thiết kế và chế tạo thiết bị chỉ thị hành trình của cơ cấu chuyển động thẳng bằng vi điều khiển

Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thạch SVTH: Võ Văn Thònh Trang 3 LỜI MỞ ĐẦU Sau 20 năm đổi mới, đất nước chuyển mình thay da khởi sắc. Tình hình kinh tế – chính trò - xã hội từng bước phát triển. Đời sống nhân dân được cải thiện và ngày càng nâng cao. Chúng ta đang tiếp con đường xây dựng tổ quốc giàu mạnh, gia đình ấm no, hạnh phúc bằng sự nổ lực của chính mình. Ở đó, trọng tâm là đẩy nhanh tốc độ công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước . Con người là nguyên khí, là nguồn tài nguyên vô tận của quốc gia, từ lâu đã được Đảng và Nhà nước quan tâm đầu tư, đào tạo. Ngoài việc phổ cập giáo dục, nâng cao dân trí, còn phải tạo ra một lực lượng nồng cốt có đủ điều kiện đức, tài đảm trách nhiệm vụ lớn lao ấy của tổ quốc. Trường Đại học Thuỷ sản là một trong những cơ sở đào tạo cán bộ kỹ thuật đã và đang thực hiện nhiệm vụ thiêng liêng đó. Nhà trường từng bước mở rộng ngành nghề và không ngừng nâng cao chất lượng đào tạo . Là sinh viên chuyên ngành cơ khí động lực, chúng em luôn xác đònh được vai trò, trách nhiệm của một kỹ sư cơ khí tương lai. Đó là công nghiệp hóa hiện đại hóa đi liền với tự động hóa, một lónh vực tuy “cũ với người” nhưng “mới với ta”. Giải thưởng VIFOTEC 2006 tôn vinh Cơ khí tự động cùng với ngành công nghiệp chất xám là hai trong số năm ngành công nghiệp mũi nhọn sẽ đưa nước ta căn bản trở thành nước công nghiệp vào năm 2020 một lần nữa khẳng đònh vai trò, sứ mệnh lòch sử của ngành cơ khí tự động trong bối cảnh hiện nay khi mà cả nước ta đang hướng tới một một sân chơi lớn, sân chơi WTO. Vò thế đó, trách nhiệm đó đã thôi thúc em tiếp tục nghiên cứu, tìm tòi, học hỏi và đó cũng là lý do để em chọn đề tài : “Thiết kế và chế tạo thiết bò chỉ thò hành trình của cơ cấu chuyển động thẳng bằng vi điều khiển” . Đề tài của em bao gồm những nội dung sau: Đặt vấn đề. - Chương 1: Tổng quan về hệ động lực máy. - Chương 2: Cảm biến – Vi điều khiển - Chương 3: Thiết kế và chế tạo. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thạch SVTH: Võ Văn Thònh Trang 4 Kết quả – Thảo luận . Để hoàn thành đề tài đúng tiến độ, ngoài việc phấn đấu hết mình, sự nổ lực của bản thân sẽ là một sự thiếu sót lớn nếu không kể đến sự giúp đỡ tận tình của TS. Nguyễn Thạch, Thầy Nguyễn Tiến Dũ-Trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ phần mềm, các thầy trong xưởng cơ khí, hội đồng giám khảo. Xin các thầy nhận ở em lòng biết ơn sâu sắc và những lời cảm ơn chân thành nhất. Kính chúc mọi người cùng gia quyến được dồi dàu sức khỏe, hạnh phúc và thành đạt. Nha Trang, ngày 1 tháng 6 năm 2006. Sinh viên thực hiện Võ Văn Thònh PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thạch SVTH: Võ Văn Thònh Trang 5 ĐẶT VẤN ĐỀ Hàng trăm năm qua, loài người đã trải qua biết bao cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật lớn nhỏ, cho ra đời những công nghệ mới, vật liệu mới nhằm cải thiện đời sống con người theo chiều hướng tốt hơn. Ngành động cơ cũng không phải là một ngoại lệ. Cũng trong thời bối cảnh đó, lòch sử đã chứng kiến sự ra đời của nhiều loại động cơ, với nhiều tính năng ưu việt, mẫu mã hợp lý. Tuy nhiên, sự phát triển của ngành cũng chỉ ở mức đấy. Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và công nghiệp điện tử, các nhà khoa học đã đưa hướng nghiên cứu theo một chiều hướng khác, đó là kết hơp giữa ba lónh vục Cơ – Điện – Tin. Với hướng phát triển đó, sức lao động của con người dần được giải phóng, máy móc sẽ là công cụ hỗ trợ đắc lực cho con người trong công cuộc khai thác nguồn tài nguyên thiên nhiên, phục vụ tốt hơn cho nhu cầu của nhân loại. Thực tế đã chứng minh, ngày nay, việc ứng dụng máy tính vào đo lường và điều khiển đã được mở rộng trong lúc giá thành các linh kiện điện tử cũng không cao nên việc ứng dụng nó vào trong sản xuất cũng như trong phòng thí nghiệm được thực hiện nhiều và mang lại không ít kết quả khả quan. Để giảm nhẹ các công việc cho vi xử lý và nâng cao khả năng độc lập của thiết bò ngoại vi, khi không có sự điều khiển từ máy tính mà nó vẫn hoạt động được thì phương pháp tốt nhất là giao công việc quản lý đó cho một vi điều khiển. Khi nào máy tính muốn giao tiếp hay cần điều khiển thì nó chỉ cần ra lệnh qua cổng giao tiếp giữa máy và thiết bò ngoại vi, vi điều khiển sẽ thực thi công việc còn lại và báo kết quả về cho máy tính. Máy tính chỉ việc chờ nhận kết quả gửi về. Thời gian đó giúp cho nó có thể làm được nhiều việc khác mà không phải chỉ đảm nhận một công việc như ban đầu. 1. Mục đích – Yêu cầu : 1.1. Mục đích : “Thiết kế và chế tạo thiết bò chỉ thò hành trình của cơ cấu chuyển động thẳng bằng vi điều khiển”. Muốn thực hiện được yêu cầu trên, cần thực hiện một số công việc sau : PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thạch SVTH: Võ Văn Thònh Trang 6 Ø Khảo sát chức năng vi điều khiển AT89C51. Ø Mua mạch nạp ROM nội cho vi điều khiển AT89C51. Ø Thiết kế mạch giao tiếp giữa vi điều khiển và máy tính ( Đèn LED 7 đoạn) . Ø Viết chương trình giao tiếp giữa vi điều khiển AT89C51 với cảm biến (đếm xung) để xác đònh vò trí và truyền số liệu về cho vi điều khiển. Sau đó AT89C51 xử lý và xuất dữ liệu vừa xử lý xong ra LED 7 đoạn. 1.2.Yêu cầu : Ø Mạch hoạt động phải chính xác. Ø Có thể đếm được hai chiều: tiến, lùi. Ø Khi nạp hay đọc thì phải đọc đúng dữ liệu cần đọc và khi xoá thì phải xoá hết dữ liệu. Ø Chương trình nạp vào phải thực hiện đúng như yêu cầu của bài toán như tính toán, điều khiển, truyền số liệu Ø Mạch phải gọn nhẹ, dễ thực hiện trong các khâu sử dụng, kiểm soát và bảo trì. 2. Phân tích mục đích và yêu cầu của bài toán : Qua phân tích ở phần mục đích và yêu cầu của bài toán, ta thấy xuất hiện một số vấn đề đặt ra cần giải quyết như sau : Ø Phương pháp nạp chương trình cho vi điều khiển: nạp theo cách nào? Nối tiếp hay song song? Dùng máy tính nạp trực tiếp vào ROM hay dùng vi điều khiển để nạp cho vi điều khiển? Ø Mạch thiết kế có chạy độc lập được hay không nếu không có sự can thiệp của máy tính? Ø Chọn vi điều khiển (MicroControler) hay vi xử lý (MicroProcessing) ? Ø Khi vi điều khiển cần giao tiếp với thiết bò ngoại vi thì thành phần tối thiều là gì ?… Để giải quyết yêu cầu của bài toán và trả lời các câu hỏi trên, cần có sự phân tích kỹ về mục đích cũng như yêu cầu của bài toán. Một vấn đề cũng không kém phần quan trong nữa là các loại IC có mặt trên thò trường. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thạch SVTH: Võ Văn Thònh Trang 7 Hiện nay, trên thò trường tồn tại nhiều vi điều khiển và vi xử lý nhưng do yêu cầu của bài toán nên ta cần phải có sự so sánh để làm sao vừa phù hợp với yêu cầu bài toán, vừa thể hiện tính thuyết phục đối với người sử dụng. * Ưu nhược điểm của vi xử lý : - Ưu điểm : + Xử lý nhanh, nhiều chủng loại thực hiện với tốc độ cao. + Thích hợp với các cấu trúc lớn. + Tập lệnh phong phú. -Nhược điểm : + Không thích hợp với mô hình nhỏ. + Không có ROM hoặc RAM trên chip. + Giao tiếp với các thiết bò ngoại vi bò hạn chế, khi cần giao tiếp với thiết bò ngoại vi cần có linh kiện phụ trợ. + Giá thành cao, … * Ưu nhược điểm của vi điều khiển : - Ưu điểm : + ROM và RAM được tích hợp trên chip. + Thích hợp với mô hình nhỏ, nhất là trong lónh vực đo lường và điều khiển. + Giao tiếp với thiết bò ngoại vi rất thuận tiện. +Giao tiếp được với máy tính qua cổng COM hoặc cổng song song. -Nhược điểm : + Không thích hợp với hệ thống lớn. + Tốc độ không cao, … Với những so sánh trên, ta sẽ chọn vi điều khiển họ 51 mà điển hình là con AT89C51 để điều khiển mạch chỉ thò. Ngoài ra, vì dùng vi điều khiển nên Board có thể chạy độc lập mà không cần có sự can thiệp của máy tính. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thạch SVTH: Võ Văn Thònh Trang 8 TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐỘNG LỰC MÁY Việc thiết kế, chế tạo máy đòi hỏi phải giải quyết hàng loạt các vấn đề về động học, kết cấu, điều khiển và động lực học. Khi máy làm việc, nó trở thành một cơ hệ bao gồm Máy – Thiết bò và chi tiết máy. Các chi tiết máy được chế tạo ra có độ chính xác cao hay thấp? Máy làm việc êm hay rung? Tuổi thọ máy tăng hay giảm? Tất cả đều có liên quan mật thiết đến hiện tượng động lực học, thể hiện qua các quá trình động lực trong hệ động lực máy. Hệ động lực gắn liền với một máy cụ thể. Khi nói tới máy nào thì ta đi xét hệ động lực của máy đó. Ví dụ: khi nghiên cứu máy bào ngang thì ta có hệ động lực của máy bào ngang, máy đốt trong thì ta có hệ động lực của máy đốt trong Đối với một kỹ sư cơ khí, việc tính toán, thiết kế bắt đầu từ việc nghiên cứu hệ động lực là yêu cầu cần thiết. Trong luận văn, em xin được trình bày một cách chung nhất về hệ động lực qua hai vấn đề, đó là : Hệ động lực máy đốt trong – Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền . Hệ động lực máy công cụ . Là một sinh viên cơ khí, nhất là bộ môn động lực chắc chắn rằng không ai trong chúng ta chưa từng sử dụng tới ít nhất là một trong hai loại máy này. Hơn nữa, trong cả hai loại trên ít nhiều cũng đều có liên quan tới một cơ cấu rất quan trọng trong ngành cơ khí, đó là cơ cấu chuyển động tònh tiến và cũng là đối tượng nghiên cứu của đề tài . 1.1. Hệ động lực máy đốt trong – Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền. 1.1.1. Động học. 1.1.1.1. Chuyển động của trục khuỷu. Trong tính tốn ta coi chuyển động của động cơ là đều, phương trình chuyển động quay của trục khuỷu có dạng: j =w t Trong đó : PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thạch SVTH: Võ Văn Thònh Trang 9 j - góc quay của trục khuỷu ; w - vận tốc góc của trục khuỷu w = 30 n p n - tốc độ quay của động cơ . [vòng/phút] Hình 1.1 1.1.1.2. Chuyển động của Piston . Hình 1.2 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thạch SVTH: Võ Văn Thònh Trang 10 a. Phương trình chuyển động của piston . S j = DB = OD - OB = OD - (OC + BC) S j = r + l - (r.cosj + l.cosb ) S j = r [(1+ tt l 1 ) – (cosj + tt l 1 cosb)] Trong đó: l tt = r/l : Tỷ số động học thanh truyền . r - bán kính quay của trục khuỷu . l - chiều dài thanh truyền . sin b = l r sin j = tt l sin j cos b = jl 2 2 sin1 tt - Triển khai theo nhị thức Newton, lấy 2 số hạng đầu: jl 2 2 sin1 tt - = 1 - 2 1 jl 2 2 sin tt ĐCD S=2r Sf B D ĐCT f ί l l+r r C O ? Hình 1.3. Suy ra: S j = r(1- cos j + 2 1 jl 2 2 sin tt ) = r[(1-cosj ) + 4 tt l (1 – cos2j)] Hay: S j = r[(1-cos j) + 4 tt l (1 – cos2j)] b. Vận tốc trượt cuả piston . v a = dt dS j = rw(sin jt + 4 tt l sin2jt) = C 0 (sin jt + 4 tt l sin2jt) Vận tốc của piston v a = 0 tại các điểm dừng và có giá trị cực đại : v max = C 0 2 1 tt l + w b j PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thạch SVTH: Võ Văn Thònh Trang 11 Ứ ng với góc quay: j 1 = arccos tt tt l l 4 811 2 ++- và j 2 = 2p - a 1 Để đánh giá mức độ cường hóa của động cơ người ta đưa ra khái niệm vận tốc trung bình của piston (C m ) và được tính theo cơng thức: C m = t S2 = 60 2Sn = 30 Sn (m/s) Trong đó : - t: thời gian thực hiện một hành trình của piston. - S: hành trình của piston. c. Gia tốc của piston . a j = dt dV =w 2 r(coswt + l tt cos2wt) Hay a j = a.coswt +al tt cos2wt Gia tốc của piston tại các điểm dừng có giá trị cực trị nhưng giá trị tuyệt đối của nó khơng bằng nhau: A j = 0 =w 2 r (1 + l tt ) A j = 180 =w 2 r (-1 + l tt ) 1.1.2. Động lực học. a. Khái niệm các lực tác dụng trong hệ thống. Hệ thống chịu tác dụng của các lực: o Áp lực hơi (khí thể) . o Lực qn tính . o Trọng lực của các chi tiết . o Lực ma sát . o Phản lực liên kết của các chi tiết khác . PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thạch SVTH: Võ Văn Thònh Trang 12 Trong các tính tốn sau đây chúng ta chỉ chú ý đến các lực; khí thể, qn tính và phản lực của các chi tiết khác tác dụng lên hệ thống khi chịu các lực trên tác dụng lên nó. i) Áp lực của mơi chất cơng tác (lực khí thể). Áp lực của khí cơng tác được tính bởi cơng thức: p kt = p g - p d Trong đó: p g - áp suất tuyệt đối của mơi chất cơng tác trong xi lanh. p d - áp suất trong khơng gian phía dưới piston . D - đường kính xi lanh . Đường cong biểu diễn lực khí thể và áp suất trong xi lanh theo góc quay trục khuỷu được xây dựng theo biểu đồ cơng chỉ thị. ii) Lực qn tính . Các chi tiết trong cơ cấu gồm : o Nhóm piston - chuyển động tịnh tiến . o Thanh truyền - chuyển động song phẳng . o Trục khuỷu - chuyển động quay . Để đơn giản trong tính tốn, người ta phải phân tích hệ lực qn tính chuyển động song phẳng của thanh truyền thành hai lực đặt : o Tại chốt piston có phương song song với phương chuyển động của piston. o Tại cổ biên của trục khuỷu có phương pháp tuyến với chuyển động của tâm cổ biên. Và khi đó lực qn tính của hệ thống sẽ được quy về hai loại: PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com [...]... chủ yếu là máy, đồ gá, dụng cụ và chi tiết gia công Quá trình làm vi c là f(t) y1 quá trình cắt, quá trình ma sát và quá y2 HỆ ĐÀN HỒI trình trong động cơ y3 Hệ thống đàn hồi và quá trình QUÁ TRÌNH CĂT làm vi c có tác động tương hỗ lẫn y1(t) P nhau và là thành phần cơ bản của hệ thống động lực học máy công cụ QUÁ TRÌNH MA SÁT y2(t) F Sự tác động của quá trình làm vi c vào hệ thống đàn hồi chủ yếu là... độ chuyển động Thường người ta chỉ khảo sát tác động của quá trình làm vi c lên hệ thống đàn hồi Hình sau mô tả bao quát sơ đồ hệ thống động lực máy Sơ đồ này thể hiện tác động của quá trình làm vi c (cắt, ma sát, quá trình trong động cơ) và ngoại lực lên hệ thống đàn hồi, gây ra các chuyển vò (hay biến dạng) tương ứng Lực tác động (P: quá trình cắt, F:quá trình ma sát, M:quá trình trong động cơ) và. .. lời câu hỏi: “Trong động cơ, những chi tiết chuyển động thẳng nào cần có sự tác động của vi điều khiển? ” Đó là: SVTH: Võ Văn Thònh PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Trang 18 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thạch - Chuyển động tònh tiến của tay thước nhiên liệu - Chuyển động tònh tiến của xupap trong cơ cấu phân phối khí - Chuyển động tònh tiến của kim phun trong vòi... cấu phân phối khí - Chuyển động tònh tiến của kim phun trong vòi phun nhiên liệu - Hay Chuyển động tònh tiến của kim ga trong động cơ xăng… Không chỉ có thế, trong thực tế ta còn gặp nhiều cơ cấu chuyển động tònh tiến cần có quá trình tự điều khiển do đòi hỏi của quá trình tự động hoá ở mức cao hoặc giả các cơ cấu cơ khí không còn đủ độ tin cậy chính xác SVTH: Võ Văn Thònh PDF created with pdfFactory... của động cơ, biến đổi ít hơn, động cơ chuyển động ổn địmh hơn SVTH: Võ Văn Thònh PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Trang 15 Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS.Nguyễn Thạch Thứ tự nổ của các xi lanh còn ảnh hưởng đến đặc tính chịu lực của các chi tiết trong động cơ nhất là bộ khung của động cơ và bệ máy Sự truyền tác dụng của các lực lên các bộ phận chính và các ổ đỡ trong động. .. tònh tiến trong động cơ: Động cơ là một tổ hợp các chi tiết chuyển động, gắn kết chặt chẽ với nhau cùng thực hiện một chức năng cụ thể đã được tính toán trước Trong đó, mọi chuyển động của chi tiết này có ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp tới chi tiết khác Vi c nghiên cứu tìm hiểu các chuyển động này là nhiệm vụ hàng đầu của các nhà thiết kế nhằm tìm ra giải pháp và phương án hợp lý Để kết thúc chương... HỒI QUÁ TRÌNH CĂT P F M QUÁ TRÌNH MA SÁT QUÁ TRÌNH TRONG ĐỘNG CƠ Tọa độ y(t) biểu thò sự biến đổi tiết diện lớp cắt, tác động tương hổ của cặp mặt ma sát hoặc tốc độ chuyển động của rô to y1 y1(t) y2 y2(t) y3 y3(t) Hình 1.7 Các tọa độ yi(y1, y2, y3 …) biểu thò tác động ngược của hệ thống đàn hồi trở lại quá trình công tác và làm thay đổi về nguyên tắc các đặc trưng động lực học của máy Tóm lại, vi c phân... trong động cơ được trình bày ở hình trên 1.2 Hệ thống động lực máy công cụ Vai trò của các hiện tượng động lực học trong máy công cụ đã được thấy rõ và nghiên cứu nhiều ở nước ngoài mỗi khi tiến hành thiết kế, chế tạo từ một chi tiết đơn giản cho tới một chiếc máy hoàn chỉnh Ta sẽ lấy một ví dụ cụ thể ở máy công cụ Khi chuẩn bò cho máy làm vi c cần: đònh vò và kẹp chặt phôi, lắp đặt và điều chỉnh dụng... theo góc quay của trục khuỷu và được minh họa trên hình Hình 1.5: Đồ thị biến thiên của mơmen theo góc quay trục khuỷu Đối với động cơ nhiều xi lanh, để nhận được cơng một cách điều hòa ta phải bố trí các xi lanh có thứ tự nổ cách nhau một góc thống nhất, khi hợp các lực tiếp tuyến của xi lanh ta được lực tiếp tuyến tổng tương đương của động cơ Động cơ có nhiều xi lanh biên độ dao động của lực tiếp... lắp đặt và điều chỉnh dụng cụ, khởi động máy và điều khiển cho máy hoặc cụm máy có các chuyển động tương đối để tạo hình bề mặt phôi Trong quá trình làm vi c, các bộ phận của máy chòu tác động của ngoại lực, lực kẹp chặt, lực quán tính, lực phát sinh, Các tác động này ảnh hưởng đến phôi hoặc dụng cụ, làm cho cụm trục chính hoặc cụm bàn dao chuyển vò, tạo ra trong cơ hệ máy có biến đổi nội lực theo thời . cứu, tìm tòi, học hỏi và đó cũng là lý do để em chọn đề tài : Thiết kế và chế tạo thiết bò chỉ thò hành trình của cơ cấu chuyển động thẳng bằng vi điều khiển . Đề tài của em bao gồm những. nhiều vi c khác mà không phải chỉ đảm nhận một công vi c như ban đầu. 1. Mục đích – Yêu cầu : 1.1. Mục đích : Thiết kế và chế tạo thiết bò chỉ thò hành trình của cơ cấu chuyển động thẳng bằng. QUAN VỀ HỆ ĐỘNG LỰC MÁY Vi c thiết kế, chế tạo máy đòi hỏi phải giải quyết hàng loạt các vấn đề về động học, kết cấu, điều khiển và động lực học. Khi máy làm vi c, nó trở thành một cơ hệ bao