a) Cảm biến hồng ngoại xác định vật cản
- Cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản là một thiết bị gồm một cặp Led hoặc hai đầu thu phát hồng ngoại. Thiết bị này có khả năng nhận biết vật cản ở môi trường nhờ khả năng truyền và nhận dữ liệu hồng ngoại.
- Có 2 loại cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản được sử dụng phổ biến nhất là: Cảm biến hồng ngoại thụ động và cảm biến thu phát hồng ngoại.
- Việc sử dụng cảm biến hồng ngoại trong mô hình “Bãi đỗ xe tự động” nhằm mục đích phát hiện xe vào bãi, nên chỉ cần dùng cảm biến hồng ngoại thụ động giá rẻ là phù hợp với yêu cầu.
b) Công tắc hành trình
- Công tăc hành trình dùng để đóng ngắt, chuyển đổi mạch điện điều khiển trong truyền động điện tự động theo tín hiệu “ hành trình” ở các cơ cấu chuyển động cơ khí nhằm tự động điều khiển hành trình làm việc hay tự động ngắt mạch điện ở cuối hành trình để đảm bảo an toàn. Một loại công tắc hoạt động theo kiểu nhấn đè hay gạt cần để điều khiển thiết bị điện đóng ngắt được dùng trong cửa cuốn, băng truyền, Pa lăng, máy CNC, cẩu trục,…
- Cấu tạo chung của công tắc hành trình:
+ Bộ phận nhận truyền động: Đây là bộ phận khá quan trọng, được gắn lên dầu của công tắc có nhiệm vụ nhận tác động từ các bộ phận chuyển động để tác động kích hoạt công tấc.
+ Thân công tắc: bao gồm các linh kiện bên trong với lớp vỏ bằng nhựa giúp bảo vệ các mạch điện bên trong khỏi các tác nhân vật lý bên ngoài.
Hình 2. 26:Cảm biến hồng ngoại thụđộng
Hình 2. 25: Cảm biến thu phát hồng ngoại
39
+ Chân kết nối: Đây được xem là phần tín hiệu ngõ ra cho công tắc vì nó có nhiệm vụ truyền tín hiệu đến các thiết bị khác khi có tác động bởi bộ phận truyền động.
- Nguyên lý hoạt động: Thông thường một công tắc hành trình có các bộ phận hoạt động như sau: cần tác động, chân com, chân thường đóng (NC) và chân thường hở (NO). Ở trạng thái bình thường không có sự tác động đến bộ phận truyền động của công tắc thì tiếp điểm giữa chân COM và chân NC sẽ được đấu với nhau. Nhưng khi có tác động vào bộ phận truyền động sẽ làm cho chân COM và chân NC tách ra sau đó và chân COM sẽ tác tác động vào chân NO. Tiếp theo đó sẽ kích hoạt và điều khiển tín hiệu ngõ ra của công tắc.
- Theo cấu tạo vật lý công tắc hành trình được chia làm ba loại chình:
• Công tắc hành trình kiểu nút bấm:
• Công tắc hành trình kiểu tế vi
• Công tắc hành trình kiểu đòn
40
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí
3.1.1 Thông sốkĩ thuật của xe ô tô
Thông số kĩ thuật của mô hình xe ô tô nhóm sử dụng trong đồ án:
+ Chiều dài: 70 mm + Chiều rộng: 40 mm + Chiều Cao: 20 mm + Trọng lượng: 100g + Chất liệu: Nhựa 3.1.2 Phân tích hệ thống cơ khí - Hệ thống cơ khí:
+ Hệ thống lưu trữ: Có tác dụng nâng đỡ cho toàn bộ hệ thống, đảm bảo hệ thống hoạt động một cách trơn tru, an toàn. Vật liệu chính là những thanh thép 45 định hình ghép nối với nhau, bên cạnh đó còn kết hợp những tấm Mica trong suốt tăng độ vững và thẩm mỹ cho toàn hệ thống.
+ Hệ thống vận chuyển xe : Đưa xe lên xuống giữa các tầng theo phương thẳng đứng. Sử dụng bộ truyền đai để vận chuyển. Các bánh xe trượt giúp dẫn động, tăng độ chính xác và ổn định của hệ thống nâng hạ.
- Quy trình tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí: + Xác định yêu cầu kĩ thuật.
+ Xác định yêu cầu kĩ thuật các bộ phận trong hệ thống.
+ Xác định số vị trí cất xe, không gian làm việc của động cơ và hệ thống thông qua bản vẽ cad,… .
+ Xác định nguyên lý hoạt động của hệ thống.
41
+ Tính công suất cần thiết, chọn động cơ cho hệ thống truyền động, chọn các phần tử chấp hành phù hợp với hoạt động hệ thống.
+ Dựa theo các tiêu chuẩn về lắp ráp, lần cuối xác định kích thước các chi tiết, bộ phận máy.
+ Chỉnh sửa, hiệu chỉnh lại thiết kế. + Lập tài liệu thiết kế.
3.1.3 Thiết kếcơ khí
a) Thiết kế khung cơ khí
- Khung là nơi chịu toàn bộ tải trọng của cơ cấu, ô tô. Khung phải có kết cấu phù hợp với không gian cho phép. Khung là tổ hợp của phần chịu tải trọng của cả mô hình (phần đế) và phần lưu trữ 6 vị trí để xe được liên kết với nhau bằng các mối hàn hồ quang điện và đai ốc bulong giúp cho hệ thống khung chính gọn gàng, ngoài ra giúp hệ thống vuông vắn dễ dàng lắp đặt các vị trí động cơ, cảm biến.
- Phần đế được là từ loại vật liệu thép kỹ thuật (thép tấm lá): là sản phẩm thép tấm cán nguội được sử dụng hết sức phổ biến trong đời sống hiện nay. Thép tấm lá được sản xuất từ nguyên liệu chính là thép cacbon có độ đàn hồi cực tốt và chống chịu lực tuyệt vời vì vậy, nhóm đã ứng dụng những tính chất ưu việt của théo tấm kỹ thuật vào làm phần đế cơ khí.
Hình 3. 2: Thiết kế phần đế mô hình
- Kích thước:
+ Chiều dài: 800mm + Chiều rộng: 500mm + Chiều cao chân đế: 20mm
42
- Phần khung cơ khí vị trí để xe bao gồm 6 vị trí lưu trữ sẽ được làm bằng vật liệu mica. Mica là một loại vật liệu có khối lượng tương đối thấp trên một đơn vị diện tích khi được so sánh với thủy tinh, tuy nhiên mica lại có khả năng chịu lực tốt , chịu va đập. Vì vậy nhóm đã sử dụng loại vật liệu này để giảm khối lượng tải trọng cho mô hình mà vẫn đảm bảo được độ cứng vững và độ bền của mô hình
Hình 3. 3: Thiết kế phần khung cơ khí vịtrí để xe
- Kích thước:
+ Chiều dài: 450mm + Chiều rộng: 125mm + Chiều cao: 400mm
+ Kích thước mỗi vị trí: 150mm x 125mm b) Thiết khung dẫn động và dẫn hướng động cơ
- Khung dẫn động và dẫn hướng động cơ là bộ phận quan trọng trong hệ thống cơ khí của mô hình. Khung là phần để lắp động cơ và cánh tay dẫn hướng nên đây là phần chịu toàn bộ trọng lượng của động cơ và cánh tay dẫn hướng.
- Để đảm bảo yều cầu vừa chịu tải trọng tốt và dẫn hướng động cơ chính xác có rất nhiều vật liệu phù hợp. Ngày nay, nhôm định hình là một vật liệu rất phổ biến và được ứng dụng dẫn nhiều trong các thiết bị làm nhiệm vụ nâng đỡ cũng như dẫn hướng chuyển động đều đảm bảo rất tốt và chính xác, thêm vào giá thành rẻ, lắp ráp
43
dễ dàng và đảm bảo tính thẩm mĩ. Vì vậy nhóm đã sử dụng nhôm định hình làm vật liệu để làm khung dẫn động và dẫn hướng cho mô hình bãi đỗ xe.
- Kích thước nhôm định hình sử dụng là 20x20 để khung máy nhỏ gọn.
Hình 3. 4: Thông sốkĩ thuật nhôm định hình
- Yêu cầu phải đảm bảo về kích thước của các thanh nhôm, độ vuông góc khi lắp ghép.
- Các thanh nhôm được nối với nhau bằng bát ke góc nhôm và bu lông lục giác.
44 - Thiết kế cánh tay cất xe : Hình 3. 6: Cánh tay cất xe ra vào Kích thước: + Chiều dài: 450 mm + Chiều rộng: 20 mm + Chiều cao: 20 mm - Con lăn nhôm định hình:
Hình 3. 7: Con lăn đỡ xe
Kích thước:
+ Chiều dài: 120 mm + Chiều rộng: 80 mm + Chiều cao: 5 mm
45 - Tổng quan mô hình:
Hình 3. 8: Tổng quan về mô hình
Kích thước tổng thể:
+ Chiều dài: 800 mm + Chiều rộng: 500 mm + Chiều cao: 600 mm
3.1.4 Tính chọn động cơ cho trục vít me (trục Z)
- Thông số ban đầu:
+ Vận tốc đầu ra của động cơ : V = 0,04 m/s = 2,4 m/phút + Gia tốc: a = 5 mm/𝑠2= 0,005 m/𝑠2
+ Hệ số ma sát nghỉ: 𝑓 = 0,5 + Hệ số an toàn k = 2,5
+ Đường kính vít me: D = 8 mm + Tổng khối lượng tải: m = 2 kg
- Vận tốc của động cơ được tính bằng công thức: v = 𝜋𝐷𝑛
1000 (1) => n = 3.1000
𝜋.8 = 95 vòng/phút - Tính toán công suất
46 Trong đó:
+ 𝐹𝑚𝑠 là lực ma sát, 𝐹𝑚𝑠 = mg𝑓 = 2.9,8.0,5 = 9,8 (N) + 𝐹𝑞𝑡 là lực quán tính, 𝐹𝑞𝑡 = ma = 2.0,005 = 0,01 (N) + P là trọng lực, P = 𝑚,g = 2.9,8+1.9,8 = 29,4 (N) - Thay số vào công thức (2) ta được:
F = 2,5.(9,8 + 0,01 + 29,4) = 98,03 (N) - Mô men xoắn đầu ra của động cơ cần đạt được:
T = F.𝐷
2 = 98,03.4= 392,12 (N.mm) - Công suất đầu ra của động cơ:
𝑃𝑡 = 𝑇.𝑛
9,55.106 = 392,12.95
9,55.106 = 3,9 (W) - Công suất động cơ truyền động trục vít được tính như sau:
t ct P P = (3) Trong đó:
+ P : là công suất cần thiết trên trục động cơ ct + Pt: là công suất tính toán trên trục máy công tác + 𝜂 : là hiệu suất truyền động hệ thống
- Hiệu suất hệ dẫn động:
𝜂 = 𝑛𝑡𝑣.𝑛𝑜𝑙 (4) Trong đó:
+ 𝑛𝑡𝑣 = 0,3 - hiệu suất của bộ truyền trục vít + 𝑛𝑜𝑙 = 0,99 - hiệu suất của của 1 cặp ổ lăn - Thay vào công thức (4) ta có:
𝜂 = 0,3.0,99 = 0,3 => 𝑃𝑐𝑡 = 3,9
0,3 = 13 (W)
Để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, an toàn, tránh quá tải gây hỏng hóc, công suất của động cơ phải lớn hơn công suất cần thiết: Pdc Pct
47
Hình 3. 9: Động cơ bước size 42
+ Chiều dài: 48 mm
+ Đường kính trục 5 mm. Đầu trục vát phẳng, giúp puli/khớp nối không đỡ bị lỏng khi hoạt động
+ Cường độ định mức 1.2A, mô men giữ 0.55 Nm, góc quay mỗi bước 1.8 ° + Dây nối dài 1m, đầu dây chuẩn XH2.54. Tương thích với đầu ra động cơ bước trên mạch RAMPS 1.5 hoặc CNC shield V3
+ Ít tỏa nhiệt, chuyển động êm + Khối lượng: 400g
3.1.5 Tính toán chọn trục vít me (trục Z)
a) Ưu nhược điểm của trục vít me - Ưu điểm:
+ Cấu tạo đơn giản, chịu lực lớn, thực hiện được dịch chuyển chậm. + Kích thước nhỏ, gọn.
+ Thực hiện được các dịch chuyển cần độ chính xác cao. + Điều khiển một cách dễ dàng.
- Nhược điểm:
+ Hiệu suất thấp do ma sát trên ren. + Chóng mòn.
b) Chọn vật liệu trục vít và đai ốc
+ Ngoài yêu cầu độ bền, vật liệu làm vít cần có độ bền mòn cao và dễ gia công.
+ Vật liệu vít: Thép 45 + Vật liệu đai ốc: Đồng
48 c) Tính toán
- Ta có lực dọc trục 𝐹𝑎 tác dụng lên bộ truyền trục vít là tổng khối lượng của tay xe, xe và khung dẫn hướng m =1 kg
𝐹𝑎 = N = mg = 1.9,8 = 9,8 (N)
Hình 3. 10: Tính toán trục vít me Z
- Đường kính trung bình của ren được tính theo công thức: 𝑑2 ≥√ 𝐹𝑎
𝜋𝜓𝐻𝜓ℎ[𝑞] (5) Trong đó:
+ 𝐹𝑎 là lực dọc trục
+ 𝜓𝐻 = H/𝑑2 - Hệ số chiều cao đai ốc với H- chiều cao đai ốc, đai ốc nguyên chọn 𝜓𝐻 = 2.
+ 𝜓ℎ = h/p – Hệ số chiều cao ren, với h - chiều cao làm việc của ren, p – bước ren, ren thang chọn 𝜓ℎ = 0,5.
+ [𝑞] – Áp suất cho phép, phụ thuộc vào vật liệu vít và đai ốc, ta có vật liệu đai ốc là thép đồng thanh, chọn [𝑞] = 10 Mpa
Thay vào công thức (5) có:
𝑑2 ≥√ 9,8
𝜋.2.0,5.10 = 0,56
Chọn đường kính trung bình 𝑑2 = 7 mm, đường kính ngoài D = 8 mm, đường kính trong 𝑑1= 6 mm , bước ren p = 2 mm
49 d) Chọn các thông số của vít và đai ốc
- Theo công dụng của bộ truyền và yêu cầu tự hãm, chọn số mối ren 𝑧ℎ : Trường hợp cần đảm bảo tính tự hãm, chọn số mối ren 𝑧ℎ = 1, trái lại nếu yêu cầu vít thực hiện hành trình lớn hơn sau một vòng quay thì chọn ren nhiều đầu mối(𝑧ℎ > 1) - Chọn 𝑧ℎ = 4 ta có bước vít:
𝑝ℎ = 𝑧ℎ.p = 4.2 = 8 - Và góc vít: 𝛾 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔( 𝑝ℎ
𝜋.𝑑2) = arctg( 8
𝜋.7) = 20𝑜
- Sau khi xác định được góc vít ta kiểm tra điều kiện tự hãm: 𝜌 = arctg(f/ cos𝛿) (6)
Trong đó: 𝛿 – Góc nghiêng của cạnh ren làm việc, ren hình thang, chọn 𝛿 = 15𝑜 f - Hệ số ma sát, phụ thuộc vào vật liệu của vít và đai ốc với thép – đồng thanh không thiếc, f = 0,5
Thay vào công thức (6) có:
𝜌 = arctg(0.5/cos15𝑜) = 28𝑜 => 𝛾 < 𝜌: Đủ điều kiện tự hãm
e) Xác định chiều cao đai ốc và số vòng ren
- Từ 𝑑2 và hệ số chiều cao 𝜓𝐻tính được chiều cao đai ốc: H = 𝜓𝐻. 𝑑2 = 2.7 = 14 (mm) - Chọn H =15 mm
- Số vòng ren của đai ốc:
z = H/p =15/2=7.5 ≤ 𝑧𝑚𝑎𝑥 = 10…12
Để tránh làm tăng sự phân bố không đều tải dọc trục cho các vòng ren. f) Kiểm tra độ bền
- Kiểm tra độ bền theo ứng suất tương đương: 𝜎𝑡𝑑 = √𝜎2+ 3𝜏2 = √(4𝐹𝑎
𝜋𝑑12)2+ 3 ( 𝑇
0.2𝑑13)2 ≤ [𝜎] (7) Trong đó:
+ 𝐹𝑎, T tương ứng với lực dọc, N, và mô men xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vít
50 + 𝑑1 Đường kính trong của ren vít
+ [𝜎] Ứng suất cho phép (kéo hoặc nén) MPa với 𝜎𝑐ℎ là giới hạn chảy của vật liệu vít 𝜎𝑐ℎ = 360 Mpa => [𝜎] = 360
3 = 120 MPa Thay vào công thức (7) ta có:
=> 𝜎𝑡đ = √(4.9,8
𝜋.62)2+ 3. ( 0,4
0,2.63)2 = 0,35 ≤ [𝜎] => Trục vít đủ điều kiện bền
g) Kiểm nghiệm về tính ổn định
- Với các vít tương đối dài và chịu nén cần tiến hành kiểm nghiệm về uốn dọc nhằm đảm bảo điều kiện ổn định Euler. Công thức kiểm nghiệm có dạng:
𝑆0 = 𝐹𝑡ℎ 𝐹𝑎 ≥[𝑆0] (8) Trong đó: + 𝑆0 là hệ số an toàn ổn định. + 𝐹𝑡ℎ tải trọng giới hạn + 𝐹𝑎 tải trọng dọc trục ( lực nén) + [𝑆0] = 2,5…4 – Hệ số an toàn ổn định cho phép Để xác định tải trọng tới hạn cần dựa vào độ mềm của vít
𝜆 = 𝜇l/i (9) Trong đó:
+ 𝜇: Hệ số chiều dài tương đương, hai đầu trục vít được cố định bằng ổ lăn do vậy 𝜇 = 1
+ l là chiều dài của vít, chọn l = 400mm + i bán kính quán tính của tiết diện vít
i = √𝜋𝑑4𝐽
1
2 (10) Trong đó: J là mô men quán tính tiết diện của trục vít
J = 𝜋𝑑1 4 64 (0,4 + 0,6. 𝑑 𝑑1) = 𝜋6 4 64 (0,4 + 0,68 6) = 76,34 (𝑚𝑚4)
51 Thay vào công thưc (10) ta có:
=> i = √4.76,34
𝜋62 = 1,64 Thay vào công thức (9) ta có:
𝜆 = 1.400
1,64 = 243,9 Khi λ ≥ 100, theo công thức Euler có :
𝐹𝑡ℎ = 𝜋 2.𝐸.𝐽 (μl)2 = 𝜋 2.2.1.105.76,34 (1.400)2 = 988,9 (N) Với thép E = 2,1. 105 MPa Do đó hệ số an toàn ổn định: 𝑆0 = 𝐹𝑡ℎ 𝐹𝑎 = 988,9 9,8 = 100,9 > [𝑆0] = 2,5…4 => Điều kiện ổn định được đảm bảo
3.1.6 Tính chọn động cơ cho trục vít me (trục Y)
- Thông số ban đầu:
+ Vận tốc đầu ra của động cơ : V = 0,04 m/s = 2,4 m/phút + Gia tốc: a = 5 mm/𝑠2= 0,005 m/𝑠2
+ Hệ số ma sát nghỉ: 𝑓 = 0,5 + Hệ số an toàn k = 2,5
+ Đường kính vít me: D = 8 mm + Tổng khối lượng tải: m = 2,8 kg
- Vận tốc của động cơ được tính bằng công thức: