Kết luận: Sử dụng cấu trúc điều khiển tầng vì nó có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giảm nhẹ khối lượng tính tốn, giúp cho thời gian lấy mẫu của hệ thống nhanh hơn khi sử dụng cấu trúc tập trung. Đặc biệt cấu trúc điều khiển tầng dễ dàng điều khiển và bảo trì.
CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ GANTT CHO ĐỒ ÁN
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ
4.1 Thiết kế cơ:
Yêu cầu đề bài:
- Vận tốc tối đa
- Kết cấu xe nhỏ gọn, chắc chắn, khơng rung lắc.
- Xe có thể qua các đoạn cong (bán kính cong R= 500mm) với vận tốc tối ưu mà xe không bị lật.
Sơ đồ nguyên lý
Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý thiết kế xe 3 bánh, 2 bánh trước dẫn động
4.1.1 Lựa chọn bánh chủ động và bánh bị động4.1.1.1 Bánh bị động 4.1.1.1 Bánh bị động
- Có 2 loại bánh bị động thường dùng cho xe dò line là: bánh castor, bánh mắt trâu.
Bảng 4 So sánh bánh castor và bánh mắt trâu
Ưu điểm
- Có thể làm việc trong mơi trường bụi bẩn
- Kết cấu đơn giản.
- Vỏ ngoài được làm bằng sắt hay thép nên rất bền, bên trong có ổ bi nên di chuyển rất trơn tru, di chuyển linh hoạt khi vào cua
- Kết cấu nhỏ gọn.
Nhược điểm
- Khi vào cua với tốc độ nhanh, kết cấu quay của bánh xe không kịp đáp ứng dẫn đến bánh xe không quay quanh trục mà bị trượt => ảnh hưởng đến tốc độ di chuyển của xe, có thể làm xe bị lật (hiện tượng Shopping-cart [29]. - Kết cấu cồng kềnh.
- Chỉ có thể chạy trong những môi trường ít bụi, cát vì chúng có thể bám vào bánh làm bánh bị kẹt không chạy được.
- Kết cấu phức tạp, ổ bi cần chế tạo chính xác và bảo quản.
Theo đề bài và thực tế sa bàn: Xe đua chạy trên xa bàn hầu như không bụi, vận tốc nhanh, chuyển hướng nhanh, cần kết cấu gọn nhẹ.
Kết luận: Chọn bánh mắt trâu - Một số mẫu bánh mắt trâu:
Hình 4.15 Bánh mắt trâu xe đua Pololu
Thơng số:
Đường kính bánh: 0,375 inch 10mm. Vật liệu bánh: nhựa
o Small Ball Caster Wheel - 12mm Diameter Metal – Hshop [ 31]
Thơng số
Đường kính bánh xe: 12mm. Chiều cao: 15mm
Hình 4.16 Bánh mắt trâu nhỏ Hshop
Kết luận: Chọn bánh mắt trâu nhỏ của Hshop – phổ biến, kích thước nhỏ, khơng
u cầu tải trọng quá lớn là bánh dẫn hướng cho robot dò line. 4.1.1.2 Bánh chủ động
- Yêu cầu:
o Khả năng bám đường tốt o Không trơn trượt
o Chịu tải ổn định
- Các loại bánh trên thị trường thường dùng cho xe dò line:
o Dòng bánh thường: V1,2,3,4,5,6,7,8… các đặc điểm
+ V1, d = 65mm, b = 15mm: thiết kế chắc chắn, gọn nhẹ, thẩm mĩ cao, tương thích với động cơ DC giảm tốc V1, thích hợp với các mơ hình robot xe tránh vật cản, tự hành, xe cân bằng. Lõi nhựa, vỏ cao su.
+ V2, d = 65mm, b = 27mm: được sử dụng nhiều nhất trong các thiết kế robot, gắn được
với trục nhiều loại động cơ. Chất liệu: Nhựa, mút, cao su. Lớp mút dày đàn hồi bên trong rất tốt giúp bánh khơng bị xẹp khi có tải. Lốp bằng cao su mềm cho độ ma sát tốt nhất, thiết kế rãnh lốp tối ưu cho độ ma sát và bám đường.
