Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình thư viện tự động

Để thay thế cho những thư viện truyền thống như vậy thì hệ thống thư viện tự động được ra đời giúp giải quyết các hoạt động xuất nhập sách một cách nhanh chóng và chính xác, quản lí sách

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

<NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH

THƯ VIỆN TỰ ĐỘNG>

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

Nguyễn Trung Tính 1711040531 17DCKA2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

<NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH

THƯ VIỆN TỰ ĐỘNG>

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

Nguyễn Trung Tính 1711040531 17DCKA2

PHIẾU ĐĂNG KÝ

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN/KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Hệ: ………CQ……… (CQ, LT, B2, VLVH)

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên đăng ký đề tài (sĩ số trong nhóm 3):

(1) Ngô Thoại Xuyên MSSV: 1511040144 Lớp: 15DCK02 Điện thoại: 0942010907 Email: ngothoaixuyen@gmail.com

(2) Nguyễn Quang Vinh MSSV: 1711040147 Lớp: 17DCKA1 Điện thoại: 0339587618 Email: quangvinh357@gmail.com

(3) Nguyễn Trung Tính MSSV: 1711040531 Lớp: 17DCKA2 Điện thoại: 0797839629 Email:trungtinh1908@gmail.com

Ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí

2 Tên đề tài đăng ký : Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thư viện tự động

Sinh viên đã hiểu rõ yêu cầu của đề tài và cam kết thực hiện đề tài theo tiến độ và hoàn thành đúng thời hạn

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

TP HCM, ngày 15 tháng 04 năm 2021

Sinh viên đăng ký

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CAM ĐOAN



Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng chúng tôi Các số liệu

sử dụng phân tích trong đồ án có nguồn gốc rõ ràng và đã được công bố theo đúng quy định Các kết quả nghiên cứu trong đồ án do chúng tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam Các kết quả nghiên cứu này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 08 năm 2021

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN



Để hoàn thành đề tài đồ án tốt nghiệp và kết thúc khóa học, với tình cảm chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới trường Đại học Công Nghệ TPHCM đã tạo điều kiện cho tôi có môi trường học tập tốt trong suốt thời gian tôi học tập, nghiên cứu tại trường

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Thầy Nguyễn Thanh Phương đã giúp đỡ nhóm trong suốt quá trình nghiên cứu và trực tiếp hướng dẫn nhóm hoàn thành đề tài đồ án tốt nghiệp này Đồng thời, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn tới thầy cô trong Viện Kỹ Thuật Hutech, bạn bè đã giúp

đỡ, tạo điều kiện cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành Đồ Án tốt nghiệp lần này

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 2

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.2 Tình hình nghiên cứu 3

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 5

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu 5

1.5 Phương pháp nghiên cứu 6

1.6 Kết quả đạt được 6

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 7

2.1 Giới thiệu chung về thư viện tự động 7

2.2.1 Hệ thống lưu trữ sách 7

2.2.2 Hệ thống mượn trả sách 7

2.2 Lựa chọn phương án thi công 8

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 10

3.1 Khung giá sách 10

3.1.1 Phương án thiết kế khung kệ thư viện 10

3.1.2 Lựa chọn vật liệu 10

3.1.3 Ghép nối 11

3.2 Khung thư viện 12

3.3 Bộ con trượt 14

3.4 Puli 14

3.5 Gá động cơ 15

3.6 Sơ đồ khối mạch điện 16

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THƯ VIỆN TỰ ĐỘNG 17

4.1 Lựa chọn phương án thiết kế 17

4.2 Tính toán phần cơ khí 17

4.2.1 Tính toán thiết kế kệ để sách 17

4.2.2 Tính toán thiết kế cánh tay cơ khí 18

4.2.3 Tính toán thiết kế khung thư viện 20

4.2.4 Tính toán lựa chọn động cơ 21

4.2.5 Lựa chọn hệ truyền động 25

4.3 Tính toán lựa chọn phần điện 26

4.3.1 Lựa chọn driver điều khiển 26

4.3.2 Lựa chọn bộ điều khiển 27

4.3.2.1 Bộ điều khiển logic khả trình(PLC) 27

4.3.2.2 Vi điều khiển 30

4.3.2.3 Sơ đồ kết nối các khối trong mạch điều khiển 34

4.4 Lập trình điều khiển và hoàn thành mô hình thư viện 36

4.4.1 Arduino Uno 36

4.4.1.1 Giới thiệu về Arduino Uno 36

4.1.1.2 Arduino nano 40

4.1.2 Lập trình điều khiển 43

4.1.2.1 Phần mềm lập trình 43

4.1.2.2 Lưu đồ, thuật toán điều khiển 47

CHƯƠNG 5: THI CÔNG 48

5.1 Khung thư viện và cánh tay robot 48

5.2 Mạch điện 50

5.3 lắp ráp và Hoàn thiện mô hình thư viện tự động 51

5.4 Kết quả chạy thử nghiệm 52

5.5 Hướng dẫn cách vận hành 52

5.6 Cơ sở dữ liệu 52

CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 53

6.1 Tóm tắt đánh giá kết quả đề tài 53

6.2 Hướng phát triển 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hệ thống phân loại sách tự động thư viện theo dạng Lego 3

Hình 1.2: Tủ sách từ xa Remote Locker 4

Hình 1.3: Máy Tính Bảng Hublet 4

Hình 3.1 Tấm nhôm Aluminium 11

Hình 3.2 Tấm mối ghép giá sách 12

Hình 3.3: Nhôm định hình 13

Hình 3.4 Bộ con trượt 14

Hình 3.5 Puli 15

Hình 3.6 Gá động cơ 15

Hình 3.7 Sơ đồ khối 16

Hình 4.1: Cấu tạo động cơ bước 22

Hình 4.2 :Dây đai răng 26

Hình 4.3: DRV8825 27

Hình 4.4: Các bộ PLC 27

Hình 4.5: Vi điều khiển AVR 30

Hình 4.6: Cấu trúc mạch vi điều khiển 31

Hình 4.7: Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển 34

Hình 4.8: Mô phỏng mạch điện mặt trước và mặt sau 36

Hình 4.9 Mạch PCB của bộ điều khiển 36

Hình 4.10: Arduino uno 37

Hình 4.11: Sơ đồ chân Aruino Uno 37

Hình 4.12: Arduino nano và cáp nối 40

Hình 4.13: Sơ đồ chân Arduino Nano 41

Hình 4.14: Khởi động Arduino IDE 44

Hình 4.15: Mục Processor 44

Hình 4.16: Cổng COM 45

Hình 4.17: Nạp Chương Trình 45

Hình 4.18: Upload chương trình 46

HÌnh 4.19: Chương Trình Đã Nạp 46

Hình 4.20: Lưu đồ thuật toán điều khiển 47

Hình 5.1: Khung thư viện 48

Hình 5.2: Khung định hình 48

Hình 5.3: Cánh tay robot 49

Hình 5.4: Lấp ráp linh kiện 50

Hình 5.5: Hàn mạch 50

Hình 5.6: Lắp ráp 51

Hình 5.7: Mô hình hoàn thiện 51

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển mọi công ty, tổ chức đều cố gắng tối ưu hóa dây chuyền sản xuất cũng như chuỗi cung ứng sản phẩm của mình

Do nhu cầu thúc đẩy việc đọc sách của mọi người nâng cao và có thể đáp ứng sự tiện lợi nhanh chóng Thư viện là một phần cốt lõi của thị trường, với các thư viện truyền thống không thể đáp ứng nhu cầu của người sử dụng, cần sự cải tiến thuận tiện hơn Các vấn đề hoặc sự chậm trễ trong hoạt động giao nhận sách có thể được đơn giản hóa và rút ngắn

Hệ thống thư viện cũ truyền thống tốn rất nhiều không gian lưu trữ chủ yếu phụ thuộc vào sức người là chính đã không còn phù hợp với thị trường hiện nay Để thay thế cho những thư viện truyền thống như vậy thì hệ thống thư viện tự động được ra đời giúp giải quyết các hoạt động xuất nhập sách một cách nhanh chóng và chính xác, quản lí sách dễ dàng hơn, tối ưu được không gian lưu trữ và rất nhiều những tiện ích khác nữa

Trải qua thời gian học tập tại trường, cùng với sự giúp đỡ của các giảng viên bộ môn, em đã tích luỹ được vốn kiến thức nhất định để hoàn thành đồ án tốt nghiệp

“Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thư viện tự động”

Bằng sự cố gắng của bản thân cùng với sự giúp đỡ,chỉ bảo tận tình của thầy Nguyễn Thanh Phương và các giảng viện Viện kỹ thuật Hutech em đã hoàn thành

đồ án đúng thời hạn Nhưng do thời gian làm đồ án có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô để đồ án này được hoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thanh Phương và các giảng viên

bộ môn đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong thời gian qua

TP.Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2021 Nhóm Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trung Tính

Nguyễn Quang Vinh Ngô Thoại Xuyên

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 với xu hướng phát triển dựa trên nền tảng tích hợp cao độ của hệ thống kết nối số hóa – vật lý – sinh học với sự đột phá của Internet vạn vật và trí tuệ nhân tạo đang làm thay đổi căn bản nền sản xuất của thế giới Thư viện, với vai trò như một trung tâm văn hóa, trung tâm khoa học giáo dục và công nghệ, trung tâm tri thức, đương nhiên đang đóng một vai trò quan trọng và là một trong các đầu mối cung cấp thông tin, cung cấp dữ liệu trong thành phần “dữ liệu lớn – big data” của cuộc cách mạng công nghiệp lần này Trên thực tế, hệ thống thư viện nói chung trên cả nước đã và đang có những bước chuyển mình thay đổi, đang đứng trước nhiều cơ hội nhưng cũng phải đối mặt với không ít thách thức Một trong những thách thức cần vượt qua đối với những người làm công tác quản lý và làm chuyên môn thư viện đó là cần phải tiếp cận được với các công nghệ mới để qua đó có tư duy

áp dụng vào thiết kế mô hình và vận hành các hoạt động của thư viện mình

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử

mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin… do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng Xuất phát từ những nhu cầu thực tế cùng với những lần tiếp cận trực tiếp với các hệ thống máy móc tự động hiện đại, chúng em đã được thấy nhiều khâu được tự động hóa trong quá trình sản xuất Từ những điều đã được nhìn thấy trong thực tế cuộc sống và những kiến thức mà em đã học được ở trường cùng với mong muốn tạo ra hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần Nên chúng em đã

quyết định “Nghiên cưu,thiết kế và chế tạo mô hình thư viện tự động”, điều này rất

quan trọng bởi nó giúp cho chúng ta giảm bớt phần nào thời gian và sức lao động

Góp phần giúp ích cho xã hội và đất nước ta phát triển

1.2 Tình hình nghiên cứu

Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều sản phẩm như máy bán sách tự động,thư

viện điện tử,các quày sách truyền thống,các thư viện,… nhưng nhu cầu thực tế còn

nhiều người vẫn luôn thích cầm trên tay một quyển sách thay vì một thiết bị điện tử

thông minh,nhưng nhiều lý do khác nhau như không đủ chổ lưu trữ,điều kiện kinh

tế,… nên mọi người sẽ chọn giải pháp là đến các thư viện để mượn hoặc đọc sách

tại đó, nhưng thực tế các thủ tục chậm,thời gian hạn chế trong ngày,các thư viện cần

diện tích lớn và rất ít nằm rải rác nên việc đi lại cũng là vấn đề lớn,…nên rất khó có

thể thỏa mãn nhu cầu của người đọc cũng như sự tiện lợi cho mọi người

Một số loại sản phẩm mô hình thư viện tự động :

+ Hệ thống phân loại sách tự động thư viện theo dạng Lego

Hình 1.1: Hệ thống phân loại sách tự động thư viện theo dạng Lego

+ Tủ sách từ xa Remote Locker

Hình 1.2: Tủ sách từ xa Remote Locker + Máy tính bảng Hublet

Hình 1.3: Máy Tính Bảng Hublet

Sau quá trình cả nhóm khảo sát tại một số thư viện và tìm hiểu các sản phẩm tự động Qua đó ta thấy quy trình vận hành được thực hiện qua rất nhiều công đoạn,chi phí bỏ ra khá cao,không gian chiếm giữ rất lớn,

=> Việc thiết kế mô hình thư viện tự động nhằm giúp ích cho những bạn đọc

và các chủ doanh nghiệp, giảm bớt thời gian và công sức, cải thiện được hiệu quả, đơn giản hóa các quá trình trình tự phức tạp

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Nhầm đáp ứng nhu cầu của tất cả mọi người và sự tiện lợi về các mặc như giảm thiểu các thủ tục, tiết kiệm không gian, sức lao động, giải quyết nhanh

chống, giảm thiểu chi phí cho người tiêu dùng,…

Đối với đề tài:

• Hoàn thành thiết kế, dựng hình, tạo ra mô hình

• Hoàn thiện chương trình điều khiển Arduino và đưa vào vận hành hệ thống

• Mô phỏng và chạy thử mô hình

Đối với cá nhân:

• Là những người thực hiện đề tài, đây là cơ hội tốt để có thể tự kiểm tra lại kiến thức của mình, đồng thời có cơ hội nỗ lực vận động tìm hiểu, tiếp cận nghiên cứu được với những vấn đề mình chưa biết, chưa hiểu rõ nhằm trang

bị cho bản thân những kiến thức bổ ích cần thiết để sau này có thể ứng dụng vào thực tế

• Nâng cao kỹ năng làm việc theo nhóm, tư duy thiết kế và gia công

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Vơi mong muốn tạo ra một sản phẩm với các tiêu chí như:

⚫ Trong quá trình hoạt động, không lấy sai sản phẩm

⚫ Phải đảm bảo an toàn cho người sử dụng

⚫ Vận hành đơn giản,sửa chữa dễ dàng

⚫ Giao nhận sách nhanh chóng,dể thao tác

⚫ Hoạt động ổn định,giảm thiểu tiến ồn,không rung lắc

⚫ Tiết kiệm không gian,chi phí gia công thấp

⚫ Số lượng sách đa dạng

Nhưng do nhiều hạn chế như thời gian,kinh phí,… nên chỉ dừng lại ở mức mô hình nên còn rất nhiều thiếu sót chưa thể đáp ứng được các yêu cầu như:

⚫ Thiết kế cánh tay cơ khí còn đơn sơ chiếm nhiều không gian

⚫ Không đa dạng các loại sách và số lượng mỗi loại sách

⚫ Mô hình chiệu tải trọng kém độ bền thấp

⚫ Chưa hoàn thiện không gian lưu trữ và bảo mật thông tinh khách hàng

⚫ Chưa có hệ thông kiểm tra sách được trả có hư hỏng hay biến dạng

1.5 Phương pháp nghiên cứu

⚫ Tìm hiểu phương thức thực tế của thư viện truyền thống

⚫ Xem xét các công nghệ đi trước ưu điểm và nhược điểm

⚫ Tìm hiểu nhu cầu thực tế

⚫ Tìm hiểu qua internet, tìm những tài liệu liên quan, những ứng dụng tương tự, từ

được giao đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu và hoàn thiện mô hình thư viện tự động” và đã hoàn thành với nội dung gồm sau chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Tổng quan giải pháp

Chương 3:Thực hiện

Chương 4: Tính toán thiết kế

Chương 5: Xây dựng mô hình

Chương 6: Đánh giá kết quả, kết luận

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP

2.1 Giới thiệu chung về thư viện tự động

2.2.1 Hệ thống lưu trữ sách

Nền công nghiệp trong nước nói riêng và nền công nghiệp trên thế giới nói chung đang phát triển mạnh mẽ Trong quá khứ, sản phẩm được tạo ra một cách thủ công nên việc mượn hoặc trả chủ yếu được thực hiện bằng sức người, dẫn đến việc không tận dụng hết được các khoảng không gian chứa sách, sức chứa của của các kệ sách , việc quản lý hàng hoá kém hiệu quả cũng như tốn nhiều diện tích đất làm nơi trưng bày

Với sự ra đời của các hệ thống thư viện tự động, người ta có thể quản lý tốt xuất nhập sách cũng như nhanh chóng trong việc lưu trữ và lấy sách ra khỏi nơi trưng bày hoặc các tủ sách Các hệ thống thư viện tự động sử dụng cánh tay cơ khí

để vận chuyển sách Điều này đồng nghĩa với việc đầu tư trang thiết bị hiện đại cho

hệ thống lưu trữ và trung bày tốn khá nhiều chi phí cho việc chế tạo máy móc và vận chuyển sách nhưng bù lại sách tiếp cận nhanh nhất với người đọc thuận tiện cho việc quản lý và kiểm soát, tiết kiệm được nhân công

Hệ thống cơ khí cơ bản của một thư viện tự động là một robot hoạt động theo

ba trục và di chuyển theo thanh trược để mang sách sắp xếp vào kệ và lấy sách từ các kệ ra bên ngoài theo đúng yêu cầu

Mô hình thư viện tự động có khả năng lưu động cao,có thể cung cấp lượng sách nhất định tại nhiều nơi với không gian nhỏ gọn

2.2 Lựa chọn phương án thi công

Để thực hiện mô hình hệ thống này ta có 2 phương án được đặt ra

• Thứ nhất là hệ thống sử dụng PLC để điều khiển và xử lý cánh tay cơ khí kẹp di chuyển đúng vị trí lấy mang và trả sách

• Thứ hai là hệ thống sử dụng Arduino để điều khiển và cảm biến góc và động cơ bước di chuyển đúng vị trí nâng sách lấy mang và trả sách

Để có được sự lựa chọn tốt nhất thì ta nên phân tích với các ưu và nhược điểm của 2 hệ thống trên

• Cảm biến lưu lượng có ưu điểm là khả năng tái tạo và đáp ứng tuyệt vời, cấu trúc đơn giản với giá thành rẻ, nhỏ gọn và có thể thực hiện các phép đo công suất lớn

Nhược điểm:

• Arduino có nhược điểm là cấu trúc của nó chính là nhược điểm, khi xây dựng một mô hình cần phải làm cho kích thước càng nhỏ càng tốt , nhưng với cấu trúc của Arduino phải gắn bó với PCB có kích thướt lớn nền làm nên có thể gây bất tiện

• Khó sửa đối chương trình với những mô hình lớn và phức tạp

➢ Theo các ưu nhược điểm đã nêu ra trong hai phương án trên thì nhóm đã lựa chọn phương án thứ hai để thực hiện đề Do phương án thứ hai có đủ yêu cầu

mà đề tài cần và phù hợp với nhóm về mặt kinh tế lẫn trình độ chuyên môn,vì nhóm em chưa có điều kiện tiếp xúc nhiều với PLC nên nó vẫn còn khá khó khăn với người mới nên nhóm quyết địnhchọn Arduino để thực hiện đề tài

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢ QUYẾT

3.1 Khung giá sách

3.1.1 Phương án thiết kế khung kệ thư viện

Thư viện tự động chính là đỉnh cao của tự động hóa và thư viện thông minh được kích hoạt cùng với một số công nghệ tự động và kết nối với nhau Để việc kết hợp với công nghệ cao diễn ra một cách dễ dàng và ổn định ta cần xây dựng một hệ thống thư viện tối ưu nhất về công nghệ cũng như giá thành và không gian sử dụng Hiện nay có rất nhiều kiểu dáng cũng như mẫu khác nhau về khung kệ của một

số thư viện nhưng tựu chung lại khung thư viện cần đảm bảo được các yếu tố sau:

+ Khung phải có tính thẩm mĩ

+ Khả năng chịu tải của kệ

+ Khung thư viện phải phù hợp với diện tích sử dụng của cũng như không gian hoạt động của cánh tay cơ khí lấy sách

Hình 3.1 Tấm nhôm Aluminium 3.1.3 Ghép nối

Cắt các tấm nhôm Aluminium theo đúng kích thước trong bản vẽ với các mối lắp chặt,tự gia công với phương thức: sử dụng máy cắt cắt các tấm theo đúng kích thước tổng thể sau đó đánh dấu các mối ghép làm đồ gá để gia công với số lượng yêu cầu

Khung giá sách được hình thành bằng việc ghép các mối nối lại với nhau bằng các khớp nối Kích thước của thư viện được xác định dựa trên số lượng các ô chứa sách với các giá trị mà ta mong muốn

Hình 3.2 Tấm mối ghép giá sách 3.2 Khung thư viện

Tùy thuộc vào trọng lượng của sách cũng như mục đích sử dụng mà ta có thể

sử dụng các vật liệu khác nhau để làm thành khung của khó như: gỗ, nhôm, thép, … Đối với mô hình đồ án lần này, em chọn sử dụng nhôm định hình để làm khung cho thư viện tự động vì những ưu điểm của nhôm định hình đáp ứng được các nhu cầu đề ra và các hàng hóa sử dụng trong đồ án này cũng có tải trọng nhỏ,nhôm được cắt đúng kích thước theo yêu cầu trước khi mua hàng, và sử dụng các mối ghép để ghép các thanh nhôm theo biên dạng đúng với bản vẽ thiết kế

• Cách nhiệt và cách âm tốt: Nhôm định hình có khả năng chịu nhiệt độ cao, các phẩn tử nhôm liên kết chặt chẽ tạo nên một hệ khung nhôm cửa kính có khả năng cách âm tốt

• Trọng lượng nhẹ: Trọng lượng của nhôm định hình là nhẹ nhất vởi nguyên liệu sản phẩm có độ dày mỏng nhất Thế nên sẽ làm giảm được tải trong và sức ép cho các công trình, đồng thời cũng giúp dễ di

chuyển và lắp đặt hơn

- Nhược điểm:

• Chưa có nhiều mẫu mã cho khách hàng lựa chọn

• Tuổi thọ: Sau nhiều năm sử dụng sản phẩm Nhôm định hình cần được bảo dưỡng và thay thế để đảm bảo

Hình 3.3: Nhôm định hình

3.3 Bộ con trượt

Lựa chọn bộ con trượt có sẵn với kích thước phù hợp với kích thước khung định hình,nên nhóm đã lựa chọn hai bộ con trược với khích thước thanh trượt là 8mm và 10mm

3.6 Sơ đồ khối mạch điện

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THƯ VIỆN TỰ ĐỘNG

4.1 Lựa chọn phương án thiết kế

+ Phương án 1 : Sách được để với dạng đứng, sử dụng cánh tay cơ khí kẹp để lấy, trả sách và dùng PLC điều khiển

Ưu điểm: Thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm không gian, có thể chứa nhiều loại sách với diện tích nhỏ

Nhược điểm: Chi phí cao, chương trình phức tạp đòi hỏi lập viên có trình độ cao + Phương án 2 : Sách được để nằm ngang,sử dụng cánh tay cơ khí nâng hạ để lấy trả sách và dùng arduino để lập điều khiển

Ưu điểm: Thiết kế đơn giản, chi phí thấp

Nhược điểm : Chiếm nhiều không gian, không phù hợp với thực tế, số lượng sách không đa dạng

Với đồ án mô hình lần này nhóm em quyết định chọn phương án 2 vì nó thỏa mãn yêu cầu cũng như có thể giảm thấp chi phí và phù hợp với trình độ chuyên môn

• Chiều cao: 56mm

Suy ra từ kết quả trên ta tính toán được tổng chiều dài, rộng, cao như sau:

+ Chiều dài tổng = chiều dài của ô * 2 = 240 *2 = 480mm + Chiều rộng tổng = chiều rộng của ô = 150mm

+ Chiều cao tổng = chiều cao của ô *8 = 56*8 = 448mm

4.2.2 Tính toán thiết kế cánh tay cơ khí

Vai trò của cánh tay cơ khí: cánh tay cơ khí là một phần không thể thiếu trong hệ thống thư viện tự động Nó đóng vai trò vận chuyển sách ra vào thư viên Kích cỡ của cánh tay cơ khí phụ thuộc nhiều vào kích cỡ của sách Tùy thuộc vào hình dáng của sách cũng có những yêu cầu cụ thể mà cánh tay cơ khí có thể có số lượng bậc tự

do khác nhau Đối với các mô hình thư viện chứa nhỏ cánh tay cơ khí thường có ít nhất từ 3 đến 4 trục chuyển động Trong trường hợp đồ án này bao gồm ba chuyển động tịnh tiến theo hệ trục tọa độ Oxyz

Hầu hết các cơ khí đều sử dụng một trong ba loại truyền động: Khí nén, thủy lực, điện

Trong đồ án thư viện tự động lần này em sử dụng phương án dẫn động bằng động

cơ điện vì các mô hình bằng thủy lực hay khí nén rất phức tạp với rất nhiều chi tiết, thiếu tính linh hoạt cho cánh tay cơ khí và tốn nhiều chi phí sẽ tăng tải trọng của mô hình.Động cơ được sử dụng phổ biến, nhỏ gọn, nhiều mức công suất và nhiều chủng loại động cơ để lựa chọn Động cơ truyền được nhiều dạng chuyển động khi kết hợp với các cơ cấu truyền động khác nhau.Động cơ đem lại tính linh hoạt cao khi điều khiển được vị trí và tốc độ

Động cơ điện là thiết bị cơ điện tạo ra chuyển động bằng cách biến năng lượng điện thành cơ khí Các bộ truyền động này là tùy chọn ưa thích trong chế tạo mô hình bởi một số lý do sau:

o Điện là một nguồn cung cấp rộng rãi

o Các cơ chế này phù hợp cho tất cả các kích cỡ mô hình

o Chúng nhỏ gọn và nhẹ nhưng có tỷ lệ chuyển đổi năng lượng lớn, độ chính xác và độ lặp lại tuyệt vời

o Ô nhiễm trong môi trường làm việc là bằng không

o Hệ thống truyền động điện mạnh mẽ và dễ bảo trì

Phần khung của cánh tay cơ khí, thực hiện các thao tác nâng hạ, vận chuyển chính trong quá trình di chuyển sách trong thư viện Để thiết kế được khung cánh tay cơ khí cũng cần phụ thuộc tải trọng của sản phẩm cũng như kích thước của sản phẩm mà thiết kế một cánh hợp lý

Vị trí tương quan giữa phần khung và phần cánh tay cơ khí:

- Thiết kế cánh tay cơ khí không gắn cứng vào phần khung thư viên :

⚫ Ưu điểm của phương án này đó là phần khung và cánh tay tách rời giúp dễ

di chuyển và dễ tháo dời để sửa chữa

⚫ Bên cạnh những ưu điểm, phương án thiết kế này cũng tồn tại những nhược điểm như: bài toán định hướng di chuyển trở nên phức tạp Độ chính xác không cao trong quá trình hoạt động

- Thiết kế cánh tay cơ khí có phần đế gắn cứng vào khung thư viện

⚫ Phương án này cũng có các ưu điểm sau: khoảng cách giữa phần khung và cánh tay robot luôn cố định Việc tính toán dẫn hướng cho cơ cấu chuyển động trở nên dễ dàng Chuyển động ít xuất hiện sai lệch đảm bảo sự chính xác nhất định

⚫ Nhưng phương án này cũng tồn tại những nhược điểm nhất định đó là: Phần khung và cánh tay cơ khí gắn liền với nhau dẫn đến việc công kềnh khi muốn di chuyển hay tháo lắp sửa chữa Chi phí chế tạo tốn kém hơn so với cánh tay cơ khí không lắp cứng

=> Trong đồ án này em sử dụng phần cánh tay cơ khí gắn liền với phần khung nhằm giảm thiểu sai lệch khí chuyển động cũng như tạo sự chắc chắn cho cơ cấu Cánh tay cơ khí là sự kết nối giữa các chi tiết cơ khí được đặt gia công theo yêu cầu tạo thành cụm các chi tiết di chuyển tịnh tiến trên các thanh trược được gắn với khung thư viện hoặc trên một phần của cánh tay cơ khí

4.2.3 Tính toán thiết kế khung thư viện

❖ Thiết kế kích thước khung

Khung kho hàng được tạo thành bằng việc ghép nối các thanh nhôm định hình lại với nhau bằng các mối nối Kích thước của của khung thư viện được xác định dựa trên số lượng các ô chứa sách với các giá trị mà ta mong muốn

Trong mô hình thư viện tự động của đồ án, yêu cầu với 16 ô chứa sách và 1 ô trả sách nên kích thước tổng thể là :

⚫ Dài 468 mm

⚫ Rộng 210 mm

⚫ Cao 604 mm

❖ Kiểm bền cho thanh nhôm định hình với kích thước 40x40 (mm)

Kiểm bền cho thanh ngang chiều dài 880 (mm)

- Kiểm tra độ bền cho thanh ngang dài 880 (mm)

được yêu cầu về độ bền vì hệ số an toàn của thanh nhôm lớn hơn nhiều so với yêu cầu nên ta có thể giảm kích cỡ của thanh nhôm đi Nhưng do thanh nhôm được sản xuất có các kích cỡ xác định là 20x20 (mm), 40x40 (mm)… nên không thể tùy tiện thay đổi kích thước kích thước có thể giảm xuống 20x20 (mm) và vẫn đảm bảo độ bền Nhưng do thiết kế của nhôm định hình kích thước 20x20 (mm) không có tính thẩm mĩ cao Giá thành chênh lệch giữa 2 kích

cỡ là không đáng kể Nên vẫn chọn kích thước 40x40 cho đồ án này

- Kiểm tra độ bền cho thanh đứng dài 600 (mm)

kiểm tra độ bền cho thanh nhôm định hình nằm ngang và chỉ khác kích thước và vị chí đặt lực Đối với hai thanh đứng có 2 lực tác dụng Một là lực nén của các thanh nhôm định hình nằm ngang đè lên Hai là lực khi cơ cấu chuyển động làm rung động làm rung lắc khung kho hàng gây nên

Hệ số an toàn rất lớn Thanh nhôm siêu bền Để phục vụ cho việc tìm mua một cách tiện lợi và lắp ghép khung có tính thẩm mĩ cao Nhôm định hình có kích thước 40x40(mm) được lựa chọn để xây dựng lên cả khung nhôm của kho hàng

➢ Kết luận: Lựa chọn nhôm định kích thước 40x40 (mm) chiều dài là 880 (mm)

cho các thanh nằm ngang và thanh nhôm định hình chiều dài 600 (mm) cho các thanh thẳng đứng

Số lượng và chiều dài các thanh nhôm định hình cần có để lắp ghép thành khung kho hàng là:

- 2 thanh nhôm định hình chiều dài 800 (mm)

- 4 thanh nhôm định hình chiều dài 500 (mm)

4.2.4 Tính toán lựa chọn động cơ

Động cơ là một phần vô cùng quan trọng trong cơ cấu truyền động của tay máy cơ khí trong việc lấy sánh Vậy nên việc lựa chọn động cơ phù hợp là vô cùng cần thiết

Một số động cơ thường được sử dụng như: động cơ một chiều , động cơ step

và động cơ servo Cả ba loại động cơ này đều được ứng dụng rất phổ biến trong các

dự án, các đồ dùng hàng ngày Mỗi loại động cơ đều có những ưu và nhược điểm khác nhau nên cần cân nhắc khi lựa chọn loại động cơ phù hợp

Qua những nhu cầu của mô hình như điều khiển vị trí chính xác cũng như dễ dàng thiết lập và điều khiển nhóm đã cân nhắc và lựa chọn động cơ bước để sử dụng cho

mô hình của hình vì:

- Khái niệm: Động cơ bước hay còn gọi là Step Motor là một

loại động cơ chạy bằng điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định roto

+ Rotor là bộ phận có thể di chuyển không có cuộn dây, chổi than và cổ góp Thông thường các rôto là loại nam châm điện hoặc loại nam châm vĩnh cửu

+ Stator thường được chế tạo với các cuộn dây đa cực và đa pha, thường là

ba hoặc bốn cuộn dây pha cho một số cực cần thiết được quyết định bởi sự dịch chuyển góc mong muốn trên mỗi xung đầu vào

- Phân loại : Để phân loại động cơ bước có thể dựa vào: kích thước, kiểu dáng, đặc trưng điện Một động cơ bước có thể được chia thành 2 danh mục chính:

• Không nam châm vĩnh cữu (Từ trở) : đơn tầng , đa tầng

• Có nam châm vĩnh cữu : Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có vấu răng , Hybrid motor ( Động cơ lai )

- Nguyên lí làm việc :

⚫ Động cơ motor bước làm việc nhờ vào hoạt động của các bộ chuyển mạch điện tử Các mạch điện tử này sẽ đưa các tín hiệu của lệnh điều khiển chạy vào stato theo số thứ tự lần lượt và một tần số nhất định

⚫ Tổng số góc quay của từng con rotor tương ứng với số lần mà động cơ được chuyển mạch Đồng thời, chiều quay và tốc độ quay của con rotor còn phụ thuộc vào số thứ tự chuyển đổi cũng như tần số chuyển đổi của

• Động cơ bước có tuổi thọ lâu dài, hoạt động bền bỉ

• Động cơ bước dễ dàng lắp đặt, thay thế

• Động cơ bước có giá thành thấp

Nhược điểm:

• Động cơ bước khi hoạt động có hiện tượng bị trượt bước

• Động cơ bước sẽ ồn và nóng dần lên khi hoạt động

• Đông cơ bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo

• Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao

- Ứng dụng:

• Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hóa, trong các thiết bị cần điều khiển chính xác

• Động cơ bước được sử dụng nhiều trong các máy công cụ như máy cắt

plasma cnc, máy cnc gỗ, máy khắc, máy cắt laser

Vì tải trọng của mô hình nhỏ và cần độ chính xác cao để đến đúng vị trí lấy và trả sách nên động cơ được lựa chọn phù hợp nhất là động cơ bước 17HS4401 với các thông số như sau:

• Góc quay mối bước: 1.8 ° ( 200 bước / vòng quay)

• Dòng điện: 1.7A

• Mômen Xoắn giữ: 40N.cm

• Mômen xoắn: 2.2N.cm

• Rotor quán tính: 54g.cm2

• Độ chính xác góc bước: ± 5% (bước đầy đủ, không tải)

• Khối lượng động cơ: 280g

• Chiều dài thân: 40 mm

• Kích thước khung: 42 x 42mm

• Đường kính trục: 5mm

• Chiều dài trục: 23mm

Truyền động đai là truyền động bằng phương tiện kéo Chúng truyền mômen xoắn và tốc độ giữa hai trục, và có thể có một khoảng cách lớn hơn so với bộ truyền bánh răng

➢ So với các bộ truyền khác bộ truyền đai có những ưu điểm như:

• Truyền động giữa các trục xa nhau

• Làm việc êm và không ồn do độ bền và dẻo của đai do đó có thể truyền động với vận tốc cao

• Tránh cho cơ cấu không có sự dao động nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá tải

• Kết cấu và vận hành đơn giản

➢ Tuy nhiên nó cũng tồn tại những nhược điểm như:

• Hiệu suất bộ truyền thấp

• Tỷ số truyền thay đổi do sự trượt đàn hồi giữa bánh đai và đai

• Tuổi thọ đai thấp

• Kích thước bộ truyền lớn

• Tải trọng tác dụng lên trục lớn do phải căng đai ban đầu

Đối với dây đai răng lực truyền không qua ma sát mà qua dạng các răng của đai (kết nối dạng khớp) Dây đai răng kết hợp những ưu điểm của dây đai dẹt và dây đai hình thang với sự không có độ trượt của dây xích

Các loại: Dây đai đồng bộ (răng) được sản xuất như răng đơn, răng đôi và với nhiều hình dạng răng khác nhau

Đặc tính nổi bật: Đặc điểm của dây đai đồng bộ (răng) là sức căng ban đầu thấp

và do đó chịu tải ít Ứng dụng: Bộ truyền động bước dẫn tiến trong máy công cụ, máy sao chép ,máy in, máy bán hàng tự động bằng tiền xu, truyền động trục cam

Hình 4.2 :Dây đai răng 4.3 Tính toán lựa chọn phần điện

4.3.1 Lựa chọn driver điều khiển

Hiện nay có rất nhiều driver điều khiển cho động cơ bước như: DRV8825, TMC2208, TB6560, A4988, A3967 Các driver này đa dạng về hình dạng mẫu mã cũng như các ứng dụng của chúng

Qua tìm hiểu về những thông tin kĩ thuật của từng loại mạch điều khiển động

cơ bước cũng như giá thành của chúng em quyết định sử dụng DRV8825 cho đồ

án thư viên tự động này do module đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu về kĩ thuật, giá thành thì rẻ hơn so với các module khác

- Thông số kĩ thuật của DRV8825:

• Điện áp cung cấp: 8.2~45VDC

• Dòng trung bình (RMS): 1.5A , dòng đỉnh ( Peak) lên đến 2.5A

• 6 độ phân giải bước khác nhau: full, half step, 1/4 step, 1/8 step, 1/16 step, 1/32 step

• Điện áp điều khiển: 3.3V và 5V

• Tự động shutdown khi quá nhiệt, quá dòng

• Bảo vệ ngắn mạch và bảo vệ quá tải

• Mạch 4 lớp,2 lớp phủ đồng giúp cải thiện khả năng tản nhiệt

• Có thể thay thế tốt cho Driver A4988 trong máy in 3D

Mạch điều khiển động cơ bước DRV8825 với đầy đủ các tính năng của môt driver chuyên nghiệp: điều chỉnh dòng giới hạn, vi bước (1/32 bước) ,bảo vệ quá dòng, quá nhiệt,v.v…

Hoạt động ở dải điện áp cao từ 8.2V đến 45V và có thể đạt được xấp xỉ 1,8A trên mỗi pha mà không cần tản nhiệt

Hình 4.3: DRV8825

4.3.2 Lựa chọn bộ điều khiển

4.3.2.1 Bộ điều khiển logic khả trình(PLC)

PLC là viết tắt của cụm Programmable Logic Controller, được gọi là

bộ điều khiển logic khả trình Đây là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình

Ban đầu nó được phát triển để thay thế các relay, trình tự và bộ định thời được sử dụng trong quá trình sản xuất của ngành công nghiệp tự động hóa Nhưng hiện tại nó đã được mở rộng quy mô và được sử dụng trong tất

cả các loại quy trình sản xuất bao gồm cả dây chuyền robot Hiện nay không

có nhà máy nào không có máy móc hoặc thiết bị chạy trên PLC Lý do chính

mà nó được sử dụng rộng rãi có thể bắt nguồn từ độ chắc chắn và khả năng chịu được xử lý và môi trường liên quan đến sản xuất

Hình 4.4: Các bộ PLC

- Kiến trúc:

Nói chung, PLC có thể được coi là một bộ vi điều khiển cấp cao Về cơ bản, nó được tạo thành từ một module bộ xử lý, nguồn điện và các module I / O Module bộ xử lý bao gồm bộ

xử lý trung tâm (CPU) và bộ nhớ Ngoài ra đối với bộ vi xử lý, CPU cũng chứa ít nhất một giao diện có thể được lập trình (USB, Ethernet hoặc RS232) cùng với các mạng giao tiếp

Tùy thuộc vào số lượng module I / Os mà PLC sở hữu, chúng

có thể nằm trong cùng một vỏ với PLC hoặc trong một vỏ riêng biệt Một số PLC nhỏ được gọi là PLC nano hay micro thường có tất cả các bộ phận của chúng bao gồm nguồn, bộ xử

lý, cùng một vỏ

- Giao diện:

PLC được thiết kế tiêu chuẩn để giao tiếp với các cảm biến, bộ truyền động và module giao tiếp cấp công nghiệp và do đó