Thiết kế, chế tạo phần khung và mạch điều khiển cho nhà để xe tự động kiểu vòng xoay đứng

Theo xu hướng đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công “ Mô hình nhà giữ xe ôtô thông minh” là một việc vô cùng cấp thiết, để từ đó có thể thực hiện chế tạo nhà giữ xe thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA CƠ KHÍ -

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ tên: Trần Hữu Kiệt Lớp: 51CKCD

Chuyên ngành: Công nghệ Cơ Điện Tử Mã ngành:

Tên đề tài: “Thiết kế, chế tạo phần khung và mạch điều khiển cho Nhà để xe tự động

kiểu vòng xoay đứng”

Số trang: 91 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo: 6

Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02CD, 01 mô hình

Nhận xét

Kết luận:

Cán bộ hướng dẫn

(Kí và ghi rõ h ọ tên)

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Họ tên: Trần Hữu Kiệt Lớp: 51CKCD

Chuyên ngành: Công nghệ Cơ Điện Tử Mã ngành:

Tên đề tài: “Thiết kế, chế tạo phần khung và mạch điều khiển cho Nhà để xe tự động

kiểu vòng xoay đứng”

Số trang: 91 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo: 6

Hiện vật: 02 quyển báo cáo, 02CD, 01 mô hình

Nhận xét

Kết luận:

Cán bộ phản biện

(Kí và ghi rõ h ọ tên)

Chủ tịch hội đồng

(Kí và ghi rõ h ọ tên)

Điểm phản biện

Điểm chung

Bằng số Bằng chữ

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

LỜI NÓI ĐẦU xi

CHƯƠNG 1 1

TỔNG QUAN VỀ NHÀ ĐỂ XE TỰ ĐỘNG 1

1.1.GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.1.1 Nguyên lí chung của nhà để xe tự động 2

1.1.2 Ưu, nhược điểm của nhà để xe tự động 3

1.1.2.1 Ưu điểm 3

1.1.2.2 Nhược điểm 3

1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI NHÀ ĐỂ XE TỰ ĐỘNG HIỆN NAY 4

1.2.1 Nhà để xe kiểu xoay vòng trục đứng 4

1.2.2 Nhà để xe kiểu thang nâng và bàn di chuyển 4

1.2.3 Nhà để xe dạng thang nâng di chuyển 5

1.2.4 Nhà để xe tự động dạng xếp hình 6

1.3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 7

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 7

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 7

CHƯƠNG 2 8

PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 8

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 9

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 9

2.2.1 Các phương án thiết kế 9

2.2.1.1 Phương án 1: 9

2.2.1.2 Phương án 2: 11

2.2.1.3 Phương án 3: 12

2.3.1.4 Lựa chọn 13

2.3.2 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí 13

2.3.2.1 Vật liệu chế tạo nhà để xe tự động 13

2.3.2.2 Thiết kế, chế tạo nhà để xe tự động kiểu vòng xoay đứng 17

2.3.3 Giới thiệu về bộ truyền xích 21

2.3.3.1 Cấu tạo 21

2.3.3.2 Các loại truyền động xích 22

2.3.3.3 Chọn số răng đĩa xích 24

2.3.3.4 Khử giãn xích và tạo sức căng 24

2.3.4 Hệ thống điện điều khiển 25

2.3.4.1 Phân tích, lựa chọn nguồn động lực 25

2.3.4.2 Khối nguồn cho hệ thống 36

2.3.5 Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 38

2.3.5.1 Khối điều khiển 38

2.3.5.1 Khối công suất 47

2.3.5.3 Khối cảm biến 49

2.3.6 THI CÔNG VÀ LẮP RÁP 51

2.3.6.1 Thi công mạch 51

2.3.6.2 Lắp mạch vào hộp 54

2.3.7 Sơ đồ giải thuật 55

2.3.7.1 Giải thuật điều khiển tổng thể nhà xe 55

2.3.7.2 Giải thuật điều khiển động cơ bước 56

2.3.7.3 Giải thuật khởi động và kiểm tra nhà xe 57

CHƯƠNG 3 58

THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 58

3.1 SẢN PHẨM THỰC TẾ 59

3.2 CHO CHẠY THỬ VÀ KIỂM NGHIỆM ĐỘ ỔN ĐỊNH 62

3.2.1 Kiểm tra trước khi đưa vào hoạt động 62

3.2.1.1 Kiểm tra nguồn 62

3.2.1.2 Kiểm tra mạch điều khiển 63

3.2.1.3 Kiểm tra phần cơ khí 65

3.2.1.4 Kiểm tra động cơ 66

3.2.2 Cấp dữ liệu cho vi điều khiển 67

3.2.3 Mô hình lúc hoạt động 67

3.2.3.1 Mô hình lúc reset về vị trí 0 67

3.4.3.2 Mô hình lúc chạy kiểm tra 68

3.2.3.3 Mô hình lúc gửi xe vào 68

3.2.3.4 Mô hình lúc lấy xe bất kỳ 69

3.2.3.5 Sản phẩm hoàn chỉnh 70

CHƯƠNG 4 71

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 71

4.1 KẾT LUẬN 71

4.2 ĐỀ XUẤT 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 74

DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1 Nhà để xe tự động kiểu trục xoay đứng 4