+ V3, d = 80mm, b = 30mm, chất liệu nhựa, bên ngồi lốp có thiết kế dạng các gai giúp tăng ma sát với mặt đường.
+ V4, d = 130mm, b = 60mm, chất liệu nhựa, kích thước lớn ứng dụng cho xe mang tải cao hơn V1,V2,V3.
+ V5, d = 95mm, b = 14mm, chất liệu lõi: nhôm, lốp: cao su ma sát tốt, là sự lựa chọn tối ưu cho các thiết kế chịu tải nặng lên tới 100kg.
+ V6, d = 85mm, b = 30mm, chất liệu lõi nhựa, lốp cao su bền: chịu được tải trọng lớn. + V7, d = 96mm, b = 40mm, chất liệu nhựa chất lượng cao độ bền cao, thường ứng dụng trong robot leo địa hình.
+ V8, d = 115mm, b = 52mm, chất liệu: nhựa, lõi nhựa, mút, lốp cao su cho ma sát tốt, độ bền cao.
Dòng bánh thường: V2 phù hợp với xe đua địi hỏi kích thước nhỏ gọn, tải trong thấp mà lại bám đường tốt, không bị trượt.
o Bánh đa hướng Mecanum: được tạo thành bởi các con lăn nhỏ với trục được
lắp nghiêng một góc 45 độ so với trục quay chính của bánh xe, vì vậy bánh có thể thực hiện nhiều chuyển động phức hợp theo phương pháp cộng vector: tiến lùi, xoay trịn trong khơng gian nhỏ hẹp, đặc biệt có thể di chuyển theo phương ngang khi cần thiết. Giải thuật điều khiển phức tạp.
Hình 4.17 Bánh đa hướng Mecanum D48
Hình 4.18 Bánh xe V2 của HShop
Chất liệu: nhựa, mút, cao su Đường kính: 65 mm
Độ rộng bánh: 27 mm
Kích thước khớp trục lục giác: 12 mm
4.1.2 Tính tốn và lựa chọn động cơ
Vì hạn chế về động cơ thực nghiệm (động cơ tốt giá rất cao) nên nhóm khơng thể mua được động cơ tốt, do đó vận tốc giảm cịn 0,7m/s (đã được hiệu chỉnh).
4.1.2.1 Tính tốn động cơ
- Thơng số đầu vào:
o Kết cấu xe 3 bánh: 2 bánh dẫn động ở trước, 1 bánh mắt trâu ở sau Vận tốc tối đa mong muốn:
o Thời gian tăng tốc mong muốn: 1s (vận tốc tăng từ 0m/s đến 2m/s lúc xuất phát).
Suy ra gia tốc khởi động:
- Thông số đầu vào:
o Vận tốc tối đa:
o Gia tốc:
o Bán kính xe:
o Khối lượng bánh xe:
o Khối lượng tải (giả sử):
o Hệ số ma sát: (lốp cao su tiếp xúc với sàn bê tơng khơ ráo)[33]
o Hệ số an tồn: [34]
- Mơ hình động học, xét trạng thái bánh xe lăn về phía trước với gia tốc dài
Hình 4.19 Mơ hình động học bánh xe
Tính tốn:
o Giả sử tải trọng xe phân bố đều, toàn bộ lên 2 bánh xe dẫn động. Suy ra trọng lực tác dụng lên 1 bánh xe là:
o Áp dụng định luật 2 Newton:
Phương trình Moment quay quanh trục bánh xe:
với:
Suy ra
Phương trình cân bằng lực theo phương thẳng đứng và từ (4.2) suy ra:
Phương trình lực theo phương ngang
o Từ (4.1), (4.4), (4.5) thế vào (4.3) ta được Moment kéo động cơ bánh xe là:
Thế (4.7) vào (4.3) ta có:
o Moment động cơ lớn nhất để bánh xe lăn không trượt:
o Vận tốc góc động cơ là:
Số vịng quay động cơ:
- Hệ số an toàn cho cả tốc độ và moment:
o Vận tốc tối đa của động cơ: Số vòng quay động cơ:
o Moment tối đa gây trượt của động cơ:
o Moment hoạt động của động cơ:
o Công suất của động cơ là:
Hình 4.20 Động cơ GA25 280rpm và các thơng số kích thước Các thơng số kỹ thuật:
o Công suất định mức:
o Điện áp định mức:
o Dịng khi khơng tải/khi bị giữ:
o Tốc độ động cơ khi khơng tải:
o Kích thước động cơ:
o Khối lượng:
o Hộp giảm tốc: tỉ số truyền 21,3:1, đã tích hợp bên trong động cơ.
