Bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử thiết kế sản phẩm cơ điện tử khoan điện cầm tay

Hoạt động của sinh viên Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế - Thiết lập danh sách yêu cầu Nội dung 2: Thiết kế sơ bộ - Xác định các vấn đề cơ bản - Thiết lập cấu trúc chức năng - Phá

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

-

HỌC PHẦN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử

“Khoan điện cầm tay”

Giáo viên hướng dẫn: Th.S: Nhữ Quý Thơ

Sinh viên thực hiện: Đinh Văn Minh 2021608823

Nguyễn Văn Duy 2021608854 Quách Huy Đức 2021608835

Khoa: Cơ khí – K16

Hà Nội – 2022

1 Tên lớp: ME6061001 Khóa: 16

2 Tên nhóm: N07

3 Thành viên:

- Đinh Văn Minh MSV: 2021608823

- Nguyễn Văn Duy MSV: 2021608854

- Quách Huy Đức MSV: 2021608835

II Nội dung học tập

1. Tên chủ đề: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử: Khoan điện cầm tay

2 Hoạt động của sinh viên

Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế

- Thiết lập danh sách yêu cầu

Nội dung 2: Thiết kế sơ bộ

- Xác định các vấn đề cơ bản

- Thiết lập cấu trúc chức năng

- Phát triển cấu trúc làm việc

- Lựa chọn cấu trúc làm việc

Nội dung 3: Thiết kế cụ thể

- Xây dựng các bước thiết kế cụ thể

- Tích hợp hệ thống

- Phác thảo sản phẩm bằng phần mềm CAD và/hoặc bằng bản

vẽ phác Áp dụng các công cụ hỗ trợ: Mô hình hóa mô phỏng, CAD, HIL,… để thiết kế sản phẩm

3. Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch bài tập lớn

1 Tài liệu học tập: Bài giảng môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử và các tài liệu tham khảo

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính

Thơ

Trong những năm gần đây ngành Cơ Điện tử có những bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng các sản phẩm cơ điện tử vào sản xuất ngày càng phổ biến giúp nâng cao năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm Song song với quá trình phát triển đó là yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, tin cậy, khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt với thời gian dài của các hệ thống cơ điện tử Vì vậy việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống cơ điện tử để đáp ứng được yêu cầu trên

là việc làm cần thiết Sự phát triển của hệ thống cơ điện tử là sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới

Học phần Thiết kế hệ thống Cơ Điện tử được đưa vào giảng dạy với mục đích giúp sinh viên có kiến thức và tư duy trong việc lập kế hoạch công việc theo trình tự hợp lý để có thể thiết kế được một hệ thống cơ điện tử hoạt động ổn định, tối ưu và hiệu quả Học phần cũng rèn luyện cho sinh viên khả năng tư duy hệ thống, kỹ năng làm việc nhóm và kiến thức về nhiều mảng khác nhau, giúp ích cho học tập và công việc sau này

Sau quá trình học tập và tự tìm hiểu về học phần, nhóm sinh viên đã lựa chọn

và hoàn thành báo cáo bài tập lớn với đề tài: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử “Máy khoan điện cầm tay” Đây là một đề tài hay và có tính ứng dụng cao trong đời sống đồng thời cũng là cơ sở cho những nghiên cứu và sản phẩm sau này của sinh viên

CHƯƠNG 1: NỘI DUNG THIẾT KẾ

1 Máy khoan điện

a) Lịch sử ra đời:

Vào khoảng 7.500-9.000 năm trước, Việc sử dụng các mũi khoan đã được lan rộng khắp Châu Âu, Châu Phi, Châu Á và Bắc Mỹ, trong thời cổ đại và vẫn được sử dụng ngày nay Qua nhiều năm, có rất nhiều sự thay đổi nhỏ trong việc khoan đã được phát triển cho nhiều mục đích khác nhau của việc sử dụng hoặc là khoan qua vật liệu hoặc tạo ra lửa

Các máy khoan rút lõi được xây dựng ở Ai Cập cổ đại 3000 trước Công nguyên (5016 năm trước bây giờ) Các khoan dây cung được phát minh trong La Mã lần Nó bao gồm trục chính thẳng đứng bằng một miếng gỗ ngang và một bánh đà để duy trì độ chính xác và động lực

Đây là một hình thức khoan sử dụng việc tay xoay 1 trục đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ

Những tiến bộ lớn tiếp theo trong công nghệ khoan, động cơ điện , đã dẫn đến việc phát minh ra máy khoan điện Nó được trao cho Arthur James Arnot và William Blanch Brain của Melbourne , Úc, người đã được cấp bằng sáng chế cho việc khoan

điện vào năm 1889 Năm 1895, chiếc máy khoan cầm tay đầu tiên được tạo ra bởi anh

em Wilhem & Carl Fein của Stuttgart , Đức Năm 1917, máy khoan có thêm chức

năng búa, đập, máy khoan búa đã được Black & Decker cấp bằng sáng chế Đây là thời điểm bắt đầu thời kỳ khoan Trong thế kỷ qua, máy khoan điện đã được tạo ra trong nhiều loại và nhiều kích cỡ cho những mục đích sử dụng cụ thể

Qua nhiều giai đoạn phát triển và cải tiến, hiện nay máy khoan điện cầm tay đã được hoàn thiện với nhiều chức năng đa dạng hơn Sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, sau đây là một số mẫu máy khoan điện cầm tay trên thị trường:

b) Một số ứng dụng và chức năng của máy khoan điện cầm tay

Chức năng khoan thông thường: Động cơ chỉ tạo lực momen xoắn làm xoay mũi khoan, mũi khoan xoay tạo lực khoan xuyên thủng bề mặt vật muốn khoan Chức năng khoan búa xoay: Với chức năng này một chiếc máy khoan sẽ tăng cường sức mạnh lên rất rất nhiều bởi ngoài lực Momen xoắn (M), máy khoan còn tạp

ra một áp lực (lực đập) đồng thời (F) theo hướng doch trục mũi khoan, chính vì thế

mà vật cần khoan bị phá hủy nhanh hơn rất nhiều

Chức năng đục: với chức năng này, máy khoan sẽ biến thành một chiếc máy đục, với chức năng đục, phá hủy vật cứng thông qua tác dụng một lực ra vào liên tục

theo phương dọc trục mũi khoan, có thể phá hủy vật liêu cứng như xi măng, bê

tông,…

2 Thiết lập danh sách yêu cầu

Trước khi bắt đầu phát triển sản phẩm, cần phải làm rõ được nhiệm vụ thiết kế một cách chi tiết Việc phân tích nhiệm vụ thiết kế trải qua các bước cơ bản sau:

Nhóm 7 Danh sách yêu cầu cho khoan

điện cầm tay 11/10/2022

Thay đổi D

W

Yêu cầu Chịu trách nhiệm

- Chiều dài: 190 (mm)

- Chiều rộng: 55 (mm)

- Khung máy chắc chắn, chịu được va đập tương đối

- Bánh răng chuyển số tăng momen xoắn và thay đổi tốc

độ động cơ

Trọng lượng

D - Trọng lượng tổng thể: 2,3

kg – 3,5 kg Khối lượng khung máy: 0,8 kg

- Đèn báo dung lượng pin

- Đèn báo chế độ của máy

Kiểm soạt quá tải

- Có thiết bị hạn chế quá tải

- Ngăn không cho máy hoạt động khi quá tải

- Tín hiệu đèn và khi quá tải Mọi thao tác chuyển bị loại bỏ

D

W D

W

W

Lắp ráp

- Dễ dàng thay thế , lắp đặt các thành phần vào mạch

- pin lắp với than máy dễ dàng bằng khớp

- Mũi khoan thay thế dễ dàng bằng đầu kẹp

- Khả năng bắt vít, đục bê tông, chế độ kẹp mũi khoan

Dễ dàng tháo lắp mũi khoan, có hộp

đựng mũi khoan

CHƯƠNG 2: TÓM TẮT ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN

1 Cấu chúc chưc năng

Giai đoạn 1: Loại bỏ sở thích các nhân, bỏ qua các yêu cầu không ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng và các ràng buộc cần thiết

 Kích thước:

- Chiều cao tổng thể: 250 (mm)

- Tiết diện khung máy + Chiều dài: 190 (mm) + Chiều rộng: 55 (mm) + Khung máy chắc chắn, chịu được va đập tương đối

 Thiết bị điện:

- Bộ điều khiển:

 Motor không chổi than

- Bảo vệ động cơ và các thiết bị điện

 Phải có đèn báo đang hoạt động, đang dừng hay đang lỗi

- Kiểm soát quá tải

 Có thiết bị hạn chế quá tải

 Ngắn không cho máy hoạt động khi quá tải

 Tín hiệu đèn và âm thanh khi quá tải

 Mọi thao tác chuyển bị loại bỏ

 Sử dựng vật liệu thân thiện với môi trường

 Có hệ thống bảo vệ quá dòng, quá áp

 Vận hành:

 Có sách hướng dẫn vận hành và cài đặt máy

 Gá, gỡ vật liệu thuận tiện, đơn giản, chắc chắn

 Thời gian hoạt động liên tục

 Vòng đời của pin: 800 – 1000 lần sạc

 Bảo trì, bảo dưỡng

 Thời gian bảo hành: Tối đa 2 năm phần cơ khí, hỏng linh kiện

nào đổi linh kiện đó (trong vòng 6 tháng)

Giai đoạn 2: Chuyển đổi dữ liệu định lượng thành dữ liệu định tính và giảm chúng thành các tuyến bố thiết yếu

 Tín hiệu điều khiển mômen

 Tín hiệu điều khiển tốc độ quay

 Thành phần tản nhiệt

 Thiết bị an toàn:

 Có hệ thống dừng khẩn cấp

 Có hướng dẫn sử dụng an toàn

 Sử dựng vật liệu thân thiện với môi trường

 Có hệ thống bảo vệ quá dòng, quá áp

 Vận hành:

 Có sách hướng dẫn vận hành và cài đặt máy

 Gá, gỡ vật liệu thuận tiện, đơn giản, chắc chắn

 Tuổi thọ pin: 4000 – 5000 giờ

 Thời gian hoặt động liên tục: 3 – 5 giờ

 Bảo trì, bảo dưỡng:

 Thời gian bảo hành: Tối đa 2 năm phần cơ khí, hỏng link kiện

nào đổi link kiện đó (trong vòng 6 tháng)

 Tín hiệu điều khiển

 Tốc độ quay của động cơ

 Thành phần tản nhiệt

 Thiết bị an toàn

 Dừng hệ thống khi quá tải

 Có hướng dẫn sử dụng an toàn

 Có vỏ bảo vệ đầu mũi khoan

 Có hệ thống bảo vệ quá dòng, quá áp

 Vận hành:

 Có sách hướng dẫn vận hành và cài đặt máy

 Gá, gỡ vật liệu thuận tiện, đơn giản, chắc chắn

 Thời gian hoặt động liên tục

 Bảo trì, bảo dưỡng

 Thời gian bảo hành: Tối đa 2 năm phần cơ khí, hỏng link kiện

nào đổi link kiện đó (trong vòng 6 tháng)

 Hỗ trợ thay thế linh kiện

2 Thiết lập cấu trúc chức năng

a Chức năng tổng thể

Hình 2.1 Chức năng tổng thể của máy khoan điện cầm tay

- Chú thích

Đường tín hiệu Đường năng lượng Đường vật liệu

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc tổng thể của máy khoan điện cầm tay

- Chức năng lưu trữ điện

- Chức năng xử lý tín hiệu điều khuyển

Biến áp Chuyển đổi DC-AC

Tích điện Cấp điện

Ngắt điện khi đầy

Điện DC Điện năng

Trung tâm sử lý Phát tín hiệu

Tín hiệu điều khuyển

Tín hiệu điều khuyển

Dữ liệu giám sát

Tín hiệu phản hồi

- chức năng bảo vệ hệ thống điện

- Chức năng kiểm soát tốc độ

- Chức năng trợ sáng

ổn đinh dòng điện Ngắt khẩn cấp

Chống ngắn mạch Điện năng

Xử lý tín hiệu điều khuyển

Đo tốc độ Khống chế tốc độ

Truyền tải điện Chuyển đổi điện-quang

Điện năng

Trung tâm điều khuyển Tín hiệu

- Chức năng chuyển đổi chế độ

- Chuyển đổi điện-cơ

4 Nguyên lý làm việc

a) Giải pháp

Giải pháp Chức năng con

2 Lưu trữ điện Công nghệ pin litium Công nghệ pin ni-ken Công nghệ pin ác-quy

Nguyên lý nhấn Nguyên lý cảm ứng

4

Bảo vệ hệ thống điện

Chống ngắn mạch

Nguyên lý cầu

trì

Nguyên lý atomat Relay trung gian

5

quá tải động cơ

Ngắt hệ thống Relay trung gian Rơ le nhiệt

6 Chuyển đổi điện năng -cơ

năng Động cơ đồng bộ

Động cơ không đồng

bộ

Động cơ điện một chiều

7 Xử lý tín

hiệu và điều

khiển

Truyền tín hiệu Cáp tín hiệu Mạch in

8 Trợ sáng huỳnh quang Công nghệ Công nghệ halogen Công nghệ led

10 Dẫn động Dẫn động bánh răng Dẫn động thủy lực

11 Đo chiều sâu Công nghệ laze Công nghệ thước cuốn

12 Chống nước Công nghệ nano Công nghệ ron caosu Ghép kín

13 Kẹp mũi khoan Măng ranh Auto lock Gài khóa

Bảng 2.1 Nguyên tác làm việc cho từng chức năng trong máy khoan điện cầm tay

b) Kết hợp các nguyên tắc làm việc

Các nguyên tắc làm việc được kết hợp thành các biến thể được biểu diễn như trong bảng bảng 2.1 Cụ thể nhưng nguyên tắc được ký hiệu sẽ tạo thành một biến thể Theo bảng 2.1 ta

có thể thấy có ba biến thể khác nhau được chọn ra tương ứng màu đỏ biến thể 1, màu xanh biến thể 2, biến thể 3 Từ đây ta xét tới tính khả thi của các biến thể vừa được tạo ra

Trong cây mục tiêu bao gồm những tiểu chí đặt ra cho biến thể Trong các tiểu chí lớn có những tiểu chí nhỏ hơn được đặt ra Số điểm bên trải (W) là độ quan trọng của tiêu chí đó với tiểu chí lớn hơn, số bên phả (Wt) là độ quan trọng của tiểu chí đó với tổng thể hệ thống hình

5 Tổng hợp và đánh giá các biến thể

tiêu chí

Điểm đánh giá Biến

Chống ngắn mạch 0.03 0.006 0.015 0.009 Ngắt khi

quá tải 0.03 0.006 0.015 0.009 Chuyển đổi điện -

cơ 0.035 0.012 0.023 0.023 Nguồn khẩn cấp 0.03 0.015 0.008 0.007

2 Chất lượng

khoan, búa, siết

Kiểm soát tốc

độ

Đo độ cao vật liệu khoan

0.05 0.018 0.02 0.012

Điều chỉnh độ cao đầu mũi khoan

0.08 0.04 0.04 0.04

Thay đổi tốc độ khoan

0.12 0.04 0.04 0.04

3 Kết cấu cơ

khí hoạt động trơn tru

Dẫn động

Giảm tốc 0.03 0.01 0.01 0.01 Truyền

động 0.03 0.015 0.015 0.015 Dẫn

hướng 0.04 0.025 0.015 0.025

4 Khả năng

ứng biến linh hoạt

Kiểm soát vị trí (suy nghĩ)

Đo vị trí 0.02 0.01 0.01 0.01

Khống chế tốc

độ

Đo tốc độ 0.02 0.01 0.01 0.01 Điều

chỉnh tốc

độ 0.04 0.03 0.01 0.01

Kiểm soát quá tải

Đo khối lượng 0.02 0.01 0.005 0.005 Hiển thị 0.02 0.01 0.005 0.005 Báo quá

tải 0.02 0.01 0.005 0.005

Kiểm soát an toàn

Đo tốc độ 0.02 0.01 0.005 0.005 Dừng quá

nhiệt 0.02 0.01 0.005 0.005 Quạt gió 0.02 0.01 0.01 0.01

5 Cài đặt vận

hành đơn giản

Thao tác

sử dụng

Nhập lệnh 0.025 0.01 0.075 0.075 Chọn chế

độ 0.03 0.01 0.01 0.01 Chế độ 0.025 0.01 0.075 0.075 Hiển thị 0.02 0.01 0.005 0.005 Dừng khẩn cấp 0.05 0.02 0.015 0.015

Bảng 2.2 Điểm đánh giá cho các biến thể

Qua quá trình đánh giá ta thấy biến thể số 2 có số điểm đánh giá cao nhất và xếp hạng tổng thể tốt nhất Điều đó cơ bản chứng tỏ biến thể 2 được tối ưu tốt nhất đối với các tiêu chí đề ra Biến thể 2 do đó đại diện cho một giải pháp nguyên tắc tốt để bắt đầu giai đoạn

3.1.2 Nhóm chức năng

3.1.4 Xác lập các layout thô-xác định các bộ thực hiện chức năng chính

Đây là một bước quan trọng trong việc thiết kế lớp sản phẩm Từ các khối chức năng tổng hợp được, nhóm thiết kế sẽ tiến hành bố trí hình học cho sản phẩm xe đạp điện bằng việc xây dựng một bản phác thảo biểu thị rõ vị trí hình học tương đối giữa các khối trong sản phẩm sao cho sản phẩm có thể hoạt động một cách thuận tiện nhất

có thể Sau khi định hình layout vị cho các bộ phận, ta tiến hành ghép nhóm cho một

số các các cụm bộ phận có chung thiết kế để bố trí trí hình học và có được bố trí hình học tương quan giữa các layout như sau:

Với mỗi nhóm bộ phận thiết kế sẽ có một vài chi tiết chung có tương quan hình học và vị trí không với nhau Do vậy, ta sắp xếp cho các nhóm có bộ phận chung cùng thiết kế với nhau Bảng dưới đây thể mô tả một số chức năng và nhiệm

vụ đặt ra cho các nhóm thiết kế:

Bảng 3.1 Bảng nhiệm vụ các nhóm

1 Nhóm năng lượng Vỏ pin

Pin Cổng sạc

2 Nhóm an toàn điện Mach bảo vệ

Mạch biến áp Mạch điều khiển

3 Nhóm điều khiển Cò khoan

Nút đảo chiều

4 Nhóm chuyển động Động cơ

Cơ cấu đập Bánh răng

6 Nhóm chuyển đổi

điện-cơ

Vòng điều chỉnh Nối ly hợp

Hình 3.3 Quy trình chế tạo máy khoan điện cầm tây

3.1.5 Bản vẽ lắp kết cấu cơ khí máy khoan điện cầm tay

Qua quá trình xác định layout sơ bộ bản vẽ lắp máy in 3D được xây dựng dựa trên bố trí trí không gian thiết kế sao cho phù hợp:

 Pin

Pin là một thiết bị lưu trữ năng lượng dưới dạng hoá năng Khi ta dùng, năng lượng này sẽ dần chuyển đổi thành điện năng

Pin được bố trí là lắp ráp cho các thiết bị điện tử, viễn thông có tính di động Giúp chúng

ta có thể sử dụng các thiết bị đó Trong trường hợp không cắm, nối thiết bị với nguồn điện

Hiện nay pin có rất nhiều hình dạng như: vuông, dẹp, thỏi, dạng đồng xu,… nhưng đều có công dụng là cung cấp điện năng cho các thiết bị

Nhóm sử dụng pin litiun ghép khối với dung lượng 18V dung lượng 5.0Ah

TỔNG KẾT

Máy khoan điện cầm tay là một hệ thống có tính ứng dụng cao trong các nhà máy, công ty Hiểu được điều này, báo cáo “Thiết kế sản phẩm cơ điện tử máy khoan điện cầm tay” đã được tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành giai đoạn thiết kế

Qua nghiên cứu “Máy khoan điện cầm tay” báo cáo đã trình bày được mô hình trình

tự các bước một cách hợp lý để đi vào thiết kế chế tạo máy khoan điện cầm tay nói riêng và những hệ thống cơ điện tử khác nói chung từ việc phân tích nhiệm vụ thiết kế đến xác định các vấn đề cơ bản của hệ thống, tìm hiểu và xây dựng cấu trúc chức năng để biểu diễn hoạt động của các thành phần và mối quan hệ giữa các thành phần đó Nhiều nguyên tắc làm việc được đưa ra phù hợp với cấu trúc hệ thống vừa xây dựng tạo ra các biến thể hệ thống khác nhau Báo cáo đã trình vày được phương pháp chọn lọc và cân nhắc các biến thể đó để đưa vào thiết kế cụ thể

Quá trình nghiên cứu và thiết kế “Máy khoan điện cầm tay” được tiến hành nhanh chóng một phần là do môi trường học tập năng động, cơ sở vật chất đầy đủ, với sự hỗ trợ của Internet tạo điều kiện cho sinh viên có thể tìm kiếm thông tin với nguồn tài liệu tham khảo phong phú Bên cạnh đó, quá trình thực hiện đề tài này còn được sự hướng dẫn của những giảng viên có kinh nghiệm và am hiểu về lĩnh vực chuyên ngành giúp việc trao đổi

về các vấn đề gặp phải khi nghiên cứu dễ dàng hơn Từ phía sinh viên, các thành viên của nhóm khá năng động và tích cực trong công việc học tập và nghiên cứu, quá trình thực hiện được lên kế hoạch từng bước và thực hiện triệt để nên tạo được tính thống nhất và hiệu quả trong hoạt động nhóm Tuy nhiên xuyên suốt đồ án vẫn còn tồn tại nhiều khó khăn từ khách quan tới chủ quan trong quá trình nghiên cứu, vì vậy không thể tránh khỏi những sai sót nảy sinh trong quá trình hoàn thiện đồ án Những ý kiến, góp ý của thầy cô và người đọc nhằm hoàn thiện hệ thống sẽ được nhóm nghiêm túc tiếp thu