báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài Bàn học thông minh

báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài bàn học thông minh. thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài bàn học thông minh

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BÀN HỌC THÔNG MINH

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Trường

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 23

Họ và tên: Phạm Minh Hoàng Mã sinh viên: 2019601894

Phạm Minh Tâm 2020603648

Hà Nội – 2023

2

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM I Thông tin chung

1 Tên lớp: ME6061.2 Khóa: 15 2 Tên nhóm: 23

Họ và tên thành viên

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử: Bàn học thông minh 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.

IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án

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

3

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

TS Nguyễn Anh Tú TS Nguyễn Văn Trường

4

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 6

1.1 Nhu cầu thị trường 6

1.2 Khảo sát khách hàng 7

1.3 Lên ý tưởng mục tiêu 7

1.4 Danh sách yêu cầu 8

1.5 Thiết lập danh sách yêu cầu 10

CHƯƠNG 2 TÓM TẮT ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN 13

2.1 Tóm tắt để xác định các vấn đề cơ bản 13

2.2 Thiết lập cấu trúc chức năng 18

2.3 Tìm kiếm nguyên tắc làm việc 23

Xác lập các layout thô và xác định các bộ thực hiện chức năng chính 32

Bản vẽ lắp kết cấu bàn học thông minh 35

3.2 Thiết kế chi tiết 36

5

Lời mở đầu

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 “Thiết kế bàn học thông minh ” 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

Cuộc sống ngày càng phát triển, giáo dục càng được chú trọng bởi vậy mà những chiếc bàn học là đồ vật không thể thiếu trong mỗi gia đình Tại Việt Nam nhu cầu mua sắm và sử dụng bàn học ngày càng cao, đặc biệt là bàn học thông minh được phát triển để giúp trẻ

1.3 Lên ý tưởng mục tiêu

Lý do trên chúng em lựa chọn đề tài “Bàn học thông minh” nhằm giải quyết học sinh ngồi học sai tư thế, kết hợp hệ thống đèn báo tín hiệu không an toàn kèm theo lời nhắc “Hãy ngồi đúng tư thế” giúp các em có ý thức để sửa lại tư thế ngồi học Đề tài “Bàn học thông minh” còn là một giải pháp để điều chỉnh mặt bàn phù hợp với từng vóc dáng của học sinh Học sinh ngồi học cao quá so với mặt bàn, khoảng cách từ mắt tới bàn học quá xa hoặc quá thấp so với mặt bàn đã có hệ thống điều chỉnh mặt bàn tăng lên hoặc thấp xuống để có tư thế ngồi học đạt chuẩn

8

Đề tài “Bàn học thông minh” còn giải quyết được vấn đề sử dụng lãng phí điện tại góc học tập của mình Hệ thống điện tự động tắt khi không có học sinh ngồi học, tự động bật lên khi có học sinh ngồi học và thiếu ánh sáng

1.4 Danh sách yêu cầu

Quá trình tìm hiểu về các bước thiết kế để lập danh sách yêu cầu nhóm chúng em đã xác định cụ thể kế hoạch phát triển sản phẩm và nhu cầu của thị trường

Hình 1.2: Biều đổ dân số việt nam theo lứa tuổi

9

Hình 1.3: Biểu đồ nhu cầu sử dụng bàn học tại Việt Nam

Hình 1.4: Biểu đồ mục đích sử dụng bàn học thông minh

10

Hình 1.5: Biểu đồ thể hiện mức độ quan tâm các tiêu chi của bàn học thông minh

1.5 Thiết lập danh sách yêu cầu

BÀN HỌC THÔNG MINH

Thay đổi D W

nhiệm

D D D D D D D

Kích thước:

- Chiều cao tổng thể bàn(60-150cm) - Chiều dài 120cm

- Chiều rộng 90cm

- Chiều dài kệ sách 116cm - Chiều cao kệ sách 58 cm - Chiều rộng kệ sách 30cm

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

11 D

D

Thiết bị điện:

- Đèn học bảo vệ thị lực 5W/600lux - Đồng hồ báo giờ

- Thiết bị Cảm biến cảnh báo khi ngồi học quá gần

- Cảm biến vật cản

D D

Tín hiệu :

Đầu vào:

- Nút nhấn tín hiệu khởi động - Nút nhấn nâng hạ

Đầu ra :

12 D

D

- Tín hiệu đèn cảnh báo vật cản - Còi cảnh báo

D W

D D

D D W W

- Có hộp đựng - Lắp ráp hộc bàn

- Thêm kệ đỡ máy tính bảng

D W

13

CHƯƠNG 2 TÓM TẮT ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN 2.1 Tóm tắt để xác định các vấn đề cơ bản

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  Hình dạng:

- Chiều cao tổng thể bàn (60-150cm) - Chiều dài 120cm

- Chiều rộng 90cm

- Chiều dài kệ sách 116cm - Chiều cao kệ sách 58 cm - Chiều rộng kệ sách 30cm

- Khung bàn chắc chắn, chịu được va đập tương đối  Động lực học:

- Tốc độ nâng hạ: 2-5mm/s - Tải trọng bàn: 20-30kg - Trọng lượng: 12-15kg  Năng lượng:

- Điện áp vào: 220V-50Hz - Cường độ dòng điện: 3-5A

- Điện áp hoạt động: 24VDC, 220VAC - Công suất: 200-300W

 Thiết bị điện:

- Đèn học bảo vệ thị lực 5W/600lux

14 - Đồng hồ báo giờ

- Thiết bị cảm biến khoảng cách - Động cơ servo

- Màn hình LCD - Đèn báo

 Tín hiệu đầu vào:

- Nút nhấn tín hiệu khởi động - Nút nhấn nâng hạ

 Vận hành:

- Có sách hướng dẫn vận hành và cài đặt bàn - Gá, gỡ vật liệu thuận tiện, đơn giản, chắc chắn  Quản lý chất lượng:

- Hao mòn 1-3%/năm - Tiếng ổn tạo ra: <50dB - Sản phẩm hoạt động ổn định  Vận chuyển:

- Các bộ phận được tháo rời khi vận chuyển

- Các bộ phận có thể tái sử dụng

Giai đoạn 2: Chuyển đổi dữ liệu định lượng thành dữ liệu định tính và giảm chúng thành

các tuyến bố thiết yếu

 Hình dạng: - Kích thước bàn - Kích thước kệ sách  Động lực học:

- Tốc độ dịch chuyển  Năng lượng:

- Điện áp vào - Điện áp hoạt động - Cường độ dòng điện - Công suất

 Thiết bị điện: - Đèn học - Đèn báo - Cảm biến

16 - Động cơ

- Màn hình  Tín hiệu:

- Tín hiệu nút nhất - Tín hiệu cảm biến - Tín hiệu động cơ - Tín hiệu màn hình - Tín hiệu hệ thống  Vận chuyển:

- Các bộ phận được tháo rời khi vận chuyển - Được đựng trong hộp có bộ phận bảo vệ  Quản lý chất lượng:

- Sản phẩm hoạt động ổn định  Bảo trì bảo dưỡng:

- Dễ dạng bảo dưỡng thay thế - Chính sách bảo hành

 Tái chế:

Giai đoạn 3: Trong mức độ nhất định khái quát lại kết quả bước trước

 Hình dạng: - Kích thước bàn - Kích thước kệ sách  Động lực học:

 Năng lượng:

- Điện áp hoạt động vào, ra - Công suất

17  Thiết bị điện:

- Đèn học - Đèn báo - Cảm biến - Động cơ - Màn hình  Tín hiệu:

- Tín hiệu nút nhất - Tín hiệu cảm biến - Tín hiệu động cơ - Tín hiệu màn hình - Tín hiệu hệ thống  Vận chuyển:

- Vận chuyển lắp đặt dễ dàng  Quản lý chất lượng:

- Sản phẩm hoạt động ổn định  Bảo trì bảo dưỡng:

- Dễ dạng bảo dưỡng thay thế - Chính sách bảo hành

19

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc chức năng tổng thể của bàn học thông minh

b) Các chức năng con:

- Chức năng bảo vệ hệ thống điện

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc chức năng bảo vệ hệ thống điện

20

- Chức năng biến đổi nguồn điện AC thành DC

Hình 2.4: Sơ đồ biến đổi nguồn điện AC thành DC

- Chức năng kiểm soát khoảng cách người dùng

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát khoảng cách người dùng

21 - Chức năng kiểm soát vị trí

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát vị trí

- Chức năng kiểm soát tốc độ

Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát tốc độ

22 - Chức năng cảnh báo ngồi lâu

Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc chức năng cảnh báo ngồi lâu của bàn thông minh

- Chức năng điều khiển từ xa:

Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc chức năng điều khiển từ xa của bàn thông minh

điện

Chống ngắn mạch

Truyền động

Bánh răng-thanh răng

Bộ điều khiển PLC

trí

Đo vị trí

Cảm biến tiệm cận

Công tắc hành trình

Cảm biến laser

α

Động cơ điện STEP

Động cơ Servo

Động cơ điện xoay chiều

13 Các nút điều khiển

Công tắc nhấp nhả

Công tắc tự dữ

Nút nhấn cảm ứng

cảm biết khoảng

cách

Cảm biến laser

Cảm biến hồng ngoại

cảm biến khoảng

cách

Cảm biến laser

Cảm biến hồng ngoại

19

Bộ đếm thời gian

số

Nhập liệu

Nút bấm

Màn hình cảm ứng

25 23 Nguồn dự phòng

chọn ra tương ứng màu xanh α (biến thể 1), màu cam β (biến thể 2) và màu đỏ ɣ (biến thể 3) Qua đó ta có thể đi đến xét tính khả thi của các biến thể vừa quy định

26

Trong cây mục tiêu bao gồm những tiêu chí đặt ra cho biến thể Trong các tiêu chí

lớn có những tiêu chí nhỏ hơn được đặt ra Số điểm bên trái (w) là độ quan trọng của tiêu chí đó với tiêu chí lớn hơn, số điểm bên phải (wt) là độ quan trọng của

thể 1

Biến thể 2

Biến thể 3

1

Hệ thống điện hoạt động an toàn

ổn định

Bảo vệ hệ thống điện

Chống ngắn

Ngắt điện khi

chập 0.025 0.005 0.022 0.004 Chống sụt áp 0.03 0.004 0.018 0.006

2

Khả năng bảo vệ sức khỏe người

dùng

Cảnh bảo ngồi quá gần,

quá lâu

Cảm biến 0.05 0.018 0.031 0.032 Hiển thị 0.08 0.076 0.004 0.012 Cảnh báo 0.03 0.027 0.007 0.007

Hệ thống chiếu sáng,

nâng hạ

Thiết bị 0.06 0.054 0.009 0.002 Dẫn động 0.09 0.044 0.037 0.049 Di chuyển 0.05 0.041 0.006 0.031

3

Màn hình giao diện thân thiện, dễ

Lựa chọn các chế độ

Hiển thị 0.07 0.068 0.016 0.063 Nút nhấn 0.06 0.054 0.009 0.006

27 sử dụng,

thông minh Tương tác với người

dùng

Đèn báo 0.025 0.019 0.012 0.01 Âm báo 0.015 0.004 0.001 0.007 Dễ dàng sử dụng 0.05 0.019 0.001 0.024 Thiết bị điều khiển không

4

Độ bền tốt, sửa chữa thay thế dễ

dàng Bảo hành thuận

tiện

Thiết bị tháo lắp dễ dàng 0.02 0.004 0.014 0.006 Module thay thế dễ dàng 0.05 0.007 0.011 0.032 Đầy đủ tài liệu hướng dẫn sử

dụng, thao tác tối giản 0.03 0.007 0.02 0.004

thiết kế cụ thể

28

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CỤ THỂ 3.1 Thiết kế sơ bộ

Nguyên lí hoạt động

Bàn học thông minh bao gồm nhiều module chức năng hoạt động độc lập hoặc đồng thời Nên để phân tích nguyên lý hoạt động chúng ta sẽ phân tích nguyên lý theo từng chức năng Đầu tiên về chức năng nâng hạ, khi ta ấn vào nút nâng lên hoặc hạ xuống, tín hiệu sẽ được chuyển tới bộ xử lý trung tâm để tính toán lượng xung cần phát ra để điều khiển động cơ servo quay với lượng vòng nhất định ứng với khoảng cách muốn di chuyển Thông qua bộ dẫn động thanh răng bánh răng sẽ nâng bàn lên hoặc xuống chính xác Tiếp theo tới chức năng cách bảo khoảng cách phù hợp, cảm biến khoảng cách sẽ được đặt sẵn 1 khoảng nhận diện khi người cúi quá thấp sẽ kích hoạt tín hiệu cảm biến, tín hiệu được chuyển tới bộ xử lý trung tâm sẽ phát tín hiệu tới đèn cảnh báo