o Encoder: 2 kênh A, B, số xung khi qua hộp giảm tốc là 235 xung, điện áp định mức encoder 3,3V.
o Trục động cơ:
(Dùng khớp nối lục giác chuyển từ 12mm (đường kính trục bánh xe) đến chốt gắn với động cơ có đường kính 4mm [36]).
- Với tốc độ lớn nhất thì moment động cơ tác dụng lên bánh xe đạt cực đại
Bánh xe đảm bảo lăn khơng trượt trên tồn quỹ đạo.
4.1.3 Xét điều kiện để xe vào cua không bị trượt
Bán kính cua: (xét cả xe)
Xe đảm bảo không trượt khi vào cua.
4.1.4 Xét điều kiện để vào cua khơng lật
Hình 4.22 Phân tích lực gây lật khi vào cua
Gọi:
o Trọng tâm xe cách sàn 1 khoảng .
o Khoảng cách trọng tâm xe đến tâm bánh xe theo phương ngang với là khoảng cách tâm 2 bánh xe là:
o Trọng lượng xe
4.1.5 Thiết kế thân xe và các bộ phận
Q trình tính tốn các kích thước của xe được kiểm tra và thay đổi liên tục để có kết quả tốt nhất.
- Chiều dài mỗi động cơ là 75m, đặt thành hàng ngang nên khoảng cách giữa 2 bánh xe ≥ 150mm. Chọn khoảng cách tâm 2 bánh xe tối thiểu:
- Trọng tâm xe: xét điều kiện vào cua để không bị lật ta suy ra được quan hệ giữa khoảng cách tâm 2 bánh xe với chiều cao trọng tâm xe cách mặt đất là:
Trong các thiết kế phần tổng quan
o CartisX04: trọng tâm xe cách sàn 7mm, với đường kính bánh xe 25mm.
o Chariot: bánh tự lựa có đường kính 9,5mm nên xe cách mặt sàn > 9,5mm, bánh xe dẫn động đường kính 30mm, dựa vào kết cấu xe, ta có thể ước lượng trọng tâm xe nằm trong khoảng 10 đến 15mm cách mặt sàn.
Bánh xe sử dụng: loại V2-65mm. Bánh mắt trâu dùng loại như xe Chariot. Bố trí linh kiện sao cho trọng tâm xe nằm ở càng thấp càng tốt.
Khoảng cách gầm dưới xe cách sàn: Bánh mắt trâu Hshop có chiều cao 15mm, suy ra chọn khoảng cánh mặt dưới thân xe với mặt sàn:
Giả sử sau khi phân bố các linh liện, trọng tâm xe cách mặt sàn trong khoảng (đã tính tốn lại sau khi hoàn thành sản phẩm)
=>Thỏa.
- Tấm thân xe: vật liệu nhôm 6061.
