.Hình dạng tổng quát của phần khung hệ thống

Chi tiết phần khung sẽ được thiết kế với dạng như đã thiết kế. Yêu cầu ở đây là thiết kế dơn giản nhất mà vẫn vững chắc nhất nên việc lựa chọn dàn khơng q phức tạp, có thể cân bằng, và giảm thiểu sự mất đối trọng trong mơi trường nước, chính vì thế việc chọn thiết kế và gia cơng dàn như hình vẽ là phù hợp nhất.

Với cơng cụ Inventor, nhóm nghiên cứu đã mơ phỏng lại để kiểm tra ứng suất và độ biến dạng của dàn trong điều kiện làm việc thật ngồi mơi trường nước, hệ chịu 3 momen kéo xuống từ khối lượng của 3 con rối và 3 tay địn. Hình ảnh dưới đây là kết quả mô phỏng biến dạng và ứng suất trong điều kiện mơi trường thật.

Hình 3.4.Kết quả tính tốn ứng suất trong hệ khi chịu các momen

Hình 3.5.Kết quả tính tốn khả năng chuyển vị của hệ thống

Qua kết quả mơ phỏng nhóm thấy rằng ứng suất lớn nhất của hệ là 9.62MPa và nhỏ nhất là 0 MPa. Nhìn sự phân bố ứng suất của nội lực ta thấy rằng nhìn chung cả hệ không phải chịu nội lực quá lớn, vẫn trong ngưỡng an toàn với vật liệu sắt.

Với kết quả chuyển vị của khung, thể hiện khả năng biến dạng của hệ khi gặp các tác dụng lực lên hệ. Từ hình cho kết quả biến dạng lớn nhất là 2.546mm ở ngay thanh trượt để mạch điện, còn các phần khác hầu như không biến dạng nhiều. Kết quả này là

cho phép, vì ngồi thực tế mỗi con rối được làm bằng chất liệu gỗ sẽ có khối lượng tầm 3 kg, và theo kết quả mơ phỏng có thể thấy việc chịu cân bằng và tác dụng của momen xoay khá tốt nên đủ điều kiện gia cơng.

Hình 3.6.Khảo sát sự phân bố lực trên cơ hệ khi chuyển động

Ta thấy tầm hoạt động của cả 3 cánh tay địn như hình vẽ. Với tầm hoạt động như này thì mỗi khi sự thay đổi của hệ xảy ra thì momen của các lực từ hệ tác dụng qua trục  sẽ thay đổi .Với trục nằm ở khung bệ đỡ.

Với P1 là tổng hợp lực của tay đòn nhỏ với con rối, P2 là tổng hợp lực của tay đòn lớn, Fn là tổng hợp lực hướng lên, kéo lại cân bằng cho hệ.

Khi này tổng momen lớn nhất ( bất lợi cho hệ ) tại vị trí tay địn vng góc với thanh trục  với độ lớn được tính như sau :

z y x P P F n       2 1 

Với chiều momen dương khi ngươc chiều kim đồng hồ thì ta suy được cơng thức như trên, đây là max cịn min vì các lực đi cắt qua trục cân bằng nên min= 0 .

Đấy là max và min của một tay đòn, còn với cả 3 tay đòn sẽ là dạng

z y x P P Fn        2 1 max 3 3 3  Và min0

Hình 3.7.Khảo sát momen lực gây mất đối trọng cho cơ hệ

Hệ được thiết kế như hình vẽ, để tăng thêm momen cho hệ, nhóm nghiên cứu sẽ thiết kế hai thanh đỡ lực 2 bên để tạo ra sự chắc chắn.

Với Ft1 là lực kéo của thanh bên tay phải, có chiều ngược chiều kim đồng hồ, đồng thời thanh cũng có trọng lực Pt1, được nhân thêm hệ số 2 vì, có 2 thanh như vậy được lắp vào bệ, ở phía trước và phía sau.

Tương từ với thanh bên tay trái, thanh sẽ tạo ra lực kéo ngược lại như hình vẽ với lực Ft2 và trọng lực Pt2, cũng tương tự được nhân thêm hệ số 2 vì có 2 thanh như vậy. Với Dt và dt lần lượt là khoảng từ trục  với giá của vectow Ft và Pt.

Với Fn , P1 và P2 là lực nâng của trục, tổng hợp lực tay đòn bé -rối và tổng hợp lực tay đòn lớn, như đã được đề cập bên trên, được nhân hệ số 3 là vì có 3 cơ hệ như vậy.

Với chiều dương đã chọn như hình vẽ, đó là chiều dương của momen, ta sẽ tính được tổng momen, và so sánh được sau khi cân bằng thì momen sẽ có chiều như thế nào, nếu chiều của tổng momen sau khi được cân bằng như chiều dương đã chọn thì hệ sẽ khơng bị lật nhào mà sẽ được giữ cân bằng, nếu kết quả tính được ngược lại thì hệ vẫn chưa được cân bằng

Nhóm nghiên cứu sẽ xét lúc tổng momen tác dụng lên hệ là lớn nhất, để từ đó, trong những trường hợp chuyển động cịn lại, hệ vẫn chịu được.

d P P P d P D F F Fnx  t  t  t  t  t  y  z  t  t    3 2 ( 1 2) 2 2 3 2 3 1 2 1

Sau khi tính tốn nhóm nghiên cứu đã tính được giá trị này là cân bằng ở trên mặt đất và dưới nước sẽ được nhẹ hơn nhờ lực đẩy aschimes.

Do đó nhóm nghiên cứu chọn phương án trên để tối ưu nhất. Thêm vào đó để tiện lợi khi di chuyển, nhóm nghiên cứu đã chọn 4 bánh đẩy di chuyển với tổng tải trọng của 4 bánh là 600N, phù hợp với khối lượng hệ tương ứng 450N .

3.7.Thiết kế cánh tay địn

3.7.1. Dạng tay địn 1

Hình 3.8.Dạng tay đòn số 13.7.1.1.Cánh tay đòn bé nối với con rối 3.7.1.1.Cánh tay đòn bé nối với con rối

Đầu tiên chúng ta sẽ xét các lực tác dụng lên thanh theo phương cùng với phương trọng lực ( đặt là trục Ozy)

Hình 3.7(a):Phân tích lực cánh tay địn bé của cơ hệ

Gọi Pt và Pr lần lượt là trọng lực của tay đòn và con rối, theo quy tắc tổng hợp lực ta tổng hợp được thành lực P có phương chiều như hình vẽ.

Gọi Fn là tổng lực trục đỡ cả tay đòn và rối lên để tay đòn ( bao gồm cả lực ốc vít bắt vào) có thể nằm ngang, điều kiện ở đây là FnP

Với điều kiện được thỏa ở trên thì cơ hệ tay địn và rối có thể thăng bằng ngay trên cạn mà không phục thuộc vào lực có lợi thêm là lực đẩy aschimes (Fa)khi xuống nước. Vậy do điều kiện trên được thỏa nên cơ hệ của nhóm nghiên cứu hồn tồn có thể thăng bằng ngay cả mơi trường cạn.

Nếu tính momen lực của cả 3 lực ( Fn, P, Fa) với trục quay như hình vẽ, thì theo lý thuyết chúng ta sẽ có 3 momen này như sau:

                         0 0 0 // //    n a p n a Oz Oz Oz P FF

Vậy ta thấy rằng momen 3 lực này với trục đều bằng khơng.Vậy có thể kết luận rằng các lực tác dụng theo phương này không gây tải cho động cơ. Điều cần quan tâm để chọn cơng suất động cơ là momen qn tính khối lượng của hệ.

Ta có momen quán tính của hệ sẽ bao gồm momen quán tính của thanh và momen quán tính của con rối tác dụng lên trục quay, ta có cơng thức sau:

l M l M IZ t t r t 2 2 3 1    

Với Mlvà Mrlà khối lượng thanh và khối lượng rối, ltlà chiều dài của thanh tay địn bé.

Vận tốc góc của cánh tay địn khi chuyển động không cần quá nhanh, chỉ cần đủ để di chuyển đều với gia tốc bằng 0, nhưng khi bắt đầu chuyển động thì yêu cầu động cơ phải thực hiện một lực có gia tốc góc  để thực hiện tăng tốc tức thời trong khoảng thời gian ngắn, cho là t =1 s. Qua đó ta có cơng thức liên hệ giữa vận tốc góc  và gia tốc gócnhư sau:

t

o s 

Trong đó svà o là vận tốc góc lúc đầu và lúc sau thời gian t=1s với o0 và ta có được lúc này vận tốc góc sẽ bằng gia tốc góc là  

Với công thức momen lực động cơ phải thực hiện để thắng momen quán tính ban đầu của hệ như sau:

          ) 3 1 ( M l 2 M l 2 IZ t t r t

Công suất của động cơ phải cung cấp là :

   2 2 2 ) 3 1 (         M lt M lt P t r

Hiệu suất hộp số trên động cơ là n1= 0.97 Hiệu suất khớp nối n2= 0.99

Hiệu suất của động cơ n3= 0.85 Công suất cần thiết của động cơ là :

1 2 3t P t P P n n n   

Và cung với đó số vịng quay trên phút động cơ phải đạt là 60 30 60 2         N N (RPM)

Vì chuyển động cần đều , khơng q nhanh nên vận tốc lớn nhất mong muốn là 10 độ trên 1 giây nên vận tốc góc sẽ là ( )

18 s rad

 

Thay các số liệu và tính tốn kết quả nhóm nghiên cứu tính được u cầu công suất động là P= 29 (W) và tốc độ quay là N=100(RPM) do đó nhóm nghiên cứu chọn đơng cơ DC JGY370- 160RPM-12V

Hình 3.9:Hình ảnh motor DC JGY370-160RPM-12V

Thơng số kỹ thuật của động cơ như sau:

Điện áp sử dụng 12VDC

Tốc độ quay khơng tải 160RPM

Momen 2.2kg.cm

Cơng suất 30W

Kích thước 77*32*21.5mm

Bảng 3.2.Thơng số kỹ thuật động cơ DC JGY3703.7.1.2.Cánh tay địn của cả cơ hệ 3.7.1.2.Cánh tay địn của cả cơ hệ

Hình 3.10:Phân tích lực cánh tay địn cả cơ hệ

Với P2 tổng hợp lực giữa trọng lực thanh nhỏ và trọng lực con rối đã được tổng hợp như ở phần trên.

Gọi P1 là trọng lực của thanh lớn, ta tổng hợp P1 và P2 theo quy tắc điểm cân bằng ta được P12 với độ lớn:

P P P12 1 2



Gọi Fn1là lực do các ốc vít tác động lên trục 2 để giữ tay đòn bé như đã đề cập trên phần trên, Fn2 là lực do ốc vít tác động lên tay địn lớn để giữa cho cả hệ nên ta sẽ có thêm điều kiện là

 Fn2 Fn1

Từ hai lực trên, vì cùng chiều nên ta tổng hợp theo qui tắc điểm cân bằng được

F F

Fn12 n1 n2



Tiếp đến là chỗ để động cơ M2 , ta thấy vì Fn12 lớn hơnP12 nên ta có thể đặt động cơ được vì khối lượng động cơ khơng q lớn, nhưng đặt ở đâu để lợi về công suất nhất ta sẽ khảo sát tiếp.

Với trường hợp trên, ta sẽ chỉ xét khi cánh tay đòn bé thẳng hàng với tay đòn lớn, nhưng trong chuyển động cả cơ hệ sẽ có những lúc tổng lực lên hệ thay đổi, làm hệ lệch đi so với tính tốn ban đầu. Với vị trí thẳng hàng hợp lực sẽ là bé nhất, vậy ra sẽ xét điểm hợp lực lớn nhất là khi tay địn nhỏ vng góc với tay địn lớn.

Khi tay địn nhỏ quay ta sẽ có được chuyển động của tay địn là nửa cung trịn bán kính bằng chiều dài tay địn. Với P2 là tổng hợp lực tay đòn và rối của tay địn bé. Khi thanh vng góc như hình trên thì P2 xa thanh tay địn lớn nhất.

Theo quy tắc tổng hợp lực, ta tổng hợp được P1 ( tổng hợp lực của tay đòn lớn ) và P2 ta được P12 như hình vẽ.

Tiếp đến, như ở phần lý luận trên, ta đã giả sử đặt motor cho tay địn bé tại vị trí mà ta vẫn cịn nghi ngờ về sự tối ưu của nó. Gỉa sử motor vẫn được đặt ở vị trí đó, ta gọi có trọng lực PM tác dụng, tổng hợp lực giữa P12 vàPM ta được P( là tổng hợp của các lực hướng xuống).

Xét tới lực hướng lên duy nhất là Fn, ta tổng hợp giữa lực hướng xuống là lực hướng xuống P ta thu được điểm cân bằng với lực Fo hướng xuống.

Ta thấy lực Fo với 2 khoảng cách x và y, với trường hợp tay địn vng góc thì x tại đây sẽ là xmax và y càng gần thì sẽ càng lợi trong trường hợp này. Vậy nên việc đặt motor gần trục Oz sẽ lợi về lực nặng tác dụng lên hệ.

Việc tính tốn chọn động cơ cũng sẽ gân tương tự như cánh tay đòn bé. Nhưng lúc này tải sẽ nặng hơn nên momen quán tính của hệ lúc này sẽ tăng lên, được tính như sau: ) ( ) 2 1 ( 3 1 2 2 2 2 2 l M l l M l l M Iz  t  t  t  t t  r t t

Trong đó Mt2 và lt2 là khối lượng và chiều dài của tay địn lớn. Từ đó ta tính được cơng suất động cơ cần thiết là P=60 (W) và tốc độ động cơ là N=100(RPM). Do đó nhóm nghiên cứu sẽ chọn động cơ giảm tốc DS400

Hình 3.12:Motor DS400-24VDC

Thông số kỹ thuật của động cơ như sau:

Điện áp hoạt động 24VDC

Cơng suất 60W

Momen xoắn 80kg.cm

Tốc độ 100RPM

Kích thước 100*75*60mm

Bảng 3.3:Thông số kỹ thuật của động cơ DS400

3.7.2.Dạng tay đòn số 2

Đây là dạng tay đòn xoay và tịnh tiến, với 2 bậc tự do, chiều dài tối đa là 120 cm và bé nhất là 80 cm. Nhóm nghiên cứu tiếp tục tính tốn để làm rõ các vấn đề về lực. Cách tính tốn đơn giản như cánh tay địn nhỏ. Dựa vào đó nhóm sẽ tính tốn tương tự về lực cản, dựa vào diện tích khác nhau mà tính momen các lực để chọn động cơ.

Với các bước tính tốn tương tự như đã đề cập trên, nhóm nghiên cứu thấy khi thanh trượt là dài nhất mà vẫn trong giới hạn cho phép của thanh trượt thì sau khi tổng hợp các lực lại, ta sẽ thấy trục  là điểm cân bằng của hệ, trục này càng gần trục thì hệ càng được giữ chắc chắn, muốn điều đó, ta sẽ đặt động cơ với khối lượng PM gần trục quay sẽ lợi về lực( như hình vẽ).

Qua đó, nhóm nghiên cứu đã thực hiện được các tính tốn để chọn động cơ, tính tốn các lực, tìm tổng hợp lên cả 3 hệ, tìm vị trí đặt các motor để tối ưu nhất. Bên cạnh đó, để 3 cơ hệ không va chạm nhau sẽ được đặt cách nhau theo trục z và sẽ được tính tốn kĩ ở phần phương trình động học.

Hình 3.14: Thiết kế cơ cấu chuyển động cho con rối

Tùy vào kích thước con rối mà cơ cấu sẽ được lựa chọn cho phù hợp. Với tiết mục biểu diễn mà nhóm chọn chỉ gồm các nhân vật người, khá là phổ biến trong bộ môn rối nước. Trên hình là một nhân vật mà nhóm đã kht từ lưng của con rối truyền thống. Con rối chuyển động gồm 3 khớp( 3 bậc), 2 tay và đầu đều có thể xoay. Điều này lắp đặt khá dễ dàng và chính xác. Động cơ được chọn yêu cầu phải gọn nhẹ, momen vừa, và độ chính xác cao. Để đáp ứng các yêu cầu đó, nhóm đã chọn servo MG90S để đáp ứng được độ chính xác này.

Thơng số kỹ thuật của servo MG90S

Điện áp hoạt động 4.8-6VDC

Momen xoắn 1.8kgcm(4.8V)-2.2kg.cm(6V)

Tốc độ 60degree/0.1sec(4.8V)-60degree/0.08s(6V)

Bánh răng Kim loại

Kích thước 22.8*12.2*28.5mm

Bảng 3.4.Thơng số kỹ thuật Servo MG90S

Với thơng số kỹ thuật như trên, có thể thấy momen xoắn của servo là phù hợp với khối lượng của con rối. Với mỗi con rối bằng gỗ có chiều cao từ 20-30cm thì có khối lượng tầm 2-2.5kg vậy nên nhóm quyết định chọn servo này để thực hiện các cơ cấu chuyển động nhỏ của con rối.

Hình 3.16:Hộp chứa các servo điều khiển chuyển động con rối

Phần cơ cấu bên trên là phần không tiếp xúc với nước nên không cần yêu cầu phải cách nước cho động cơ. Nhưng với cơ cấu bên dưới phải yêu cầu điều đó, vậy nên nhóm nghiên cứu đã chọn phương án cách nước bằng mút, vừa đáp ứng được độ nhẹ và linh hoạt, vừa thẩm mĩ và bảo đảm cách nước đạt hiệu quả cao nhất giúp con rối hạn chế tối đa việc hư hỏng khi làm việc trong môi trường nước, giúp tiết kiệm chi phí thay động cơ.

Hình 3.17:Thiết kế mút bao phủ động cơ điều khiển con rối

Tổng quát thiết kế các cơ cấu cho rối, nhóm thấy rằng với các chuyển động quay