Trong đồ án này, tôi thiết kế mô hình xe triền nhỏ, chịu tải nhỏ nên tôi dùng kết cấu vitme – đai ốc làm cơ cấu chấp hành thay cho các phần tử thủy khí.
• Kết cấu vítme – đai ốc có những đặc điểm sau:
Bộ truyền vítme – đai ốc làm việc theo nguyên lý ăn khớp của cặp ren (giữa ren trong trên đai ốc với ren ngoài trên vítme) để biến đổi chuyển động quay thành tịnh tiến.
Tùy theo tính chất tiếp xúc của cặp ren ta có thể chia bộ truyền làm hai loại: ma sát trượt và ma sát lăn.
Các ưu điểm chính: Kết cấu đơn giản, nhỏ gọn và dễ chế tạo; Khả năng tải lớn; Độ tin cậy cao; Làm việc êm và không ồn; Lợi nhiều về lực; Có thể chuyển động chậm với độ chính xác cao.
Tuy nhiên còn có các nhược điểm: Do ma sát lớn nên ren mòn nhanh; Hiệu suất thấp.
Phạm vi sử dụng: Bộ truyền có tỷ số truyền cao và có thể tự hãm, do đó bộ truyền sử dụng để truyền tải trọng: trong con đội tay, máy nâng với hệ thống truyền động cơ điện, máy ép vít, trong các cơ cấu điều khiển, bàn dao, bàn máy, trong các cơ cấu truyền động cho người máy, máy điều khiển số… hoặc sử dụng để truyền chuyển động trong các cơ cấu hiệu chỉnh của dụng cụ đo.
• Thiết kế cơ cấu vitme – đai ốc.
Sử dụng các vật liệu có sẵn trục vitme và đai ốc được thiết kế như bản vẽ dưới đây:
Hình 4.17: Bản vẽ chi tiết vitme – đai ốc
Các thông số của ren.
Đường kính vòng ngoài: d= 6 mm; Đường kính vòng trong: d1= 5 mm;
Đường kính trung bình: d2= (d+d1)/2= (6+5)/2=5,5 mm; Chiều cao prôfin ren: h= d – d2= 6 – 5,5= 0,5 mm; Bước ren: p= 2h= 2.0,5= 1 mm;
Bước vit: ph= Zh.p, ở đây Zh là số mối ren chọn Zh= 1; Suy ra: ph= 1.1= 1mm
Vit làm bằng vật liệu thép 45; đai ốc làm bằng đồng thanh thiếc chì. Hệ số ma sát của cặp vật liệu thép – đồng thanh thiếc bôi trơn không tốt f= 0,1, do đó φ= arctg(f)= arctg(0,1)= 3,6o
Kiểm nghiệm vit về độ bền.
Sơ đồ chịu lực của vit như hình vẽ dưới đây:
P
Fa Fa
Hình 4.18: Sơ đồ chịu lực của 2 trục vit
Từ hình 4.18 ta có lực dọc trục Fa= P/2= (m.g)/2= (0,5.9,8)/2= 2,45N.Ở đây P là trọng lượng của tải trọng.
Trong trường hợp trên, tiết diện nguy hiểm nhận toàn bộ lực dọc FavàmômenTr tínhtheo công thức (8.8) trang 164 [1]
2
( ) / 2 2, 45. (3,3 3,6)5,5 / 2 0,8
r a
T = F tg γ + ϕ d = tg + = Nmm
Theo công thức (8.7) trang 164 [x] ta có:
2 2 2 2 2 3 2 2 1 1 4 4.2, 45 0,8 3 3 0,3 0, 2 .5 0, 2.5 a td F T MPa d d π π σ = ÷ + ÷ = ÷ + ÷ =
Vậy σtd< [σ] nên điều kiện bền được đảm bảo.
Với trục vit và đai ốc thiết kế như trên đã đảm bảo được các yêu cầu thực tế.
