Đồ án thiết kế cơ khí đại học sư phạm kĩ thuật

KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ  ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CƠ KHÍ ROBOT LAU KÍNH GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: T.S LÊ THANH TÙNG SINH VIÊN THỰC HIỆN: NGUYỄN MINH NHẬT – 18146183 TRẦN THÁI BẢO – 18146077 NGUYỄN DUY KHANG – 18146136  TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2021  LỜI CẢM ƠN Trước tiên, cho chúng em xin gởi lời cảm ơn chân thành tới thầy Lê Thanh Tùng, người hướng dẫn chúng em nhiệt tình giúp chúng em vượt qua hạn chế kiến thức thân để hoàn thành đồ án Chúng em xin gởi lời cảm ơn đến giúp đỡ nhiệt tình bạn khóa, ủng hộ cha, mẹ, anh chị em gia đình giúp chúng em vượt qua nhiều khó khăn trình làm đồ án Ngồi chúng em xin cảm ơn tất thầy, cô trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh giảng dạy cho chúng em suốt năm năm qua, cung cấp cho chúng em kiến thức làm tảng để hoàn thiện đồ án Mặc dù cố gắng để hồn thành tập đồ án, kiến thức cá nhân có hạn, nên chúng em khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong q thầy bảo Em mong đón nhận ý kiến đóng góp MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT LAU KÍNH 1.1 Tình hình thực tiễn 1.2 Lý chọn Robot lau kính 1.3 Tổng quan robot lau kính 1.4 Nội dụng trình bày chương CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, Ý TƯỞNG THIẾT KẾ ROBOT 2.1 Nghiên cứu hình dáng 2.2 Nghiên cứu cách di chuyển .12 2.2.1 Chọn lựa phương án di chuyển 12 2.2.2 Chọn lựa phương án cho phận quay robot lau kính .16 2.2.3 Chọn lựa phương án để robot bám tường .18 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, THI CƠNG CƠ KHÍ ROBOT LAU KÍNH .21 3.1 Tính tốn phận bám tường 21 3.2 Tính tốn phận tịnh tiến robot 28 3.3 Tính toán phận quay robot 41 3.4 Tính tốn sức bền khung robot 49 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN 55 4.1 Đánh giá 55 4.2 Kết luận 55 4.3 Hướng phát triển 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .58 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Robot chăm sóc y tế Hình Robot cơng nghiệp Hình Các kiểu phịng kính văn phòng Hình Kiểu mẫu robot hình bầu dục .9 Hình 2 Kiểu mẫu robot hình vng .10 Hình Kiểu mẫu robot hình mũi tên 10 Hình Kiểu mẫu robot hình tròn 11 Hình Kiểu mẫu robot theo thiết kế nhóm 12 Hình Truyền động đai .13 Hình Bộ truyền xích 15 Hình Bộ truyền bánh 17 Hình Robot leo tường sử dụng giác hút ĐH Seoul 19 Hình 10 Mecho-Gecko leo cửa kính 20 Hình Biểu đồ thể hoạt động luồng động turbin phản lực .24 Hình Biểu đồ thể hoạt động dịng khí quanh trục 24 Hình 3 Phân bố lực robot leo tường 25 Hình Động quạt hút 28 Hình Hai nhánh đai mắc song song 29 Hình Hai nhánh đai mắc chéo 29 Hình Giới thiệu vật liệu dây đai, bánh dẫn .29 Hình Chuyển động quay 30 Hình Nguyên lý làm việc 30 Hình 10 Ứng dụng truyền đai 31 Hình 11 Bộ truyền đai 32 Hình 12 Bộ phận tịnh tiến theo thiết kế nhóm .41 Hình 3.13 Bộ phận quay 43 Hình 14 Truyền động bánh 43 Hình 15 Động giảm tốc M2839-S32A81 sử dụng đề tài 44 Hình Cấu tạo, hình dáng tổng thể máy .55 DANH MỤC BẢNG Bảng Các thông số sợi đai tổng hợp 33 Bảng Chiều rộng đai b 34 Bảng 3 Số bánh đai nhỏ z 34 Bảng Các thông số đai 35 Bảng Chiều dài đai lđ,mm 36 Bảng Các thông số bánh đai 37 Bảng Trị số hệ số tải trọng động Kđ 39 Bảng Trị số khối lượng mét đai qm lực vòng riêng cho phép [q0] 40 Bảng Chọn số 45 Bảng 10 Trị số tiểu chuẩn môđun 46 Bảng 11 Chọn hệ số dịch chỉnh cho bánh nhỏ x1 47 Bảng 12 Tính thơng số 48 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT LAU KÍNH 1.1 Tình hình thực tiễn Ngày nay, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống người làm thay đổi diện mạo giới Từ công nghệ điện tử, máy tính, truyền thơng đến hóa học, lượng… giúp thuận tiện, dễ dàng đạt hiệu cao công việc Trong lĩnh vực đó, cơng nghệ robot góp phần hữu hiệu vào thành tựu đạt Robot trở thành cánh tay đắc lực cho người, làm việc người không làm được, tần suất 24/24 môi trường nguy hiểm đến tính mạng, sức khỏe người Hình 1 Robot chăm sóc y tế Hình Robot công nghiệp 1.2 Lý chọn Robot lau kính Xã hội phát triển tịa nhà cao tầng mọc lên nhiều, người bận rộn theo cơng việc, khó khăn họ khơng có thời gian việc vệ sinh cửa kính bên tòa nhà, phòng ốc hay văn phịng lamg việc gia đình, hay cửa kính cao gây khó khăn việc vệ sinh, có nguy té ngã lau đứng ghế cao Lấy cảm hứng từ đó, chúng em thực đề tài “Robot lau kính” Dù thực tế robot lau kính khơng phải ý tưởng mới, nhiên hình dáng cịn tương đối giống nhau, ứng dụng cịn ít, nhóm muốn cải tiến robot để robot trở nên đẹp hơn, đa dụng Hình Các kiểu phịng kính văn phịng 1.3 Tổng quan robot lau kính Robot có khả di chuyển mặt phẳng thẳng đứng hay trần nhà dựa vào nguyên tắc khí động học tạo từ cánh quạt phản lực gắn thân Tín hiệu điều khiển truyền qua tín hiệu DTMF điện thoại cảm biến Khi hoàn thành chế tạo, robot thay người việc vệ sinh cửa kính tịa nhà cao tầng cách an toàn hiệu 1.4 Nội dụng trình bày chương Chương 1: Tổng quan robot lau kính: chúng em trình bày tồng quan nhu cầu xã hội ứng dụng robot thực tế giới hạn đề tài nghiên cứu Chương 2: Nghiên cứu, ý tưởng thiết kế robot: chúng em trình bày nghiên cứu, khảo sát để chọn lựa phương án thiết kế robot hợp lý Chương 3: Tính tốn, thi cơng khí robot lau kính: chúng em trình bày q trình tính tốn chọn lựa thiết bị, tính tốn sức bền cho máy, trình bày vẽ kỹ thuật vẽ 3D CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, Ý TƯỞNG THIẾT KẾ ROBOT Ở chương này, chúng em trình bày ý tưởng, hình mẫu, số liệu tham khảo để thiết kế nên robot lau kính bao gồm vấn đề sau: hình dáng, cách di chuyển, thông số tổng quát robot 2.1 Nghiên cứu hình dáng Trên thị trường nay, robot lau kính có nhiều hình dáng, nhiều tạo hình phù hợp với mơi trường hoạt động mục đích sử dụng Hình Kiểu mẫu robot hình bầu dục -Hình bầu dục: Ưu điểm: Di chuyển nhanh, khơng gian hoạt động lớn Nhược điểm: Khó hoạt động khơng gian hẹp, khó tính tốn Hình 2 Kiểu mẫu robot hình vng -Hình vng: Ưu điểm: dễ điều khiển, lau góc vng Nhược điểm: di chuyển chậm, cấu quay phức tạp Hình Kiểu mẫu robot hình mũi tên 10 Hình 15 Động giảm tốc M2839-S32A81 sử dụng đề tài Thông số kĩ thuật động cơ: - Động có gắn hộp giảm tốc - Sử dụng điện áp: 6-12Vdc - Tốc độ sau giảm tốc: 160 vòng/phút - Đường kính trục động cơ: 5mm - Chiều dài trục động cơ: 12mm - Chiều dài động kể phần giảm tốc: 54mm Động giảm tốc GA25 370 cố định quạt hút gắng trực tiếp với bánh dẫn truyền (z1) Khi quay làm phần khung xoay bánh tịnh tiến xoay theo Để Robot quay góc 90° bánh bị dẫn (z2) quay ¼ vịng( ¼ chu kỳ), suy chọn tỉ số truyền bánh u = để bánh bị dẫn quay ¼ vịng( ¼ chu kỳ) bánh dẫn truyền xoay vịng (1 chu kỳ) Để xoay bánh dẫn(z1) vòng (1 chu kỳ) ta dùng phần mềm Arduino điều khiển vị trí động Encoder GA25 370 Chọn z1 = 12 Ta có: u=4 => z2 = u.z1 = 4.12 = 48 Để Robot quay cần lực 39,3N F = 1000P/v 44 Cho v = 0,01 m/s = cm/s  P = Fv/1000 = 39,3.0,01/1000 = 3,93.10-4 kW Để Robot quay góc 90° 0,25 giây => Quay vòng giây => bánh bị dẫn phải quay n2 = 60 vòng/phút N2 = u.n1 => n1 = nđc = n2/u = 60/4 = 15 vịng/phút Xác định chiều dài ngồi theo cơng thức: Re = KR√𝑢2 + √T1 𝐾𝐻𝛽 /[(1 – 𝐾𝑏𝑒 )𝐾𝑏𝑒 u[𝜎𝐻 ]2 ] Để xác định thông số khác bánh phù hợp với số chọn, cho Re = 72,46 mm Xác định thông số ăn khớp: - Số bánh nhỏ: ⅆ𝑒1 = 2Re/√1 + 𝑢2 = 2.72,46/√1 + 42 = 35,15 mm Do tra bảng 3.9 Chọn số z1p = 15 Với HB < 350, z1 = 1,6 z1p = 1,6.15 = 24 Bảng Chọn số 45 Đường kính trung bình mơđun trung bình: Dm1 = (1 – 0,5Kbe)de1 = (1 – 0,5.0,25) ⅆ𝑒1 = (1 – 0,5.0,25).35,15 = 30,76 mm Mtm = dm1/Z1 = 30,76/12 = 2,56 mm Môđun vịng ngồi : Mte = mtm/(1 – 0,5Kbe) = 2,56/(1 – 0,5.0,25) = 2,93 mm Theo bảng 6.8 lấy trị số tiêu chuẩn mte = mm, đó: Bảng 10 Trị số tiểu chuẩn môđun Mtm = mte(1 – 0,5Kbe) = 3.(1 – 0,5.0,25) = 2,625 mm Z1 = dm1/mtm = 11,72 Lấy z1 = 12 Số bánh lớn z2 = uz1 = 4.12 Lấy z2 = 48 răng, tỉ số truyền um = z2/z1 = 48/12 = Góc chia: 𝛿1 = arctg(z1/z2) = 14,036° = 14°2’10,48’’ 𝛿2 = 90° - 𝛿1 = 90° - 14,036° = 75,964° = 75°57’50,4’’ Theo bảng 6.20, với z1 = chọn hệ số dịch chỉnh x1 = 0,56; x2 = -0,56 46 Bảng 11 Chọn hệ số dịch chỉnh cho bánh nhỏ x1 truyền động bánh Đường kính trung bình bánh nhỏ dm1 = z1mtm = 12.2,56 = 30,72 mm Chiều dài ngồi Re = 0,5mte√𝑧12 + 𝑧22 = 74,22 mm Trong đó: b = Kbe.Re = 0,25.74,22 = 18,56 mm Chọn b = 20 mm 47 Bảng 12 Tính thơng số Theo cơng thức bảng 3.12 tính được: Đường kính chia ngoài: de1 = 36 mm ; de2 = 144 mm Góc chia: 𝛿1 = 14°2’10,48’’ ; 𝛿2 = 75°57’50,4’’ Chiều cao ngoài: he = 6,51 mm Chiều cao đầu ngoài: hae1 = 4,52 mm; hae2 = 1,39 mm Chiều cao chân ngoài: hfe1 = 1,99 mm; hfe2 = 5,12 mm Đường kính đỉnh ngồi: dae1 = 44,77 mm; dae2 = 144,674 mm 48 3.4 Tính tốn sức bền khung robot Để tiết kiệm thời gian chi phí chế tạo khung, nhóm chúng em định in 3D cho khung robot lau kính Loại vật liệu chúng em chọn Nhựa in 3D FlashForge PLA có thơng số kỹ thuật sau: +Hãng sản xuất: FlashForge +Chất liệu : PLA +Đường kính: 1,75 mm +Nhiệt độ in: 190 - 220°C (374-428°F) +Nhiệt độ in lớp đầu tiên: 195℃ +Tốc độ in: 60 ~ 90mm/s +Bàn nhiệt: Khơng bắt buộc +Đóng gói: 1kg (2,2lbs)/Cuộn +Dung sai: ± 0,05mm; +Đường kính sợi: 3mm (2,90 ~ 3,00mm) / 1,75mm(1,70 ~ 1,80mm) 49 +Nhiệt độ biến dạng: ≥ 55℃ +Sức căng: ≥ 60MPa +Độ bền uốn: ≥ 60MPa +Mô-đun uốn dẻo ≥ 2500MPa +Sức mạnh tác động (IZOD, 23℃): ≥ 3KJ / m (ASTM D256) +Nhiệt độ giường: 0-55°C (32-131°F); +Nhiệt độ giường khuyến nghị: 40-55°C = (104-131°F) +Kéo dài nghỉ: ≥ 3% Để phù hợp với thiết kế tính thẩm mỹ, chúng em thiết kế khung robot dày 2mm tay cầm dày 5mm Từ chúng em tìm ngược lại tải trọng cho phép sử dụng robot Khối lượng máy: Nhóm sử dụng cơng cụ Measure phần mềm Inventor để đo đạc thể tích thành phần khung máy, có thơng số sau: Khối lượng(m) = Khối lượng riêng (d) x Thể tích (V) với: - vật liệu nhóm sử dụng Nhựa PLA có khối lượng riêng 1.25 gam/cm3 50 V=497560.942+370154.517+91635.545+75283.993= 1034635mm3=1034.645cm3  m = 1.25x1034.645=1293 gam Khối lượng động cơ: 104x3= 312 gam Khối lượng quạt hút: 220 gam Khối lượng mạch, pin ( Pin Turnigy 3S 11.1V 2200mAh, Kit mạch cầu H, Pin Lipo cell cung cấp cho cánh quạt, chip MSP430G2553 ): 200 gam Vậy tổng khối lượng máy mà nhóm ước tính 2000 gam= 2Kg 3.4.1 Tính sức bền tay nắm: Giả sử gọi lực phân bố F ta có sơ đồ phân bố lực 109 Momen lực ác dụng lên tay cầm : Mx= F = 54.5F Moment qn tính hình phẳng: Jx= 25𝑥53 12 = 260.42 (𝑚𝑚)4 51 Diện tích: /𝐴 = 25𝑥5 = 125 (𝑚𝑚)2 Ta có tay cầm chịu lực phức tạp nên ta tính theo điều kiện ứng suất pháp: Ta có: 𝛿𝑚𝑎𝑥 = 𝑀𝑥 𝐽𝑥 𝑦𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝛿𝑁 ⇒ 54.5𝐹 25 60 𝑘𝑁 ≤ ( ) 260.42 1000 𝑚𝑚2 ⇒ 𝐹 ≤ 114.7 𝑁 Vì cần lực nâng máy lớn trọng lực nên ta tiến hành so sánh kết điều kiện lực tính với trọng lượng máy, ta có: P = mg = 19.6 N < 114.7 N (thỏa) Vậy điều kiện lực nâng tác dụng lên tay cầm là: 19.6 𝑁 ≤ 𝐹 ≤ 114.7 𝑁 3.4.2 Tính sức bền khung xung quanh máy: Vì khung máy có kích thức phần tương đương nên ta chọn phần thích hợp để tính tốn phần lực xét đến trường hợp lực va đập Giả sử gọi lực phân bố F ta có sơ đồ phân bố lực 52 Momen lực tác dụng lên tay cầm : Mx= F y 290 = 145F x 34.5mm 2mm Moment qn tính hình phẳng: Jx= 2𝑥34.53 12 = 6844 (𝑚𝑚)4 Diện tích mặt cắt tấm: 𝐴 = 34.5𝑥2 = 69 (𝑚𝑚)2 Ta có vỏ chịu lực phức tạp nên ta tính theo điều kiện ứng suất pháp: Ta có: 𝛿𝑚𝑎𝑥 = 𝑀𝑥 𝐽𝑥 𝑦𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝛿𝑁 ⇒ 145𝐹 34.5 60 𝑘𝑁 ≤ ( ) 6844 1000 𝑚𝑚2 ⇒ 𝐹 ≤ 164.17 𝑁 Vậy điều kiện lực va đập giới hạn vào khung robot là: 𝐹 ≤ 164.17 𝑁 3.4.2 Tính sức bền đế robot: Giả sử gọi lực phân bố F ta có sơ đồ phân bố lực 53 Momen lực tác dụng lên tay cầm : Mx= F 290 = 145F 290mm 2mm Moment qn tính hình phẳng: Jx= 290𝑥23 12 = 193.33 (𝑚𝑚)4 Diện tích mặt cắt tấm: 𝐴 = 290𝑥2 = 580 (𝑚𝑚)2 Ta có vỏ chịu lực phức tạp nên ta tính theo điều kiện ứng suất pháp: Ta có: 𝛿𝑚𝑎𝑥 = 𝑀𝑥 𝐽𝑥 𝑦𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝛿𝑁 ⇒ 145𝐹 60 𝑘𝑁 ≤ ( ) 193.3 1000 𝑚𝑚2 ⇒ 𝐹 ≤ 80 𝑁 Vậy điều kiện lực va đập giới hạn vào đế robot là: 𝐹 ≤ 80 𝑁 Vì lực ép buồng khí lớn trọng lực (49N > 19.6N) nên ta tiến hành so sánh kết điều kiện lực tính với lực ép buồng khí, ta có: 49 N < 80 N (thỏa) Vậy ta chọn loại động phản lực phù hợp 54 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN 4.1 Đánh giá Sau thời gian nghiên cứu đề tài “thiết kế robot lau kính” hồn thành đạt số kết sau: - Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động loại robot lau kính thơng dụng - Phân tích thơng số kỹ thuật phương án thiết kế robot có khả di chuyển kính dùng nguyên lý phản lực - Thiết kế khí khung chi tiết robot ( mô 3d Inventor, Bản autocad 2d thông số chi tiết, vẽ lắp máy) 4.2 Kết luận Hình Cấu tạo, hình dáng tổng thể máy với kích thước 29x29x11 cm Nhóm thiết kế Trong q trình hồn thành đề tài, số thiếu sót kinh nghiệm thiết kế sản phẩm chúng em làm chắn có nhiều thiếu sót 55 Nhưng nhìn tổng quan chúng em hoàn thành đề tài hoàn thiện thẫm mỹ Ban đầu nhóm thiết kế hệ thống cung cấp nước tự động cho máy tính tốn xem kĩ lại có nhược điểm sau: - Nếu thiết kế phần cung cấp nước bên máy miếng vải lau lượng nước cung cấp thấm vào mặt vải trước dần lan mặt ngồi tiếp xúc với mặt kính điều làm khoản thời gian Và thiết kế có nguy rị rỉ nước vào bên phận điều khiển làm giảm tuổi thọ máy hư hỏng máy - Còn thiết kế phần cung cấp nước nằm phía ngồi máy đặt song song miếng vải lau vị trí đầu robot nước cung cấp rơi trực tiếp xuống kính nhiên việc thiết kế làm phận cung cấp nước lâu ngày bám bụi bẩn gây giảm tuổi thọ máy, mặt khác máy hướng di chuyển theo phương thẳng đứng lên, máy nhận đủ lượng nước lau bề mặt kính, nhiên máy chuyển hướng theo phương ngang phần cung cấp nước giữ cố định nên phải đợi lượng nước lan khắp khăn đảm bảo bề mặt kính Nhờ chế xoay phần bánh chuyển động khơng xoay phần khăn lau nên kính khơng bị tình trạng quần dơ 4.3 Hướng phát triển - Bổ sung thêm cảm biến để xác định vị trí trạng thái robot, giúp robot tự hành - Robot leo tường thực nhiều mục đích người: từ quan trắc, điều khiển đến cứu hộ, vệ sinh… nên tích hợp số phụ phần kết thú vị - Hướng đề tài chúng em phát triển thêm để đạt mục tiêu thiết kế “ROBOT LAU KÍNH CHO CÁC TỊA NHÀ CAO TẦNG” 56 Ở chừng mực định, đề tài gặp nhiều thiếu sót cần phải bổ sung để hoàn thiện hơn, chúng em mong nhận nhận xét góp ý q thầy để chúng em phát triển lên phiên cao 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jizhong Xiao and Ali Sadegh, “InTech-City climber a new generation wall climbing robots” [2] www.diendanti.com.vn [3] www.google.com [4] http://banlinhkien.vn/ [5] http://www.luanairmodels.com/ [6] http://diendanxedapdien.hkbike.com.vn/ [7] Co_so_ly_thuyet_MSP430 58 ... trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh giảng dạy cho chúng em suốt năm năm qua, cung cấp cho chúng em kiến thức làm tảng để hoàn thiện đồ án Mặc dù cố gắng để hoàn thành tập đồ án, ... cứu Chương 2: Nghiên cứu, ý tưởng thiết kế robot: chúng em trình bày nghiên cứu, khảo sát để chọn lựa phương án thiết kế robot hợp lý Chương 3: Tính tốn, thi cơng khí robot lau kính: chúng em trình... hình để rõ thiết kế tổng quát hình dáng robot 11 Hình Kiểu mẫu robot theo thiết kế nhóm 2.2 Nghiên cứu cách di chuyển 2.2.1 Chọn lựa phương án di chuyển 2.2.1.1 Phân bố cấu: Với hình dáng ta khắc