện
- Lựa chọn thiết kế và tính toán chọn vật liệu, động học, trong việc tìm vật liệu, thiết bị phù hợp với đề tài, mất rất nhiều thời gian
- Gia công, lắp ráp vì không có được các dụng cụ đo lường chuẩn xác
- Sử dụng dung dịch với liều lượng phù hợp để diệt virus hiệu quả
- An toàn và cháy nổ thiết bị điện
- Tình hình dịch bệnh diễn biến phức tạp dẫn đến dãn cách xã hội, không thể mua vật liệu và hoàn thành 100% sản phẩm thực tế
TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP
Tìm hiểu sản phẩm
Trên thị trường hiện nay, xe phun khử khuẩn công nghệ cao vẫn chưa phổ biến, khiến công việc khử khuẩn chủ yếu phụ thuộc vào sức lao động con người với hiệu suất chưa cao Việc phát triển robot phun khử khuẩn không chỉ mang lại hiệu quả cao mà còn giảm thiểu sức lao động và nguy cơ từ hóa chất đối với con người, điều này càng trở nên cần thiết trong kỷ nguyên công nghệ 4.0 Nhóm chúng tôi đã tiến hành khảo sát các sản phẩm công nghệ mới trên thị trường để lựa chọn phương án phù hợp cho đồ án của mình.
Robot nông nghiệp RG150 là nền tảng xe không người lái tiên tiến, phục vụ cho sản xuất nông nghiệp hàng loạt trên toàn cầu Được thiết kế dành riêng cho các trang trại, RG150 sở hữu nhiều chế độ vận hành và chức năng mở rộng mạnh mẽ Robot này có khả năng phun thuốc bảo vệ thực vật một cách chính xác, giúp ngăn chặn sâu bệnh hiệu quả, đồng thời hỗ trợ vận chuyển vật tư nông nghiệp và thu hoạch theo nhu cầu đa dạng của người dùng.
Hình 2 1 Các thiết kế xe trên nhiều lĩnh vực (Nguồn Internet)
- Khung thép bảo vệ toàn diện, chắc chắn bền bỉ
- Chiều cao của gầm xe có thể điều chỉnh được
- Xe di chuyển linh hoạt, chống nước
- Dễ dàng lắp ráp, sửa chữa, thay thế
- Dung tích chứa thuốc và tải trọng vận chuyển lớn
- Khả năng tự vận hành cao đồng thời có khả năng kết hợp với máy bay viễn thám thành lập bản đồ phun tự động
- Hạn chế địa hình di chuyển
- Trọng lượng xe nặng, chưa có thân vỏ bảo vệ
Hình 2 2 Robot nông nghiệp phun thuốc RG150 (Nguồn Internet)
Nhóm nghiên cứu Robotics của Trường ĐH Tôn Đức Thắng đã thành công trong việc chế tạo robot khử khuẩn CD 1.0 (Covid Defender 1.0), cho phép điều khiển từ xa để phun thuốc khử khuẩn tại các khu vực cách ly có nguy cơ nhiễm virus SARS-CoV-2 Bên cạnh đó, họ cũng phát triển robot khử khuẩn DR 1.0 (Disinfection Robot 1.0), có khả năng tự động di chuyển, ghi nhớ không gian làm việc và lặp lại hành trình Những tiến bộ này góp phần quan trọng trong công tác phòng chống dịch bệnh.
- Có thể quan sát, điều khiển từ xa thông qua cuộc gọi trên video
- Chi phí sản xuất thấp
- Điều khiển xa khoảng cách 2000m
Hình 2 3 Robot khử khuẩn CD 1.0 (Nguồn Internet)
- Dung tích bình chứa nhỏ.
So sánh sản phẩm
Robot nông nghiệp RG150 Robot khử khuẩn CD 1.0
Sử dụng khung thép chắc chắn
Xe tự hành thông minh qua AI
Di chuyển linh hoạt vượt địa hình tốt, chống nước, dễ dàng tháo lắp và thay thế
Hoạt động trong không gian rộng lớn
Kết hợp với viễn thám thành lập bản đồ phun tự động
Kích thước lớn khó vận chuyển khi gặp sự cố
Sử dụng khung nhôm và vỏ nhựa chống chịu va đập kém
Xe được điều khiển từ xa qua camera
Di chuyển linh hoạt còn hạn chế địa hình, chống nước, khó tháo lắp
Hoạt động trong không gian nhỏ
Khoản cách điều khiển tối đa 2000m
Kích thước nhỏ gọn dễ dàng vận chuyển
Thiết kế với nhiều dạng mẫu mã khác nhau.
Chỉ có duy nhất 1 mẫu thiết kế
Chi phí sản xuất và sửa chữa cao
Chi phí sản xuất và sửa chữa thấp
Tập trung phân phối cho các trang trại nông nghiệp
Chi tiết tự thiết kế, sản xuất khó tìm để thay thế trong thị trường
Buôn bán và phân phối sản phẩm trong và ngoài nước
Tập trung phân phối cho các khu cách ly Covid và bệnh viện
Chi tiết đa dạng, dễ dàng tìm kiếm thay thế trên thị trường
Chưa hoạt động kinh doanh buôn bán trong và ngoài nước
Xã hội Áp dụng nhiều trong cuộc sống
Có khả năng thay thế con người trong việc phun thuốc Vì vậy giảm sức người trong công việc và hạn chế tiếp xúc với hóa chất
Trong bối cảnh dịch bệnh Covid hiện nay, việc áp dụng các biện pháp hỗ trợ nhân viên phun khử khuẩn là rất cần thiết Điều này giúp hạn chế tiếp xúc với mầm bệnh, từ đó bảo vệ sức khỏe con người hiệu quả hơn.
Sử dụng pin sạc hạn chế gây ô nhiễm môi trường
Vật liệu có thể tái chế sử dụng
Sử dụng pin sạc hạn chế gây ô nhiễm môi trường
Vật liệu có thể tái chế sử dụng
Bảng 2.1: So sánh thông số của 2 Robot
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
Yêu cầu đối với sản phẩm
3.1.1 Các chỉ tiêu về hiệu quả sử dụng:
- Năng suất và hiệu suất tương đối cao (tối thiểu 70%)
- Tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường
- Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng vệ sinh và lắp ráp
- Chi phí sản xuất thấp phù hợp với kinh tế thị trường
- Vận hành sử dụng dễ dàng, dễ hiểu
- Thời gian hoạt động tương đối dài (khoảng 5 -6h)
Robot có thể đạt những yêu cầu kỹ thuật và công nghệ đã đề ra
Trong quá trình hoạt động, robot duy trì độ bền cao, không thay đổi kích thước và hình dạng Bên cạnh đó, robot còn đảm bảo sự ổn định, có khả năng chịu mài mòn, nhiệt độ và chấn động lớn.
3.1.3 Độ tin cậy: Độ tin cậy là tính chất của máy vừa thực hiện chức năng đã định đồng thời vẫn giữ được các chỉ tiêu về sử dụng (như năng suất, công suất, mức độ tiêu thụ năng lượng, độ chính xác, …) trong suất quá trình làm việc hoặc trong quá trình thực hiện công việc đã quy định Độ tin cậy được đặc trưng bởi xác suất làm việc không hỏng hóc trong một thời gian quy định hoặc quá trình thực hiện công việc
3.1.4 An toàn trong lao động:
Kết cấu làm việc an toàn đảm bảo rằng trong điều kiện sử dụng bình thường, nó không gây ra tai nạn nguy hiểm cho người sử dụng, đồng thời cũng không gây hư hại cho thiết bị, nhà cửa và các đối tượng xung quanh.
3.1.5 Tính công nghệ và kinh tế: Đây là một trong những yêu cầu cơ bản đối với máy để thoả mãn yêu cầu về tính công nghệ và tính kinh tế thì máy được thiết kế có hình dạng, kết cấu, vật liệu chế tạo phù hợp với điều kiện sản xuất cụ thể, đảm bảo khối lượng và kích thước nhỏ nhất, chi phí về chế tạo thấp nhất, kết quả cuối cùng là giá thành thấp
Máy nên được thiết kế với số lượng chi tiết tối thiểu và kết cấu đơn giản để dễ dàng chế tạo và lắp ráp Cần chọn cấp chính xác chế tạo phù hợp, đồng thời vẫn đảm bảo các điều kiện và quy mô sản xuất cụ thể.
