đèn gấp gọn hai bậc tự do đèn gấp gọn tự do

Với các loại động cơ điện nhỏ có thể được tìm thấytrong các thiết bị như tủ lạnh, quạt điện, máy giặt, điều hòa… Các loại động cơđiện lớn được sử dụng trong hoạt động của thang máy, các

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN II Thiết kế đèn gấp gọn hai bậc tự do

Hà Nội, tháng 3/2023

Chương 1: Giới thiệu 2

I Đặt vấn đề 2

II Các cơ cấu cấu thành 3

III Phân tích, tính toán và chọn kết cấu 3

IV Lựa chọn vật liệu 5

Chương 2: Xây dựng phần cứng 5

I Tính chọn động cơ 5

II Lựa chọn động cơ 5

1 Tổng quan về động cơ 5

Phân loại động cơ Servo 14

2 Chọn động cơ 15

So sánh Step motor và Servo motor 16

Thông số kỹ thuật 17

Mô tả sản phẩm 18

Thông số kỹ thuật 19

III Thiết kế khung cơ khí 19

IV Board điều khiển 22

1.MCU AT89C51 22

2.Mạch nguồn 23

3.Toàn bộ mạch điều khiển 24

Chương 3: Kết quả thực nghiệm 25

1 Kết quả thiết kế phần cứng 25

2 Kết quả thực hiện đề tài 25

3 Hướng phát triển và vấn đề chưa hoàn thành 25

Phụ lục 26

Chương 1: Giới thiệu

I Đặt vấn đề.

Ngày nay, khi nói đến Robot thường ta hay hình dung ra một cơ chế máy móc tương tự con người, có khả năng sử dụng công cụ lao động để thực hiện các công việc thay cho con người, thậm chí có thể tính toán hay có khả năng hành động theo

ý chí

Trong thực tiễn kỹ thuật, khái niệm Robot hiện đại được hiểu khá rộng, mà theo đóRobot là “tất cả các hệ thống kỹ thuật có khả năng cảm nhận và xử lý thông tin cảm nhận được, để sau đó đưa ra hành xử thích hợp” Theo cách hiểu này, các hệ thống xe tự hành, hay thậm chí một thiết bị xây dựng có trang bị cảm biến thích hợp như Camera, cũng được gọi là Robot Các khái niệm như Hexapod, Parallel Robot, Tripod, Gait Biped, Manipulator Robocar hay Mobile Robot nhằm chỉ vào các hệ thống Robot không còn gắn liền với các hình dung ban đầu của con người Trong nội dung đồ án chỉ nhằm vào đối tượng là một thiết bị tay máy (Handling Equipment) thực chất là một dạng robot Công nghệ tay máy (Handling

Technology) là công nghệ của dạng thiết bị kỹ thuật có khả năng thực hiện các chuyển động theo nhiều trục trong không gian, tương tự như ở con người Về cơ bản có thể phân thiết bị tay máy (hình 1.1) thành 2 loại chính : Điều khiển (ĐK) theo chương trình hay ĐK thông minh :

+ Loại ĐK theo chương trình gồm 2 họ:

• Chương trình cứng : Các thiết bị bốc dỡ, xếp đặt có chương trình hoạt động cố định Ta hay gặp họ này trong các hệ thống kho hiện đại Chúng có rất ít trục chuyển động và chỉ thu thập thông tin về quãng đường qua các tiếp điểm hành trình Ta không thể ĐK chúng theo một quỹ đạo mong muốn

• Chương trình linh hoạt : Là họ Robot mà người sử dụng có khả năng thay đổi chương trình ĐK chúng tuỳ theo đối tượng công tác Ta hay gặp chúng trong các công đoạn như hàn, sơn hay lắp ráp của công nghiệp Ôtô Trong hình 1.1 ta gọi là Robot công nghiệp

+ Loại ĐK thông minh có 2 kiểu chính :

• Manipulator: Là loại tay máy được ĐK trực tiếp bởi con người, có khả năng lặp lại các chuyển động của tay người Bản chất là dạng thiết bị hỗ trợ cho sự khéo léo,cho trí tuệ, cho hệ thống giác quan (Complex Sensorics) và kinh nghiệm của người

sử dụng Hay được sử dụng trong các nhiệm vụ cần chuyển động phức hợp có tính chính xác cao, hay môi trường nguy hiểm cho sức khoẻ, môi trường khó tiếp cận v.v

• Telemanipulator: Là loại Manipulator được điều khiển từ xa và người ĐK phải sửdụng hệ thống Camera để quan sát môi trường sử dụng Theo tiêu chuẩn châu Âu EN775 và VDI 2860 của Đức có thể hiểu “Robot công nghiệp là một Automat sử dụng vạn năng để tạo chuyển động nhiều trục, có khả năng lập trình linh hoạt các chuỗi chuyển động và quãng đường (góc) để tạo nên chuyển động theo quỹ đạo Chúng có thể được trang bị thêm các ngón (Grippe), dụng cụ hay các công cụ gia công và có thể thực hiện các nhiệm vụ của đôi tay (Handling) hay các nhiệm vụ giacông khác”

Như vậy, sản phẩm đèn tự gấp chính là một dạng Manipulator khi mà nó chỉ cần yêu cầu hoạt động với một chương trình, quỹ đạo nhất định cho trước

II Các cơ cấu cấu thành.

Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khí, thuỷ khí hoặc điện khí: là bộ phận chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch các khớp động

Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông tin đặt trước hoặc nhận biết trong quá trình làm việc

III Phân tích, tính toán và chọn kết cấu

Yêu cầu đặt ra là có thể cung cấp đủ ánh sáng trên bàn làm việc và đối tượng sửdụng được hướng đến là thanh thiếu niên Khoảng cách tối thiểu từ mắt đến mặtbàn là 30cm, chiều cao trung bình của thanh niên Việt Nam 164cm, theo khuyếnnghị của các chuyên gia thì độ cao phát sáng phù hợp khoảng 35-40cm Đấy cũng là chiều cao của đèn dự kiến

Chuyển động của đèn chỉ cần trong một mặt phẳng, với một bậc tự do để xác định chiều cao của đèn, một bậc tự do để xác định độ hướng sáng Do đó số bậc

tự do tối thiểu mà chiếc đèn cần là 2 bậc tự do

Hình vẽ dưới đây là phương án thiết kế và cấu trúc khớp:

Với phương án thiết kế này ta thấy rằng nó là kết cấu đơn

giản nhất mà vẫn đạt đủ yêu cầu đưa ra

- Cơ cấu được nằm trên một mặt đế giúp cố định cân bằng

cho cơ cấu đồng thời là nơi chứa mạch điều khiển và bộ

nguồn

- Khớp 1 là khớp xác định chiều cao đèn đồng thời cũng

là phần thân đèn Vị trí đặt ra là vuông góc với mặt đế giúp tiết kiệm khônggian và tạo tính thẩm mỹ Phần truyền động thông qua hệ thống bánh rănggiúp tăng momen và ổn định hơn cho chuyển động

- Khớp 2 là khớp chứa phần led chiếu sáng, chuyển động vẫn là chuyển độngquay Truyền động trực tiếp từ động cơ tránh cồng kềnh cho phần trên gâymất cân bằng

Từ phương án thiết kế đề ra ở trên, ta có cơ

khấu cơ khí dự kiến như trên:

- Phần đế có dạng hình hộp chữ nhật, dài 300mm, rộng 50mm, cao 56mm

Ở giữa là phần rỗng dùng để chứa hai khớp khi thu lại

Mạch điều khiển, pin, động cơ một được giấu bên trong hộp đế

- Khớp thứ nhất có chiều dài 250mm có hình thuôn dài

Bên trong là đường dây điện cấp nguồn cho mạch led và động cơ thứ haiĐộng cơ thứ hai được để ở đỉnh của khớp này

- Khớp thứ hai có chiều dài 210mm có hình dẹt là nơi chứa mạch led

IV Lựa chọn vật liệu

Với yêu cầu đặt ra là trọng lượng phải nhẹ, tính gọn nhẹ cao, cùng với việc đèn

là một đồ gia dụng thì phương án em lựa chọn là sử dụng chất liệu nhựa mica

để làm nên thân đèn Nhựa là một loại vật liệu rẻ tiền, trọng lượng nhẹ, dẻo, khảnăng cách nhiệt cách điện tốt, dễ gia công chế tác và phun màu Do đó chất liệu nhựa là phương án tối ưu nhất cho sản phẩm

Như đã trình bày ở phần trước, vỏ của sản phẩm sử dụng chất kiệu nhựa mica cótrọng lượng nhẹ Động cơ ở đây yêu cầu phải nhỏ gọn, có thể nằm trong cánh tay

lượng điện sang dạng năng lượng cơ Các loại động cơ có thể kể đến như: động cơđốt trong và động cơ điện.

Động cơ điện là máy điện có thể chuyển đổi điện năng thành cơ năng Hầu hết cácloại động cơ điện hoạt động dựa trên hiệu ứng điện từ Tuy nhiên có một số ít động

cơ hoạt động theo hiệu ứng áp điện Đây thường là các động cơ cỡ nhỏ hoặc rấtnhỏ

Ngày nay, cùng với sự phát triển của nhiều lĩnh vực công nghệ, công nghiệp động

cơ được sử dụng phổ biến hơn Với các loại động cơ điện nhỏ có thể được tìm thấytrong các thiết bị như tủ lạnh, quạt điện, máy giặt, điều hòa… Các loại động cơđiện lớn được sử dụng trong hoạt động của thang máy, các hệ thống thông gió.Động cơ điện còn được sử dụng trong các phương tiện vận chuyển đặc biệt là đầu

xe lửa Các loại động cơ điện phổ biến nhất hiện nay có thể là: động cơ điện khôngđồng bộ, động cơ đồng bộ, động cơ điện xoay chiều một pha và ba pha…Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động(rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu Khi cuộn dâytrên rotor và stato được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường, sựtương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanhtrục hay 1 mômen

Phân loại động cơ điện:

1 Động cơ không đồng bộ

2 Động cơ đồng bộ

3 Động cơ điện xoay chiều

4 Động cơ điện một chiều

1 Động cơ điện một chiều kích thích bởi nam châm vĩnh cửu

2 Động cơ điện một chiều kích thích bởi dòng điện

Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảmbiến điện từ có tốc độ quay của roto n khác với tốc độ quay từ trường(n < n1).Máy điện không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stato (sơ cấp) với lưới điện tần

số không đổi, dây quấn roto (thứ cấp) Dòng điện trong dây quấn roto được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số phụ phụ thuộc vào roto, nghĩa là phụ thuộc vào tải trên trục của máy

Cũng như các máy điện khác, máy điện không đồng bộ có tính thuận nghịch, có nghĩa là có thể làm việc ở chế độ động cơ điện hoặc máy phát điện

Động cơ không đồng bộ là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rotor chậmhơn so với tốc độ quay của từ trường Stator.Ta thường gặp động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc vì đặc tính hoạt động của nó tốt hơn dạng dây quấn

Stator được quấn các cuộn dây lệch nhau về không gian (thường là 3 cuộn dây lệchnhau góc 120°) Khi cấp điện áp 3 pha vào dây quấn, trong lòng Stator xuất hiện từtrường Fs quay tròn với tốc độ n1=60*f/p, với p là số cặp cực của dây quấn Stator,

f là tần số

Từ trường này móc vòng qua Rotor và gây điện áp cảm ứng trên các thanh dẫn lồng sóc của rotor Điện áp này gây dòng điện ngắn mạch chạy trong các thanh dẫn Trong miền từ trường do Stator tạo ra, thanh dẫn mang dòng I sẽ chịu tác độngcủa lực Bio-Savart-Laplace lôi đi Có thể nói cách khác: dòng điện I gây ra một từ trường Fr (từ trường cảm ứng của Rotor), tương tác giữa Fr và Fs gây ra momen kéo Rotor chuyển động theo từ trường quay Fs của Stator

Phân loại động cơ không đồng bộ:

Theo kết cấu của vỏ: chia thành kiểu kín, kiểu hở, kiểu bảo vệ…Theo kết câu của roto: kiểu roto lồng sóc và dây dẫn.

Theo số pha trên dây quấn stato: loại 1 pha, 2 pha hoặc 3 pha

Đặc điểm cấu tạo:

Động cơ không đồng bộ có một thành phần quay (rotor) được mô phỏng như kiểu lồng sóc

Cái lồng sóc này gồm nhiều thanh nhôm hoặc thanh đồng nối với nhau bằng 2 vòng dẫn điện ở 2 đầu làm các thanh gắn mạch hoàn toàn với nhau Phần lõi của rotor được làm bằng thép

Ngoài động cơ không đồng bộ có sử dụng lồng sắt thì còn có nhiều loại

sử dụng cuộn dây nhằm giảm bớt dòng khởi động của động cơ nhờ vào các điện trở được đấu nối tiếp vào mỗi cuộn dây

Phần Stator của động cơ là phần đứng yên trong động cơ được nối với nguồn điện xoay chiều AC để tạo ra dòng điện chạy bên trong nó.Cuộn dây stato bên trong cũng tương tự như động cơ đồng bộ Đó là dấu hiệu cho một số cực cụ thể của một rôto lồng sóc hoặc một rôto dây quấn

có thể được sử dụng Trong rôto lồng sóc, các thanh rôto cũng được ngắn mạch vĩnh viễn cùng với các vòng cuối Trong rôto dây quấn, cuộn dây cũng bị ngắn mạch vĩnh viễn, do đó lúc này sẽ không cần vòng trượt

B.Động cơ điện đồng bộ

Đây là loại động cơ mà tốc độ quay của roto bằng với tốc độ quay của từ trường.Trong đó, tốc độ quay của roto được xác định bằng: (60 x f)/n Các ký hiệu củacông thức là:

f: tần số của dòng điện xoay chiều đầu vào Đơn vị đo là Hz

n: số cực cặp từ

Đơn vị đo tốc độ quay của roto là rpm – vòng/ phút

Phân loại động cơ điện đồng bộ:

Theo số pha: loại máy đồng bộ 1 pha và ba pha

Theo công suất: máy đồng bộ có công suất nhỏ, trung bình và lớn.Theo cấu tạo của roto: máy đồng bộ cực lồi và cực ẩn

Theo chức năng người ta phân thành: máy phát;động cơ; máy bù đồng bộ.Cấu tạo: máy điện đồng bộ cũng như máy điện khác,gồm có 2 phần: phần quay,và phần tĩnh.Cuộn kích từ có thể đặt ở roto hoặc stato nhưng do khó khăn về gia công (do sử dụng nhiều tiếp xúc điện như: chổi than,vành trượt ) nên phần lớn các máy đồng bộ có cuộn kích từ đặt ở roto,chỉ một số trường hợp đặc biệt thì cuộn kích từ mới đặt ở stato (khi đó phần cảm lại là phần tĩnh (stato),còn roto đóng vai trò là phần ứng)

Stato: gồm vỏ lõi và dây quấn

vỏ làm bằng thép đúc,có nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và cùng với tấm chắn để bắt chặt tất cả các phần khác vào máy.Trên vỏ có gắn biển máy

Lõi stato: được chế tạo hoàn toàn giống như lõi stato của máy điện dị bộ dâyquấn phần ứng như dây quấn 3 pha (stato,hay roto) của máy điện dị bộ.Roto: nếu phần quay là phần cảm (đặt cuộn kích từ) thì nó gồm: lõi và dây quấn.Trong trường hợp này roto có hai loại: cực lồi và cực ẩn

Loại cực lồi: thì trục ngang (q) vuông góc 90 độ với trục dọc.Dây quấn đượcquấn xung quanh cực từ Ở máy lớn thì trên cực còn xẻ rãnh để đặt cuộn ổn định (MF) hay cuộn khởi động (ĐC).Ở máy cực hiện thì tốc độ quay thấp (nếu cao sẽ không đảm bảo độ bền cơ khí)

Loại cực ẩn: người ta xẻ rãnh ở 2/3 chu vi roto khi đó trục của rãnh lớn gọi

là trục dọc (d).Rôto của loại cực ẩn thường làm bằng thép chất lượng cao để đảm bảo lực ly tâm (vì cực ẩn thường có số cặp cực p bằng 1 nên vòng dây quay lớn) khi tốc độ lớn

Ngoài ra,trên roto còn đặt vành trượt và chổi than

Sự phân bố cảm ứng từ trong khe khí phụ thuộc vào hình dạng phần cuối củacực từ.Vậy nên khe khí trong máy cực lồi sẽ được chế tạo như sau: độ rộng khe khí sẽ được sẽ được tăng dần theo chiều rộng của mặt cực

Khe khí của máy đồng bộ lớn hơn nhiều so với máy dị bộ vì ở máy di bộ khekhí phải giảm nhỏ để giảm dòng không tải Khe khí máy đồng bộ khoảng 0,5- 5mm

C.Động cơ bước

Động cơ bước hay còn gọi là Step Motor là một

loại động cơ chạy bằng điện có nguyên lý và ứng

dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông

thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ

dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng

các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển

động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có

khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết Loại

động cơ này không hoạt động dựa trên cơ chế từ

trường, chúng quay theo từng bước và có độ chính

xác rất cao Động cơ này làm việc dựa vào các bộ

chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và tần

số nhất định Tổng số góc quay của roto được xác định là tương ứng với số lần chuyển mạch Chiều quay và tốc độ quay của roto cũng bị phụ thuộc vào tần số và thứ tự chuyển đổi

Về cấu tạo động cơ bước gồm có các bộ phận là stato, roto là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính Động cơ bước được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài Động cơ bước và bộ điều khiển được thiết kế sao cho động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như quay đến một vị trí bất kỳ nào

Đặc điểm động cơ bước:

Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau Khi có dòng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động

cơ bước làm cho roto của động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động cơ

Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển động cơ bước.

Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần số xung cực đại

có thể mở máy mà không làm cho roto mất đồng bộ

Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây

Nói chung động cơ bước là một loại động cơ mà bạn có thể quy định được góc quay của nó

Ví dụ một động cơ bước 1,8 độ/bước quay hết 1 vòng 360 độ thì mất 200 bước (gọi là FULL STEP) Các chế độ quay nhiều xung thì động cơ quay sẽ êm hơn

Ở Việt Nam thì người ta hay dùng là động cơ 200 step

Việc phân loại động cơ Step cũng có thể chia thành nhiều cách

Cách 1: Phân loại động cơ Step theo số pha động cơ

– Động cơ Step 2 pha tương ứng với góc bước 1.8 độ

– Động cơ Step 3 pha tương ứng với góc bước là 1.2 độ

– Và cuối cùng là động cơ Step 5 pha với góc bước là 0.72 độ

Cách 2: Phân loại động cơ bước theo rotor

– Động cơ có rotor được tác dụng bằng dây quấn hoặc nam châm vĩnh cữu.– Động cơ thay đổi từ trở Đây là loại động cơ có rotor không được tác động nhưng

D Các loại động cơ điện xoay chiều

Động cơ điện xoay chiều 1 pha:

Loại động cơ điện này có công suất khá nhỏ, thường không quá và kW trở xuống

Nó sử dụng dòng điện xoay chiều một pha để hoạt động Ứng dụng của nó phổbiến trong sản xuất nhỏ (các dụng cụ cầm tay), trong sinh hoạt (đồ gia dụng, đồđiện) Với ưu điểm là cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ nên nó chỉ cần sử dụng nguồn điện

có hai dây Các loại động cơ điện xoay chiều một pha có thể kể đến là:

Động cơ điện không đồng bộ 1 pha có vòng ngắn mạch (có công suất nhỏhơn 150W)

Động cơ điện không đồng bộ 1 pha sử dụng tụ điện hoặc có vòng dâychập ngược

Động cơ điện vạn năng: roto và stato đều có dây dẫn quấn

Động cơ điện xoay chiều ba pha:

Là động cơ không đồng bộ sử dụng dòng điện xoay chiều ba pha để hoạt động.Động cơ này được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp, quy mô sảnxuất lớn… Nhờ sử dụng dòng điện ba pha với tần số 50 Hz ổn định nên nó đượcứng dụng rát nhiều tring công nghiệp Một số ứng dụng có thể nói đến của động cơđiện ba pha là:

Động cơ máy bơn nước ba pha

Động cơ máy phát điện xoay chiều

Động cơ mô tơ giảm tốc

Động cơ mô tơ kéo.

Hiện nay, động cơ được sử dụng ở hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống Các lĩnhvực nổi bật có thể nói đến như: công nghiệp, máy tính, thiết bị sinh hoạt,… Một sốứng dụng của các loại động cơ trong từng lĩnh vực trên là:

Ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp:

Được ứng dụng trong các phương tiện vận chuyển: đầu xe lửa

Được sử dụng trong việc chế tạo robot

Được ứng dụng vào hệ thống thang máy, hệ thống thông gió

Ứng dụng trong lĩnh vực công nghệ máy tính:

Được dùng trong các ổ cứng, ổ quang Và chúng thường là các loại động

cơ bước rất nhỏ Trong các máy đọc đĩa cũng ứng dụng động cơ điện.Ứng dụng trong các thiết bị sinh hoạt:

Được sử dụng trong các thiết bị gia đình như: điều hòa, máy làm mát, lò

vi sóng,…

Trong các đồ nghề như máy khoan

E.Động cơ servo