Kiểm nghiệm vít về ổn định. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Xác định độ mềm của vít, cần tính mômen quán tính J và bán tính quán tính i. Ta có: ( ) 2 2 3 1 1 .5 6 0, 4 0,6 0, 4 0,6 21,98 4 4 5 d d J mm d π π = + ÷= + ÷= ( 2 ) ( 2 ) 1 / / 4 21,98 / .5 / 4 1, 06 i = J πd = π =
Do đó theo công thức (8.16) trang 166 [1], độ mềm λ của vít sẽ là
/ 2.55 /1,06 103,77
l i
λ = µ = =
Trong đó: μ là hệ số chiều dài tương đương. Chọn μ = 2; l là chiều dài tính toán của vít;
i bán kính quán tính của tiết diện vít;
Với λ > 100 dùng công thức Ơle để tính tải trọng giới hạn. Theo công thức (8.17) trang 167 [1] ta có:
( )2 ( )2 ( )
2EJ / . 2.2,1.10 / 2.555 171
th
F =π µl =π = N
Ở đây, E là môđun đàn hồi.
Do đó hệ số an toàn ổn định tính theo công thức (8.15) trang 166 [1] là: 0 th / a 171/ 2, 45 69,8 [S ]=2,5...40
S = F F = = >
Vậy điều kiện ổn định được đảm bảo.
Vậy trục vít me – đai ốc đã chọn phù hợp với yêu cầu. 4.2.3. Tính toán chọn động cơ
Hiện nay, Chúng ta có thể thấy nhiều loại động cơ có gắn hộp giảm tốc và có bán sẵn trên thị trường. Ở đây, tôi đã chọn loại động cơ SGMADA PM3312600. Quá trình chọn động cơ được tính toán như sau:
Chọn động cơ phù hợp là 1 vấn đề hết sức quan trọng trong việc xây dựng mô hình xe triền hai toa. Để hệ thống có thể điều khiển ổn định được, động cơ cẩn đảm bảo được về momen xoắn, tốc độ (rpm), tỉ số truyền.
Trong đó, momen của động cơ là vấn đề cần lưu ýđể cơ cấu chấp hành có thể nâng được sàn xe với khối lượng đặt ra hay không.
a. Xác định mômen xoắn tác dụng lên trục động cơ.
Vì trục động gắn liền với trục vít nên momen xoắn tác dụng lên trục động cơ bằng momen xoắn tác dụng lên trục vít.Theo công thức (8.8) trang 164 [1] ta có: 2 ( ) / 2 2, 45. (3,3 3,6)5,5 / 2 0,8 r a T = F tg γ + ϕ d = tg + = Nmm b. Xác định vận tốc động cơ.
- Chọn tốc độ dịch chuyển của đai ốc là υ = 2mm/s. Theo công thức (8.2a) trang 306 [2] ta có:
( ) 1 2 2 .2 12,56 / 1.1 s v rad s p z π π ω = = =
Trong đó: ω là vận tốc góc của trục vít (rad/s); υ vận tốc của đai ốc (mm/s);
ps là bước ren (mm);
z1 là số mối ren vít. Chọn z1 = 1;
Vì trục động cơ nối liền trục vít nên vận tốc góc của trục động cơ là ω = 12,56(rad/s)
c. Xác định công suất động cơ.
Công suất cần thiết của động cơ là: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
( )
. 0,8.12,56 10,048
r
p T= ω = = W
Thêm nữa, từ kinh nghiệm kế thừa kết quả đã nghiên cứu thành công trên thế giới, chúng ta nên chọn hộp giảm tốc với tỉ số truyền nằm trong khoảng 20 ÷150 .Để hệ thống dễ điều khiển ổn định hơn.
Tra bảng thông số các động cơ có sẵn do nhà sản suất động cơ SGMADA cung cấp, ta chọn được động cơ SGMADA PM3312600 có thông số phù hợp yêu cầu.
d. Xác định hệ số chuyển đổi giữa mômem động cơ và lực cơ cấu chấp hành. Theo công thức (8.8) trang 164 [1] ta có:
2 ( ) / 2 r a T = F tg γ + ϕ d Suy ra: (3,3 )5,5 / 2 0,3 r a T k tg F = = + 3,6 = Vậy ta có hệ số k= 0,3. 4.4. KẾT LUẬN
Trong chương này, chúng ta đã thực hiện được: - Chọn cảm biến đo góc nghiêng của sàn xe.
- Thiết kế mạch cảm biến và biết cách tính từ tín hiệu cảm biến ra góc nghiêng thực tế.
- Giới thiệu tổng quan về xy lanh thủy lực, cách chọn một xy lanh thủy lực vào trong ứng dụng thực tế.
- Thiết kế cơ cấu chấp hành của mô hình xe triền bằng trục vitme – đai ốc. - Tính toán chọn động cơ phù hợp với mô hình.
CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN
5.1. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
5.1.1. Thiết mạch điều khiển trung tâm.
ATMEGA32 là loại vi điều khiển CMOS, nguồn thấp, 8 bit, xây dựng trên nền tảng cấu trúc tập lệnh thu gọn tiên tiến cho AVR (Enhanced AVR RISC architecture).
• RISC – Reduced Instruction Set Computer • CISC – Complex Instruction Set Computer
Hình 5.1: Vi điều khiển Atmega32
Khả năng thực thi 1MIPS (Mega Instruction Per Second) trên 1MHz. Bao gồm 32 thanh ghi làm việc (General Purpose Working Register) liên kết trực tiếp với bộ xử lý số học ALU (Arithmetic Logic Unit).
Gồm các tính năng sau:
• 32K Flash có khả năng lập trình được tương thích hoạt động Read- While-Write.
• 1024B EEPROM. • 2K SRAM.
• 32 GPIO.
• 32 thanh ghi làm việc. • Ngõ JTAG.
• Tính năng On-chip debug. • 3 Timer/Counter.
• Internal và External Interrupt. • USART.
• TWI.
• 8 kênh ADC 10-bit. • Watchdog timer. • SPI.
• Tính năng ISP thông qua cổng SPI hoặc Boot Loader.
Thiết kế mạch điều khiển trung tâm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 5.2: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển
Khối vi điều khiển sử dụng chip Atmega32, thạch anh 8 MHz
Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn
Sử dụng IC 7805 để tạo nguồn 5v và IC Lm317 để tạo nguồn 3,3v nuôi cảm biến .
• Khối kết nối
Hình 5.4: Sơ đồ nguyên lý khối kết nối
5.1.2. Mạch điều khiển động cơ
Module MB2D là module điều khiển động cơ DC, bao gồm hai cầu H, cho phép điều khiển đồng thời hai động cơ, rất thích hợp cho các ứng dụng điều khiển robot di động.MB02D sử dụng nguồn từ 12-36V DC, cho công suất tối đa tới 96W.
Hình 5.5: MB2D – Dual H-Bridge DC Motor Driver
Module MB2D bao gồm các chi tiết sau:
- Hai cầu H tích hợp trên 1 board (tương đương 2 MB02A). - Điện áp 12V-36V, dòng tải tối đa 4A (tại 24V) – gắn tản nhiệt. - Điện áp điều khiển 5V TTL.
- Opto cách ly chống nhiễu
- Hỗ trợ chọn PWM tích cực mức cao hoặc thấp bằng jumper - Diode bảo vệ quá dòng.
- Led chỉ thị chiều quay của động cơ. - Nhiệt độ hoạt động từ 0 tới 70oC Mô tả phần cứng:
Hình 5.6: Sơ đồ khối MB2D
5.2. LẬP TRÌNH PHẦN MỀM 5.2.1. Xây dựng thuật toán.
Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển thì một việc cũng hết sức quan trọng là xây dựng thuật toán, viết chương trình để cụ thể hóa bộ điều khiển.Việc xây dựng thuật toán viết chương trình luôn phụ thuộc vào khả năng cũng như kinh nghiệm làm việc của người thực hiện.Việc xây dựng thuật toán của chương trình chính phải dựa trên quá trình thiết kế bộ điều khiển, đó là quá trình cụ thể hóa them một bước nữa công việc điều khiển hệ thống. Thuật toán cụ thể:
Đây là thuật toán chung của toàn bộ chương trình, do vậy việc xây dựng chương trình phải dựa trên thuật toán đã ra. Trong đó mỗi phần trong chương trình trên sẽ là một chương trình con trong chương trình chính và sẽ được xây dựng thuật toán cụ thể riêng.
5.2.2. Chương trình điều khiển
a. Sử dụng tài nguyên hiện có của vi điều khiển.
- Sử dụng ADC để đọc tín hiệu analog từ cảm biến ở các kênh 4, 5, 6. - Sử dụng time 0 để tạo bộ đếm.
- Sử dụng time 1 để điều khiển động cơ.
- Sử dụng 2 bit port B để chọn chế độ cho cảm biến.
b. Những chú ý khi viết chương trình điều khiển.
- Tuân thủ chặt chẽ thuật toán đã đề ra trước đó, chương trình phải đi theo đúng và đủ các bước trong thuật toán.
- Đảm bảo việc đọc các giá trị cảm biến đúng và kịp thời, tránh xảy ra sai số tích lũy. Việc này sẽ giúp cho hệ thống làm việc ổn định và lâu dài. - Do chương trình cần tính cập nhật các vị trí một cách nhanh nhất có thể
nên trong chương trình cần hạn chế các câu lệnh có thời gian thực hiện lâu ví dụ như các câu lệnh toán học làm việc với dấu phẩy động.
- Việc chỉnh sửa các tham số khi điều khiển phải thực hiện dễ dàng, nhanh gọn.
c. Viết chương trình.
Chương trình điều khiển chi tiết được trình bày trong phần phụ lục. 5.3. KẾT LUẬN (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ở chương này, chúng ta đã thiết kế được phần cứng và phần mềm để điều khiển cân bằng xe triền.
CHƯƠNG 6: VẬN HÀNH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
6.1. KẾT QUẢ THỰC HIỆN 6.1.1. Về nghiên cứu lý thuyết
- Tìm hiểu được tổng quan về xe triền. - Mô phỏng được mô hình xe triền hai toa.
- Xử lý được tín hiệu cảm biến, tính toán thiết kế cơ cấu chấp hành.
- Củng cố các kiến thức đã học về các lĩnh vực điện tử, cơ học và điều khiển.
6.1.2. Về mặt thực hành
- Thiết kế được mô hình cơ khí xe triền hai toa (hình 6.1). - Thiết kế được mạch điều khiển cho mô hình.
- Viết được chương trình điều khiển cho mô hình. 6.2. NHỮNG HẠN CHẾ
- Mô hình cơ khí chưa thực sự hoàn thiện.
- Chỉ điều khiển được khi xe đứng yên tại một vị trí dốc. - Chương trình chạy chưa được ổn định.
- Chưa có giới hạn cho chuyển động của cơ cấu chấp hành nên cơ cấu chấp hành nhiều lúc còn vượt qua vùng chuyển động cho phép.
6.3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
- Chế tạo mô hình hoàn thiện hơn.
- Chế tạo các sản phẩm chịu được trọng tải lớn để có thể ứng dụng trong thực tế.
- Sử dụng thêm nhiều cảm biến để có thể điều khiển một cách ổn định hơn và có them các ứng dụng khác cho xe triền.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Trịnh Chất, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập một, Nhà xuất bản giáo dục
2. Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy tập một, Nhà xuất bản giáo dục.
3. Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2005.
4. Công trình thủy công trong nhà máy đóng tàu. 5. Matlab Tutors Vietnamese.
6. A. P. Gratrev. Các công trình nâng tàu ở nước ngoài, NXB vận tải, M-1961 (Tiếng Nga)
7. G. A. Vakharlovski, P. PH. Kutreriavencô, V. PH. Buzik. Các công trình nâng hạ hiện đại dùng cho tàu lớn và vừa (Bản tiếng Nga), NXB Đóng tàu - Lêningrat 1968.
8. I. I. Denert. Âu tàu và các công trình nâng tàu, NXB vận tải sông M.1961. (Tiếng Nga). 9. http://www.instructables.com/id/Accelerometer-Gyro- Tutorial/step2/Gyroscope/ 10. http://pdf.nauticexpo.com/ 11. http://www.ttsgroup.com/ 12. http://www.oto-hui.com/blog.php