Hình 1.2 Nhà để xe tự động kiểu tầng di chuyển 5

Hình 1.3 Nhà để xe tự động kiểu thang nâng di chuyển 6

Hình 1.4 Nhà để xe tự động dạng xếp hình 7

Hình 2.1 Mô hình thiết kế 1 nhà để xe tự động kiểu vòng xoay đứng 9

Hình 2.2 Mô hình thiết kế 2 nhà để xe tự động 11

Hình 2.3 Mô hình thiết kế 3 nhà để xe tự động 12

Hình 2.4 Thép hộp 14

Hình 2.5 Thép trụ đặc 14

Hình 2.6 Que hàn 15

Hình 2.7 Các loại bulông – đai ốc 15

Hình 2.8 Kết cấu ổ bi 16

Hình 2.9 Một số loại ổ bi 16

Hình 2.10 Khung chính của nhà xe 17

Hình 2.11 Trục trên 18

Hình 2.12 Trục nhông dưới 18

Hình 2.14 Cơ cấu căng xích 20

Hình 2.15 Cơ cấu cố định động cơ 20

Hình 2.17 Kết cấu bộ truyền động xích cho nhà xe 21

Hình 2.18 Cấu tạo xích ống con lăn 23

Hình 2.19 Xích ống 23

Hình 2.20 Xích răng 24

Hình 2.21 Sơ đồ hệ thống điện điều khiển 25

Hình 2.22 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu 28

Hình 2.23 Sơ đồ cấu trúc động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2 pha 29

Hình 2.24 Cấu trúc trong động cơ lai 30

Hình 2.25 Cách quấn dây trong động cơ lai 30

Hình 2.26 Kết cấu thực tế của động cơ lai 31

Hình 2.27 Đồ thị quan hệ giữa momen – tần số bước 32

Hình 2.28 Giản đồ thời gian – điều khiển động cơ bước 34

Hình 2.29 Động cơ bước KH56KM2B 36

Hình 2.30 Nguồn máy tính 37

Hình 2.31 Nguồn nối giữa nguồn máy tính với vi điều khiển 38

Hình 2.32 Nguồn nối giữa nguồn máy tính với mạch công suất 38

Hình 2.33 Cấu trúc bộ nhớ của AVR 40

Hình 2.34 Thanh ghi 8 bit 40

Hình 2.35 Register file 41

Hình 2.36 Cấu trúc bên trong của AVR 43

Hình 2.37 Cấu trúc chân trong PORT của Vi điều khiển AVR 43

Hình 2.38 Thanh ghi DDRA 44

Hình 2.39 Thanh ghi PORTA 44

Hình 2.40 Thanh ghi PINA 44

Hình 2.41 Sơ đồ chân của ATMEGA 32 45

Hình 2.42 Hình dạng bên ngoài của ATMEGA32 46

Hình 2.43 Sơ đồ mạch vi điều khiển và các header kết nối 47

Hình 2.44 Cấu tạo và hình dáng của Diode bán dẫn 48

Hình 2.45 Linh kiện Opto 48

Hình 2.46 Linh kiện IRF540 48

Hình 2.47 Sơ đồ mạch công suất điều khiển động cơ bước 49

Hình 2.49 Mạch cảm biến 51

Hình 2.50 Sơ đồ mạch layout 52

Hình 2.51 In mạch lên bảng đồng 52

Hình 2.52 Hàn linh kiện 53

Hình 2.53 Sơ đồ mạch thực 54

Hình 2.54 Lắp mạch vào hộp 55

Hình 3.1 Hình ảnh mô hình nhà để xe tự động 60

Hình 3.2 Bu lông 61

Hình 3.3 Bộ truyền động xích 61

Hình 3.4 Hệ thống giá treo 62

Hình 3.5 Hệ thống trục chính 62

Hình 3.6 Hệ thống paste treo 63

Hình 3.7 Kiểm tra nguồn 64

Hình 3.8 Kiểm tra mạch điều khiển 65

Hình 3.9 Kiểm tra cảm biến 65

Hình 3.10 Canh chỉnh 66

Hình 3.11 Kiểm tra và vệ sinh xích 67

Hình 3.12 Kiểm tra động cơ bước 67

Hình 3.13 Nạp chương trình cho chip 68

Hình 3.14 Mô hình chuẩn bị hoạt động 69

Hình 3.15 Mô hình lúc chạy kiểm tra 69

Hình 3.16 Mô hình lúc gửi xe vào 70

Hình 3.17 Mô hình lúc lấy xe ra 70

Hình 3.18 Sản phẩm hoàn chỉnh 71

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc đổi mới đất nước, với mục tiêu chiến lược Công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, nhằm đưa nền kinh tế phát triển với tốc độ cao nhằm sánh vai cùng với các quốc gia phát triển trên thế giới, trong đó lĩnh vực tự động hóa đóng vai trò rất quan

trọng

Cơ - Điện tử là ngành khoa học tổng hợp liên ngành của cơ khí chính xác, điện tử, điều khiển và tư duy hệ thống trong thiết kế và phát triển sản phẩm Đây là ngành rất quan trọng và không thể thiếu trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại

Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ điều khiển kỹ thuật số và điều khiển bằng máy tính vào trong các lĩnh vực công nghiệp đang trở nên ngày càng phổ biến đặc biệt là việc ứng dụng các máy móc Điều này dẫn đến việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các máy điều khiển số là một điều tất yếu trong công cuộc công nghệp hóa hiện đại hóa đất nước

Theo xu hướng đó, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công “ Mô hình nhà giữ xe ôtô thông minh” là một việc vô cùng cấp thiết, để từ đó có thể thực hiện chế tạo

nhà giữ xe thông minh với một giá thành chấp nhận được trong điều kiện nền công nghiệp còn non kém như ở nước ta

Từ những cơ sở trên, em quyết định chọn “Thiết kế, chế tạo phần khung và mạch điều khiển cho Nhà để xe tự động kiểu vòng xoay đứng” làm đề tài nghiên cứu

Mặc dù chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn thiện hệ thống nhưng còn nhiều khó khăn về tài chính cũng như kiến thức nên không tránh khỏi những thiếu sót Mong nhận được sự đóng góp của Quý thầy cô Chúng em xin chân thành cảm ơn PGS TS Nguyễn

Văn Nhận, KS Nguyễn Nam và các thầy trong bộ môn Cơ điện tử đã giúp đỡ trong

suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn, và kính chúc Quý thầy cô dồi dào sức khỏe

Khánh Hoà, tháng 6 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Trần Hữu Kiệt

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ

NHÀ ĐỂ XE

TỰ ĐỘNG

1.1.GIỚI THIỆU CHUNG

Trong những năm gần đây, trên thế giới có một lượng lớn ô tô được bán ra mỗi năm Riêng hãng Toyota của Nhật Bản mỗi năm bán được 8.5 triệu xe Và một câu hỏi đặt ra là những chiếc xe đó sẽ được đỗ ở đâu? Trong khi đường phố không thể rộng thêm, thành phố mở rộng với tốc độ chậm hơn tốc độ của lượng xe bán ra Do đó, sẽ càng ngày càng nhiều xe ô tô đỗ trên đường

Một trong những giải pháp được lựa chọn nhiều trên thế giới hiện nay đó là sử dụng

hệ thống đỗ xe ô tô tự động Khu vực để xe được xây dựng với nhiều tầng hầm để xe, mỗi

vị trí để xe chỉ cần xây dựng với một không gian và điều kiện vừa đủ mà không cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn đối với con người, ngoài ra cũng không cần xây dựng nhiều đường giao thông

Một hệ thống đỗ xe tự động có thể được xây dựng trên một khu vực trống, thậm chí bên trong tòa nhà Có nhiều loại hệ thống khác nhau phù hợp với nhiều kích thước khác nhau của khu vực đỗ xe, chủ đầu tư có thể lựa chọn được phương án phù hợp nhất cho công trình của mình Chỉ cần một diện tích nhỏ cho khu vực cho xe vào ra nên có thể thiết

kế nhiều kiến trúc khác nhau phù hợp với cảnh quan của thành phố

1.1.1 Nguyên lí chung của nhà để xe tự động

Hệ thống để xe tự động sử dụng máy tính, sensor, camera và thiết bị cơ khí để lấy xe, đưa xe từ gara và khu vực xe vào đến các vị trí đỗ xe trống và ngược lại Quá trình này rất đơn giản và chỉ cần yêu cầu rất ít thao tác của người lái xe

Tùy thuộc vào cách thức vận chuyển xe giữa khu vực vào ra và vị trí để xe, có hai loại

hệ thống đỗ xe là hệ thống lưu thông dọc và hệ thống lưu thông ngang Trong cả hai trường hợp quá trình lấy xe tương tự nhau và chỉ khác nhau là tư thế di chuyển và đỗ của

xe dọc hay ngang để phù hợp với không gian khu vực để xe

Trong cả hai trường hợp, xe ô tô được lái vào khu vực vào ra của hệ thống Sau khi đã

đỗ xe đúng vị trí, người lái xe tắt máy, phanh an toàn khi đỗ xe và bước ra khỏi xe Trong quá trình đó, hệ thống sensor phân tích kích thước xe và lựa chọn được vị trí đỗ xe thích hợp Khi người lái xe đã ra phía ngoài, hệ thống cơ điện sẽ chuyển động và đưa xe đến vị

trí thích hợp

Đối với những hệ thống nhanh nhất, quá trình này sẽ cần phải mất khoảng hơn 1 phút

để đưa xe đến vị trí đỗ xe hoặc lấy xe ra Hầu hết hệ thống sử dụng bàn xoay, điều đó có nghĩa là khi lái xe ra vào, người lái xe không cần phải đi lùi

1.1.2 Ưu, nhược điểm của nhà để xe tự động

1.1.2.1 Ưu điểm

Có một ưu điểm thực sự cần thiết cho chúng ta đó là tiết kiệm được diện tích đất cho

khu vực để xe Có thể xây dựng nhiều tầng để xe chỉ với một lối vào ra duy nhất

Hệ thống đỗ xe tự động không đòi hỏi môi trường hoạt động như sinh hoạt của con người (ánh sáng, độ ẩm, thông gió…) do trong quá trình đỗ và lấy xe, chỉ có máy móc

hoạt động chứ không có sự tham gia kiểm soát của con người

Hệ thống đỗ xe tự động còn giúp cắt giảm nhiên liệu tiêu thụ do không cần phải nổ

máy trong quá trình để xe và lấy xe

Hệ thống đỗ xe tự động có thể xây dựng cả trên và dưới lòng đất, điều đó phụ thuộc

vào không gian mà các thành phố có thể cung cấp

1.1.2.2 Nhược điểm

Những nhược điểm khi sử dụng hệ thống đỗ xe tự động rất hạn chế Đó có thể là do những sự cố bất khả kháng mà các hệ thống đỗ xe thông thường cũng gặp, ví dụ như động đất

Ngoài ra, hệ thống cũng có thể gặp phải những lỗi về máy móc, sensor…, tuy nhiên, hiện nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, những lỗi này rất hiếm khi xảy ra và

cũng sẽ được khắc phục nhanh chóng

Có thể thấy rằng, đỗ xe tự động chính là tương lai của các khu vực đỗ xe Hiện nay, tại hầu hết các quốc gia trên thế giới hệ thống này vẫn còn mới, tuy nhiên nó đã được sử dụng rộng rãi tại một số quốc gia như Mỹ, Italia, Đức và các nước châu Á (Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc….)

1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI NHÀ ĐỂ XE TỰ ĐỘNG HIỆN NAY

1.2.1 Nhà để xe kiểu xoay vòng trục đứng

Hệ thống để xe tự động - dạng xoay vòng trục đứng là hệ thống mang lại hiệu quả cho

các diện tích nhỏ và trung trên mặt đất Hệ thống để xe dạng xếp hình là loại giải pháp kỹ

thuật trong đó xe được đặt trên các bàn nâng (pallet), các pallet này di chuyển xoay vòng

360o quanh trục cố định, có thể đảo chiều xoay Hệ thống được lập trình để chọn cách

thức di chuyển xe sao cho có thể lấy xe ra nhanh nhất

Những đặc điểm nổi bật của hệ thống này gồm:

- Tận dụng chỗ trống trên mặt đất để đỗ xe, có thể lắp nhiều hệ thống liên tiếp nhau

- Điểm xe vào từ dưới mặt đất

- Có thể lắp đặt độc lập hoặc lắp bên trong toà nhà cao tầng

Hình 1.1 Nhà để xe tự động kiểu trục xoay đứng

1.2.2 Nhà để xe kiểu thang nâng và bàn di chuyển

Hệ thống để xe tự động - dạng tầng di chuyển là hệ thống thiết kế theo công nghệ cao

mang tính nghệ thuật, kết hợp sự vận hành đồng bộ của thang nâng, hệ thống bàn nâng di

chuyển Hệ thống này cho phép tận dụng tối ưu diện tích với số xe đỗ tối đa, thời gian xe

ra vào nhanh chóng

Một số đặc điểm nổi bật của hệ thống này gồm:

- Tăng tối đa diện tích sử dụng, 108 xe có thể đỗ trên diện tích đất 18 xe

- Thời gian đưa xe vào/lấy xe ra có thể giảm tối thiểu nhờ sự vận hành đồng thời của các hệ thống thang nâng, bàn nâng di chuyển

- Rất thích hợp cho diện tích đểxe lớn với các kiểu lắp đặt khác nhau, ngầm dưới lòng đất

- Thiết bị điều khiển xe ra/vào hoàn toàn tự động, hoạt động theo từng phần của hệ thống, tiết kiệm năng lượng

Hình 1.2 Nhà để xe tự động kiểu tầng di chuyển

1.2.3 Nhà để xe dạng thang nâng di chuyển

Đây là loại thiết kế hữu hiệu sử dụng nguyên lý cần trục xếp dỡ, cùng lúc vận hành chiều lên xuống và chiều ngang để đưa xe vào vị trí để Thời gian lấy xe ra vào nhanh, có thể tận dụng diện tích ngầm dưới lòng đất của toà nhà Loại hệ thống này thích hợp cho

diện tích đỗ xe cỡ trung và lớn

Những đặc điểm nổi bật của hệ thống này gồm:

- Tăng tối đa diện tích sử dụng, 108 xe có thể đỗ trên diện tích đất dành cho 18 xe, nhờ sử dụng thang xếp xe nhỏ

- Thời gian đưa xe vào/lấy xe ra có thể giảm tối thiểu nhờ sự vận hành lên xuống/qua lại đồng thời của hệ thống thang xếp

- Vận hành điều khiển rất đơn giản cho mọi người

-Rất thích hợp cho diện tích đỗ xe lớn với các kiểu lắp đặt khác nhau, ngầm dưới lòng đất

- Loại thiết bị rất kinh tế so với các thiết bị khác, do thiết kế đơn giản và dễ lắp đặt

1.2.4 Nhà để xe tự động dạng xếp hình

Hệ thống đỗ xe tự động - dạng xếp hình là loại giải pháp kỹ thuật trong đó xe được đặt trên các bàn nâng chuyển (pallet), các pallet này di chuyển nâng hạ theo trục thẳng đứng

và di chuyển ngang để đưa các xe vào hoặc ra Hệ thống được lập trình để chọn cách thức

di chuyển xe sao cho có thể lấy xe ra nhanh nhất Đây là loại thiết bị rất hiệu quả cho các

diện tích nhỏ và trung trên mặt đất hoặc ngầm dưới đất, có thể lắp được tối đa 5 tầng Những đặc điểm nổi bật của hệ thống này gồm:

- Tận dụng chỗ trống trên mặt đất để đỗ xe, tuy nhiên phải chừa trống một cột để xếp hình (ngoại trừ vị trí cao nhất)

- Điểm xe vào từ dưới tầng thấp nhất

- Tùy thuộc vào mặt bằng cho phép lắp đặt tối đa tầng để tăng tối đa diện tích đỗ

xe, có thể lắp theo chiều ngang hoặc xếp theo chiều dài tùy thuộc diện tích thực tế cho phép

- Có thể sử dụng nguyên lý xếp hình để lắp hệ thống nhỏ cho các nhà biệt thự, gia đình từ 5 - 8 xe, bằng cách sử dụng thêm 1 tầng ngầm

Hình 1.4 Nhà để xe tự động dạng xếp hình

1.3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nhà để xe tự động

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, em chỉ nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình nhà để xe tự động kiểu vòng xoay đứng Mô phỏng cách gửi xe và lấy xe của một lái xe

CHƯƠNG 2

PHƯƠNG PHÁP

VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu và chế tạo mô hình nhà để xe tự động kiểu vòng xoay đứng dựa những nhà xe đã có sẵn trong thực tế và dựa vào tính toán và thiết kế, thực nghiệm

Thực nghiệm, kiểm tra và hoàn thiện mô hình nhà để xe tự động kiểu vòng xoay đứng Phần cơ khí phải hoạt động ổn định, êm, độ cứng vững cao, đảm bảo độ chính xác cao, linh hoạt trong quá trình sửa chữa lắp ráp khi hư hỏng, mạch điều khiển phải hoạt động ổn định và đồng nhất với phần cơ khí

2.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.2.1 Các phương án thiết kế

2.2.1.1 Phương án 1:

Hình 2.1 Mô hình thi ết kế 1 nhà để xe tự động kiểu vòng xoay đứng

Cấu tạo: Động cơ 1, trục chính 2, khung chính 3, giàn xe 4

Hoạt động:

Sử dụng 1 trục chính truyền động duy nhất, động cơ được nối trực tiếp không qua bộ

truyền động Xe đi vào cổng A, sau khi chủ xe đi ra hệ thống kích động cơ quay trục chính kéo xe đưa vào vị trí để xe với biên dạng quay tròn Khi động cơ hoạt động phải kéo theo khung chính nên cần động cơ có công suất lớn

Ưu điểm:

– Dễ chế tạo, lắp ghép đơn giản vì ít chi tiết chế tạo cần độ chính xác cao

– Giá thành rẻ vì nguyên vật liệu để chế tạo chủ yếu là sắt thép, dễ tìm và thay thế – Khung bằng sắt nên độ bền và cứng vững cao

Nhược điểm:

– Chiếm nhiều diện tích vì biên dạng quay tròn

– Không qua bộ truyền động dẫn đến khả năng chịu tải kém, điều khiển khó chính xác

– Tính thẩm mỹ thấp

– Khung bằng sắt nên độ cứng vững cao

– Giá thành rẻ vì nguyên vật liệu để chế tạo chủ yếu là sắt thép, dễ tìm và thay thế

– Có thể canh, chỉnh độ đồng tâm của trục và sức căng của dây đai qua cơ cấu căng đai

Ưu điểm:

– Khung máy bằng sắt nên độ cứng vững cao

– Giá thành rẻ vì nguyên vật liệu để chế tạo chủ yếu là sắt thép, dễ tìm và thay thế

– Có thể canh, chỉnh độ đồng tâm của trục và sức căng của dây xích qua cơ cấu căng xích

– Dễ dàng tháo lắp và bảo dưỡng

– Dễ điều khiển, linh động

– Tính thẩm mỹ cao

– Khả năng chịu tải cao và điều khiển chính xác nhờ sử dụng thêm bộ truyền động nhông cam

Nhược điểm:

– Truyền động bằng xích còn gây ra tiếng ồn

– Gia công lắp ghép cần độ chính xác cao

2.3.1.4 Lựa chọn

Theo ưu và nhược điểm của các phương án trên Phương án 3 là phương án được khắc phục từ nhược điểm của phương án 1 và phương án 2 Phương án 3 là phương án được lựa chọn và thiết kế trong đồ án này

2.3.2 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí

2.3.2.1 Vật liệu chế tạo nhà để xe tự động

• Thép

Khung được chế tạo bởi các thép hộp hình vuông kích thước 20x20 mm và được hàn

cố định với nhau tạo thành khung

Trục truyền động chính giữa hai nhông xích là thép trụ đặcφ12mm

Thép là vật liệu điển hình thuộc nhóm vật liệu kim loại, được sử dụng nhiều trong các công trình cầu, đường sắt và công trình xây dựng Chúng có ưu điểm là cường độ chịu lực cao, lớn nhất trong các vật liệu xây dựng, nhưng dễ bị tác dụng ăn mòn của môi trường Thép là hợp kim sắt - các bon, hàm lượng các bon < 2%

Theo hàm lượng các bon chia ra:

– Thép các bon thấp : hàm lượng các bon ≤ 0,25%

– Thép các bon trung bình : hàm lượng các bon 0,25 - 0,6%

– Thép các bon cao : hàm lượng các bon 0,6 - 2%

– Khi tăng hàm lượng các bon, tính chất của thép cũng thay đổi: Độ dẻo giảm, cường độ chịu lực và độ giòn tăng Để tăng cường các tính chất kỹ thuật của thép

có thể cho thêm những nguyên tố kim loại khác như: mangan, crôm, niken, nhôm, đồng

Theo tổng hàm lượng các nguyên tố kim loại thêm vào chia ra:

– Thép hợp kim thấp: Tổng hàm lượng nguyên tố kim loại khác ≤ 2,5%

– Thép hợp kim vừa: Tổng hàm lượng nguyên tố kim loại khác 2,5-10%

– Thép hợp kim cao: Tổng hàm lượng nguyên tố kim loại khác > 10%

Vì khung nhà xe chịu lực, tải trọng nặng nên ta chọn thép các cacbon trung bình làm vật liệu chế tạo khung cho mô hình nhà để tự động kiểu vòng xoay đứng

Yêu cầu:

Đảm bảo cơ tính của mối hàn, đảm bảo thành phần hoá học cần thiết của mối hàn,

có tính công nghệ tốt dễ gây hồ quang, hồ quang cháy ổn định, nóng chảy đều, có khả năng hàn ở tất cả các vị trí trong không gian, mối hàn không có rổ, không nứt, xỉ nổi đều

và dễ bong ra, không bắn toé nhiều Hệ số đắp cao.Không sinh khí độc hại ảnh hưởng đến sức khoẻ của công nhân Dễ dàng chế tạo và giá thành rẻ

Tác dụng của lớp thuốc bọc que hàn: kích thích hồ quang và làm cho hồ quang cháy ổn định, tạo khí và tạo xỷ để bảo vệ mối hàn Lớp xỷ có tác dụng làm cho muối hàn nguội chậm tránh hiện tượng tôi của mối hàn, khử oxy hoàn nguyên kim loại, tăng cơ tính

và một số tính chất đặc biệt của mối hàn

Hình 2.6 Que hàn

• Bulông – Đai ốc

Hình 2.7 Các lo ại bulông – đai ốc

Ưu điểm:

– Dễ tháo lắp, không làm hỏng các chi tiết lắp ghép

– Thuận tiện cho quá trình thay thế, sửa chữa nhanh chống, ít tốn thời gian

– Có thể lắp ghép được nhiều chi tiết với nhau

Nhược điểm:

– Lắp ghép nặng nề, nhất trong trường hợp dùng nhiều bulông

• Ổ bi

Dùng để đỡ các trục quay, nhận tải trọng từ trục truyền đến giá đỡ Ổ lăn được tiêu chuẩn hóa rất cao Dạng ma sát trong ổ lăn là ma sát lăn

Ưu điểm

– Hệ số ma sát nhỏ (0.0012 ÷ 0.0035) đối với ổ bi

– Ít sinh nhiệt trong quá trình làm việc

– Mức tiêu chuẩn hóa và tính lắp lẫn cao, do đó thay thế thuận tiện

– Hiệu suất làm việc cao

2.3.2.2 Thiết kế, chế tạo nhà để xe tự động kiểu vòng xoay đứng

a Khung chính của nhà để xe tự động

Mô hình nhà để xe tự động kiểu vòng xoay đứng mô phỏng sử dụng xe đồ chơi nên lực tác dụng lên khung không đáng kể Phần khung chính được làm bằng thép hộp 20x20x3000 (mm) với số lượng 2 thanh Mô hình dùng để số xe tối đa là 8 chiếc với chiều cao 80x190x70 (mm) nên từ thực nghiệm tính toán ra được chiều cao khung chính nhà xe là 140x359.7x775mm Các khung thép được hàn với nhau bằng que hàn để tăng độ cứng vững Phần đế được khoan lỗ để lắp ghép ren với mặt sàn bằng gỗ đảm bảo độ chính xác và dễ vận chuyển

b Trục trên:

Hình 2.11 Tr ục trên

Trục trên bao gồm 2 chiếc, được tiện bậc từ thép tròn với phần đường kính trục lớn nhất Φ 20 (mm) Hai đầu Φ 10 được tiện với bước ren là 1.5 (mm) để lắp đĩa xích vào trục và hệ thống trục- đĩa xích vào khung chính

c Trục dưới:

Hình 2.12 Tr ục nhông dưới

Gồm một trục duy nhất được tiện bậc từ thanh sắt tròn trơn Φ10x500 (mm) thành trục chiều dài thực nghiệm là 410.5 (mm) Bốn ổ bi được gắn vào trục để dẫn động lực từ trục chính tới 2 trục phụ phía trên thông qua các nồi bi được hàn vào 2 khung chính Hai đầu trục được tiện với bước ren 1.5 (mm) để cố định trục với 2 khung chính

d Cơ cấu truyền động xích từ động cơ với trục chính

Trên khung chính có lắp một tấm đế để giữ động cơ bước Hai đĩa xích từ trục động cơ và đĩa xích truyền động trục chính được đặt trùng nhau Khi động cơ quay thì kéo theo trục chính quay thông qua bộ truyền động nhông-cam

e Cơ cấu căng xích

Hình 2.14 C ơ cấu căng xích

Căng xích là cách nới rộng khoảng cách của hai đĩa xích Vì đĩa xích ở trục chính

cố định nên ta căn chỉnh khoảng cách ở 2 trục phụ Nới lỏng bu-lông rồi điều chỉnh khoảng cách trên rãnh sau đó siết chặt bu-lông lại

f Cơ cấu cố định động cơ

Được chế tạo từ thép tấm với độ dày 3 (mm) Trên tấm thép phay các lỗ để căng chỉnh xích của bộ truyền động nhông cam Tấm thép được gắn vào khung qua các mối ghép ren

g Cơ cấu sàn để xe

Hình 2.16 Sàn để xe

Một cơ cấu sàn để xe bao gồm một truc , hai khung đỡ và một sàn xe Trục được chế tạo từ thanh sắt tròn trơn Φ8 (mm) Hai khung đỡ được hàn vào trục, sàn xe được gắn vào khung qua mối ghép ren

2.3.3 Giới thiệu về bộ truyền xích

Xích là một chuỗi các mắt xích nối với nhau bằng bản lề Xích truyền chuyển động

và tải trọng từ trục dẫn sang trục bị dẫn nhờ sự ăn khớp của các mắt xích với các răng trên đĩa xích (ăn khớp gián tiếp)

Ưu điểm:

– Có thể truyền động giữa hai trục song song cách nhau tương đối xa

– Khuôn khổ kích thước nhỏ gọn hơn truyền động đai cùng công suất

– Không có hiện tượng trượt, tỷ số truyền trung bình ổn định

– Hiệu suất cao nếu được chăm sóc tốt và sử dụng hết khả năng tải

– Vận tốc tức thời của xích và đĩa bị dẫn không ổn định nhất là khi số răng của đĩa xích nhỏ

– Cần bôi trơn và điều chỉnh sức căng xích

b Xích ống:

Hình 2.19 Xích ống

c Xích răng:

Hình 2.20 Xích r ăng

Vì tải trọng không quá lớn và vận tốc nhỏ

nên ta chọ xích ống con lăn Với ưu điểm là độ

bên mòn và chính xác cao hơn xích ống, được

dùng rất rộng rãi trong kỹ thuật

2.3.3.3 Chọn số răng đĩa xích

Tỉ số truyền của bộ truyền xích:

2

7 34

119

1

2 2

1 = = =

=

Z

Z n

n i

Trong đó:

- n1 = 119 v / p : số vòng quay của đĩa xích nhỏ (số vòng quay của động cơ)

- n2 = 45v / p : số vòng quay của đĩa xích lớn

Chọn số răng đĩa xích dẫn (đĩa xích nhỏ) : Z1 =12

2

7.12 1

Z

2.3.3.4 Khử giãn xích và tạo sức căng

Do bản lề xích bị mòn nên khi độ võng xích tăng lên sẽ gây nên hiện tượng xích bị

trùng Khi xích bị mòn thì chiều dài xích tăng lên, do đó ta phải căng xích bằng cách điều chỉnh khoảng cách trục Phạm vi điều chỉnh khoảng hai bước xích

Hiệu suất bộ truyền xích phụ thuộc vào mất mát do ma sát trong bản lề xích, ma sát giữa răng đĩa xích và mắt xích Thông thường hiệu suất nằm trong khoảng 0.92-0.98%

2.3.4 Hệ thống điện điều khiển

Hình 2.21 S ơ đồ hệ thống điện điều khiển

2.3.4.1 Phân tích, lựa chọn nguồn động lực

Nguồn động lực được lựa chọn là động cơ bước

a Khái niệm, đặc điểm và phân loại

Động cơ bước (stepping motor) là một thiết bị cơ – điện dùng để biến đổi xung điện một chiều thành chuyển động quay cơ học rời rạc Góc quay và tốc độ quay tương ứng với số xung và tần số xung điện cấp cho động cơ Mỗi một vòng quay của trục động cơ được thiết lập bởi một số lượng hữu hạn các góc bước, là góc quay của roto mỗi khi cuộn dây stato đảo cực tính