Kiểm tra bền bằng Solidworks Simulation, suy ra độ dày tấm thân xe (nhỏ nhất thỏa bền) là:
- Kích thước xe: phụ thuộc vào bố trí linh kiện và thiết kế nhỏ gọn nhất o Chiều dài: chọn theo việc bố trí các bộ phận (nằm ở 1 tầng thân xe)
o Chiều rộng: bằng khoảng cách 2 tâm bánh xe trừ đi 2 khoảng nhô ra ở 2 trục
o Chiều cao xe bằng đường kính bánh xe (cao nhất)
- Khoảng cách từ tâm dãy cảm biến đến tâm trục bánh dẫn động:
Khoảng cách này càng nhỏ thì xe càng ổn định [26], tuy nhiên khoảng cách này phải lớn hơn khoảng cách xe di chuyển được sau một lần lấy mẫu là, chọn
Bảng 5 Các kích thước cơ bản của khung thân xe
Đối tượng Thông số
Chiều dài Chiều rộng Chiều cao
Khoảng cách từ tâm dãy cảm biến đến tâm trục bánh dẫn động
Khoảng cách 2 bánh xe Chiều cao trọng tâm xe Độ dày thân xe
Chiều cao gầm xe
Các kích thước bánh xe dẫn động, bánh tự lựa: được nêu tại phần 4.1.1 Các kích thước động cơ: phần 4.1.2
Kích thước bộ cảm biến
o Chiều cao cảm biến so với mặt đất: 11mm. o 7 cảm biến, khoảng cách mỗi cảm biến: 13mm. o Chiều dài x chiều rộng dãy cảm biến: 90x21mm.
Model 3D xe
Hình 4.23 Model 3D xe
4.1.6 Kiểm bền tấm thân xe
Sử dụng Solidworks Simulation để kiểm tra độ bền của tấm thân xe
4.1.6.1 Phân tích tải trọng
- Vật liệu tấm xe: Nhơm tấm 6061 + Dày: 1,5mm
+ khối lượng riêng:2,7g/cm3
+ thể tích: 13300.1,5= 20000mm3 = 20cm3
=> Khối lượng: 47g - Vật liệu gá: Nhôm 6061
+ thể tích: 600.5=3000mm3=3cm3
=> Khối lượng:3.2,7=8,1g 2 tấm gá: 16g
- Khối lượng pin: 3*100=300g
- Khối lượng hộp chứa pin: 2,7(g/cm3).2,6(cm3) = 7g - Khối lượng 1 động cơ: 104g
2 động cơ: 208g - Tấm gá cảm biến: nhôm tấm 6061 + dày 0,2mm + kg riêng: 2,7g/cm3 + thể tích: 0,8cm3 => Khối lượng: 2,6g - Tấm gá che cảm biến: nhơm tấm 6061
+ kg riêng: 2,7g/cm3 + thể tích: 2 cm3
=> Khối lượng: 5,4g - Khối lượng mạch cảm biến: 50g
- Khối lượng mạch điều khiển cảm biến: 20g - Khối lượng mạch điều khiển chính: 150g
Vị trí đặt lực phân bố được thể hiện ở phần tiếp theo. Tổng trọng lượng của xe là: 800g.
4.1.6.2 Đặt lực và kết quả mơ phỏng Đặt lực
Hình 4.24 Mơ phỏng đặt lực trên tấm thân xe
Hình 4.25 Thơng số vật liệu tấm thân xe Độ bền
Hình 4.26 Phân bố ứng suất trên tấm thân xe
Kết luận: Thỏa bền - ứng suất lớn nhất là 2,167.107 bé hơn ứng suất cho phép 5,515. 107.
Hình 4.27 Phân tích chuyển vị trên tấm thân xe
Kết luận: Chuyển vị tương đối nhỏ (< 0,3mm), vị trí gắn với đồ gá: chuyển vị sấp sỉ:
0,03mm.
4.1.7 Thiết kế đồ gá động cơ – Tính tốn dung sai
Hình 4.28 Đồ gá động cơ
Kích thước bao: 28,5x25x5. Vật liệu: Nhơm 6061.
