CHƯƠNG 4 : QUY TRÌNH THIẾT KẾ
4.1 Quy trình các bước tiến hành thiết kế máy và hệ thống điều khiển
Để có thể hồn thành đồ án một cách nhanh và hiệu quả nhất. Đồng thời tránh sai, thiếu sót trong q trình thực hiện. Nhóm chúng em đã lập ra một quy trình và thực hiện tiến hành các bước như trên.
- Lên ý tưởng mơ hình. - Vẽ và phác thảo ý tưởng.
- Cụ thể hóa ý tưởng bằng mơ hình 2D, 3D.
- Tìm hiểu nguyên lí hoạt động, lên ý tưởng thiết kế bộ điều khiển. - Lựa chọn vật liệu cơ khí và linh kiện điện tử.
- Hoàn thiện bản thảo.
- Mua, lắp ráp, thử nghiệm và sàn lọc các chi tiết trong bản thảo. - Thống nhất, tối ưu giải pháp 1 cách khoa học nhất.
- Tiến hành hoàn thiện theo giải pháp mới đặt ra. - Thử nghiệm sản phẩm.
34
4.2 Tính tốn thiết kế
4.2.1 Vitme bi
4.2.1.1 Thông số đầu vào:
Khối lượng đai ốc : 7,5 g.
Vận tốc chạy lớn nhất khi cấp phơi: 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 7200𝑚𝑚/𝑝ℎ.
Tốc độ vịng trên trục: 𝑁𝑚𝑎𝑥 = 1000𝑣/𝑝ℎ.
Hệ số ma sát trơn bề mặt: 𝜇 = 0,1.
Khối lượng vitme nằm ngang : 𝑀 = 200g.
35
4.2.1.2 Tính tốn hệ dẫn động
4.2.1.2.1 Một số đặc điểm của bộ truyền
Ta thấy trong quá trình nâng vitme nằm ngang lực dọc trục Fa tác dụng lên bộ truyền này là tổng khối lượng của vitme nằm ngang. Tải trọng phải chịu nhỏ.
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 mịn.
36
4.2.1.2.2 Chọn vật liệu trục vít và đai ốc bi
Ngoài yêu cầu về độ bền, vật liệu làm vít cần có độ bền mịn cao và dễ gia cơng. Vật liệu vít: Thép 45.
Vật liệu đai ốc: Gang xám.
4.2.1.2.3 Tính tốn, thiết kế cho chuyền động của hệ thống
Ta có khối lượng các chi tiết là:
Khối lượng vitme nằm ngang : 200(g). Khối lượng trục vít và đai ốc dọc : 280(g). Khối lượng đai ốc ngang : 7,5(g).
Khối lượng tay đỡ vitme: 50(g).
𝑚 = 200 + 280 + 7,5 + 50 = 537,5(𝑔)
Lấy khối lượng trục vít và các chi tiết khác là 𝑚 = 600(𝑔).
Ta có lực dọc trục 𝐹𝑎 tác dụng lên bộ truyền trục vít là tổng khối lượng của vitme ngang, đai ốc ngang, tay đỡ vít me.
𝑚1 = 200 + 7,5 + 50 = 257,5(𝑔)
𝐹𝑎 = 𝑁 = 𝑚1. 𝑔 = 0,2575.9,81 = 2,526(𝑁)
Đường kính trung bình của ren trục vít. Theo điều kiện bền ta có:
𝑑2 ≥ √ 𝐹𝑎
37 Trong đó:
Fa - lực dọc trục , N.
𝜓𝐻 = 𝐻/𝑑2- hệ số chiều cao đai ốc với 𝐻 - chiều cao đai ốc.
Đai ốc nguyên, chọn 𝜓𝐻 = 2,0.
𝜓ℎ = ℎ/𝑝- hệ số chiều cao ren, với h- chiều cao làm việc của ren, p- bước ren; ren
hình thang, chọn 𝜓ℎ = 0,5.
[𝑞]- áp suất cho phép, phụ thuộc vật liệu vít và đai ốc. Ta có vật liệu vít-đai ốc là
thép-đồng thanh, chọn [𝑞] = 10(𝑀𝑃𝑎).
𝑑2 ≥ √ 2,526
𝜋. 2,0.0,5.10= 0,08
Chọn đường kính trung bình 𝑑2 = 7(𝑚𝑚)đường kính ngồi 𝑑 = 8(𝑚𝑚), đường
kính trong 𝑑1 = 6(𝑚𝑚), bước vít 𝑝 = 2(𝑚𝑚).
Chọn các thơng số của vít và đai ốc
Theo cơng dụng của bộ truyền và yêu cầu về tự hãm, chọn số đầu mối ren 𝑧ℎ: Trường hợp cần đảm bảo tính tự hãm, chọn số mối ren 𝑧ℎ = 1, trái lại nếu u cầu vít
thực hiện hành trình lớn hơn sau một vịng quay thì chọn ren nhiều đầu mối (𝑧ℎ > 1).
Chọn 𝑧ℎ = 4. Ta có bước vít: 𝑝ℎ = 𝑧ℎ. 𝑝 = 4.2 = 8(𝑚𝑚). Góc vít. 𝛾 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 [ 𝑝ℎ (𝜋𝑑2)] = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 [ 8 (𝜋. 7)] = 200
38
Sau khi xác định được góc vít ta kiểm tra điều kiện tự hãm:
𝜌 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔( 𝑓
𝑐𝑜𝑠𝛿)
Trong đó 𝛿- góc nghiêng của cạnh ren làm việc; ren hình thang, chọn 𝛿 = 150 .
𝑓- hệ số ma sát, phụ thuộc vào cặp vật liệu của vít và đai ốc, với thép – đồng thanh
không thiếc, f= 0,4.
𝜌 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 ( 0,4
𝑐𝑜𝑠150) = 22,50
𝛾 < 𝜌
Xác định chiều cao đai ốc và số vòng ren
Từ 𝑑2 và hệ số chiều cao 𝜓𝐻 tính 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 ≤ 𝑧𝑚𝑎𝑥 = 10 … 12
để tránh làm tăng sự phân bố không đều tải trọng dọc trục cho các vịng ren. Tính kiểm nghiệm về độ bền.
Kiểm tra độ bền theo ứng suất tương đương
𝜎𝑡đ = √𝜎2+ 𝜏2 = √(4𝐹𝑎
𝜋𝑑12)
2+ ( 𝑇 0,2𝑑13)
39 Trong đó:
𝐹𝑎, 𝑇 – tương ứng là lực dọc trục, N và momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của
vít.
Ta có momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vít bằng momen xoắn trên trục đầu ra của hộp giảm tốc.
𝑇 = 𝑀 = 9,55. 10
6. 𝑃
𝑛 . 𝑢
P- công suất của động cơ, 𝑃 = 0,43(𝑊).
n- số vòng quay của động cơ, 𝑛 = 200000(𝑣 𝑝ℎ)⁄ . u- tỉ số truyền của hộp giảm tốc, 𝑢 = 12,7.
𝑇 = 𝑀 = 9,55. 10
6. 0,43
20000 . 12,7 = 2608(𝑁. 𝑚)
[𝜎]- ứng suất cho phép (kéo hoặc nén), MPa; với 𝜎𝑐ℎ- giới hạn chảy của vật liệu vít;
𝜎𝑐ℎ = 120(𝑀𝑃𝑎).
[𝜎] = 𝜎𝑐ℎ
3 =
120
3 = 40(𝑀𝑃𝑎)
𝑑1- đường kính trong của ren vít, mm.
𝜎𝑡đ = √(4.2,526 𝜋. 62 ) 2+ ( 2608 0,2. 63) 2 = 34,8 ≤ [𝜎] Kết luận: Trục vít đủ bền.
40
Tính kiểm nghiệm về độ ổn định
Với các vít tương đối dài và chịu nén cần tiến hành kiểm nghiệm về uốn dọc đảm bảo điều kiện ổn định Ơ-le. Cơng thức kiểm nghiệm có dạng:
𝑆0 =𝐹𝑡ℎ
𝐹𝑎 ≥ [𝑆0]
Trong đó: 𝑆0- hệ số anh toàn về ổn định.
𝐹𝑡ℎ- tải trọng tới hạn, N.
𝐹𝑎- tải trọng dọc trục (lực nén), N.
[𝑆0] = 2,5 … 4- hệ số an toàn cho phép.
Để xác định tải trọng tới hạn cần dựa vào độ mềm của vít.
𝜆 = 𝜇𝑙/𝑖
Trong đó: 𝜇- hệ số chiều dài tương đương. Hai đầu trục vít được cố định bằng ổ lăn do vậy 𝜇 = 1.
𝑙- chiều dài tính tốn của vít, 𝑙 = 750(𝑚𝑚). 𝑖- bán kính quán tính của tiết diện trục vít.
𝑖 = √4. 𝐽
𝜋𝑑12
Trong đó
Momen qn tính của tiết diện vít là:
𝐽 =𝜋𝑑1 2 64 (0,4 + 0,6 𝑑 𝑑1) = 𝜋. 62 64 . (0,4 + 0,6. 8 6) = 2,12(𝑚𝑚 4)
41
𝑖 = √4.2,12
𝜋. 62 = 0,274
𝜆 = 1.7
0,274 = 25,547 ≤ 60
Độ ổn định tốt không cần kiểm tra.
4.2.2 Cơ cấu di chuyển
Dựa trên khảo sát thực tế các dãy hành lang, phòng học, dãy trọ, phòng cách li ở bệnh viện,… ở Thành phố Hồ Chí Minh có chiều cao khoảng 3m tính từ sàn đến trần, chiều dài là 4,5m, chiều rộng là 4m, phịng ốc nhỏ, thấp kín nên nhóm chúng em thiết kế xe phun khử khuẩn có kích thước tổng thể chiều dài là 650mm, chiều rộng là 450mm, chiều cao là 900mm và được gia công thủ cơng dùng các vật liệu có trên thị trường và nhôm và sắt.
Chọn tốc độ cho thiết bị: Qua khảo sát thực tế và dựa vào tốc độ phun khử khuẩn, nếu thiết bị có tốc độ chạy q nhanh thì lượng thuốc phun ra sẽ khơng đều khu vực, cịn nếu chạy q chậm thì sẽ dẫn đến tình trạng hao phí thuốc. Nên nhóm chúng em chọn vận tốc trung bình của xe là 16 mét/phút.
Chọn bộ truyền động xích có bánh răng 𝑧1 là 56 răng, 𝑧2 là 14 răng. Có tỷ số truyền: 𝑈 =𝑧1
𝑧2 = 56
14 = 4
Xe có chiều dài 65cm, một vịng xích quay được 140cm. Yêu cầu tốc độ của xe là 14 mét/phút thì xích phải quay được 10 vòng trên một phút. Với tỷ số truyền của hai bánh răng là 4 ta có số vịng quay của động cơ là: 10*4 = 48
vòng/phút.
Khối lượng thực tế của thiết bị là 30kg bao gồm: khung xe 15kg, cần phun và bình chứa là 12kg, trụ đứng và các chi tiết nhỏ khác là 3kg.
42
Xe di chuyển thẳng đều, hệ số ma sát lăn của cao su trên mặt đường là 0.7 (tra bảng A hệ số ma sát của một số vật liệu, phần phụ lục):
𝐹𝑚𝑠 = 𝐹𝑘é𝑜 = 𝜇. 𝑚. 𝑔 = 0,7.30.10 = 210𝑁
Chọn động cơ 1530A cơng suất 50W, có tốc độ quay là 1500 vòng/phút qua hộp giảm tốc cịn lại 40 vịng/phút có tỷ số truyền:
𝑈 = 1500
40 = 37,5
Momen xoắn của động cơ:
𝑇 = 𝑃. 9,55
𝑛 =
50.9,55
40 = 12 𝑁/𝑚𝑚
43
4.2.3 Thiết kế mạch điện và hệ thống điều khiển
44
4.2.4 Sơ đồ giải thuật
4.2.4.1 Phần cơ cấu chuyển động
45
4.2.4.2 Phần cơ cấu chuyển động
46
4.3 Chọn lựa bộ phận gia cơng lắp ráp
4.3.1 Lựa chọn truyền động cơ khí 4.3.1.1 Vitme đai ốc bi TLM80 4.3.1.1 Vitme đai ốc bi TLM80
4.3.1.1.1 Giới thiệu
Vitme bi là một cơ cấu chấp hành trượt dẫn hướng, chức năng chính là chuyển đổi chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến với lực ma sát rất thấp gữa các bộ phận trượt tương đối lên nhau: vitme, bi, con trượt (đai ốc trượt). Các viên bi di chuyển tuần hồn bên trong trục và đai ốc trượt có rãnh dạng xoắn ốc, hoạt động với độ chính xác cao.
Cơ cấu vitme có thể sử dụng trong trường hợp tải lớn. Việc chế tạo đảm bảo dung sai rất thấp để có thể sử dụng cho các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao. Các viên bi hoạt động khớp với đai đai ốc trượt và các rãnh xoắn ốc trên cây vít.
47
4.3.1.1.2 Cấu tạo
Trục xoắn, con trượt khớp với trục xoắn, một trong hai có thể đóng vai trị là chi tiết di chuyển tịnh tiến. Vitme bi có cơ chế hoạt động tương tự với vịng bi, trong đó các hạt bi thép cứng di chuyển dọc theo một rãnh bi thơng bên trong và bên ngồi.
4.3.1.1.3 Ngun lí hoạt động
Nhìn chung vitme bi hoạt động khá giống với ổ bi (bạc đạn), bi được làm bằng thép có độ cứng cao di chuyển trên rãnh bên trong hoặc bên ngoài.
Quá trình hoạt động bi sẽ quay liên tục trong rãnh đai ốc trượt và trục vít. Đây là một cơ cấu lặp lại tuần hoàn của các viên bi nên giúp các viên bi này luôn nằm bên trong.
Khi trục vitme bi quay, các viên bi thép sẽ di chuyển bên trong trục vít và đai ốc trượt ở các vị trí rãnh nhất định và sau đó di chuyển vào bên trong một ống để quay lại vị trí ban đầu, đây là các mà bi bên trong vitme tuần hoàn.
48 Yếu tố xem xét khi lựa chọn vít me:
Để lựa chọn loại vitme bi đúng vào các mục đích, những người kĩ sư thiết kế cần phải xem xét các yếu tố thiết kế như: tải, tốc độ, chiều dài, tuổi thọ, số lượng. Ngồi ra cịn phải xét đến các yếu tố như bơi trơn và mơi trường.
Độ chính xác: bởi vì nhà sản xuất sử dụng nhiều quá trình khác nhau để sản xuất vitme nên người kỹ sư có nhiều lựa chọn về độ chính xác tương thích với giá thành. (Ví dụ: Vitme cuộn được sản xuất trong một quy trình sử dụng khn xoay để tạo hình những cuộn kim loại trịn dạng trục và tạo các ren xoắn ốc. Đây là phương pháp gia công hiệu quả về mặt kinh tế, nhưng nó lại có độ chính xác thấp).
Khả năng tự giữ (Back driving): Khi tải trên vitme, một điều quan trọng cần phải nhớ đến là khả năng tự giữ. Vitme mất khả năng tự giữ xảy ra khi động cơ bị tắt và tải trọng lớn. Để tránh hiện tượng này, người sử dụng có thể sử dụng loại động cơ có phanh (thường là phanh từ) hoặc có thể thiết kế những vị trí an tồn. Với một số loại ren đặc thù có thể đảm bảo khả năng tự giữ.
Mơi trường làm việc: Bởi vì vitme vi thường xun hoạt động trong mơi trường bụi bẩn và có nhiều mãnh vụn nên nhà sản xuất đã thiết kế vitme tránh những hạt nhỏ rơi vào bên trong. Bên ngoài vitme thường được bao bọc bởi một lớp crom hoặc mạ niken như một lớp bảo vệ đầu tiên.
Bôi trơn: Vitme bi được sử dụng rất rộng rãi và độ tùy biến rất cao, vì vậy khơng có một lời khuyên cụ thể nào cho việc sử dụng chất bôi trơn. Tuy nhiên, các yếu tố như: Tần suất sử dụng, nhiệt độ, tốc độ là những xem xét cơ bản đối với việc lựa chọn chất bôi trơn. Trong khi dầu hoặc mỡ phù hợp với hầu hết các ứng dụng nhưng đối với vít me bi cần phải tránh những loại bơi trơn có chứa molydisulfide (Đây là hợp chất của Molypden và lưu huỳnh) và than chì. Một điều quan trọng ln phải nhớ là phải đảm bảo vít me được bơi trơn giữa các bộ phận: trục vitme, bi và đai ốc trượt.
49
4.3.1.1.4 Thông số kỹ thuật của vitme được sử dụng trong robot
50
4.3.1.2 Động cơ
4.3.1.2.1 Động cơ DC giảm tốc 1530A
51
Thông số kỹ thuật
Công Suất: 50W. Điện áp: DC12V. Thông số
- Dây Màu Xanh Dương. - Dây Màu Xanh Lá.
- Dây Màu Đen (dây tín hiệu). - Dây Màu Trắng (dây tín hiệu). - Dây Màu Đỏ.
Thông số kỹ thuật:
- Dây Màu Đỏ: DC 12V. - Dây Màu Xanh Lá: GND.
=> Số vòng: 1500/40 rpm (dòng tiêu thụ 1.2A). - Dây Màu Đỏ: DC 12V.
- Dây Màu Xanh Dương: GND.
=> Số vịng: 2250/60 rpm (dịng tiêu thụ 1.8A). Kích thước:
- Động Cơ: Đường kính 60MM, Chiều dài 90MM (Chuôi 20MM). - Hộp Giảm Tốc: L x W x H = 65x80x75MM.
52
4.3.1.2.2 Động cơ bước 57HS11230 Nema 23
Thông số kỹ thuật
- Động cơ bước 57HS11230 Nema 23 có Kích thước: Mặt bích 57mmx57mm, chiều dài thân 112mm, đường kính trục 8mm, rãnh then.
- Chịu tải: 3A, moment xoắn 3Nm, 4 dây, trọng lượng 1400g. - Là động cơ bước 3 pha.
- Động cơ chạy êm, ổn định, tiếng ồn thấp. - Động cơ chạy khơng bị nóng, tuổi thọ cao. - Điều khiển chính xác góc quay.
53
- Động cơ bước 57, Nema 23 Dùng nhiều cho các máy khắc laser, máy cnc mini, máy tự động hóa nhỏ.
- Động cơ bước của nhà máy sản xuất có chất lượng tốt, hoạt động ổn định, chính xác.
4.3.1.3 Bánh xe
Vì để tối ưu khả năng di chuyển mọi địa hình một cách linh hoạt, đồng thời có thể chở được tải trọng lớn vì vậy nhóm chúng em lựa chọn thiết kế và gia cơng bánh xích.
Thơng số dữ liệu: Chiều dài xích: 140cm. Chiều rộng xích 9cm. Số răng xích: 56 răng.
54
4.3.2 Lựa chọn bộ điều khiển 4.3.2.1 Arduino Mega 2560 4.3.2.1 Arduino Mega 2560
4.3.2.1.1 Giới thiệu về Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 là sản phẩm tiêu biểu cho dịng mạch Mega là dịng bo mạch có nhiều cải tiến so với Arduino Uno (54 chân digital IO và 16 chân Analog IO). Đặc biệt bộ nhớ Flash của MEGA được tăng lên một cách đáng kể, gấp 4 lần so với những phiên bản cũ của UNO R3. Điều này cùng với việc trang bị 3 Timer và 6 cổng Interrupt khiến bo mạch Mega hồn tồn có thể giải quyết được nhiều bài tốn hóc búa, cần điều khiển nhiều loại động cơ và xử lý song song nhiều luồng dữ liệu số cũng như tương tự.
55
4.3.2.1.2 Thông số kỹ thuật
56
4.3.2.1.3 Sơ đồ chân
57
4.3.2.1.4 Chức năng của các chân Arduino Mega 2560