Giải pháp
Để thiết kế robot hiệu quả, người thiết kế cần nghiên cứu các sản phẩm công nghệ tương tự nhằm đảm bảo tính hợp lý về thiết kế, công nghệ và cấu trúc Việc lựa chọn thông số thiết kế và mối quan hệ cấu trúc cũng cần được thực hiện một cách tối ưu Để máy có khả năng hoạt động tốt, cần xác định hình dạng và kích thước chi tiết máy một cách hợp lý, đồng thời chọn vật liệu chế tạo phù hợp Ngoài ra, áp dụng các biện pháp tăng độ bền, giảm ma sát và tăng lực chống chịu là cần thiết để hoàn thiện sản phẩm đạt yêu cầu.
Phân tích các giải pháp
Nguồn dẫn động là yếu tố quan trọng của xe phun khử khuẩn, ảnh hưởng đến không gian làm việc của xe Thay đổi nguồn dẫn động giúp nhanh chóng điều chỉnh kiểu dáng xe, đáp ứng các yêu cầu công việc đa dạng.
Mỗi loại nguồn dẫn động đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, vì vậy chúng tôi sẽ tiến hành khảo sát để lựa chọn nguồn dẫn động phù hợp nhất cho xe phun khử khuẩn.
3.3.1.1 Truyền động thủy lực Ưu điểm:
- Dầu ép không nén được, nên các khớp robot có thể được khóa cứng ở một vị trí xác định
- Sử dụng cho điều khiển servo rất tốt
- Tự bôi trơn và tự làm nguội
- Hoạt động có thể dừng quá tải không làm hư hỏng hệ thống
- An toàn ở áp suất cháy nổ
- Tác động êm ở tốc độ thấp
- Chi phí cho một hệ thống dầu ép thông thường khá cao
- Không thích hợp cho cơ cấu quay với tốc độ nhanh
- Cần có đường xả dầu về bể
- Khó giảm kích thước hệ thống do áp suất và tốc độ dầu cao
- Nguồn dẫn dầu ép không phổ biến trong các nhà máy như nguồn khí nén và điện
- Chiếm chỗ trên mặt bằng nhiều hơn các nguồn dẫn khác
- Sự rò rỉ dầu sau một thời gian hoạt động và có thể trở thành mối nguy hại gây cháy nổ
3.1.1.2 Truyền động khí nén Ưu điểm: Đây là loại có giá thành thấp nhất, thường dùng trong các thao tác lắp đặt chi tiết trên các dây chuyền lắp ráp Đặc điểm nổi bật của loại này là trang bị đơn giản và dễ điều khiển Việc thiết kế và lắp đặt loại robot này khá đơn giản do các chuyển động độc lập được thược hiện bởi các xi lanh riêng rẽ hay bởi các modul khí nén chuyên dùng Nguồn dấn khí nén thích hợp trong điều khiển lắp đặt và làm nguồn dẫn động cho các tay gắp của robot
Nhược điểm lớn nhất của nguồn dẫn khí nén là khả năng tăng tốc hoặc giảm tốc cho các tải trọng lớn hạn chế so với các nguồn dẫn khác Việc điều khiển liên tục để đạt độ chính xác về vị trí khiến hệ thống trở nên không ổn định Hệ thống cơ cấu tác động bằng khí nén phát ra tiếng ồn do khí được xả ra ở áp suất cao Thêm vào đó, khí nén còn sinh nhiệt và nhiệt lượng này được truyền ra môi trường khi bị xả.
3.1.1.3 Truyền động điện Ưu điểm:
Trong các công việc yêu cầu độ chính xác cao, robot sử dụng truyền động điện là lựa chọn tối ưu, nhờ vào khả năng đảm bảo độ chính xác, di chuyển linh hoạt và thực hiện các thao tác phức tạp một cách hiệu quả.
- Cơ cấu tác động nhanh và chính xác
- Có khả năng áp dụng kĩ thuật điều khiển phức tạp cho các chuyển động
- Thời gian triển khai robot hệ thống robot mới nhanh
- Nhiều động cơ có momen quay cao, trọng lượng giảm và thời gian đáp ứng nhanh
- Bản chất đã là tốc độ cao
- Khe hở bộ truyền bánh răng làm giảm độ chính xác
- Gây quá nhiệt khi hệ thống bị dừng hoạt động do quá tải
- Cần phải có thắng để ghim vị trí các khớp
Động cơ khí là bộ truyền động phổ biến nhất, có chức năng truyền cơ năng từ động cơ đến các bộ phận và chi tiết của máy móc Nó thường thực hiện việc biến đổi lực, vận tốc và mô men, đồng thời có thể thay đổi cả đặc tính và quy luật chuyển động.
Vì vậy thường được chia ra các dạng truyền động cơ bản:
3.3.1.4.1 Truyền động bánh ma sát Ưu điểm:
- Bánh ma sát có cấu tạo đơn giản
- Khả năng hoạt động êm ái, không phát sinh tiếng ồn
- Cho phép điều chỉnh vô cấp tốc độ
- Lực tác dụng lên trục và ổ khá lớn
- Tỉ số truyền không ổn định do có sự trượt giữa các bánh khi vận hành
- Khả năng tải tương đối thấp so với bánh răng
3.3.1.4.2 Truyền động đai Ưu điểm:
- Đem lại sự vận hành êm ái, trơn tru, ít ồn và khả năng chịu sốc cao
- Có tính đàn hồi, an toàn khi quá tải
- Kết cấu đơn giản, dễ bảo quản sử dụng và thay thế
- Có khả năng truyền động giữa các trục cách xa nhau
- Không cần bôi trơn, tiết kiệm chi phí bảo dưỡng
- Tỉ lệ chính xác không cao
- Bị giới hạn bởi nhiệt độ ứng dụng
- Xảy ra hiện tượng trượt qua sự giản nở của dây đai
- Đòi hỏi phải căng dây đai khi thêm tải trọng lên ổ trục
- Độ an toàn không cao
3.3.1.4.3 Truyền động xích Ưu điểm:
- Kích thước truyền động xích công nghiệp nhỏ hơn truyền động đai
- Có khoảng cách trục lớn hơn
- Không xảy ra hiện tượng trượt như dây đai truyền động
- Tỉ số truyền ổn định, tải trọng tác dụng lên trục và các gối trục nhỏ
- Phạm vi công suất truyền động lớn
- Đem lại hiệu suất làm việc cao
- Có khả năng truyền chuyển động cùng lúc và truyền công suất cho nhiều trục
- Đòi hỏi phải làm căng xích vì xích dễ bị dãn dài ra do bản lề mòn
- Chế tạo phức tạp, quy trình lắp ghép đòi hỏi độ chính xác cao
- Gây tiếng ồn khi vận hành
3.3.1.4.4 Truyền động vitme Ưu điểm:
- Cấu tạo đơn giản, thắng lực lớn, thực hiện được dịch chuyển chậm
- Kích thước nhỏ, chịu được lực lớn
- Thực hiện được các dịch chuyển chính xác cao, mượt mà, ổn định, bền bỉ và lâu dài
- Hiệu suất truyền động lớn
- Độ cứng vững dọc trục cao
- Loại trừ tối đa khe hở, tạo được độ căng ban đầu tốt
Bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong chế tạo xe phun khử khuẩn, thể hiện các đặc điểm kỹ thuật ưu việt Hiện nay, có nhiều phương pháp điều khiển như sử dụng rơle điện từ, vi điều khiển và PLC Tuy nhiên, việc lựa chọn phương pháp điều khiển hiệu quả và kinh tế là rất cần thiết, và chúng tôi sẽ tiến hành phân tích để đưa ra lựa chọn tối ưu trong phần này.
3.3.2.1 Điều khiển bằng các rơle điện từ
Trong giai đoạn đầu của thời kỳ phát triển công nghiệp vào khoảng năm 1960 và
Vào năm 1970, hệ thống điều khiển tự động sử dụng các rơle điện từ được kết nối nối tiếp qua dây dẫn trong bảng điều khiển Tuy nhiên, do kích thước lớn của bảng điều khiển, việc gắn lên tường gặp khó khăn và các dây nối thường không đảm bảo chất lượng, dẫn đến nhiều trục trặc trong hệ thống.
Hệ thống điều khiển rơle có thời gian làm việc giới hạn, do đó khi cần thay thế, toàn bộ hệ thống phải ngừng hoạt động và dây nối cũng cần được thay thế phù hợp Bảng điều khiển chỉ phục vụ cho một yêu cầu cụ thể và không thể thay đổi chức năng tức thời mà phải lắp ráp lại toàn bộ Ngoài ra, việc bảo trì và sửa chữa yêu cầu thợ chuyên môn có tay nghề cao Tóm lại, hệ thống điều khiển rơle thiếu tính linh động.
3.3.2.2 Điều khiển bằng vi điều khiển Điều khiển bằng vi điều khiển thì giá thành rẻ, mạch có thể dùng pin hoặc ắc quy Và trong vi điều khiển có sử dụng các bộ timer, các hệ thống ngắt, câu lệnh đơn giản nên việc lập trình đơn giản hơn
Bộ nhớ trong rất tiện lợi cho các chương trình quy mô nhỏ trong mạch, cho phép sử dụng ngay mà không cần thiết bị ngoại vi Hơn nữa, nó có khả năng giao tiếp nối tiếp trực tiếp với máy tính, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền tải dữ liệu.
Việc lập trình cho robot với hệ thống điều khiển gồm nhiều khâu chuyển động là một thách thức lớn Thực tế cho thấy, rất ít nhà sản xuất sử dụng vi điều khiển trong quá trình lập trình robot.
Với hệ thống điều khiển bằng PLC có những ưu điểm vượt trội sau:
- Giảm 80% số lượng dây nối
- Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp
- Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng
Chức năng điều khiển có thể dễ dàng thay đổi thông qua thiết bị lập trình như máy tính hoặc màn hình, mà không cần phải thay đổi phần cứng, trừ khi có yêu cầu thêm hoặc bớt các thiết bị xuất/nhập.
- Số lượng Rơle và Timer ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển
- Số lượng tiếp điểm trong chương trình sử dụng không hạn chế
- Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn đến tăng tốc độ sản xuất
- Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì sửa chữa hệ thống
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại động cơ phù hợp cho thiết kế xe phun khử khuẩn, đáp ứng nhu cầu về tốc độ vừa phải, độ ổn định cao và giá cả hợp lý.
3.3.3.1 Động cơ bước: Ưu điểm:
- Góc quay của động cơ tỷ lệ thuận với xung đầu vào
- Phản ứng tuyệt vời để bắt đầu/ dừng/ đảo chiều
- Tuổi thọ của động cơ đơn giản phụ thuộc vào tuổi thọ của vòng bi
Phản ứng của động cơ trước xung đầu vào kỹ thuật số cho phép điều khiển vòng mở, giúp đơn giản hóa và giảm chi phí kiểm soát động cơ.
- Có thể đạt được tốc độ quay đồng bộ rất thấp với tải trọng được kết nối trực tiếp với trục
- Một loạt các tốc độ quay có thể được thực hiện khi tốc độ tỷ lệ thuận với tần số của xung đầu vào
- Cộng hưởng có thể xảy ra nếu không được kiểm soát đúng cách
- Không dễ vận hành ở tốc độ cực cao
3.3.3.2 Động cơ DC xoay chiều: Ưu điểm:
- Cấu tạo đơn giản, dễ dàng sử dụng
- Sử dụng nguồn điện trực tiếp từ lưới điện, không cần chỉnh lưu
- Khả năng điều khiển tốc độ quay đa dạng
- Kết cấu bền vững, khả năng chịu quá tải tốt nhờ cơ chế bảo vệ
- Giá thành thấp hơn so với truyền động dùng động cơ một chiều
- Mô men khởi động nhỏ, không sử dụng được trong các ứng dụng cần momen khởi động lớn
- Tiêu tốn nhiều điện năng hơn so với động cơ một chiều
3.3.3.3 Động cơ servo: Ưu điểm:
- Mômen trên trục đều hơn
- Mạch điều khiển tốc độ chính xác và đều hơn
- Có nhiều kích cỡ hơn
- Độ chính xác cao hơn
- Không làm việc ở chế độ mạch điểu khiển hờ, yêu cầu phải có hệ thống phản hồi
- Yêu cầu phải điều chỉnh các thông số vòng điều khiển
- Bảo dưỡng tốn kém hơn Đặc biệt là động cơ DC servo
3.3.3.4 Động cơ giảm tốc: Ưu điểm:
- Kết cấu đơn giản nên giá thành rẻ
- Vận hành dễ dàng, bảo quản thuận tiện
- Sử dụng rộng rãi và phổ biến trong phạm vi công suất nhỏ và vừa
- Sản xuất với nhiều cấp điện áp khác nhau (từ 24 V đến 10 kV) nên rất thích nghi cho từng người sử dụng
- Hệ số công suất thấp gây tổn thất nhiều công suất phản kháng của lưới điện
- Khó điều chỉnh tốc độ
Các thông số của máy thiết kế
3.4.1 Mô hình xe phun khử khuẩn
Hình 3 1 Mô hình tổng thể bản vẽ thiết kế
1 Động cơ bước 8 Gối đỡ trục
2 Bình chứa thuốc 9 Bàn xoay
3 Cốt bánh răng 10 Ke góc vuông
5 Bánh xe 12 Nhôm định hình
6 Khung bánh xe 13 Vitme trục X
Bảng 3.1: Cấu tạo tổng thể của xe phun khử khuẩn 3.4.3 Nguyên lí hoạt động
Gá đầu phun được kết nối với vòi phun thông qua cấu trúc kẹp, trong khi ống dẫn kết nối với bình thuốc qua động cơ bơm Người dùng có thể điều chỉnh góc phun để đảm bảo phun diện rộng và hiệu quả Để phun khử khuẩn, xác định khu vực cần xử lý và sử dụng phần mềm điều khiển trên điện thoại để điều khiển động cơ giảm tốc và di chuyển xe đến vị trí mong muốn Thông tin từ điện thoại sẽ được truyền vào bộ điều khiển động cơ, tự động phân tích dữ liệu và thực hiện lệnh theo yêu cầu Động cơ giảm tốc tạo chuyển động cho bánh xe, giúp xe di chuyển từ vị trí khởi động đến vị trí đã xác định Khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ, xe di chuyển thẳng; ngược lại, khi quay ngược chiều kim đồng hồ, xe sẽ lùi Để rẽ phải, động cơ bên phải ngừng hoạt động, bánh xích bên trái quay, khiến đầu xe lệch phải, và tương tự khi rẽ trái.
Khi 25 bánh xích bên phải quay, đầu xe sẽ lệch sang trái Để dừng động cơ giảm tốc, người điều khiển chỉ cần thả tay khỏi lệnh di chuyển Động cơ trục Y kết nối với cơ cấu bánh đai, cho phép cần phun xoay quanh trục Y Khi động cơ bước quay theo chiều kim đồng hồ, cần phun cũng xoay theo chiều kim đồng hồ; ngược lại, khi quay ngược chiều, cần phun sẽ xoay ngược lại Động cơ trục Y thứ hai kết nối với cơ cấu vitme đai ốc để điều khiển cần phun di chuyển theo phương Y Nếu động cơ bước quay cùng chiều kim đồng hồ, cần phun di chuyển theo phương Y+; nếu quay ngược chiều, cần phun di chuyển theo phương Y-.
Động cơ trục X được kết nối với cơ cấu vitme đai ốc, giúp điều khiển chuyển động của cần phun theo phương X Khi động cơ bước quay theo chiều kim đồng hồ, cần phun di chuyển theo phương X Ngược lại, khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, cần phun sẽ di chuyển theo phương X-.
Các cụm chức năng
Hình 3 2 Cấu tạo cụm di chuyển
Cụm di chuyển được cấu tạo gồm:
1 Bình đựng dung dịch khử khuẩn
3 Động cơ bơm áp cao
6 Tấm kim loại cố định động cơ
Khi động cơ giảm tốc (2) quay theo chiều kim đồng hồ, bánh răng sẽ chuyển động và kéo theo xích (5) di chuyển Sự chuyển động này được hỗ trợ bởi ma sát giữa các bộ phận, giúp bánh xe hoạt động hiệu quả hơn.
Quá trình quay của các bánh xe (9) và (10) tạo ra lực quán tính, giúp xe di chuyển về phía trước theo chiều từ trái sang phải (OX+) Khi động cơ giảm tốc và quay ngược chiều kim đồng hồ, xe sẽ chuyển động ngược lại từ phải sang trái (OX-).
Khi động cơ bơm hoạt động, dung dịch khử khuẩn sẽ được bơm từ bình thuốc lên các ống dẫn và xả ra từ vòi phun Khi động cơ ngừng, chức năng phun khử khuẩn cũng sẽ dừng lại.
Cụm bàn xoay được cấu tạo gồm:
2 Gối đỡ vòng bi UCF
5 Gối đỡ vòng bi UCF
Hình 3 3 Cấu tạo cụm bàn xoay
Theo hình 3.3, khi động cơ bước (6) quay cùng chiều kim đồng hồ, lúc này dây curoa
Bộ phận trục bàn xoay ở đầu bên phải được kết nối với dây và sẽ chuyển động theo quán tính, theo hướng của động cơ Khi động cơ quay theo chiều kim đồng hồ, bàn xoay cũng sẽ xoay theo cùng chiều Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, bàn xoay sẽ xoay ngược chiều kim đồng hồ.
Cụm vitme trục Y được cấu tạo gồm:
Khi động cơ bước (1) quay theo chiều kim đồng hồ, trục vít me (4) cũng quay theo cùng chiều, khiến bàn trượt (7) mang bộ vitme trục Y di chuyển từ trên xuống dưới (theo chiều OY-) Ngược lại, khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, bàn trượt sẽ di chuyển từ dưới lên trên (theo chiều OY+).
Bộ vitme trục X được cấu tạo gồm:
Khi động cơ bước (5) quay theo chiều kim đồng hồ, trục vít me (2) cũng quay theo chiều này, khiến bàn trượt (3) với bộ vitme trục X di chuyển từ phải sang trái (theo chiều OX-) Ngược lại, khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, bàn trượt sẽ di chuyển từ trái sang phải (theo chiều OX+).
Phân tích, lựa chọn nguyên lí kết cấu của xe phun khử khuẩn
Qua việc thu thập thông tin và khảo sát các mẫu xe phun thuốc hiện có trên thị trường, chúng tôi đã phân tích và thiết kế một mô hình xe phun khử khuẩn phù hợp cho thực hành và thí nghiệm Mô hình này bao gồm các bộ phận chính như bánh xe, khung xe, bình chứa, thuốc phun khử khuẩn, cụm trục chính, bộ phận dẫn hướng, bi truyền động tịnh tiến, khớp nối trục và hệ thống điều khiển.
Thân xe là bộ phận chính hỗ trợ các cơ cấu phun phía trên, được lắp ráp chắc chắn và bền bỉ, có khả năng chịu va đập tốt Các cơ cấu này được cố định vào thân xe bằng hệ thống bu lông - đai ốc, bao gồm cụm bàn xoay, cụm trục chính và động cơ truyền động Ngoài ra, thân xe còn là nơi chứa bình thuốc hoặc vận chuyển vật tư, đồng thời với sự di chuyển linh hoạt của bánh xe, nó tăng cường khả năng di chuyển trên nhiều địa hình, giảm bớt sức lao động của con người.
Bộ truyền vitme - đai ốc bi dùng trong chuyển động chạy dao, biển chuyển động quay của trục vitme thành chuyển động tịnh tiến và ngược lại
Hệ điều khiển tích hợp máy tính cho phép điều chỉnh và tối ưu hóa chương trình gia công chi tiết cũng như các hoạt động của máy móc.
QUY TRÌNH THIẾT KẾ
Quy trình các bước tiến hành thiết kế máy và hệ thống điều khiển
Để hoàn thành đồ án một cách nhanh chóng và hiệu quả, đồng thời giảm thiểu sai sót trong quá trình thực hiện, nhóm chúng em đã xây dựng một quy trình cụ thể và tiến hành thực hiện từng bước theo quy định.
- Vẽ và phác thảo ý tưởng
- Cụ thể hóa ý tưởng bằng mô hình 2D, 3D
- Tìm hiểu nguyên lí hoạt động, lên ý tưởng thiết kế bộ điều khiển
- Lựa chọn vật liệu cơ khí và linh kiện điện tử
- Mua, lắp ráp, thử nghiệm và sàn lọc các chi tiết trong bản thảo
- Thống nhất, tối ưu giải pháp 1 cách khoa học nhất
- Tiến hành hoàn thiện theo giải pháp mới đặt ra
- Chỉnh sửa sản phẩm và hoàn thành
Tính toán thiết kế
Vận tốc chạy lớn nhất khi cấp phôi: 𝑉 𝑚𝑎𝑥 = 7200𝑚𝑚/𝑝ℎ
Tốc độ vòng trên trục: 𝑁 𝑚𝑎𝑥 = 1000𝑣/𝑝ℎ
Hệ số ma sát trơn bề mặt: 𝜇 = 0,1
Khối lượng vitme nằm ngang : 𝑀 = 200g
Hình 4 1 Cơ cấu cần phun vitme bi
4.2.1.2 Tính toán hệ dẫn động
4.2.1.2.1 Một số đặc điểm của bộ truyền
Trong quá trình nâng vitme nằm ngang, lực dọc trục Fa tác động lên bộ truyền tương ứng với tổng khối lượng của vitme Tải trọng mà bộ truyền phải chịu là tương đối nhỏ, mang lại nhiều ưu điểm cho hệ thống.
- Cấu tạo đơn giản, chịu lực lớn, thực hiện được dịch chuyển chậm
- Thực hiện được các dịch chuyển cần độ chính xác cao
- Điều khiển một cách dễ dàng
- Hiệu suất thấp do ma sát trên ren
Hình 4 2 Bộ truyền trục vít-đai ốc bi (Nguồn Internet)
4.2.1.2.2 Chọn vật liệu trục vít và đai ốc bi
Ngoài yêu cầu về độ bền, vật liệu làm vít cần có độ bền mòn cao và dễ gia công Vật liệu vít: Thép 45
Vật liệu đai ốc: Gang xám
4.2.1.2.3 Tính toán, thiết kế cho chuyền động của hệ thống
Ta có khối lượng các chi tiết là:
Khối lượng vitme nằm ngang : 200(g)
Khối lượng trục vít và đai ốc dọc : 280(g)
Khối lượng đai ốc ngang : 7,5(g)
Khối lượng tay đỡ vitme: 50(g)
𝑚 = 200 + 280 + 7,5 + 50 = 537,5(𝑔) Lấy khối lượng trục vít và các chi tiết khác là 𝑚 = 600(𝑔)
Ta có lực dọc trục 𝐹 𝑎 tác dụng lên bộ truyền trục vít là tổng khối lượng của vitme ngang, đai ốc ngang, tay đỡ vít me
𝐹 𝑎 = 𝑁 = 𝑚 1 𝑔 = 0,2575.9,81 = 2,526(𝑁) Đường kính trung bình của ren trục vít
Theo điều kiện bền ta có:
𝜓 𝐻 = 𝐻/𝑑 2 - hệ số chiều cao đai ốc với 𝐻 - chiều cao đai ốc Đai ốc nguyên, chọn 𝜓 𝐻 = 2,0
𝜓 ℎ = ℎ/𝑝- hệ số chiều cao ren, với h- chiều cao làm việc của ren, p- bước ren; ren hình thang, chọn 𝜓 ℎ = 0,5
[𝑞]- áp suất cho phép, phụ thuộc vật liệu vít và đai ốc Ta có vật liệu vít-đai ốc là thép-đồng thanh, chọn [𝑞] = 10(𝑀𝑃𝑎)
Chọn đường kính trung bình 𝑑 2 = 7(𝑚𝑚)đường kính ngoài 𝑑 = 8(𝑚𝑚), đường kính trong 𝑑 1 = 6(𝑚𝑚), bước vít 𝑝 = 2(𝑚𝑚)
Chọn các thông số của vít và đai ốc
Theo công dụng của bộ truyền và yêu cầu về tự hãm, chọn số đầu mối ren 𝑧 ℎ :
Khi cần đảm bảo tính tự hãm, nên chọn số mối ren 𝑧 ℎ = 1 Ngược lại, nếu yêu cầu vít thực hiện hành trình lớn hơn sau một vòng quay, cần chọn ren nhiều đầu mối với 𝑧 ℎ > 1 Ví dụ, chọn 𝑧 ℎ = 4, từ đó có thể xác định bước vít.
Sau khi xác định được góc vít ta kiểm tra điều kiện tự hãm:
𝑐𝑜𝑠𝛿) Trong đó 𝛿- góc nghiêng của cạnh ren làm việc; ren hình thang, chọn 𝛿 = 15 0
𝑓- hệ số ma sát, phụ thuộc vào cặp vật liệu của vít và đai ốc, với thép – đồng thanh không thiếc, f= 0,4
Xác định chiều cao đai ốc và số vòng ren
Từ 𝑑 2 và hệ số chiều cao 𝜓 𝐻 tính được chiều cao đai ốc:
Số vòng ren của đai ốc:
2 = 7 ≤ 𝑧 𝑚𝑎𝑥 = 10 … 12 để tránh làm tăng sự phân bố không đều tải trọng dọc trục cho các vòng ren
Tính kiểm nghiệm về độ bền
Kiểm tra độ bền theo ứng suất tương đương
𝐹 𝑎 , 𝑇 – tương ứng là lực dọc trục, N và momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vít
Ta có momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vít bằng momen xoắn trên trục đầu ra của hộp giảm tốc
𝑛 𝑢 P- công suất của động cơ, 𝑃 = 0,43(𝑊) n- số vòng quay của động cơ, 𝑛 = 200000(𝑣 𝑝ℎ)⁄ u- tỉ số truyền của hộp giảm tốc, 𝑢 = 12,7
[𝜎]- ứng suất cho phép (kéo hoặc nén), MPa; với 𝜎 𝑐ℎ - giới hạn chảy của vật liệu vít;
𝑑 1 - đường kính trong của ren vít, mm
Kết luận: Trục vít đủ bền
Tính kiểm nghiệm về độ ổn định
Đối với các vít dài và chịu nén, việc kiểm nghiệm uốn dọc là cần thiết để đảm bảo điều kiện ổn định của Ơ-le Công thức kiểm nghiệm sẽ được áp dụng để xác định khả năng chịu lực của vít trong các tình huống khác nhau.
𝐹 𝑎 ≥ [𝑆 0 ] Trong đó: 𝑆 0 - hệ số anh toàn về ổn định
𝐹 𝑎 - tải trọng dọc trục (lực nén), N
[𝑆 0 ] = 2,5 … 4- hệ số an toàn cho phép Để xác định tải trọng tới hạn cần dựa vào độ mềm của vít
Trong đó: 𝜇- hệ số chiều dài tương đương Hai đầu trục vít được cố định bằng ổ lăn do vậy 𝜇 = 1
𝑙- chiều dài tính toán của vít, 𝑙 = 750(𝑚𝑚)
𝑖- bán kính quán tính của tiết diện trục vít
Momen quán tính của tiết diện vít là:
𝜆 = 1.7 0,274 = 25,547 ≤ 60 Độ ổn định tốt không cần kiểm tra
Dựa trên khảo sát thực tế tại các dãy hành lang, phòng học, phòng trọ và phòng cách ly ở Thành phố Hồ Chí Minh, chúng tôi nhận thấy rằng chiều cao trung bình là khoảng 3m, chiều dài 4,5m và chiều rộng 4m Vì vậy, nhóm chúng tôi đã thiết kế xe phun khử khuẩn với kích thước tổng thể dài 650mm, rộng 450mm và cao 900mm, được gia công thủ công từ các vật liệu có sẵn trên thị trường, bao gồm nhôm và sắt.
Để đảm bảo hiệu quả phun khử khuẩn, việc chọn tốc độ cho thiết bị là rất quan trọng Qua khảo sát thực tế, nếu thiết bị chạy quá nhanh, lượng thuốc phun ra sẽ không đều, trong khi nếu chạy quá chậm sẽ gây lãng phí thuốc Do đó, nhóm chúng tôi đã quyết định chọn vận tốc trung bình là 16 mét/phút cho xe.
Chọn bộ truyền động xích có bánh răng 𝑧 1 là 56 răng, 𝑧 2 là 14 răng
Xe có chiều dài 65cm và vòng xích quay là 140cm Để đạt tốc độ 14 mét/phút, xích cần quay 10 vòng mỗi phút Với tỷ số truyền của hai bánh răng là 4, số vòng quay của động cơ sẽ là 10 vòng * 4 = 40 vòng/phút.
Thiết bị có khối lượng thực tế là 30kg, trong đó khung xe nặng 15kg, cần phun và bình chứa tổng cộng 12kg, còn trụ đứng cùng các chi tiết nhỏ khác chiếm 3kg.
Xe di chuyển với vận tốc ổn định trên mặt đường, trong đó hệ số ma sát lăn của cao su là 0.7, được tham khảo từ bảng A về hệ số ma sát của các vật liệu trong phần phụ lục.
Chọn động cơ 1530A công suất 50W, có tốc độ quay là 1500 vòng/phút qua hộp giảm tốc còn lại 40 vòng/phút có tỷ số truyền:
40 = 37,5 Momen xoắn của động cơ:
Hình 4 3 Các lực tác dụng
4.2.3 Thiết kế mạch điện và hệ thống điều khiển
Hình 4 4 Sơ đồ nối chân các linh kiện
4.2.4.1 Phần cơ cấu chuyển động
Hình 4 5 Sơ đồ khối lập trình chuyển động xe
4.2.4.2 Phần cơ cấu chuyển động
Hình 4 6 Sơ đồ khối lập trình cơ cấu phun khử khuẩn
Chọn lựa bộ phận gia công lắp ráp
4.3.1 Lựa chọn truyền động cơ khí
4.3.1.1 Vitme đai ốc bi TLM80
Vitme bi là một cơ cấu chấp hành trượt dẫn hướng, có chức năng chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến với lực ma sát thấp giữa các bộ phận trượt Cấu trúc của vitme bi bao gồm vitme, bi và con trượt (đai ốc trượt), trong đó các viên bi di chuyển tuần hoàn bên trong trục và đai ốc trượt có rãnh xoắn ốc, đảm bảo hoạt động với độ chính xác cao.
Cơ cấu vitme là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng tải lớn, nhờ vào việc chế tạo với độ dung sai thấp, đáp ứng nhu cầu về độ chính xác cao Các viên bi hoạt động kết hợp hoàn hảo với đai ốc trượt và các rãnh xoắn ốc trên cây vít, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.
Hình 4 7 Vitme đai ốc bi TLM80 (Nguồn Internet)
Trục xoắn và con trượt có thể hoạt động như một chi tiết di chuyển tịnh tiến Vitme bi hoạt động tương tự như vòng bi, với các hạt bi thép cứng di chuyển trong rãnh bi giữa hai phần bên trong và bên ngoài.
Vitme bi hoạt động tương tự như ổ bi, với các bi làm từ thép cứng di chuyển trong các rãnh bên trong hoặc bên ngoài.
Quá trình hoạt động của bi diễn ra liên tục trong rãnh đai ốc trượt và trục vít, tạo thành một cơ cấu lặp lại tuần hoàn Nhờ vào thiết kế này, các viên bi luôn được giữ bên trong, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Khi trục vitme quay, các viên bi thép di chuyển trong trục vít và đai ốc theo các rãnh nhất định, sau đó quay trở lại vị trí ban đầu thông qua một ống, tạo thành hệ thống bi tuần hoàn trong vitme.
Hình 4 8 Cấu tạo vitme đai ốc bi (Nguồn Internet)
Khi lựa chọn vít me, các kỹ sư thiết kế cần xem xét nhiều yếu tố như tải trọng, tốc độ, chiều dài, tuổi thọ và số lượng Ngoài ra, bôi trơn và môi trường cũng là những yếu tố quan trọng Về độ chính xác, nhà sản xuất sử dụng nhiều quy trình khác nhau, cho phép kỹ sư lựa chọn độ chính xác phù hợp với chi phí Ví dụ, vít me cuộn được sản xuất bằng quy trình khuôn xoay, tạo hình cuộn kim loại tròn và ren xoắn ốc, phương pháp này hiệu quả về kinh tế nhưng có độ chính xác thấp.
Khả năng tự giữ của vitme là yếu tố quan trọng cần lưu ý khi tải trọng lớn, đặc biệt khi động cơ bị tắt Để ngăn chặn tình trạng mất khả năng tự giữ, người sử dụng nên chọn động cơ có phanh, thường là phanh từ, hoặc thiết kế các vị trí an toàn Một số loại ren đặc biệt cũng có thể đảm bảo khả năng tự giữ hiệu quả.
Môi trường làm việc của vitme thường xuyên tiếp xúc với bụi bẩn và các mảnh vụn, do đó, nhà sản xuất đã thiết kế vitme để ngăn chặn sự xâm nhập của các hạt nhỏ Để tăng cường bảo vệ, vitme thường được bao bọc bởi lớp crom hoặc mạ niken bên ngoài.
Việc lựa chọn chất bôi trơn cho vitme bi phụ thuộc vào tần suất sử dụng, nhiệt độ và tốc độ Mặc dù dầu hoặc mỡ thường phù hợp cho nhiều ứng dụng, nhưng cần tránh các loại bôi trơn chứa molydisulfide và than chì Điều quan trọng là đảm bảo vitme được bôi trơn đúng cách giữa các bộ phận như trục vitme, bi và đai ốc trượt để duy trì hiệu suất hoạt động.
4.3.1.1.4 Thông số kỹ thuật của vitme được sử dụng trong robot
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của Vitme đai ốc bi TLM80
4.3.1.2.1 Động cơ DC giảm tốc 1530A
Hình 4 9 Động cơ DC giảm tốc 1530A (Nguồn Internet)
Công Suất: 50W Điện áp: DC12V
- Dây Màu Đen (dây tín hiệu)
- Dây Màu Trắng (dây tín hiệu)
- Dây Màu Xanh Lá: GND
=> Số vòng: 1500/40 rpm (dòng tiêu thụ 1.2A)
- Dây Màu Xanh Dương: GND
=> Số vòng: 2250/60 rpm (dòng tiêu thụ 1.8A)
- Động Cơ: Đường kính 60MM, Chiều dài 90MM (Chuôi 20MM)
4.3.1.2.2 Động cơ bước 57HS11230 Nema 23
- Động cơ bước 57HS11230 Nema 23 có Kích thước: Mặt bích 57mmx57mm, chiều dài thân 112mm, đường kính trục 8mm, rãnh then
- Chịu tải: 3A, moment xoắn 3Nm, 4 dây, trọng lượng 1400g
- Là động cơ bước 3 pha
- Động cơ chạy êm, ổn định, tiếng ồn thấp
- Động cơ chạy không bị nóng, tuổi thọ cao
- Điều khiển chính xác góc quay
Hình 4 10 Động cơ bước 57HS11230 Nema 23 (Nguồn Internet)
- Động cơ bước 57, Nema 23 Dùng nhiều cho các máy khắc laser, máy cnc mini, máy tự động hóa nhỏ
- Động cơ bước của nhà máy sản xuất có chất lượng tốt, hoạt động ổn định, chính xác
Để tối ưu hóa khả năng di chuyển linh hoạt trên mọi địa hình và có thể vận chuyển tải trọng lớn, nhóm chúng em đã quyết định thiết kế và gia công bánh xích.
4.3.2 Lựa chọn bộ điều khiển
4.3.2.1.1 Giới thiệu về Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 là một sản phẩm nổi bật trong dòng mạch Mega, với nhiều cải tiến so với Arduino Uno, bao gồm 54 chân digital IO và 16 chân Analog IO Bộ nhớ Flash của Mega đã được tăng gấp 4 lần so với phiên bản UNO R3 trước đó Hơn nữa, với 3 Timer và 6 cổng Interrupt, bo mạch Mega có khả năng giải quyết những bài toán phức tạp, điều khiển nhiều loại động cơ và xử lý đồng thời nhiều luồng dữ liệu số cũng như tương tự.
Hình 4 12 Arduino Mega 2560 (Nguồn Internet)
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560
Hình 4 13 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 (Nguồn Internet)
4.3.2.1.4 Chức năng của các chân Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 được trang bị mạch Reset với nút bấm, cho phép thiết lập lại hệ thống dễ dàng Chân Reset cũng có thể được sử dụng khi kết nối với các thiết bị khác, giúp khôi phục bộ điều khiển một cách thuận tiện.
XTAL1, XTAL2: Thạch anh (16Mhz) được kết nối với xung Clock cung cấp cho bộ điều khiển
Chân AREF được sử dụng trong mạch ADC để chuyển đổi tín hiệu với điện áp tham chiếu bên ngoài, thay vì sử dụng điện áp tham chiếu nội bộ 1.1V hoặc 5V Ngoài ra, các chân Digital (70) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và xử lý tín hiệu.
Chân số từ 0 đến 53 và 0 đến 15 có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra cho thiết bị thông qua các hàm Mode(), digitalWrite() và digitalRead().
Thiết bị đầu ra: Relay, LED, buzzer, LCD và các thiết bị khác
Thiết bị đầu vào: Nút ấn, cảm biến siêu âm, cần điều khiển và các thiết bị khác Chân tương tự (16)
Từ 0-15 (analog) có thể được sử dụng như chân đầu vào tương tự cho bô ̣ADC
Giá thành vật liệu gia công (ước tính)
STT TÊN VẬT LIỆU SỐ LƯỢNG ĐƠN VỊ GIÁ THÀNH (VNĐ)
11 Động cơ giảm tốc 2 Cái 510.000
16 Ốc, vít, bu lông 1.5 Kg 160.000
Bảng 4.4: Bảng giá vật liệu ước tính
THI CÔNG
Thi công, lắp ráp phần cơ khí
Tiến hành cắt, hàn lắp ráp khung sườn xe phun khử khuẩn
Hình 5 1 Hàn khung sắt Hình 5 1 Hàn khung sắt
Loại bỏ đi các phần hàn dư thừa Mài phẳng chi tiết
Hình 5 2 Mài phẳng khung sắt Hình 5 2 Mài phẳng khung sắt
Phun lớp sơn bảo vệ khung tránh bị ăn mòn bởi không khí
Hình 5 3 Khung sườn sau khi phun lớp sơn bảo vệ Hình 5 3 Khung sườn sau khi phun lớp sơn bảo vệ
Thi công, lắp ráp đện, điện tử điều khiển
Thiết kế và đi dây hệ thống điện và kết nối của xe phun khử khuẩn
Hình 5 4 Sơ đồ đi hệ thống điện của xe phun khử khuẩn Hình 5 4 Sơ đồ đi hệ thống điện của xe phun khử khuẩn
Lắp ráp các động cơ phần di chuyển của xe
Hình 5 5 Lắp ráp động cơ giảm tốc vào khung xe Hình 5 5 Lắp ráp động cơ giảm tốc vào khung xe
Kết nối động cơ giảm tốc với Pin Vận hành di chuyển thử với bánh xích
Hình 5 6 Lắp ráp, kết nối giữa động cơ giảm tốc và pin Hình 5 6 Lắp ráp, kết nối giữa động cơ giảm tốc và pin
Lập trình điều khiển
5.3.1 Giới thiệu về phần mềm Aruino IDE
Arduino IDE là một ứng dụng đa nền tảng, được phát triển bằng ngôn ngữ Java, và được xây dựng dựa trên IDE cho ngôn ngữ lập trình Processing cùng với các dự án lắp ráp.
Arduino IDE là một công cụ lập trình mạnh mẽ, bao gồm trình soạn thảo mã với các tính năng nổi bật như làm nổi bật cú pháp, khớp dấu ngoặc, thụt đầu dòng tự động và khả năng biên dịch cùng tải lên chương trình vào board mạch chỉ với một cú nhấp chuột Mã viết cho Arduino được gọi là "sketch".
Chương trình Arduino được viết bằng C ++
Arduino IDE đi kèm với thư viện phần mềm "Wiring" từ dự án lắp ráp ban đầu, giúp đơn giản hóa việc thực hiện các chức năng đầu vào và đầu ra Người dùng chỉ cần định nghĩa hai hàm để tạo ra một chương trình điều hành theo chu kỳ một cách dễ dàng.
Khi khởi động bảng mạch Arduino, hàm Setup() sẽ được gọi đầu tiên, sau đó Arduino sẽ chuyển sang hàm Loop() và lặp lại hàm này liên tục cho đến khi nguồn điện được tắt.
Các chức năng của Arduino IDE
Arduino IDE bao gồm các phần khác nhau:
Màn hình giao diện màn hình chính của phần mềm Aruino IDE
5.3.2 Viết phần mềm điểu khiển và giám sát int dcphun = 34; int ledphun 6;// led báo động cơ phun int ledlen 8;// led báo động cơ di chuyển lên
Hình 5 7 Giao diện chính của phần mềm Aruino IDE (Nguồn Internet)
Trong hệ thống điều khiển, các đèn LED được sử dụng để báo hiệu trạng thái di chuyển của thiết bị: LED xuồng báo động cơ di chuyển xuống (int ledxuong @), LED ra báo động cơ di chuyển ra (int ledra B), LED vào báo động cơ di chuyển vào (int ledvao D), LED trái báo động cơ xoay trái (int ledtrai F), và LED phải báo động cơ xoay phải (int ledphai H) Bên cạnh đó, relay (int relay P) được sử dụng để bật/tắt nguồn hệ thống.
//khai báo Diver động cơ bước 1 const int stepPin_1 = 2; // PUL const int dirPin_1 = 3; // DIR const int enPin_1 = 4; //ena
//khai báo Diver động cơ bước 2 const int stepPin_2 = 5; const int dirPin_2 = 6; const int enPin_2 = 7;
////////////dong co 4 di chuyển lên xuống////////////////////// const int stepPin_4 = 8; const int dirPin_4 = 22; const int enPin_4 = 24;
////////////dong co 5 di chuyển lên xuống////////////////////// const int stepPin_5 = 9; const int dirPin_5 = 26;
////////////dong co 6 di chuyển lên xuống////////////////////// const int stepPin_6 = 10; const int dirPin_6 = 30; const int enPin_6 = 32;
To initialize the Arduino setup, begin by setting the baud rate to 9600 with `Serial.begin(9600);` Configure the necessary pins as outputs using `pinMode()` for the DC pump, stepper motors, and LEDs Specifically, designate `dcphun`, `stepPin_1`, `dirPin_1`, `enPin_1`, `stepPin_2`, `dirPin_2`, and `enPin_2` as output pins and enable them by writing a low signal to `enPin_1` and `enPin_2` Additionally, ensure that the LED pins `ledlen`, `ledxuong`, and `ledra` are also set as outputs to control their functionality effectively.
78 pinMode(ledvao,OUTPUT); pinMode(ledtrai,OUTPUT); pinMode(ledphai,OUTPUT); pinMode(ledphun,OUTPUT);
} void loop() { if(Serial.available()>0){ kitu = Serial.read();
} if(kitu==1){ // nếu nhận được kí tự 1 thì xe tiến
Serial.println(kitu); digitalWrite(dirPin_1,HIGH); digitalWrite(stepPin_1,HIGH); delayMicroseconds(2500); digitalWrite(stepPin_1,LOW); delayMicroseconds(500); digitalWrite(dirPin_2,HIGH); digitalWrite(stepPin_2,HIGH); delayMicroseconds(2500); digitalWrite(stepPin_2,LOW); delayMicroseconds(500);
79 if(kitu==2){ // nếu nhận được kí tự 2 thì xe rẽ trái
Serial.println(kitu); digitalWrite(dirPin_1,LOW); digitalWrite(dirPin_2,HIGH); for(int x = 0; x < 200; x++)
{ digitalWrite(stepPin_1,HIGH); digitalWrite(stepPin_2,HIGH); delayMicroseconds(2500); digitalWrite(stepPin_1,LOW); digitalWrite(stepPin_2,LOW); delayMicroseconds(500);
} if(kitu==3){ // nếu nhận được kí tự 3 thì xe rẽ phải
Serial.println(kitu); digitalWrite(dirPin_1,HIGH); digitalWrite(dirPin_2,LOW); for(int x = 0; x < 200; x++)
{ digitalWrite(stepPin_1,HIGH); digitalWrite(stepPin_2,HIGH);
80 delayMicroseconds(2500); digitalWrite(stepPin_1,LOW); digitalWrite(stepPin_2,LOW); delayMicroseconds(500);
} if(kitu==4){ // nếu nhận được kí tự 4 thì xe lùi
Serial.println(kitu); digitalWrite(dirPin_1,LOW); digitalWrite(stepPin_1,HIGH); delayMicroseconds(2500); digitalWrite(stepPin_1,LOW); delayMicroseconds(500); digitalWrite(dirPin_2,LOW); digitalWrite(stepPin_2,HIGH); delayMicroseconds(2500); digitalWrite(stepPin_2,LOW); delayMicroseconds(500);
} if (kitu==0){ // nếu nhận được kí tự 5 thì xe dừng
Serial.println(kitu); digitalWrite(stepPin_1,LOW);
//////////////////dong co 3 phun//////////////////////// if (kitu==6){ // phun
Serial.println(kitu); digitalWrite(dcphun,HIGH); digitalWrite(ledphun,HIGH);
Serial.println(kitu); digitalWrite(dcphun,LOW); digitalWrite(ledphun,LOW);
///////////dong co 4 di chuyen /////////////////////// if(kitu==8){ // di chuyển LÊN digitalWrite(ledlen,LOW);
Serial.println(kitu); digitalWrite(dirPin_4,HIGH); digitalWrite(stepPin_4,HIGH); delayMicroseconds(2500); digitalWrite(stepPin_4,LOW); delayMicroseconds(500);
} if(kitu==9){ // DỪNG LÊN digitalWrite(ledlen,LOW);
Serial.println(kitu); digitalWrite(stepPin_4,LOW);
} if(kitu=){ // di chuyển XUỐNG digitalWrite(ledxuong,HIGH);
Serial.println(kitu); digitalWrite(dirPin_4,LOW); digitalWrite(stepPin_4,HIGH); delayMicroseconds(2500); digitalWrite(stepPin_4,LOW); delayMicroseconds(500);
} if(kitu==9){ // DỪNG XUỐNG digitalWrite(ledxuong,LOW);
Serial.println(kitu); digitalWrite(stepPin_4,LOW);
83 if(kitu=){ // di chuyển ra digitalWrite(ledra,HIGH);
Serial.println(kitu); digitalWrite(dirPin_5,HIGH); digitalWrite(stepPin_5,HIGH); delayMicroseconds(2500); digitalWrite(stepPin_5,LOW); delayMicroseconds(500);
Serial.println(kitu); digitalWrite(stepPin_5,LOW); digitalWrite(ledra,LOW);
} if(kitu=){ // di chuyển VÀO digitalWrite(ledvao,HIGH);
Serial.println(kitu); digitalWrite(dirPin_5,LOW); digitalWrite(stepPin_5,HIGH); delayMicroseconds(2500); digitalWrite(stepPin_5,LOW); delayMicroseconds(500);
Serial.println(kitu); digitalWrite(stepPin_5,LOW); digitalWrite(ledvao,LOW);
///////////dong co 6 XOAY TRAI PHAI /////////////////////// if(kitu=){ // di chuyển XOAY TRÁI digitalWrite(ledtrai,HIGH);
Serial.println(kitu); digitalWrite(dirPin_6,HIGH); digitalWrite(stepPin_6,HIGH); delayMicroseconds(2500); digitalWrite(stepPin_6,LOW); delayMicroseconds(500);
Serial.println(kitu); digitalWrite(stepPin_6,LOW); digitalWrite(ledtrai,LOW);
85 if(kitu=){ // di chuyển XOAY PHAI digitalWrite(ledphai,HIGH);
Serial.println(kitu); digitalWrite(dirPin_6,LOW); digitalWrite(stepPin_6,HIGH); delayMicroseconds(2500); digitalWrite(stepPin_6,LOW); delayMicroseconds(500);
Serial.println(kitu); digitalWrite(stepPin_6,LOW); digitalWrite(ledphai,LOW); }
Serial.println(kitu); digitalWrite(relay,1); } if(kitu=){ // DỪNG
Serial.println(kitu); digitalWrite(relay,0);
5.3.3 Giao diện phần mềm điều khiển qua điện thoại
Hình 5 8 Màn hình điểu khiển xe phun khử khuẩn
Lập trình mô phỏng
SOLIDWORKS là phần mềm thiết kế 3D tham số được phát triển bởi Dassault Systèmes, một công ty thành viên của tập đoàn công nghệ hàng đầu thế giới Kể từ khi ra mắt vào năm 1995, SOLIDWORKS đã thu hút gần 6 triệu người dùng bản quyền trên toàn cầu, bao gồm khoảng 200.000 doanh nghiệp và tập đoàn Phần mềm này hoạt động trên hệ điều hành Windows, cung cấp các công cụ mạnh mẽ cho thiết kế và mô phỏng sản phẩm.
Phần mềm SOLIDWORKS, ra mắt lần đầu vào năm 1995, đã trải qua nhiều bước phát triển vượt bậc về tính năng và hiệu suất Hiện nay, SOLIDWORKS đáp ứng tốt nhu cầu thiết kế 3D trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp Ngoài ra, phần mềm này còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành như đường ống, kiến trúc, nội thất và xây dựng, nhờ vào khả năng thiết kế 3D mạnh mẽ và danh mục giải pháp hỗ trợ đa dạng.
Gồm những tính năng cơ bản:
- Thiết kế mô hình 3D chi tiết
- Thiết kế lắp ghép và cụm lắp ghép
- Xuất bản vẽ dễ dàng
- Tính năng Tab và Slot
- Cải tiến quản lí dự án và quy trình
- Các tiện ích cải tiến
- Phân tích động lực học
Còn rất nhiều các giải pháp Solidworks cho quy trình từ thiết kế đến sản xuất và nhiều hơn thế…
SOLIDWORKS 3D CAD: bao gồm 3 loại Standard, Professional, Premium đáp ứng các nhu cầu thiết kế khác nhau
SOLIDWORKS Premium là gói phần mềm thiết kế 3D CAD cao cấp nhất trong hệ thống SOLIDWORKS, cung cấp các tính năng vượt trội như Simulation Express và khả năng xử lý dữ liệu quét 3D.
SOLIDWORKS Professional nâng cấp so với gói CAD 3D tiêu chuẩn (Standard) với nhiều tính năng nổi bật như thư viện chi tiết tiêu chuẩn, công cụ kẹp nhanh, và khả năng tự động tính toán giá thành sản phẩm gia công Ngoài ra, gói Professional còn cung cấp công cụ chuyển đổi dữ liệu hình học và hỗ trợ tự động tìm kiếm lỗi trong thiết kế, cùng với tính năng PhotoView 360 để cải thiện trải nghiệm thiết kế.
SOLIDWORKS Standard cung cấp khả năng thiết kế 3D mạnh mẽ, cho phép người dùng mô hình hóa chi tiết và các lắp ghép một cách hiệu quả Phần mềm này hỗ trợ tái sử dụng thiết kế và tự động hóa quy trình làm việc, đồng thời cung cấp tính năng mô phỏng hoạt họa giúp tối ưu hóa thiết kế sản phẩm.
SOLIDWORKS Visualize cung cấp khả năng tạo các hình ảnh chất lượng, hình ảnh động và nội dung 3D khác chỉ trong vài phút đôi khi chỉ trong vài giây
SOLIDWORKS Electrical giúp tích hợp thiết kế điện và thiết kế cơ khí Có SOLIDWORKS Electrical 2D và SOLIDWORKS Electrical 3D để bạn lựa chọn cho từng nhu cầu công việc
SOLIDWORKS PCB hỗ trợ thiết kế bản vẽ mạch điện tử Altium
Nhóm phần mềm mô phỏng:
SOLIDWORKS Simulation là công cụ mô phỏng toàn diện giúp xác nhận thiết kế thông qua các phương pháp như mô phỏng động học, mô phỏng chuyển động, phân tích tĩnh, phân tích tần số, kiểm tra mất ổn định, phân tích fatigue, phân tích mỏi, phân tích kiểm tra rơi tự do, phân tích phi tuyến và áp suất bình bồn.
SOLIDWORKS Flow Simulation cho phép mô phỏng dòng chảy, truyền nhiệt, lực dòng chất lỏng
SOLIDWORKS Flow Simulation HAVC – Giải pháp phân tích tối ưu nhiệt độ, thông gió và hệ thống điều hòa không khí
SOLIDWORKS Plastics: mô phỏng dòng chảy của nhựa trong khuôn, dự đoán các khuyết tật trong quá trình thực hiện khuôn ép nhựa
Giải pháp SOLIDWORKS Composer là một phần mềm hữu ích trong hệ sinh thái SOLIDWORKS, cho phép người dùng tự động tạo ra hình ảnh và video từ giai đoạn thiết kế Phần mềm này hỗ trợ việc tạo tài liệu hướng dẫn kỹ thuật và quy trình lắp ráp một cách hiệu quả.
SOLIDWORKS MBD là giải pháp tích hợp cho sản xuất không cần bản vẽ, cho phép mô tả, tổ chức và phát hành dữ liệu mô hình 3D và PMI trực tiếp trong các lĩnh vực công nghiệp theo các chuẩn chung.
SOLIDWORKS Enterprise PDM – Quản lý dữ liệu sản phẩm doanh nghiệp giúp bảo mật và chính xác trong việc hợp tác thiết kế Hệ thống này giảm thiểu sai sót, loại bỏ việc làm lại và khôi phục dữ liệu, đồng thời hỗ trợ tổ chức quy trình làm việc hiệu quả Với SOLIDWORKS Enterprise PDM, thông tin thiết kế được trao đổi một cách thống nhất trong một nền tảng duy nhất.
SOLIDWORKS CAM, phát triển từ CAM Works, là giải pháp tích hợp trong hệ thống SOLIDWORKS, hỗ trợ quy trình toàn diện từ ý tưởng ban đầu, thiết kế mô hình, quản lý dữ liệu đến sản xuất.
Phần mềm SOLIDWORKS Inspection là giải pháp hiệu quả cho việc đo kiểm sau sản xuất, hỗ trợ đa dạng các loại công cụ đo, từ thước kẹp điện tử đến hệ thống máy đo CMM cao cấp.
Gói dịch vụ SOLIDWORKS Subscription cung cấp hỗ trợ kỹ thuật và nâng cấp hàng năm, giúp khách hàng tối ưu hóa các dịch vụ giá trị gia tăng khi sử dụng phần mềm 3D SOLIDWORKS trong quá trình phát triển sản phẩm.
90 Giao diện mới bắt đầu của Solidworks
Hình 5 9 Giao diện mới bắt đầu của solidwork
Bảng thông báo các lựa chọn
Hình 5 10 Bảng thông báo các lựa chọn
Hình 5 11 Giao diện phần Part
Thanh công cụ Command Manager
Thanh Sketch: Vẽ biên dạng
Thanh Surfaces: Các lệnh làm việc với mặt
Hình 5 12 Thanh công cụ Command Manager
Thanh Futures: Các lệnh làm việc với khối, các lệnh trong phần 1 là tạo khối, phần 2 là đục, khoét khối được tạo ra từ phần 1
Có thể vào Options => Customize => Command => Features để tạo ra các lệnh mới theo như cầu của mình
Hình 5 16 Thêm và bớt các lệnh cần thiết
Và một vài lệnh thông dụng khác
Hình 5 17 Các lệnh công dụng khác
Hình 5 18 Thiết kế khung và bánh xích
Hình 5 19 Thiết kế khu vực chứa thuốc
Hình 5 20 Thiết kế bộ chuyển động của xe
Hình 5 21 Thiết kế tấm đỡ vitme bi
Hình 5 22 Thiết kế vitme bi
Hình 5 23 Thiết kế cơ cấu cần phun thuốc
Hình 5 24 Sản phẩm thiết kế hoàn thiện
Mô phỏng, chạy thử sản phẩm
Hình 5 26 Xe di chuyển tiến về phía trước
Hình 5 27 Xe di chuyển lùi về phía sau
Hình 5 28 Cần phun thuốc xoay trái
Hình 5 29 Cần phun thuốc xoay phải
Hình 5 30 Cần phun thuốc thu ngắn
Hình 5 31 Cần phun thuốc dài ra
Hình 5 32 Cần phun thuốc tăng chiều cao
Hình 5 33 Cần phun thuốc hạ thấp chiều cao
Do tình hình dịch bệnh Covid-19 diễn biến phức tạp tại TP HCM và việc áp dụng chỉ thị 16, nhóm chỉ có thể hoàn thành một phần trong cơ cấu của xe phun khử khuẩn.
Một số hình ảnh thực tế được trích từ Video
Hình 5 34 Xe bắt đầu di chuyển
Hình 5 35 Xe vượt địa hình dốc
Hình 5 36 Xe có thể chịu tải trọng tốt trong khi di chuyển
