3.1.1. Sơ đồ hệ thống
• Mô hình cơ khí đảm bảo được các yêu cầu và chức năng của hệ thống cụ thể như sau:
o Thiết kế mô hình cơ khí đảm bảo chắc chắn, nhỏ gọn, khối lượng nhẹ và ổn định trong quá trình hoạt động.
o Thiết kế mô hình đảm bảo cho các cơ cấu chấp hành và cơ cấu điều khiển được bố trí hợp lý nhất.
o Mô hình được thiết kế hợp lý nhằm giảm sai cho hệ thống điều khiển.
o Mô hình có tính thẩm mỹ cao.
o Dễ dàng sử dụng cho người sử dụng.
o Đảm bảo giá rẻ, giảm tối đa chi phí.
• Thành phần của hệ thống bao gồm:
o Phần cơ khí: Khung băng tải, động cơ, bộ truyền đai, gá servo, gá camera Kinect
32
o Phần điện - điện tử: Bộ xử lý trung tâm, mạch điều khiển, mạch công suất, cảm biến.
• Thiết kế khái quát:
o Hình dáng hình chữ nhật
o Vật liệu chính của khung băng tải: Nhôm định hình 20x20
o Các bộ phận chính: Khung băng tải, băng tải, mạch điện tử, mạch công suất, cảm biến, động cơ…
33
Hình 3.2. Bản vẽ lắp của hệ thống
3.1.2. Thiết kế khung hệ thống
Hệ thống khung cơ khí băng tải được thiết kế trên phần mềm Solidworks, mô phỏng liên kết các khối trong mô hình 3D. Khung chính bao gồm:
• 2 thanh nhôm định hình dài 900mm
• 4 thanh nhôm định hình dài 145mm
• 3 thanh nhôm định hình 90 mm
• 2 thanh nhôm định hình 850 mm
• 1 thanh nhôm định hình 150mm
Các thanh nhôm sẽ được cố định với nhau bằng ke góc và con chạy nhôm định hình.
34
Hình 3.3. Bản vẽ lắp ráp khung của mô hình
Các ưu điểm khi khung được làm bằng nhôm định hình 20x20:
• Nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, giá thành rẻ.
• Dễ lắp ráp, thay đổi khi có sự thay đổi trong thiết kế.
• Dễ tìm, dễ mua, có sẵn ngoài thì trường.
• Chịu lực tốt do được cấu thành từ nguyên liệu nhôm hợp kim.
• Độ thảm mỹ cao.
Bên cạnh những ưu điểm như trên thì khung cũng có một số nhược điểm như sau:
• Do các thanh được lắp ghép với nhau bằng ke góc và con chạy nên có thể xảy ra trường hợp các thanh lắp ráp không đặt được độ liên kết chặt, vuông góc với nhau.
• Tuổi thọ kém do nhôm định hình sau nhiều năm sử dụng cần được bảo dưỡng và thay thế để đảm bảo an toàn.
35
3.1.3. Tính toán chọn động cơ băng tải
Băng tải có nhiệm vụ dẫn sản phẩm đến dừng tại các vị trí định sẵn hoặc đưa sản phẩm về khay phân loại cuối bang tải
- Chọn tốc độ v = 0,05 (m/s).
- Đường kính rulo D = 30 (mm), đường kính trục d = 8 (mm).
- Khối lượng băng tải: mrulo = 2,5 (kg) (bao gồm khối lượng của rulo, băng tải).
- Khối lượng phôi: mphoi = 0,3 (kg)
• Tính toán công suất động cơ:
Trong đó:
- v: Vận tố băng tải, v = 0,05(m/s).
- D: Đường kính rulo D = 30 (mm), đường kính trục d = 8 (mm) - mphoi: Khối lượng phôi: mphoi = 0,3 (kg)
- Fmst: Lực ma sát trượt - Fmsl: Lực ma sát lăn - M: Momen của băng tải Ta có:
Pdc ≥ Pct (3.1)
Trong đó:
36 - Pct: Công suất cần thiết của băng tải - P: Công suất làm việc trên trục công tác. Mặt khác: Fms = Fmst + Fmsl (3.2) Fms = mphoi.g.µ + mrulo.g.k (3.3) Trong đó: - k = 1: hệ số ma sát lăn - µ = 1: hệ số ma sát trượt - Fms: lực ma sát - Fmst: Lực ma sát trượt - Fmsl: Lực ma sát lăn - g = 9,81(m/s2): gia tốc trọng trường Thay vào công thức (3.3) ta được:
Fms = 27,468 (N) Mặt khác: 𝑃𝑐𝑡 = 𝐹. 𝑣 1000 (3.4) Trong đó: F = Fms = 27,468(N) v = 0,05(m/s)
Thay vào công thức (3.4) ta được Pct = 1,3734(W) Ta có:
𝑃 = 𝐾.𝑃𝑐𝑡
h (3.5)
Trong đó:
- : Hiệu suất của hệ truyền động
- K: Hệ số dự trữ công suất (K = 1.2÷1.25) Trong đó:
37
Tra bảng 2.3 Trị số hiệu suất các loại bộ truyền trong cuốn “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí - quyển 1” của Trịnh Chất - Lê Văn Uyển, ta có:
- ol= 0,99: Hiệu suất ổ lăn
- br= 0,96: Hiệu suất bảnh răng trụ - đ = 0,95: Hiệu suất bộ truyền đai Thay vào công thức (3.6) ta được:
ℎ = 0,993. 0,962. 0,95 ≈ 0,8495
Với = 0,8495và Pct =1,3734 (W) thay vào công thức (3.5) ta được: P = 2,0209 (W)
Để đảm bảo đông cơ hoạt động ổn định, an toàn, tránh quá tải gây hỏng hóc, cần phải chọn công suất của động cơ Pdc > P
Từ những kết quả trên, nhóm đã quyết định chọn động cơ DC Takanawa 555 Metal Gear Motors High Torque với điện áp là 12-24V, công suất tối đa của động cơ là 60W có sẵn trên thị trường.
Hình 3.3. Động cơ Takanawa 555 metal gear motor
Thông số kĩ thuật của động cơ:
Bảng 3.1. Thông số kĩ thuật của động cơ
Tên Thông số
Hãng BAENRCY
Vật liệu Kim loại
38
Điện áp 12-24V
Cường độ dòng điện 2,5A
Tốc độ (sau khi qua hộp giảm tốc) 90RPM/min
Độ dài trục 16mm
Đường kính trục 7mm
Đường kính động cơ 37mm
Chiều dài động cơ 65mm
3.1.4. Tính toán bộ truyền đai răng
Chọn tỉ số truyền của bộ truyền đai răng là k = 1,25 Tốc độ góc của động cơ: 𝜔 = 2. 𝑣. 𝑘 𝐷 = 2.50.3,75 30 ≈ 4,1667 (𝑟𝑎𝑑/𝑠) (3.7) Trong đó:
- : Tốc độ góc của động cơ (rad/s) - v: Tốc độ của băng tải (mm/s)
- k: Tỉ số truyền của bộ truyền đai răng - D: đường kinh của rulo (mm)
Tốc độ quay của động cơ là:
𝑛 = 𝑤. 60
2𝜋 =
4,1667.60
2𝜋 ≈ 40 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡) (3.8)
Theo “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí - quyển 1” của Trịnh Chất - Lê Văn Uyển, mô đun m của bộ truyền đai răng được xác định theo công thức thực nghiệm:
𝑚 = 35. √𝑃1
𝑛1 3
(3.9) Trong đó:
- P1: Công suất trên bánh đai chủ động(kW) - n1: Số vòng quay bánh chủ động(vòng/phút) - m: Mô đun của bộ truyền đai răng
39 𝑚 = 35. √𝑃1 𝑛1 3 = 35. √2,0209. 10 −3 40 3 ≈ 1,2938
Theo cuốn “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí - quyển 1” của Trịnh Chất - Lê Văn Uyển, ta có bảng tra thông số của các mô đun m của bộ truyền đai răng như sau:
Bảng 3.2. Bảng tra mô đun chọn số răng cho bánh răng
Thông số Môđun m (mm) 1 1,5 2 3 4 5 Tải trọng cho phép(N/mm) 2,5 3,5 5,0 9,0 25,0 30,0 Bước đai p (mm) 3,14 4,71 6,28 9,42 12,57 21,99 Tỷ số truyền lớn nhất 7,7 10,0 11,5 12,0 8,0 8,0 Số răng z1 cho phép nhỏ nhất 13 10 10 10 15 15 Số răng z2 lớn nhất 110 110 115 120 120 120
Chiều dày đai H (mm) 1,6 2,2 3,0 4,0 5,0 6,5
Miền giá trị số răng zd đai 40÷160 48÷250 48÷200 56÷140 Theo bảng 3.2 chọn m = 1, vậy tỷ số truyền k = 1,25 (thỏa mãn nhỏ hơn tỉ số truyền lớn nhất là 7,7)
Chiều rộng đai được tính bằng công thức:
𝑏 = 𝑦𝑑. 𝑚 (3.10)
Với d chọn trong khoảng từ 6 đến 9 là hệ số chiều rộng đai. Chọn d = 9, vậy bề rộng đai là b = 9.1 = 9(mm).
Theo bảng 3.2, với m = 1 chọn z1 20
z2 = k.z1 = 1,25.20 = 25 (thỏa mãn nhỏ hơn số răng lớn nhất là 110)
Theo cuốn “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí – quyển 2” của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển ta có, khoản cách trục a thỏa mãn:
amin ≤ a ≤ amax (3.11) Với:
𝑎𝑚𝑖𝑛 = 0,5𝑚(𝑧1+ 𝑧2) + 2𝑚 ; 𝑎𝑚𝑎𝑥 = 2𝑚(𝑧1+ 𝑧2) 0,5.1.(20+25) +2.1 ≤ a ≤ 2.1.(20+25)
40 24.5 ≤ a ≤ 90
Vậy chọn a = 90 mm
Theo cuốn “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí – quyển 2” của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển ta có, số răng đai:
𝑧𝑑 = 2𝑎 𝑝 + 𝑧1 + 𝑧2 2 + (𝑧1 + 𝑧2)2𝑝 40𝑎 (3.12) 𝑧𝑑 = 2.90 3,14+ 20 + 25 2 + (25 − 20)2. 3,14 40.90 ≈ 79.84 Theo bảng 3.2, chọn zd = 80
Vậy từ những kết quả trên, nhóm tác giả quyết định chọn puli GT3 loài 20 răng làm puli chủ động và puli GT3 loại 25 răng làm puli bị động.
3.1.5. Trục tang
Trục tang (hay con lăn) được chọn làm bằng vật liệu Inox304. Dưới tác dụng của momen xoắn:
𝑇 = 9,55. 10 6. 𝑃
𝑛 (3.13) Với 𝑃 ≈ 2,0209. 10−3(kW) là công suất qua trục tang.
n = 40 (vòng/phút) là số vòng quay của trục trong 1 phút. Trong trục sinh ra ứng xuất xoắn
𝜏 = 𝑇
𝑊0 ≈ 𝑇
0,2𝑑 (3.14) Trong đó:
- W0: Mô men cản xoắn - d: Đường kính trục (mm) Theo điều kiện bền: 𝜏 ≤ [𝜏]
Tính được đường kính trục 𝑑 ≥ √5. 𝑇 [𝜏] 3 (𝑚𝑚) (3.15) Trong đó:
41 - T: momen xoắn của trục
- [τ]: ứng suất xoắn cho phép
Ứng suất xoắn cho phép của Inox 304 là 205 (N/mm2) Ta có: 𝑑 ≥ √5. 𝑇 [𝜏] 3 = √5.9,55. 10 6. 2,0209. 10−3 205 3 ≈ 7.77(𝑚𝑚)
Vậy chọn đường kính trục tang lắp với ổ bị d = 8mm, đường kính lớn hay con lăn D = 30mm
3.1.6. Chọn vòng bi
Với đường kính trục d = 8mm, nhóm đã quyết định chọn vòng bi NSK608rs của hãng NSK với kích thước 8x22x7 (mm)
Hình 3.4. Vòng bi NSK608-RS
Thông số kĩ thuật của vòng bi NSK608-RS:
Bảng 3.3. Thông số kĩ thuật của vòng bi NSK608-RS
Đặc trưng Thông số Tên NSK 608-RS bearing Hãng NSK Đường kính nhỏ 8(mm) Đường kính lớn 22(mm) Chiều dày 7(mm) Kiểu Vòng bi rãnh sâu Vật liệu Thép Chrome
42
3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Sơ đồ khối bao gồm: bộ điều khiển trung tâm là Arduino, khối thu và xử lý tín hiệu camera, khối cảm biến, sau đó điều khiển động cơ servo và hiển thị kết quả ra màn hình LCD.
Hình 3.5. Sơ đồ khối
Chức năng các khối:
• Khối xử lý trung tâm: là bộ xử lý chính, nhận dữ liệu từ khối cảm biến và khối xử lý tín hiệu hình ảnh, sau đó xử lý và phân tích điều khiển khối động cơ servo và hiển thị kết quả. Sử dụng vi xử lý Arduino Uno
• Khối thu và xử lý tín hiệu hình ảnh: thu thập tín hiệu hình ảnh thực tế từ camera xử lý và chuyển về tín hiệu điện và gửi dữ liệu cho khối xử lý trung tâm. Ở đây dùng camera Kinect để làm khối thu tín hiệu hình ảnh thực tế.
• Khối cảm biến: có chức năng gửi tín hiệu điện cho khối điều khiển khi có vật cản đi qua. Sử dụng cảm biến hồng ngoại LM393.
• Khối nguồn: cung cấp nguồn điện cho toàn bộ hệ thống
• Khối hiển thị: hiển thị kết quả nhận được từ bộ xử lý trung tâm. Sử dụng màn hình LCD16x2.
• Khối động cơ: được vận hành bởi khối điều khiển. Sử dụng động cơ motor và servo SG90.
43
3.2.2. Sơ đồ khối hệ thống a. Khối xử lý trung tâm a. Khối xử lý trung tâm
Giới thiệu vi điều khiển Arduino Uno
Arduino Uno là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc. Bảng mạch được trăng bị các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau. Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về điện tử, lập trình, … Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây dựng cho mình một dự án nhanh nhất (lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt led, …).
Hình 3.6. Mạch Arduino Uno
- Một số tính năng của Aruino Uno
• Arduino Uno đi kèm với giao diện USB tức là cổng USB được thêm vào bo mạch Arduino để phát triển giao tiếp nối tiếp với máy tính.
• Arduino đi kèm với một tính năng điều chỉnh tích hợp giúp giữ điện áp trong tầm kiểm soát khi thiết bị được kết nối với thiết bị bên ngoài.
• Chân reset trên Arduino để thiết lập lại toàn bộ và đưa chương trình đang chạy trở về ban đầu. Chân reset này hữu ích khi Arduino bị treo khi đang chạy chương trình.
• Có 14 chân I/O digital và 6 chân analog được tích hợp trên Arduino cho phép kết nối bên ngoài với bất kỳ mạch nào với Arduino. Các chân này cung cấp sự linh hoạt và dễ sử dụng cho các thiết bị bên ngoài có thể được kết nối thông qua các chân này.
44
• Có 6 chân analog được đánh dấu là A0 đến A5 và có độ phân giải 10 bit. Các chân này đo từ 0 đến 5V, tuy nhiên, chúng có thể được cấu hình ở phạm vi cao bằng cách sử dụng chức năng analogReference() và chân ISF.
Thông số cơ bản:
Bảng 3.4. Thông số cơ bản Arduino Uno
Thông số Đặc trưng
Chip điều khiển ATmega328P
Điện áp hoạt động 5V
Điện áp đầu vào (khuyên dùng) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Số chân Digital 14 (trong đó 6 chân đầu ra PWM)
Số chân PWM Digital 6
Số chân Analog 6
Dòng điện DC trên mỗi chân I/O 20 mA Dòng điện DC trên chân 3.3V 50 mA
Flash Memory 32 KB (ATmega328P)
SRAM 2 KB (ATmega328P)
EEPROM 1 KB (ATmega328P)
Tốc độ thạch anh 16 MHz
LED_BUILTIN 13
Ưu điểm của Arduino Uno:
Có rất nhiều dòng Vi Điều Khiển trên thị trường để sử dụng cho dự án. Nhưng để sử dụng và thực hiện được cần đòi hỏi người thực hiện có kiến thức và kinh nghiệm. Và hầu hết các dòng vi điều khiển được giới hạn sử dụng trong windows là chủ yếu.
• Với Arduino, phần mềm hỗ trợ đa nền tảng, có thể chạy trên các hệ điều hành Windows, Macintosh OSX và Linux.
• Chi phí Arduino thấp.
• Phần mềm lập trình IDE dễ sử dụng, kể cả cho người mới bắt đầu.
• Phần mềm Arduino được xuất bản dưới dạng các công cụ mã nguồn mở, ngôn ngữ có thể được mở rộng thêm bởi các chuyên gia lập trình viên có kinh nghiệm thông qua các thư viện ngôn ngữ C++.
• Hỗ trợ kết nối các thiết bị ngoại vi đa dạng thông qua các module.
45
• Sử dụng, biên dịch và nạp chương trình thông qua máy tính dễ dàng.
b. Khối thu và xử lý tín hiệu hình ảnh
• Khối thu hình ảnh
Hình 3.7. Thiết bị Kinect
Kinect là sản phẩm của Microsoft dựa trên công nghệ camera được phát triển bởi PrimeSense. Khả năng hiểu được cử chỉ con người của Kinect dựa trên hai đặc tính chính sau: thông tin về độ sâu ảnh (depth map), khả năng phát hiện và bám theo đặc tính cơ thể người (body skeleton tracking).
Hình 3.8. Bên trong thiết bị Kinect
Kinect gồm có: RGB camera, cảm biến độ sâu (3D Depth Sensors), dãy microphone (Multi-array Mic) và động cơ điều khiển góc ngẩng (Motorized Tilt).
Tại sao chọn Kinect?
o Một trong những đặc tính quan trọng nhất của Kinect đó là thu về giá trị độ sâu hay giá trị khoảng cách tới vật thể trong thế giới thực.
o Kinect là giá cả khá rẻ (khoảng 140$ trên 1 sản phẩm) cho thiết bị có khả năng cung cấp các thông tin 3D với chất lượng chấp nhận được.
46
Vì vấn đề xử lý ảnh cần nhiều tài nguyên và tốc độ xử lý cao, nên ta không sử dụng vi điều khiển thông thường để xử lý. Chính vì vậy, nhóm đã sử dụng laptop làm khối xử lý trung tâm.
Máy tính của nhóm có CPU Intel core i7 tộc độ xử lý lên tới 2.8 GHz chính vì vậy việc sử dụng vào mô hình là hợp lý. Máy tính hỗ trợ rất tốt việc giao tiếp các thiết bị ngoại vi và model từ bên ngoài.
Hình 3.9. Laptop CPU Intel
c. Khối cảm biến
• Cảm biến hồng ngoại LM393
Hình 3.10. Cảm biến hồng ngoại LM393
Thông tin về cảm biến tiệm cận:
Ánh sáng module cảm biến là khả năng thích nghi với môi trường, có một cặp truyền và nhận tia hồng ngoại.
Ứng dụng:
o Nó có thể được sử dụng rộng rãi trong robot tránh chướng ngại vật, tránh chướng ngại vật xe, số dòng, và như vậy nhiều lần.
47
o Được sử dụng trong các thiết bị trống trộm