Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống máy bắn pháo hoa tự động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG HỮU PHƯỚC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG MÁY BẮN PHÁO HOA TỰ ĐỘNG Chuyên ngành: Kĩ Thuật Cơ Khí Mã số: 60.52.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, 2017 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS-TS Phạm Huy Hoàng Cán PGS-TS Bùi ĐặngTrọng Thiện Cán bộ chấm chấm nhận nhận PGS-TS xét Ngôn xét 1: 2: Hiếu Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM Ngày 06 tháng 01 nãm 2017 Thành phần Hộỉ đồng đảnh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS-TS Nguyễn Hữu Lộc PGS-TS Đặng Thiện Ngôn PGS-TS Bùi Trọng Hiếu PGS-TS Lira Thanh Tùng TS Trương Quốc Thanh Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu cố) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS-TS Nguyễn Hữu Lộc TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ PGS-TS Nguyễn Hữu Lộc ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHÙ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đặng Hữu Phước MSHV: 1570308 Ngày, tháng, năm sinh: 31/03/1987 Nơi sinh: Di Linh, Lâm Đồng Mã số: 60.52.01.03 Chuyên ngành: Kĩ thuật cư khí I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống máy bắn pháo hoa tự động II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thiết lập tốn: Thuật phóng phục vụ thiết kế hệ thống (mơ hình, phương trình toán); Giải toán trường hợp tổng qt, khảo sát tìm mơ hình cho giải pháp số liệu đầu vào hợp lý giải yêu cầu kỹ thuật đặt ra; Chế thử sản phẩm, thử nghiệm sản phẩm đảm bảo tính khả hoạt động tự động hệ thống III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/08/2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHỆM VỤ: 14/12/2016 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PGS-TS Phạm Huy Hoàng Tp HCM, ngày 14 tháng 12 năm 2016 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) PGS-TS Phạm Huy Hoàng TS Trần Anh Son PGS-TS Nguyễn Hữu Lộc LỜI CÁM ƠN Lĩnh vực nghiên cứu vũ khí mang tính chất đặt thù đòi hỏi nhiều nguyên tắc chuyên ngành chặt chẽ Khi thực luận văn này, thân học viên thực kinh nghiệm nghiên cứu kinh nghiêm thực tế để giải triệt để vấn đề khoa học đặt Chính thế, thực luận văn này, bên cạnh nỗ lực thân học viên thực có giúp đỡ nhiệt tình nhiều cá nhân đơn vị Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn PGS-TS Phạm Huy Hồng, Khoa Cơ Khí-Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh chuyên gia Viện Vũ Khí - Tổng Cục CNQP Chính nhờ trợ giúp quý báu đó, mà thân học viên có thêm kiến thức chuyên ngành, tự tin để hoàn thành luận văn cách tốt ngày vững vàng công việc chuyên môn Ngày 14 tháng 12 năm 2016 Học viên thực Đặng Hữu Phước TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ Việc tổ chức bắn chủ yếu 03 phương pháp: bắn pháo hoa tầm thấp tự động điều khiển hỏa thuật; bắn pháo hoa tầm cao điều khiển tay bắn pháo hoa tầm cao tự động điều khiển theo lập trình Các phương pháp tồn số khó khăn chung như: Trận địa bố trí lớn nòng bắn viên đạn; nhân cơng thời gian cho bắn nhiều, chi phí lớn Điều đặt cần thiết cho việc phát triển thêm phương pháp bắn khác, khắc phục phần vần đề tồn nêu Đe tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống bẳn pháo hoa tự động” đời nhằm mục đích Luận văn xây dựng nguyên lý hoạt động tiêu kỹ thuật hệ thống nhằm định hướng cho công tác thiết kế Chế tạo thử nghiệm mơ hình thực nghiệm tỉ lệ 1:2 nhằm đánh giá tính đắn việc lựa chọn nguyên lý hệ thống MASTER’S THESIS ABSTRACT The firework shows are mostly launched in three ways: low-attitude automatic thing system by pyrotechnic, high-attitude manual thing system and high-attitude automatic firing system by programmable devices In those methods, there are some difficulties: setting place is large because each gun barrel fire one fhework; many people, much time and high cost for a firework show These problems establish the necessary for producing a different firing method that will deal with them Project “Research, design and produce Automatic Reload Firing System ” was implemented for fitting with that purpose This thesis was build operating principle and technical targets of the system for design orientation Produce and experiment model is design with scale 1:2 to verify the correct result of calculations, designs and production of the system LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN Những kết nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực, tơi, khơng vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Neu sai, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật Tác giả Đặng Hữu Phước MỤC LỤC MỞ ĐẦU Thành phố Hồ Chí Minh nối riêng nước nối chung, bắn pháo hoa vào dịp lễ lớn thường xuyên phả biến, trở thành ăn tỉnh thần độc đảo cho quần chứng nhân dân Việc tổ chức bắn chủ yếu 03 phương pháp: bắn pháo hoa tầm thấp tự động điều khiển hỏa thuật; bắn pháo hoa tầm cao điều khiển tay bắn pháo hoa tầm cao tự động điều khiển theo lập trình Các phương pháp cho độ tin cậy bắn có khó khăn khâu triển khai thu dọn ngồi thao trường; đòi hỏi nhiều nhân công điều kiện không thuận 1ỢỈ.ĐỈỠU đặt cần thiết cho việc phát triển loại thiết bị giải vần đề tồn nêu trên: thao tác chuẩn bị sẵn sàng nơi tập kết, động triển khai sử dụng nhanh chống, hiệu quả, an toàn thu dọn xử lý nhanh sau bắn Sau nghiên cứu máy tự động loại vũ khí, đặc biệt loại vũ khí cần cố tốc độ bắn cao Điển hình cho loại vũ khí Mini gun, pháo Vulcan v.v Máy tự động chúng cố khối quay nhiều nòng nhiều buồng đạn, nạp đạn tự động cấu cam thùng Từ mơ hình hoạt động hệ thống máy tự động chứng ta cố thể áp dụng vào hệ thống tương tự; mà luận văn chọn ứng dụng vào xây dụng hệ thống bắn phao hoa tự động nạp đạn cấu cam thùng Đề tài “Nghiên cứu thiết ké chế tạo hệ thống bắn phao hoa tự động” đời nhằm mục đích Luận văn hồn thành, ngồi sụ nỗ lực thân học vỉên thực có giúp đỡ nhiệt tình nhiều cá nhân đơn vị Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn PGS-TS Phạm Huy Hồng, Khoa Cơ Khí-Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Mỉnh chuyên gia Viện Vũ Khí - Tổng Cục CNQP Mọi đỏng gỗp cấc vấn đề liên quan đến luận văn xin gửi Tp Hồ Chí Minh tháng 12 năm 2016 CHƯƠNG I CÁC VẤN ĐỀ TỒNG QUAN 1.1 Tổng quan nghiên cứu 1.1.1 Các phương pháp pháo hoa có Hiện nay, nước nói riêng, giới nói chung, việc bắn pháo hoa tương đối phổ biến, nhiên yếu tố phát triển nó, người ta chủ yếu hướng vào phát triển kết cấu hỏa thuật viên đạn kịch bắn hoa theo chương trình định để đem lại hiệu ứng phong phú khác tốt nhất: - Có nhiều loại đạn cố kết cấu hỏa thuật đặc sắc; - Khả bổ trì hệ thống bắn pháo hoa lỉnh hoạt nhiều vị trì khác (trên đất, sơng biển, frên tòa nhà, tòa tháp) với nhiều góc độ bắn khác ; - Khả tự động trình độ cao kết hợp với nhạc, âm Phương pháp bắn pháo hoa trì loại sau:: a) Bắn pháo hoa tự động hỏa thuật (pháo hoa tầm thấp) Đây phương pháp bắn truyền thống, đạn lắp sẵn vào ống phóng, ống phóng xếp với hộp (thông thường hộp có 25 ống phóng), frận địa bắn có số lượng hộp khác tùy vào số lượng đạn cần bắn Có dây chảy nhanh đoạn cháy chậm để liên kết ống phóng với hộp liên kết hộp với trận địa Hình ỉ 1: Sơ đồ bố trí cấc ống phơng mạch nầ hộp pháo hoa tầm thấp Một ngòi châm cháy ống châm lửa (bắt đầu bắn) làm đạn phóng đi, theo đạn ống được phóng đi,tiếp đến đạn frong ống phóng hộp làm việc Thời gian làm việc hệ thống phụ thuộc vào thời gian cháy dây cháy nhanh cháy chậm liên kết ống phóng hộp Việc tổ chức bắn pháo hoa tầm thấp phàỉ theo quy trình quy định nhà sản xuất để mạch bắn tự động theo kịch chương trình thời gian đặt Ưu điểm: - Độ tin cậy cao ; - Dễ thao tác triển khai; - Theo quy trình khn mẫu có sẵn Nhược điểm: - Không gian lắp đặt cho trận địa lớn ; - Việc liên kết dây cháy nhanh cháy chậm hộp phải tì mỉ; Tất thao tấc phải theo kịch chương trình quy định nhà sản xuất b) Bắn pháo hoa tầm cao điều khiển tay Việc triển khai lắp đặt hệ thống tương tự vỉêc triển khai bắn pháo hoa tầm thấp Tuy nhiên, đạn pháo hoa tầm cao kích hoạt phống lên ười kích hoạt điện (mồi lửa điện), mồi lửa điện đấu vào cực trung gỉan, sau đấu đến điều khiển để điều khiển tay thông qua nút bấm Hình 2: Sơ đồ điều khiển bẳn pháo hoa tầm cao tay < ’-ì Bộ nguồn k J Bảng điều khiể n f\ Hộp > đấu dây mồi I Hộp * chứa ống J k / Hình JO Két cấu trục tang chủ động Mô men xoắn trực: p 0.02 T = 9,55.106.— = 9,55.106.^= = 11937, n 16 Các lực tác dụng lên trục tang trống chủ động: - Lực kéo hướng tâm băng tải gây ra: Fb=2.Fv.sin(90°)= 736,14N - Lực khớp nối gây ra: Fk=0,3.2.TZDt=0,3.2.11937,5/71=100,88N Đường kính trục vị trí lắp khớp nối: _ = 49,747V D.^o 120.0,5 Trong đó: - y/0 = 0,5 : hệ số kéo - Lực tác dụng lên ren đai ốc khỉ băng tải làm việc: Fb=Fk+Fttuc=100,88+736,14=837,02N Kiểm bên ren theo ứng suất cắtỉ Điều kiện bền theo ứng suất cắt: (3.22) Trong đó: s : diện tích chống cắt ren s = 70^ h r^: đường kính trung bình ren h: chiều dài làm việc đai ốc Thay vào ta được: s=3,14.7,75.14,8=360,16mm2 [T ]: ứng suất cắt giới hạn [T]=0,5.Ơ02 = 0,5.32 = 16(N/ mm2) Thay vào (3.13) ta được: _ _ 837,02 0.8 A.Trong thiết kế mạch kiểm ưa sử dụng IC tạo dòng chuẩn chuyên dụng làLM334 với dòng đầu lập trình phạm vi pA to 10 mA đảm bảo khơng cho phép dòng điện qua mồỉ lửa điện lớn 10 mA Hơn nữa, cần đảm bảo an tồn q trình chuyển mạch trạng thái đo kiểm ứa điểm hòa Vì hai chế độ cấp dòng khác cho mồi lửa điện, nên thiết kế riêng rẽ thành mạch độc lập không ảnh hưởng tới hoạt động tốt □4 MS 04 * EM o Hình 3.19 Mạch kiểm tra điểm hỏa Mạch thực việc điểm hỏa Transitor Relay, lấy tín hiệu điều khiển bắn từ trung tâm vớỉ yêu cầu: Cảm biến hồng ngoại nhận biết có đạn vị trí sẵn sàng bắn, mạch đo tín hiệu kiểm ưa mồi lửa cho bỉết có đạn Khỉ cố đầy đủ thơng tin mạch bắn cấp điện hoạt động Sơ đồ mạch cụ thể (Hình 3.17): 3.5.4 Hệ thống điều khiển hộp tiếp đạn: Bao gồm drive động động DC 24V Với tính tốn trên, momen quay hệ thống hộp tiếp đạn 0.018 Nm nên ta chọn động DV 24V 30W có hộp giảm tốc tỉ lệ 1:72 với moment định mức khoảng Ỡ.4 Nm đạt yêu cầu Chế độ hoạt động khối tiếp đạn: Khi nhấn nút điều khiển động khối tiếp đạn quay liên tục vái tốc độ hợp lý Tốc độ điều khiển từ PLC thông qua module điều chế độ rộng xung PWM Tín hiệu tới drive động cơ, sau khuếch đại đưa động Hơn nữa, tốc độ thử nghiêm lựa chọn cho trình dì chuyển đạn mềm mại ươn tru Khỉ đỗ, đạn pháo hoa đưa cửa khối tiếp đạn vào băng tảỉ để tối khối điều khiển trung tâm Các đạn xếp hàng để vào khối trung tâm Sơ đồ kết nối sau sau: ±5Y GND QO.O ộ PLC 24-5V vcc GND LPWM LEN RPWM REN R-IS L_IS PW+Q PW- Q' M0T0R+® MOTOR- Q Converte r +24 V GND Mạch cầu HBTS7960 Hình 3.20 Sơ đồ kết mạch điều khiển hộp tiếp đạn 3.5.5 MOTOR Hệ thống điều khiển khối thu hồi: Mạch thu hồi cố nhiệm vụ thu hồi đạn bắn vào vị trí giúp cho trinh thu hồi gọn nhẹ nhanh chóng Q trình thu hồi diễn liên tục đặn Việc điều khiển hệ thống quay khối thu hồi thực động với chế độ quay liên tục Điều góp phần làm đơn giản hệ điều khiển cho hệ thống Hệ gồm động kèm theo drive thiết kế Drive nhận tín hiệu điều khiển từ mạch điều khiển trung tâm Hệ thống tương tự với hệ thống điều khiển hộp tiếp đạn 3.5.6Hệ thống điều khiển băng chuyền: Khối băng truyền gồm động quay liên tục để đưa đạn từ hộp tiếp đạn tới khối nòng cấu tiếp đạn Đồng thời đưa vỏ đạn bắn xong khối thu hồi Hệ gồm động kèm theo drive thiết kế Drive nhận tín hiệu điều khiển từ mạch điều khiển điều khiển trung tâm Hệ thống tương tự với hệ thống điều khiển hộp tiếp đạn 3.5.7Hệ thống điều khiển trung tâm: Hệ thống điều khiển trung tâm hệ thống yêu cầu độ xác cao, hoạt động trơn tru ổn định với tải trọng tương đối lớn Chính đề tài lựa chọn hệ thống động servo/24V để đáp ứng yêu cầu đề Cụ thể, linh kiện lựa chọn là: động LER50J Step Motor Controller LECP6 series (Servo/24V) Với hệ thống này, nhà sản xuất thiết kế để phù hợp với PLC làm điều khiển Chính đề tài lựa chọn điều khiển trung tâm PLC để điều khiển hệ thống servo a, Tổng quan PLC S7 - 200 Thiết bị điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller) loại thiết bị thực linh hoạt thuật tốn điều khiển số thơng qua ngơn ngữ lập trình, thay phải thực thuật tốn mạch số Như vậy, PLC điều khiển gọn, nhẹ dễ trao đổi thông tin với môi trường bên ngồi (với PLC khác máy tính) Tồn chương trình điều khiển lưu trữ nhớ PLC dạng khối chương trình thực theo chu kỳ vòng quét (scan) ển,dữliệuvàtấtnhiênphảicócáccổngvào/rađểgiaotiếpđượcvớiđốitượngđiềukhiểnvàđểtrao đổithơngtinvớimơitrườngxungquanh.Bêncạnhđónhằmphụcbàitốnđiềukhiểnsố,PLCcòn phảicóthêmmộtsổkhốichứcnăngđặcbiệtkhácnhưbộđếm(Counter),bộđịnhthời(Timer) V ànhữngkhốihàmchundùng Hình 3.21 Cấu trúc bên PLC ưu điềm củabộđỉềukhỉểnlậptrình được: Tínhnăngmởrộngikhảnăngmởrộngxửlýbằngcáchthayđổichươngtrìnhlập trìnhmộtcáchdễdàng / Độtincậycao Cáchkếtnốicácthiếtbịđiềukhiểnđơngiản / HìnhdángPLCgọnnhẹ / Phùhợpvớimôitrườngcôngnghiệp CácứngdụngcủaPLCtrongsảnxuấtvàtrongdândụng: J ĐiềukhiểncácRobottrongcôngnghiệp J Điềukhiểncác máycôngcụ s Điềukhiểnvàgiám sátdâychuyềnsảnxuất J Điềukhiểnhệthốngđèngiaothơng CấcmodulecủaPLCS7-200 Đểtăngtínhmềmdẻotrongcácứngdụngthựctếmàởđóphầnlớncácđốitượngđiềukhiểnc Cđượơhiếtkếkhơngbịcứnghốvềcấuhình.Chứngđượcchianhỏthàiihcácmodule.Sốcácmo duleđượcsửdựngnhiềuhattuỳthuộcvàotừngbàitốn,songtốithiểubaogiờcũngcómodulec hính(moduleCPƯ,modulenguồn).Cácmodulecònlạilànhữngmoduletruyềnnhậntínhiệuvớic ácđốitượngđiềukhiển,chúngđượcgọilàcácmodulemởrộng.Tấtcảcácmoduleđềuđượcgát rênmột thanhRack b, Đông Servo LER50J Step Motor Controller LECP6 series (Servo/24V) Đây thiết bị quan họng hệ thống điều khiển khối nòng tiếp đạn để thực bắn Để điều khiển cách xác đạn tới vị trí hệ, cần điều khiển xác theo cấp tốc độ khác Chính động servo lựa chọn Để điều khiển động servo ta cần Drive, có nhiệm vụ lấy tín hiệu điều khiển đầu vào để điều khiển đầu công suất lớn cấp cho động servo Hơn nữa, thuật toán điều khiển nhúng sẵn Drive, tín hiệu điều khiển đưa vào cách tương đối đơn giản đạt yêu cầu điều khiển Có nhiều loại, nhiều hãng động servo drive với cách thức, phần mềm lập trình kèm khác Trong đề tài ta lựa chọn dòng sản phẩm thơng dụng, phổ biến thị trường động LER50J Step Motor Controller LECP6 series (Servo/24V) Chức cấu hình Hình 3.22Động servo LER50J ... hoạt động tiêu kỹ thuật chung hệ thống pháo hoa tự động nạp đạn 2.1.2.1 Yêu cầu chung hệ thống trước nghiên cứu thiết kế Với mục tiêu thay hệ thống bắn pháo hoa tầm cao điều khiển tay, hệ thống bắn. .. Kĩ thuật cư khí I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống máy bắn pháo hoa tự động II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thiết lập tốn: Thuật phóng phục vụ thiết kế hệ thống (mơ hình, phương trình... nạp đạn tự động cấu cam thùng Từ mơ hình hoạt động hệ thống máy tự động chứng ta cố thể áp dụng vào hệ thống tương tự; mà luận văn chọn ứng dụng vào xây dụng hệ thống bắn phao hoa tự động nạp