Về chức năng hiển thị trên màn hình, trong quá trình xử lý các tác vụ hoặc cảnh báo, màn hình nhận tín hiệu từ bộ xử lý để hiện thị các nội dung về mặt giải thích hoặc con số để người sử dụng dễ hàng hơn khi thao tác Các thiết bị còn lại hầu hết là module tích hợp chỉ cần bật tắt bằng tay hoặc hẹn giờ thông qua bộ xử lý trung tâm Ngoài ra bộ xử lý trung tâm sẽ được tích hợp module wifi để có thể dễ dàng gửi thông báo hoặc điều khiển qua lại với các hệ thiết bị có sẵn trong gia đình

29

Tạo sơ đồ hệ thống

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí hình học

30

Nhóm chức năng

Hình 3.2: Nhóm chức năng

31

Bố trí hình học

Hình 3.3 Bố trí hình học

32

Xác lập các layout thô và 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 bàn học thông minh 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:

Hình 3.4: Sơ đồ bố trí nhóm thiết kế

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:

33

Bảng 3.1 Bảng nhiệm vụ các nhóm

Việc thiết kế và định hình sản phẩm bàn học thông minh đòi hỏi qua nhiều khâu và các quy trình khác nhau từ đó đưa ra được sản phẩm hoàn thiện đáp ứng nhu cầu thị trường và mục tiêu thiết kế ban đầu Quy trình mô tả quá trình này được thực hiện theo sơ đồ tổng quát như sau:

chuyển động

 Điều chỉnh tốc độ động cơ  Chuyển đối điện-cơ  Dẫn động nâng hạ

34

Hình 3.5: Quy trình chế tạo bàn học thông minh

35

Bản vẽ lắp kết cấu bàn học thông minh

Qua quá trình xác định layout sơ bộ bản vẽ lắp bàn học thông minh được xây dựng dựa trên bố trí trí không gian thiết kế sao cho phù hợp:

Hình 3.7 Mặt bàn

37  Chân bàn

Chân bàn là một chi tiết rất quan trọng vì chịu tải trọng của cả kết cấu Ngoài ra còn có tính năng nâng hạ bằng điện nên hệ thống khá phức tạp Vật liệu được nhóm lựa chọn chủ yếu là nhôm để dễ dàng cho việc gia công, ngoài ra một số chi tiết đặc biệt phải chịu tải như bánh răng thanh răng sẽ được làm bằng thép C45 và được nhiệt luyện để tăng độ thêm độ cứng Hệ thống chân bàn này sẽ sử dụng hệ thống dẫn động thanh răng bánh răng để nâng hạ mặt bàn Ngoài ra ở dưới đế chân còn được gấn thêm những đệm mút cao su để tăng độ bám dính trên bề mặt sàn nhà

Hình 3.8 Chân bàn

38  Động cơ

Động cơ được nhóm lựa chọn là động cơ servo loại có phanh Để tăng độ chính xác khi di chuyển nâng hạ và có phanh để có thể khóa cứng lại sau khi đã di chuyển tới vị trí cần thiết, tăng tính an toàn cứng vững cho toàn kết cấu

Hình 3.9 Động cơ

39  Đèn học

Nhóm lựa chọn đèn học chống cận, với khả năng chống nháy chớp ánh sáng như các loại đèn thông thường Đèn còn có thể dễ dàng thay đổi độ cao với hệ thống cơ khí linh hoạt Trên thân đèn cũng có màn LED để hiện thị một số thông tin giúp thuận tiện hơn cho người sử dụng Với công nghệ chống chói lòa và ánh sáng phân bố đều ổn định sẽ giúp bảo vệ tốt nhất cho mắt của người sử dụng

Hình 3.10.Đèn học

40

Hình 3.11: Mô hình sản phẩm bàn thông minh trên Solidworks

Hình 3.12: Mô hình sản phẩm bàn thông minh trên Solidworks

Cảm biến

Nút nhấn

Arduino

Driver