Đồ án khảo sát ứng dụng điều khiển tự động trên máy cân bằng động bánh xe ô tô JOHN BEAN b9450

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH XE Ô TÔ JOHN BEAN - B9450 Họ tên Sinh viên: NGUYỄN VĂN ĐÀO Ngành: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Niên khóa: 2006 – 2010 Tháng / 2010 KHẢO SÁT ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH XE Ô TÔ JOHN BEAN - B9450  Tác giả NGUYỂN VĂN ĐÀO Khóa luận đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp Kỹ sư ngành Điều Khiển Tự Động Giáo viên hướng dẫn: Th.s Bùi Công Hạnh Tháng / 2010 i   CẢM TẠ Trong trình học tập Khoa Cơ Khí Cơng Nghệ - Bộ Mơn Điều Khiển Tự Động, chúng em quan tâm dạy dỗ tận tình trách nhiệm q Thầy, Cơ giúp đỡ bạn bè, để lại cho chúng em nhiều kỷ niệm đẹp Với năm rèn luyện học tập trường chúng em tích góp cho kiến thức chun môn định kiến thức sống mẽ, để làm hành trang bước vào sống, có nghề nghiệp vững vàng Với lòng biết ơn chân thành, em xin gửi lời cảm ơn đến: - Ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ - Tồn thể q Thầy, Cơ tận tình giảng dạy, giúp đỡ em trình học tập Đặc biệt Thầy, Cô môn Điều Khiển Tự Động - Thầy Th.s Bùi Công Hạnh, người tạo điều kiện tận tình giúp đỡ em trình thực đề tài, truyền đạt cho em kiến thức kinh nghiệm cho em thực tốt đề tài - Tất bạn giúp đỡ để hồn thành đề tài Q trình thực đề tài với nỗ lực khơng thể tránh khỏi sai sót Rất mong thơng cảm đóng góp q Thầy, Cơ bạn Gửi lời chúc sức khỏe tới Thầy, Cô bạn Xin chân thành cảm ơn: Nguyễn Văn Đào ii   TÓM TẮT Tên đề tài: Ứng dụng điều khiển tự động máy cân động bánh xe ô tô Thời gian địa điểm: - Thời gian: từ tháng – 2010 đến tháng – 2010 - Địa điểm: Đề tài thực xưởng thực hành – thí nghiệm tơ, mơn Cơng nghệ Ơ tơ, khoa Cơ Khí - Cơng Nghệ, trường Đại Học Nơng Lâm Tp Hồ Chí Minh Mục đích đề tài: Đề tài thực với mục đích sau: - Tìm hiểu ngun lý hoạt động, nguyên lý cấu tạo máy cân động bánh xe ô tô - Khảo sát ứng dụng điều khiển tự động vào chức máy cân động bánh xe tơ - Phân tích hệ thống điện tử - tự động máy cân động bánh xe ô tô BANLCO – 9450 nhà sản xuất John Bean Phương tiện làm việc: - Máy cân động bánh xe ô tô John Bean B9450 - Các phương tiện hỗ trợ: Đồng hồ VOM, máy vi tính, Oscilloscope,… Kết quả: - Đề tài hồn thành đưa nguyên lý làm việc nguyên lý cấu tạo máy cân động nói chung máy cân động bánh xe tơ nói riêng - Đề tài khảo sát máy cân động bánh xe ô tô John Bean B9450 Phân tích đầy đủ cấu tạo ứng dụng điều khiển tự động máy Đề tài hoàn thành tài liệu hỗ trợ cho trình vận hành, sử dụng nghiên cứu chế tạo máy cân động bánh xe ô tô sau iii   MỤC LỤC Trang LỜI TỰA i CẢM TẠ ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH CÁC HÌNH vii CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC ĐÍCH CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 NGUYÊN LÝ CÂN BẰNG MÁY 2.1.1 Các trạng thái cân vật quay: 2.1.2 Cân động vật quay 2.1.3 Nguyên tắc cân động vật quay 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH XE 2.2.1 Lốp xe 2.2.2 Vành xe 2.2.3 Thế cân động bánh xe ô tô 10 2.2.4 Nguyên nhân gây gân động bánh xe ô tô 11 2.2.5 Tại phải cân cho bánh xe ô tô 11 2.3 MÁY CÂN BẰNG BÁNH XE Ô TÔ 11 2.3.1 Định nghĩa: 11 2.3.2 Nguyên lý hoạt động: 11 2.4 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY CÂN BẰNG BÁNH XE ÔTÔ 12 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TIỆN - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14 3.1 BỐ TRÍ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 14 3.1.1 Địa điểm: 14 3.1.2 Thời gian: 14 3.2 PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN 14 3.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 14 iv   3.3.1 Phương pháp lý thuyết: 14 3.3.2 Phương pháp thực nghiệm: 14 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 20 4.1 MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH XE Ô TÔ JOHN BEAN - B9450 20 4.1.1 Giới thiệu: 20 4.1.2 Sơ lược cấu tạo: 22 4.2 MỘT SỐ CHI TIẾT ĐẶC BIỆT 23 4.2.1 Giá đỡ trục: 23 4.2.2 Cơ cấu chấp hành: 23 4.3 THÀNH PHẦN TÍN HIỆU 27 4.3.1 Cảm biến áp điện piezo (Piezoelectric sensor): 27 4.3.2 Encoder quang (Optical encoder): 34 4.3.3 Cảm biến nhiệt LM75 (Digital Temperature Sensor): 39 4.3.4 Cảm biến nhiệt KTY81 – 220 (Temprature silicon sensor): 41 4.3.5 Công tắc hành trình (Limit switch): 42 4.4 HỆ THỐNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TRÊN MÁY CÂN BẰNG ĐỘNG BÁNH XE Ô TÔ JOHN BEAN - B9450 43 4.4.1 Giới thiệu mạch điện - điện tử 43 4.4.2 Mạch bảo vệ, cấp nguồn 220/240 VAC: 43 4.4.3 Mạch nguồn vi điều khiển, Cảm biến, nguồn cấp cho IC: 44 4.4.4 Mạch nguồn 220 VAC - DC CAO ÁP: 44 4.4.5 Khối công suất: 46 4.4.6 Mạch xử lý – điều khiển: 47 4.4.7 Màn hình giao tiếp – hiển thị 48 4.4.8 Thước đo khoảng cách trục tới bánh xe: 51 4.5 AN TOÀN VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ MÁY 53 4.5.1 An toàn vận hành máy cân động bánh xe ô tô B9450 53 4.5.2 Bảo trì máy cân động bánh xe tơ B9450 53 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 55 5.1 KẾT LUẬN 55 5.2 ĐỀ NGHỊ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 57 v   DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Tp.HCM: Thành phố Hồ Chí Mính B9450: Balco – 9450 ADC: Analog Digital Converter I/O: Input/Output VDC: Volts Direct Current ( Dòng điện chiều) VAC: Volts Alternating Current (Dòng điện xoay chiều) VOM: Volt - Ohm - Miliampere kế CPU: Central Processing Unit O.S.: Overtemperature Shut-down ROM: Read Only Memory RAM: Random Access Memory SRAM: Static Random Access Memory LS TTL: Low power Schottky Transistor – Transistor Logic IC: Integrated Circuit I2C: Inter - Integrated Circuit LED: Light Emitting Diode vi   DANH SÁCH CÁC HÌNH Trang Hình 2.1: Mơ tả trạng thái cân tĩnh Hình 2.2: Mơ tả trạng thái cân động túy Hình 2.3: Thí nghiệm cân động túy Hình 2.4: Chia khối lượng vật quay chiều dày nhỏ Hình 2.5: Thí nghiệm cân tĩnh Hình 2.6: Vật quay có chiều dày lớn Hình 2.7: Thí nghiệm cân vật quay có chiều dày lớn Hình 2.8: Cấu tạo lốp xe tô Hình 2.9: Ký hiệu kích thước lốp xe tơ Hình 2.10: Ký hiệu kích thước vành Hình 2.11: Sự cân bánh xe ô tô 10 Hình 2.12: Một số máy cân động bánh xe tháo rời bánh 12 Hình 2.13: Máy cân bánh xe không tháo rời 13 Hình 3.1: Cách lắp bánh xe lên máy cân 15 Hình 3.2: Đo khoảng cách từ máy tới bánh xe 16 Hình 3.3: Cấu trúc hình 17 Hình 3.4: Tháo nắp bảo vệ máy 18 Hình 3.5: Tháo mạch điện – điện tử 19 Hình 3.6: Tháo rời mạch điện – điện tử 20 Hình 4.1: Máy cân động bánh xe ô tô John Bean – B9450 21 Hình 4.2: Cấu tạo máy cân động bánh xe ô tô B9450 22 Hình 4.3: Giá đỡ trục 23 Hình 4.4: Cấu trúc cấu chấp hành 24 Hình 4.5: Vị trí cấu chấp hành 24 Hình 4.6: Động 25 Hình 4.7: Nguyên lý cấu tạo động AC pha 26 Hình 4.8: Nguyên lý đảo chiều động 26 Hình 4.9: Bố trí cấu phanh (phanh chân) 27 vii   Hình 4.10: Hiệu ứng Piezo 28 Hình 4.11: Mô chuyển đổi áp điện piezo 28 Hình 4.12: Cấu trúc Cảm biến piezo 29 Hình 4.13: Các hướng tác dụng lực 30 Hình 4.14: Sự đảo cực tinh thể theo hướng tác dụng lực 31 Hình 4.15: Mạch nguyên lý cảm biến piezo 31 Hình 4.16: Cơ cấu lực tính tốn cân động bánh xe 32 Hình 4.17: Vị trí đặt cảm biến piezo máy B9450 33 Hình 4.18: Cơ cấu cảm biến piezo máy 34 Hình 4.19: Encoder quang (Optical encoder) 35 Hình 4.20: Bộ đọc tín hiệu HEDR 8000 35 Hình 4.21: Mơ tả tín hiệu xung kênh A, B 36 Hình 4.22: Sơ đồ chân 74HC14 36 Hình 4.23: Mơ tả tín hiệu vào/ra kênh 74HC14 37 Hình 4.24: Tính góc khối lượng cân qua encoder 37 Hình 4.25: Đị tìm vị trí cân hai mặt bánh xe 38 Hình 4.26: Mạch tích hợp đầu đọc Encoder quang 38 Hình 4.27: Mơ tả cảm biến nhiệt LM75A 39 Hình 4.28: Mô tả IC 24LC32A 40 Hình 4.29: Mạch tích hợp LM75A 40 Hình 4.30: Vị trí Encoder LM75A máy 41 Hình 4.31: Cảm biến nhiệt KTY81 - 220 41 Hình 4.33: Mạch điện - điện tử 43 Hình 4.34: Mạch Bảo vê, cấp nguồn 220 VAC 44 Hình 4.35: Khối nguồn 220VAC - DC CAO ÁP, khối công suất 44 Hình 4.36: Mạch cấp nguồn 220 VAC - DC cao áp mạch công suất 45 Hình 4.37: Kết nối HCPL - 314J 46 Hình 4.38: Kết nối TPIC 2791N 46 Hình 4.39: Cấu trúc mạch xử lý – điều khiển 47 Hình 4.40: Mạch xử lý – điều khiển 48 Hình 4.41: Màn hình giao tiếp – hiển thị 49 viii   Hình 4.42: Cấu trúc hình 50 Hình 4.43: Thước đo khoảng cách từ máy tới bánh xe 51 Hình 4.44: Cấu tạo nguyên lý thước đo 51 Hình 4.45: Cấu tạo thước đo 52 Hình 4.46: Biến trở xoay 52 ix                           Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN - Đề tài hồn thành tìm hiểu rõ ngun lý làm việc cấu tạo máy cân động nói chung máy cân động bánh xe tơ nói riêng - Đề tài khảo sát hồn chỉnh máy cân động bánh xe ô tô John Bean B9450 (lắp đặt xưởng thực hành – thí nghiệm tơ, mơn Cơng nghệ Ơ tơ) Phân tích đầy đủ cấu tạo ứng dụng điều khiển tự động máy Đề tài hoàn thành tài liệu hỗ trợ cho trình vận hành, sử dụng nghiên cứu chế tạo máy cân động bánh xe ô tô 55    5.2 ĐỀ NGHỊ Trong q trình thực đề tài cịn gặp nhiều hạn chế mặt thời gian hỗ trợ kỹ thuật (máy móc), có nhiều vấn đề chưa nghiên cứu sâu chưa đưa nhiều giải pháp xử lý Qua trình thực đề tài tơi đề nghị: - Các khóa sau có điều kiện thời gian kinh phí nên sâu vào nghiên cứu chế tạo máy cân động, đặc biệt máy cân động bánh xe tơ - Vì tính chất ngành kỹ thuật nên đòi hỏi sinh viên cần phải tiếp cận nhiều với thay đổi phát triển Khoa học - Cơng nghệ Do nhà trường cần tăng cường trang thiết bị, máy móc đại cho ngành Cơng Nghệ Ơ tơ nói riêng khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ nói chung, phục vụ cho trình nghiên cứu học tập sinh viên tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TRONG NƯỚC: Nguyễn Tiến Tân Giáo trình: Nguyên lý máy, Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM Nguyễn Văn Nhờ Giáo trình: Điện tử cơng suất, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Tp.HCM – 2005 PGS.TS Nguyễn Khắc Trai Giáo trình: Kỹ thuật chẩn đốn tơ, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội TÀI LIỆU NƯỚC NGOÀI: Electronic Motorized Wheel Balancer Of Snap – on Group Wheel Balancer Operator’s Manual Balco 9450 Of Snap – on Group 56    Dr.M Ala Saadeghvaziri Professor, Dr.William R.Spillers Distinguished Professor: Improvement of Continuity Connection over Fixed Piers Department of Civil and Environmental Engineering New Jersey Institute of Technology Newark, NJ 07102 DANH SÁCH CÁC WEBSIDE: http://www.ebook.edu.vn/?page=1.17&view=12234 Bài giảng cấu tạo ô tô http://www.team-bhp.com/forum/travelogues/55405-eurotrip.html http://www.linhkienxehoi.com/forums/linh-kien-thiet-bi-xe-hoi/2483-tim-hieuve-lop-xe-oto.html http://piezo.com http://www.snapon.com http://www.johnbean.com http://www.alldatasheet.com http://www.piezocryst.com/quality_statement.php PHỤ LỤC MỘT SỐ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ™ Vi Điều Khiển SAF – C167CR – LM: - Giới thiệu: SAF - C167CR - LM dòng họ vi điều khiển C166 Infineon sản xuất, chứa đầy đủ tính vi điều khiển Chip đơn (single - chip) CMOS Với CPU hiệu suất cao (lên đến 16.5 million lệnh/giây), có khả giao tiếp ngoại vi cao tăng cường IO Vi điều khiển C167CR chế tạo ứng dụng 57    lĩnh vực điều khiển ô tô, công nghiệp, module CAN tương thích với phiên 2.0 B giao tiếp truyền thông - Đặc Tính Kỹ Thuật: ƒ CPU 16-bit hiệu suất cao với liên kết cấp, sử dụng tần số 25 MHz: + Tốc độ xử lý 80/60 ns chu kỳ lệnh tần số 25/33 MHz + 400/303 ns phép nhân (16 × 16 bits), 800/606 ns phép chia (32 / 16 bits) + 16 Mbytes địa tuyến tính trống cho mã liệu + 1024 Bytes On - Chip cho tính đặc biệt + Có thể nâng lên 16 Mbytes trống địa cho liệu m㠃 Bộ nhớ ( On-Chip): + Kbytes On-Chip RAM nội (IRAM) + Kbytes On-Chip RAM mở rộng (XRAM) + 128/32 Kbytes On - Chip Mask ROM ƒ Giao tiếp ngoại vi: + 16 kênh A/D 10 - bit với thời gian chuyển đổi lập trình xuống tới 7.8 µs + Cặp Capture/Compare 16 kênh + - kênh PWM + Hai kênh chức “General Purpose Timer” 58    GPT1: timers/counters 16-bit, có độ phân giải lớn fCPU/8 GPT2: timers/counters 16-bit, có độ phân giải nhỏ fCPU/4 + Kênh (Đồng bộ/không đồng đồng tốc độ cao) + CAN giao tiếp nội Chip (Rev 2.0B) với 15 đối tượng truyền thông (Full CAN / Basic CAN) + Lập trình Watchdog Timer Oscillator Watchdog ƒ Với chế độ Idle Power down ƒ Có tới 111 Chân I/O ƒ Có tổng thể 144 Chân MQFP - Cấu trúc C167CR: + Mơ hình C167CR: + Mơ tả chức năng: Các cấu trúc C167CR kết hợp ưu điểm hai xử lý RISC CISC dịng cân tốt Ngồi khối nhớ Chip cho phép thiết kế hệ thống nhỏ gọn với hiệu suất tối đa C167CR khơng tích hợp lõi CPU mạnh ngoại vi vào chip, mà kết nối đơn vị Chip tốt Sơ đồ khối cho ta nhìn tổng quan thành phần khác nhau, cấu nội C167CR Một bus sử dụng đồng thời C167CR XBUS, đại diện nội bus giao tiếp ngoại Bus cung cấp phương     pháp chuẩn hóa việc tích hợp thiết bị ngoại vi ứng dụng cụ thể để sản xuất dòng C167CR tiêu chuẩn Bộ nhớ chương trình, nhớ IRAM thiết lập thiết bị ngoại vi chung loại kết nối với CPU thông qua Bus riêng biệt Một Bus thứ tư, XBus kết nối với tài nguyên bên bổ sung nguồn tài nguyên trên-chip, X - Thiết bị ngoại vi     - Sơ đồ chân: Vi điều khiển SAF - C167CR – LM có 144 chân, mổ tả hình     ™ Rơle - JQX-115F - T/TH 005 1Z S3 A: ƒ Các thông số kỹ thuật: - Là loại rơle dùng cho dòng: 16A/225VAC - Điện áp cuộn coil: 5VDC - Dòng chuyển mạch tối đa: 440VAC/125VDC - Công suất danh nghĩa: 0,4W ™ Đóng mở rơle thơng qua cổng TPIC 2701N: TPIC 2701 khối nguồn DMOS transistor, bao gồm kênh - N độc lập dạng nâng cao DMOS transistors kết nối vào nguồn thông thường TPIC 2701 chức chân – cho – chân tương thích với thiết bị Texas ULN2001A qua ULN2004A + Cấu trúc TPIC 2701N:     ™ IC SAA1064 giao tiếp LED đoạn: + LED đoạn giao tiếp với Vi điều khiển thơng qua IC SAA1064 Là IC lưỡng cực giao tiếp với LED đoạn Nó có đặc điểm I2C - Bus giao tiếp thu phát trung gian có tới chương trình khác Slave address, Cờ reset nguồn, Có 16 ngõ ra, điều khiển nguồn lên tới 21mA, hai kênh ngõ cho LED đoạn anod chung Tích hợp kênh dao động, bit điều khiển lựa chọn tĩnh, động, chế độ trống bit dùng kiểm tra LED + Mô tả chân SAA1064: -     Kí hiệu Chân Chức ADR I2C-Bus slave address CEXT Điều khiển P8 - P1 3-10 Ngõ nối led đoạn MX1 11 Multiplex ngõ VEE 12 Nối đất (VEE= 0) VCC 13 Nguồn +5VDC MX2 14 multiplex ngõ P9 - P16 15-22 Ngõ nối led đoạn SDA 23 I2 – Bus dòng Data nối tiếp SCL 24 I2 – Bus dòng xung nối tiếp IC SAA1064 kết nối với led đoạn: Trong mạch ta sử dụng IC SAA1064 giao tiếp cho led đoạn + Sơ đồ kết nối: Kết nối vi điều khiển ™ PCF8574P giao tiếp nút nhấn với vi điều khiển: PCF8574P mạch tích hợp CMOS silicon, mở rộng điều khiển - bit I/O PCF8574P tiêu thụ dòng mức thấp chốt ngõ mức cao Với dịng có khả điều khiển trực tiếp LED Ngồi cịn chứa dịng ngắt (INT) kết nối tín hiệu ngắt logic vi điều khiển, cách gửi tín hiệu ngắt dịng I/O từ xa thơng báo cho vi điều khiển có liệu đến cổng mà không cần phải giao tiếp thông qua I2C-bus + Sơ đồ chân: A0, A1, A2: Là địa ngõ vào P0, P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7: Ngõ I/O INT: ngõ ngắt (tích hợp mức thấp) SCL: đường liệu xung SDA: đường liệu nối tiếp VDD: Nguồn +5 VDC VSS: nối đất     + SDA- Serial Data: đường liệu nối tiếp, tất thông tin địa hay liệu truyền đường theo thứ tự bit Chú ý chuẩn I2C, bit có trọng số lớn (MSB) truyền trước nhất, đặc điểm ngược lại với chuẩn UART + SCL –Serial Clock: đường giữ nhịp nối tiếp (I2C) chuần truyền thơng nối tiếp đồng bộ, cần có đường tạo xung giữ nhịp cho trình truyền/nhận, xung đường giữ nhịp SCL, bit liệu đường SDA lấy mẫu (sample) Dữ liệu nối tiếp đường SDA lấy mẫu đường SCL mức cao chu kỳ giữ nhịp, đường SDA khơng đổi trạng thái SCL mức cao (trừ START STOP condition) Chân SDA đổi trạng thái SCL mức thấp + Thanh ghi địa chỉ: Giả sử chân A2, A1 A0 mặt đất với nhau, địa chỉ: | | | | | | | | R/ W | Đây địa 0x38 hex, giá trị R / W, điều hiểu 0, bit 1, địa 0x39 ghi đọc     | | | | |A2 |A1 |A0 | R/W | | | | | | | | | |