Có nhiều loại động cơ bước với các độ phân giải góc quay (góc bước) khác nhau Những động cơ “thô” thường có góc 900, 300, 150 hoặc 5,50 Những động cơ “mịn” thường có góc bước 1.80 hoặc 0.720 Ngoài ra, bằng việc điều khiển các tính hiệu xung

điện một chiều với những tuần tự và giá trị thích hợp có thể điều khiển động cơ quay được nữa bước hoặc thậm chí là vi bước

Động cơ bước thường được sử dụng trong điều khiển vòng hở bởi những ưu điểm:

- Góc quay tương ứng với số xung tín hiệu điều khiển

- Momen động cơ ở mức danh định

- Vị trí góc quay chính xác vì không có sai số tích luỹ ở mỗi góc bước

- Dễ dàng điều khiển khởi động, dừng và đảo chiều quay

- Không có chổi than nên làm việc tin cậy

- Chi phí thấp

- Có một dải rộng về độ phân giải góc quay

Ngoài ra động cơ bước còn có một số nhược điểm cần chú ý khi sử dụng:

- Cộng hưởng sẽ xảy ra khi điều khiển không đúng cách

- Tốc độ quay không cao

b Kết cấu và nguyên lý làm việc

• Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet)

Nguyên tắc điện của động cơ bước nam châm vĩnh cửu cũng giống như động cơ đồng bộ ba pha Hình 2.22 trình bày động cơ bước có hai cặp cuộn pha Hai cặp cuộn pha được bố trí đối xứng nhau qua roto Roto của động cơ bước nam châm vĩnh cửu là nam châm vĩnh cửu Cuộn L1, L3 hình thành một cặp cuộn pha và L2, L4 là cặp cuộn pha thứ hai Để hiểu nguyên lý làm việc của động cơ bước nam châm vĩnh cửu, ta giả thiết vị trí ban đầu của động cơ như hình 2.22a

Ban đầu 4 chuyển mạch S1, S2, S3, S4 đều hở nên không có dòng qua các cuộn dây (hình 2.22a)

A C

B D

N L1

L2

L3 L4

N S

L4 L3 L2

L1 N S

S4

S3 S2

S1

L4 L3 L2

L1 N S

S4

S3 S2

S1

Đóng chuyển mạch S1 và S3 (hình 2.22b), dòng điện đi qua các cuộn dây pha L1

và L3, trường điện từ xuất hiện và roto quay đến vị trí như trong hình Nếu ta cứ giữ nguyên như vậy thì roto cũng sẽ đứng yên

Ngắt chuyển mạch S1 và S3, roto ở nguyên vị trí (hình 2.22c) Đóng chuyển mạch S2 và S4 thì dòng điện, điện trường và vị trí của roto như hình 2.22d

Cứ luân phiên đóng và ngắt các cặp chuyển mạch S1, S3 và S2, S4 thì roto sẽ quay tròn theo một hướng

Hình 2.23 mô tả cấu trúc bên trong động cơ bước nam châm vĩnh cửu đơn giản Trên stato động cơ người bố trí bốn cực và trên các cực có quấn các cuộn dây pha Roto động cơ được hình thành thừ hai chi tiết; chi tiết thứ nhất là ống nam châm vĩnh cửu và chi tiết thứ hai là trục thép có độ cách từ cao.Ống nam châm vĩnh cửu, có kết cấu phù hợp

để hình thành hai cực Nam và Bắc, được lắp chặt với trục thép cách từ

Nếu gọi số cực trên stato là Zsta thì bước gĩc động cơ Sđc được tính như sau:

) ( Z

360 S

904

360Z

360S

Dây pha

Roto Ống nam châm

vĩnh cửu

Trục thép cách từ

• Động cơ bước kiểu lai (Hybrid Stepping motor)

Động cơ bước kiểu lai cĩ đặc trưng cấu trúc của cả hai dạng động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ trở.Hình 2.24 là sơ đồ kết cấu bên trong của động cơ lai Roto và stato của động cơ lai như trong hình cũng giống như động cơ bước biến từ trở

cĩ hai đoạn trục nhưng roto của động cơ lai cĩ chứa nam châm vĩnh cửu, trục nam châm

cĩ cực tính khơng đổi và hai đoạn roto làm bằng thép non tương ứng với hai đoạn stato được ép lên trục nam châm và trục roto được đặt trên hai ổ lăn Số răng trên stato và roto của động cơ bước biến từ trở là bằng nhau nhưng đối với động cơ lai thì số răng trên roto nhiều hơn trên stato

Tỷ số giữa số răng của stato và roto thể hiện khả năng điều khiển chuyển động quay đều của động cơ ở tốc độ thấp Răng trên các đoạn roto của động cơ bước biến từ trở được

bố trí trên cùng đường sinh trụ, với động cơ lai thì các răng trên đoạn roto này trùng với các khe răng trên đoạn roto kia