4.1.7.1Tính chọn các mối lắp theo các chi tiết tiêu chuẩn
- Dung sai chốt định vị
Hình 4.29 Datasheet chốt định vị trụ suốt [37]
Tra bảng 1.31 trang 63 tài liệu [38] suy ra sấp sỉ mối lắp
Do đó, dựa vào bảng 20.4 trang 122 tài liệu [39], chọn mối lắp có độ đồng tâm cao là H7/n6
Mối lắp trung gian H7/n6 phù hợp cho kết cấu (nếu dùng lắp lỏng thì chốt định trụ vị dễ bong ra trong quá trình vận hành, nếu dùng lắp chặt, khi siết ốc sẽ gây biến dạng thành chi tiết).
Cấp chính xác gia cơng đồ gá là cấp 7. - Dung sai hình dáng của tấm gá:
Hình 4.30 Chọn mặt chuẩn và dung sai các mặt phụ vng góc
Mặt đáy là mặt chuẩn, tra bảng P4.4 trang 220 tài liệu [39].
+ Dung sai độ vng góc của mặt bích: với kích thước 28,5mm, ccx 7: 0,012mm
+ Dung sai độ vng góc của mặt trụ tấm gá với mặt bích: kích thước 5mm, ccx 7: 0,006mm
- Dung sai mặt trụ định vị của động cơ [40]:
Hình 4.31 Thơng số kích thước dung sai động cơ
Dung sai chiều dài ống lót định vị của động cơ là ±0,2mm. Phân tích hình học, sử dụng mặt bích của động cơ là mặt chuẩn.
Hình 4.32 Phân tích hình học 1
Suy ra dung sai đường kính của động cơ là x = 0,057mm (Độ đồng trục), kích thước danh nghĩa 2,5mm dựa vào bảng P4.5 trang 221 tài liệu [39], suy ra cấp chính xác mối lắp đồng tâm là cấp 10.
Dựa vào bảng 2.12 trang 92 tài liệu [38], chọn độ chính xác hình học cao suy ra cấp chính kích thước xác chọn là 8.
Dựa vào bảng, với kích thước danh nghĩa của trục là 7, ccx 8, chọn lắp theo trục, gia công lỗ.
+ Theo tính chất hình học, với độ vng góc mặt bích là 0,012, suy ra a = 0,006, suy ra c = 7,006.
Hình 4.33 Phân tích hình học 2
Do đó kích thước lỗ nhỏ nhất là
Lỗ gia cơng có ccx 7. Chọn miền dung sai có kích thước giới hạn dưới lớn hơn gần nhất với 7+0,006. Tra bảng dung sai trang 32 tài liệu [38], chọn dung sai F7
Suy ra lỗ là
Hay
Mối lắp là F7h8 (lắp lỏng)
4.1.5.2 Giải bài toán dung sai, phân bố dung sai lên các chi tiết chế tạo
Giả sử xem 2 trục động cơ là 1, chiều dài tổng 2 trục là: 137mm, dựa vào bảng P4.5 tài liệu [39], cấp chính xác là 9, suy ra dung sai độ đồng trục là T = 0,12.
(EI = 0, ES = 0,085)
Hình 4.34 Phân tích dung sai độ đồng tâm sang 2 phương
a) Theo phương x
- Chọn mặt chuẩn A là mặt bên của tấm đế.
Xét trường hợp 2 trục lệch nhau lớn nhất theo phương x - Chuỗi kích thước là
Hình 4.36 Chuỗi kích thước theo phương x
A1: bán kính mặt trụ định vị của động cơ 1:
A2: bán kính lỗ tấm gá 1 lắp trục độc cơ 1:
A3: vị trí tâm lỗ gá mặt bích gắn với động cơ 1 đến mặt chuẩn của tấm gá 1: Dn = 12,5
A4: vị trí tâm lỗ gá mặt bích gắn với chốt định vị tấm gá 1 đến mặt chuẩn của tấm gá 1: