THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHÁT MẶT PHẲNG LASER TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SAN PHẲNG MẶT ĐỒNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHÁT MẶT PHẲNG LASER TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SAN PHẲNG MẶT ĐỒNG Họ Tên Sinh Viên: NGUYỄN CHIẾN THẮNG TRẦN SỸ TÙNG Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Niên khóa: 2009-2013 Tháng 06 năm 2013 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHÁT MẶT PHẲNG LASER TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SAN PHẲNG MẶT ĐỒNG TÁC GIẢ NGUYỄN CHIẾN THẮNG – TRẦN SỸ TÙNG Khóa luận tốt nghiệp đệ trình đáp ứng yêu cầu cấp Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử Giáo viên hướng dẫn: KS: ĐÀO DUY VINH PGS.TS: NGUYỄN VĂN HÙNG Tháng 06 năm 2013 i LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất thầy cô Trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt thầy khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ dạy dỗ, giúp đỡ cho chúng em suốt khóa học vừa qua, thầy cô trang bị cho chúng em kiến thức quý báu từ chuyên ngành để giúp ích cho chúng em tương lai sau Chúng em xin bày tỏ biết ơn chân thành thầy cô môn Cơ điện tử, đặc biệt thầy Nguyễn Văn Hùng thầy Đào Duy Vinh, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ chúng em suốt trình làm đề tài tốt nghiệp Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến tất người thân bạn bè giúp đỡ ủng hộ em suốt trình học tập thực đề tài tốt nghiệp Cuối cùng, em xin cảm ơn quý thầy cô hội đồng dành thời gian quan tâm, nhận xét góp ý cho đề tài chúng em Tp.HCM, ngày 10 tháng năm 2013 Sinh viên thực NGUYỄN CHIẾN THẮNG TRẦN SỸ TÙNG ii TÓM TẮT Đề tài “thiết kế, chế tạo thiết bị phát mặt phẳng laser hệ thống điều khiển san phẳng mặt đồng “ Đã thực với kết gồm:  Đã khảo sát thiết bị phát mặt phẳng laser TOPCON  Đã thiết kế, chế tạo thiết bị phát mặt phẳng laser hệ thống điều khiển san phẳng mặt đồng - Cân tự động mặt phẳng laser - Tốc độ quay đèn phát laser 450 vòng/phút - Sai lệch độ nghiêng mặt phẳng laser so với mặt ngang 0,067 % (khảo sát 30 m độ nghiêng mặt phẳng laser so với mặt ngang 20 mm) iii MỤC LỤC Trang tựa i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Mục lục iv Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích đề tài Chương 2: TỔNG QUAN 2.1 Sơ lược hệ thống san phẳng mặt đồng 2.1.1 Sơ lược thiết bị phát laser 2.2 Tìm hiểu tia laser 2.2.1 Giới thiệu phân loại 2.2.2 Mức an toàn laser 2.2.3 Ứng dụng laser 2.3 Sơ lược vi điều khiển PIC 16F877A 2.3.1 Giới thiệu 2.3.2 Chức chân PIC 16F877A 2.4 Sơ lượt truyền vít me – đai ốc 11 2.4.1 Công dụng phân loại 11 2.4.2 Thơng số hình học 13 2.5 Động bước 14 2.5.1 Sơ lược động bước 14 2.5.2 Cấu tạo động bước 14 2.5.3 Hoạt động 14 2.5.4 Ứng dụng 15 2.6 Động DC 16 iv 2.6.1 Giới thiệu động DC 16 2.6.2 Cấu tạo nguyên tắc hoạt động 16 2.7 Giới thiệu phần mềm lập trình vi điều khiển CCS 17 Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18 3.1 Nội dung 18 3.2 Phương pháp nghiên cứu 18 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 19 4.1 Thiết kế phần khí 19 4.1.1 Cấu tạo thiết bị phát mặt phẳng laser 19 4.1.2 Xác định số bậc tự phân tích chuyển động cấu 20 4.2 Tính tốn thiết kế khung 22 4.2.2 Thiết kế đỡ 24 4.2.3 Thiết kế cấu cân 24 4.2.4 Thiết kế phận phát Laser 25 4.2.5 Kết chế tạo 27 4.3 Mạch điều khiển 28 4.3.1 Sơ đồ khối 28 4.4 Chương trình điều khiển 32 4.4.1 Sơ đồ điều khiển 32 4.4.2 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển máy phát laser 33 4.5.Kết khảo nghiệm sơ 34 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 36 5.1 Kết luận 36 5.2 Đề nghị 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 Phụ lục Bảng số liệu thực nghiệm 39 Phụ lục Code cho Pic 16F877A …………………………………….42 v DANH SÁCH CÁC HÌNH TRANG HÌNH Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống san phẳng laser Hình 2.2: Hệ thống san phẳng thực tế Hình 2.3: Cấu tạo thiết bị phát laser Hình 2.4: Đầu phát tia laser Hình 2.5: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC 16F877A Hình 2.6: Bộ truyền vít me – đai ốc 11 Hình 2.7: Mối ren 12 Hình 2.8: Biên dạng ren sử dụng truyền vít me-đai ốc 13 Hình 2.9: Cấu tạo động bước 14 Hình 2.10: Sơ đồ hoạt động động bước 15 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý động bước 15 Hình 2.12: Cấu tạo động DC 17 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị phát laser 20 Hình 4.2: Lượt đồ động cấu chấp hành 22 Hình 4.3: Khung 24 Hình 4.4: Tấm đỡ 25 Hình 4.5: Cơ cấu cân 26 Hình 4.6: Bộ phận phát laser 27 Hình 4.7: Thiết kế khí thiết bị phát mặt phẳng laser 28 Hình 4.8: Sơ đồ hệ thống điện 29 Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 29 Hình 4.10: Cảm biến SDS-139-1280 31 Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 32 Hình 4.12: Sơ đồ điều khiển thiết bị phát laser 33 Hình 4.13: Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển thiết bị phát laser 34 Hình 4.14: Sơ đồ bố trí thực nghiệm 36 vi Chương MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Hệ thống điều khiển san phẳng mặt đồng tia laser áp dụng để san phẳng mặt đồng sau thu hoạch, hệ thống áp dụng thành công số nơi Long An, Bạc Liêu, An Giang, Lâm Đồng, đem lại hiệu kinh tế cho người dân, giúp đỡ tốn thời gian, công sức cho việc gieo trồng, tưới tiêu canh tác, đặc biệt khâu san phẳng mặt đồng trước gieo trồng Tuy nhiên phần lớn thiết bị mua từ nước ngoài, đồng thời việc bảo trì, sửa chửa khó khăn, để góp phần phát triển nội địa hóa hệ thống, phân công giáo viên hướng dẫn chúng em tiến hành thực khóa luận “Thiết kế, chế tạo thiết bị phát mặt phẳng Laser hệ thống điều khiển san phẳng mặt đồng” 1.2 - Mục đích đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị phát mặt phẳng laser, nhằm để phát mặt phẳng laser cung cấp tín hiệu cho thiết bị nhận điều khiển mơ hình san phẳng mặt đồng, góp phần phát triển kỹ thuật bước thay thiết bị ngoại nhập - Ứng dụng kiến thức học ngành điện tử vào thực tế công việc sau Chương TỔNG QUAN 2.1 Sơ lược hệ thống san phẳng mặt đồng Sơ đồ nguyên lý hệ thống san phẳng laser thể hình 2.1 hệ thống thực thể hình 2.2 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống san phẳng laser 1) Máy kéo 2) Thiết bị điều khiển 3) Gàu san 4) Thiết bị nhận laser 5) Thiết bị phát laser Nguyên lý hoạt động hệ thống san phẳng sau: Thiết bị phát laser (5) đặc giá đỡ, phát tia laser tạo thành mặt phẳng laser cố định song song với phương ngang Thiết bị nhận tín hiệu laser (4) lắp cố định cụm gàu san (3) xác định vị trí tương đối gàu san so với mặt phẳng laser hai bánh xe mang gàu san lên vùng đất cao hay xuống vùng đất trũng truyền tín hiệu thiết bị điều khiển (2), sau xử lý, tín hiệu truyền tới hộp phân phối thủy lực để kích đóng mở vị trí van thủy lực lúc dầu đưa từ bơm qua đường ống dẫn đến điều khiển cấu chấp hành (xi lanh thủy lực) Dầu trả thùng làm mát qua phận làm mát dầu, nghĩa máy kéo (1) chạy, cụm gàu san lên vùng đất cao thiết bị phận điều khiển điều khiển cho xi lanh thủy lực xuống làm hạ gàu san để lấy đất, cụm gàu san xuống vùng đất thấp điều khiển cho xi lanh thủy lực đẩy lên, gàu san nâng lên để thả đất Gàu san nâng lên hạ xuống cho vạch chuẩn thiết bị nhận (được cài đặc sẵn) nằm mặt phẳng laser Hình 2.2: Hệ thống san phẳng thực tế 1) Gàu san 2) Thiết bị phát laser 3) Thiết bị nhận laser 4) Thiết bị điều khiển 5) Máy kéo 2.1.1 Sơ lược thiết bị phát laser: Thiết bị phát laser gắn giá đỡ, phát chùm tia laser tỏa xung quanh tạo thành mặt phẳng laser song song với mặt phẳng nằm ngang có bán kính khoảng 400m, tốc độ quay đèn phát laser điều chỉnh từ 300-600 (vòng/phút), đưa Mạch Đơng Lực Mạch Đơng Lực tích hợp chung boar điều khiển, động bước điều khiển qua transitor D882, động xoay phận phát điều khiển qua transitor D882, kích D882 gián tiếp qua opto pc817 4.4 Chương trình điều khiển 4.4.1 Sơ đồ điều khiển Hình 4.12: Sơ đồ điều khiển thiết bị phát laser Bộ phận phát phận cảm biến gắn mặt phẳng cân bằng, cảm biến gửi tín hiệu đến vi điều khiển Vi điều khiển phân tích tín hiệu xác định mặt phẳng cân có cân hay chưa , mặt phẳng cân chưa cân phân tích thêm cảm biến nghiên hướng từ điều khiển cấu chấp hành nâng lên hạ mặt phẳng cân xuống mặt phẳng cân trở vị trí cân ( song song với phương ngang), mặt phẳng cân vị trí cân động DC quay phát tạo mặt phẳng laser song song với phương ngang 32 4.4.2 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển thiết bị phát laser Hình 4.13: Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển thiết bị phát laser 33 Trong đó: CB: cảm biến CTHT: cơng tắc hành trình ĐC xoay: động xoay ĐCB1: động bước ĐCB2: động bước Khi chương trình bắt đầu chạy, vi điều khiển chờ lệnh nút nhấn star, nút star khơng nhấn vi điều khiển khơng làm hết lúc nhấn, nút nhấn star nhấn vi điều khiển đọc tín hiệu từ cảm biến cân ngang Đầu tiên vi điều khiển đọc tín hiệu từ phương X+, tín hiệu nghĩa đỡ không nghiêng theo phương Z+ trục X+ vi điều khiển đọc tín hiệu từ phương X-, tín hiệu nghĩa cân nghiêng theo phương Z+ trục X+, lúc vi điều khiển tiếp tục đọc tiến hiệu từ cơng tắc hành trình phương x trên, tín hiệu =1 nghĩa đai ốc hết hành trình phương X+ lúc vi điều khiển báo hết hành trình trơ lại tiếp tục kiểm tra lại từ đầu ngược lại tiến hiệu từ công tắc hành trình phương x = vi điều khiển tắt động xoay phận phát tắt nguồn đầu phát laser (nếu mở) đồng thời khích cho động bước quay thuận để cân Vi điều khiển tiếp tục trở lại đọc tín hiệu từ cảm biến cân ngang tương tự cho phương lai Khi phương cân vi điều khiển bật nguồn cho động xoay phận phát đầu phát laser hoạt động quay lại kiểm tra tín hiệu từ cảm biến cân ngang Chương trình chỗi hoạt động tuần hoàn khiểm tra cân bằng, cân phát mặt phẳng laser, vi điều khiển dừng lại nút nhấn stop nhấn ngắt nguồn thiết bị phát laser 4.5 Kết khảo nghiệm sơ 34 Hình 4.14: Sơ đồ bố trí thực nghiệm Thiết bị phát mặt phẳng laser Giá đỡ Khi đỡ song song với phương ngang, thiết bị phát mặt phẳng laser (1) phát mặt phẳng laser, đường tia laser song song với phương ngang, tiến hành khảo sát cho máy tự cân để lấy số liệu đo Kết thực nghiệm: - Dựa vào bảng kết số liệu thực nghiệm (phụ lục (trang 38)) ta có: + Thiết bị đo có độ xác 30 m ± 20 mm - Nhận xét: Độ sai lệch độ nghiêng mặt phẳng laser so với mặt ngang Thiết bị phát laser thực tế (TOPCON) Thiết bị phát laser chế tạo 0,003% 0,067% Sai số thiết bị phát laser chế tạo cao so với thiết bị phát laser thực tế Nguyên nhân: sai số lắp ghép phần khung chế tạo 35 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận Đã thiết kế, chế tạo thiết bị phát mặt phẳng laser hệ thống điều khiển san phẳng mặt đồng - Cân tự động mặt phẳng laser - Tốc độ quay đèn phát laser 450 vòng/phút - Sai lệch độ nghiêng mặt phẳng laser so với mặt ngang 0,067 % (khảo sát 30 m độ nghiêng mặt phẳng laser so với mặt ngang 20 mm) 5.2 Đề nghị Các phần thiết bị cần chế tạo lại máy CNC để độ xác cao hơn, nhằm tránh sai số lắp ghép Tiếp tục khảo nghiệm để nâng cao độ tin cậy 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt Lê Cung, 2006 Giáo trình nguyên lý máy Đại học Bách khoa Đà Nẵng, 169 trang Tạ Ngọc Hải, 2006 Bài tập nguyên lý máy Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 247 trang Phan Hiếu Hiền, Trần Văn Khanh, Nguyễn Đức Cảnh, Phạm Duy Lam, 2008 San phẳng mặt ruộng điều khiển tia Laser Trung tâm Năng lượng Máy Nông nghiệp, đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh Nguyễn Hữu Lộc Cơ sở thiết kế máy Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 662 trang Nguyễn Đức Tài, Trương Văn Cường, 2011 Thiết kế, chế tạo mơ hình mơ robot làm việc nhà kính Đại học Nơng Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, 69 trang Trần Minh Lộc, 2011 Nghiên cứu giải pháp thiết bị điều khiển tự động hệ thống san phẳng mặt đồng ứng dụng công nghệ laser mô bề mặt san phẳng (luận văn thạc sĩ) Đại học Nơng Lâm Tp Hồ Chí Minh, 114 trang Tài liệu tiếng Anh Data sheet linh kiện điện tử - Nguồn internet http://www.alldatasheet.com 37 Phụ lục Kết chế tạo Hình 4.15: Thiết bị phát mặt phẳng laser Cơng tắc hành trình S2 Cơng tắc hành trình S1 Động bước phương X Cảm biến Bánh bị động Gương Bánh chủ động Động DC Tấm đỡ 10 Động bước phương Y 11 Path đỡ động bước 12 Mạch điều khiển 13 Đế 38 Bảng số liệu thực nghiệm Trục X Số lần đo Khoảng cách đo (m) Sai lệch (mm) 30 30 10 30 20 30 13 30 10 30 14 30 8 30 17 30 10 30 12 11 30 10 12 30 13 30 14 14 30 15 30 10 16 30 18 17 30 18 30 19 30 20 30 19 21 30 16 22 30 14 39 23 30 24 30 25 30 15 Trục Y Số lần đo Khoảng cách đo (m) Sai lệch (mm) 30 13 30 30 12 30 15 30 30 30 30 12 30 10 30 12 11 30 18 12 30 13 30 19 14 30 14 15 30 18 16 30 17 30 18 30 10 40 19 30 15 20 30 10 21 30 22 30 18 23 30 13 24 30 12 25 30 14 41 Phụ lục Code C cho PIC 16F877A #include #fuses NOWDT,PUT,HS,NOPROTECT #use delay(clock=20000000) void main() { set_tris_d(0b11001111); set_tris_b(0x00); set_tris_c(0xff); while (TRUE ) { if(input(pin_d1)==0) { output_b(0B11111111); output_high(pin_d2); } if(input(pin_d1)==1) { while (TRUE ) { if(input(pin_c4)==1) { if(input(pin_d4)==0) { output_high(pin_d2); 42 delay_ms(20); output_b(0B11110110); delay_ms(5); output_b(0B11111100); delay_ms(5); output_b(0B11111001); delay_ms(5); output_b(0B11110011); delay_ms(5); } } if(input(pin_c5)==1) { if(input(pin_d5)==0) { output_high(pin_d2); delay_ms(20); output_b(0B11110011); delay_ms(5); output_b(0B11111001); delay_ms(5); output_b(0B11111100); delay_ms(5); output_b(0B11110110); delay_ms(5); } 43 } if(input(pin_c6)==1) { if(input(pin_d6)==0) { output_high(pin_d2); delay_ms(20); output_b(0B00111111); delay_ms(5); output_b(0B10011111); delay_ms(5); output_b(0B11001111); delay_ms(5); output_b(0B01101111); delay_ms(5); } } if(input(pin_c7)==1) { if(input(pin_d7)==0) { output_high(pin_d2); delay_ms(20); output_b(0B11001111); delay_ms(5); output_b(0B10011111); delay_ms(5); 44 output_b(0B00111111); delay_ms(5); output_b(0B01101111); delay_ms(5); } } if(input(pin_d7)==0) { output_b(0B11111111); output_low(pin_d3); } if(input(pin_d6)==0) { output_b(0B11111111); output_low(pin_d3); } if(input(pin_d5)==0) { output_b(0B11111111); output_low(pin_d3); } if(input(pin_d4)==0) { output_b(0B11111111); output_low(pin_d3); } 45 if(input(pin_d7)==0) { if(input(pin_d6)==0) { if(input(pin_d5)==0) { if(input(pin_d4)==0) { output_b(0B11111111); output_low(pin_d2); } } } } } } } } 46 ... luận Thiết kế, chế tạo thiết bị phát mặt phẳng Laser hệ thống điều khiển san phẳng mặt đồng 1.2 - Mục đích đề tài: Thiết kế, chế tạo thiết bị phát mặt phẳng laser, nhằm để phát mặt phẳng laser. .. phát mặt phẳng laser hệ thống điều khiển san phẳng mặt đồng “ Đã thực với kết gồm:  Đã khảo sát thiết bị phát mặt phẳng laser TOPCON  Đã thiết kế, chế tạo thiết bị phát mặt phẳng laser hệ thống. .. sát, phân tích thiết bị phát laser TOPCON (ngoại nhập) tìm hiểu nguyên lý hoạt động làm sở thiết kế Thiết kế, chế tạo thiết bị phát mặt phẳng laser hệ thống điều khiển san phẳng mặt đồng 3.2 Phương