đồ án tính toán thiết kế hệ thống cơ điện tử

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI1.1 Khái lược về lịch sử phát triển ngành cơ điện tử Cơ điện tử là thuật ngữ chỉ lĩnh vực khoa học công nghệ giao nhau giữa cơ khí với kỹ thuật điện tử, điều

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Khái lược về lịch sử phát triển ngành cơ điện tử

Cơ điện tử là thuật ngữ chỉ lĩnh vực khoa học công nghệ giao nhau giữa cơ khí với kỹ thuật điện tử, điều khiển hệ thống và công nghệ thông

Từ cơ điện tử tiếng anh là mechatronics được viết tắt của từ ghép giữa mechanics và electronics được người Nhật sử dụng đầu tiên vào năm 1975 trong việc điều khiển động

cơ điện bằng máy tính Thuật ngữ này sau đó trở nên phổ biến ở Nhật và nhanh được nhiều nước trên thế giới sử dụng

Nhìn chung cơ điện tử được coi là ngành thích hợp các đối tượng cơ bản đang tồn tại các bộ môn quan theo hình thức khác với truyền thống phát triển hơn là một ngành học

1.2 Ứng dụng của robot trong công nghiệp sản xuất tự động

Từ khi mới ra đời hệ thống phân loại sản phẩm được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức con người Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng rõ rệt Mục tiêu ứng dụng hệ thông phân loại san phẩm nhằm góp phần nâng cao năng xuất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh cũa sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn của hệ thống phân loại sản phẩm

Cánh tay robot đang làm việc trong dây chuyền sản xuất xe hơi

Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các may CNC với Robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt được mức tự động hóa cao…ở đây các máy và Robot được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình Ngoài các phân xưởng, nhà máy,

kỹ thuật Robot cũng đươc sử dụng trong việc vượt hơn khả năng của con người do đó nó

là phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng xuất lao động, giảm nhẹ cho con người trong những công việc nặng nhọc như lắp ráp oto, vận chuyển hang hóa và tránh tieps xúc các chất độc hại như trong công nghiệp hàn sơn

Hệ thống sản xuất đĩa CD của công ty Bluray

Nhà máy FORD đươc trang bị dây chuyền sơn linh hoạt tiên tiến nhất trên thế giới tất cả các cấu trúc chính của xe đều được sơn bởi các robot để dạt độ chính xác và đồng đều cao Với những thiết bị kiệm định và phương pháp quản lí chất lượng hiện đại của Nhật Bản, kích cỡ của các thiêt bị gá lắp có thể điều chỉnh để đảm bảo chất lượng tốt nhất cho các than xe được ráp

Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của Robot là chưa được linh hoạt như con người, trong dây chuyền tự động, nếu có một Robot bị hỏng cỏ thể làm ngưng cả hoạt động dây chuyền, cho nên Robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con

1.3 Giới thiệu về đề tài

Phân loại sản phẩm là công đoạn phân biệt các sản phẩm có đặc điểm khác nhau về hình dáng, kích thước, chiều cao, màu sắc,… và từ đó loại ra những sản phẩm không đạt yêu cầu để nâng cao chất lượng sản phẩm hoặc phân chia ra nhiều loại sản phẩm có đặc điểm khác nhau vào chung một chỗ trong dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp

để dễ vận chuyển và đóng gói,… trong các công đoạn sau Tuy nhiên, việc chọn phương thức phân loại cho sản phẩm lại phụ thuộc vào nhiệm vụ của hệ thống nên trước khi thiết

kế và chế tạo mô hình cần phân tích và xác định kỹ lưỡng nhiệm vụ của toàn hệ thống và từng bộ phận

1.4 Nôi dung, ý nghĩa, mục đích của đề tài

Trong thưc tế, các dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp bao gồm rất nhiều khâu, công đoạn và gồm rất nhiều thiết bị, cơ cấu khác nhau Tuy nhiên như vậy thì sẽ tốn nhiêu thời gian trong sản xuất và việc đầu tư trang thiết bị nhiều sẽ gây tốn kém và chiếm nhiều không gian trong nhà máy sản kiệm tối đa thời gian để hoàn thành sản phẩm Cho nên hệ thống phân loại sản phẩm là hết sức cần thiết Cánh tay robot sẽ làm việc với các băng chuyền và máy tính.xuất Vấn đề được đặt ra là giảm các khâu và công đoạn trong sản xuất trên một dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp và tiết

Vì vậy, đề tài: Hệ thống cấp phôi và lấy phân loại sản phẩm kim loại và phi kim là một

ví dụ về sự kết hợp việc lấy phôi và phân loại sản phẩm Đồng thời phối hợp làm việc của robot với các băng chuyền, và qua đó thiết lập được một chương trình điều khiển để thay đổi hoạt động của robot

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.

2.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG:

- Thiết kế trên lệnh paint của window:

Hình 2.1: Mô hình hóa hệ thống phân loại sản phẩm 1- Băng chuyền chính

2- Băng chuyền phụ

3- Cánh tay robot

4- Bộ phận điều khiển

5- Cảm biến từ

6- piston đẩy vật kim loại

7 - Cảm biến vật thể

8- Thùng chứa vật kim loại

9- Thùng chứa vật phi kim

- Nguyên lý làm việc:

Vật thể được chuyển trên băng chuyền chính Khi đến nơi chuyển tiếp, cảm biến xác nhận vật thể xác định được vật, làm băng chuyền ngừng hoạt động Vật thể sẽ bị piston đẩy vào khu vực cảm biến từ để xác định vật là kim loại hay phi kim Sau khi xác định xong ,nếu là kim loại cánh tay robot sẽ đưa vật tới băng chuyền phụ, nếu là phi kim thì ném vật vào thùng chứa vật phi kim

2.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC THÀNH PHẦN:

Vật thể là khối hình lập phương có kích thước cạnh a=3 cm

2.2.1 Tính toán băng chuyền:

a) kích thước: đơn vị cm

a1) Băng chuyền chính :

Hình 2.2:sơ đồ kích thước băng chuyền a2) Băng chuyền phụ:

b) Tính toán động học:

Băng chuyền hoạt động nhờ lực kéo của động cơ , qua bộ truyền đai

b1) Tính bộ truyền đai:

D1: Đường kính bánh đai dẩn (cm)

D2: Đương kính bánh đai bị dẩn (cm)

Công thức tính bộ truyền bánh đai:

i= D 2

D1=

n 1

n 2 i: hệ số truyền động đai

n1: số vòng quay động cơ (vòng/phút)

n2: Số vòng quay bánh đai bị dẩn (vòng/phút)

b2) Tính vận tốc băng chuyền:(m/s)

v=ω r 2= n 2 π

60 D 2

b2) Tính động cơ dẩn động:

- Ta chọn động cơ KGC-3448 một chiều nguồn 24v, tốc độ 48 vòng/phút, công suất 17w Momen xoắn cực đại 2.5N.m Khối lượng 250g, đường kính trục 6mm Hệ số giảm tốc 50:1

- Nguyên lý làm việc của động cơ khi cho điện áp một chiều U vào hai chuổi điện A và B, Trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư, các thanh dẩn có dong điện nằm trong từ trường nam châm vĩnh cửu sẽ chịu lực Fđt tác động làm cho roto quay Chiều lực xác đinh theo quy tắc bàn tay trái

Phương trình điện áp :

U=Eư+RưIư

Trong đó: E:sức phản kháng điện

I:dòng điện trong dây quấn phần ứng

R:điện trở của dây quấn phần ứng U:điện áp đưa vào

Phương trình sức điện đọng của động cơ điện một chiều :

F = 60 α PN n ∅

Trong đó:

P:số đôi cực từ chính

N:số thanh dẩn tác dụng của cuộn dây phần ứng

α:số đôi cực nhánh song song của cuộn dây

n:tốc độ quay (vòng/phút)

∅:từ thông kích từ dưới một cự từ(Wb)

Momen điện từ của động cơ:

Mdt = 2 π α P N I u ∅

Động cơ 1 chiều

2.2.2 TÍNH TOÁN CÁNH TAY ROBOT: a) kích thước: đơn vị cm

a1) kích thước cánh tay robot :(cm)

Hình 2.3: sơ đồ cánh tay robot

Nguyên lý hoạt động: sau khi cảm biến xác nhận vật liệu là kim loại hoặc phi kim, cảm biến gửi tín hiệu cho vi điều khiển, vi điều khiển sẽ tác động rơ le đóng động cơ kẹp vật và động cơ bước chính của cánh tay robot sẽ đưa vật thể đến nơi chứa Khi đến nơi

a2) cơ cấu kẹp:

Hình 2.4: sơ đồ cơ cấu kẹp vật

Trong đó :

1- động cơ bước kẹp 2- cơ cấu biến đổi 3- dây đàn hồi 4-tay kẹp vật 5- dây kẹp Nguyên lý làm việc: khi cơ cấu chưa hoạt động dây đàn hồi 3 giử tay kẹp ở trạng thái

mở, khi có lệnh từ vi điều khiển Động cơ kẹp xoay qua bộ biến đổi kéo dây kẹp làm khép tay kẹp kẹp giử vật Khi cánh tay đến nơi thả vật, động cơ kẹp quay ngược lại nhr vật ra

a3) bậc tự do của robot:

Là số khả năng chuyển động có thể của 1 cơ cấu (rotate / translate), để dịch chuyển một vật thể trong không gian thì cơ cấu chấp hành của robot phải đạt một số bậc tự do Nhưng để đảm bảo robot hoạt động được thì cơ hệ cua robot phải là một cơ cấu hở

Theo giáo trình robot công nghiệp – ts Phạm đăng phước ta có công thức xác định số bậc tư do của robot là:

Với: n: số khâu động

Pi: số khớp loai i

I: số bậc tự do bị hạn chế

Với các cơ cấu đươc nối vơi nhau băng khớp tịnh tiến thì số bậc tự do khâu động Với cơ cấu hở thì số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp do vậy, để định

vị, hướng khâu cơ cấu chấp hành cuối trong không gian thì robot cần 6 bâc tự do, với 3 bậc để định vị, 3 bậc để định hướng tuy nhiên khi robot thực hiện 1 số chuyển động dơn giản thì có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn

Từ công thức trên ta xác định số bậc tự do cho cánh tay robot như sau:

Cánh tay robot có n=2 khâu động

Số bậc tự do bị hạn chế của khớp quay là 5, chỉ để lại một bậc tự do quay quanh trục z

Số bậc tự do bị hạn chế của khớp quay là 5, chỉ để lại một bậc tự do tịnh tiến theo phương z

Vì vậy cả 2 khớp là khớp loại 5

Ta có: pi=2; i=5

Nên số bậc tự do của cánh tay robot là:

W=6.2-2.5=2

Do đó cánh tay robot có 2 bậc tự do

b) tính động học:

b1) bộ truyền bánh răng:

cấu tạo:- Gồm 1 bánh răng chủ động và một bánh răng bị động hoạt động trên nguyên

lý ăn khớp nhau.

- truyền động trên bánh răng được thược hiện truyền chuyển động

hay biến đổi chuyển động nhờ sự ăn khớp của răng trên bánh răng

- Tỉ số truyền bánh răng:

u¿n 1

n 2=

d 2

d 1

-hiệu suất truyền động η ;η= p 2

p 1

Trong đó: - n1,n2 là số vòng quay của hai bánh răng (vòng/ phút)

- d1,d2 là kích thước bán kính (cm)

- p1,p2 lần lược là công suất trên trục dẩn, trục bị dẩn(W)

b2) bộ truyền trục vít bánh vít:

cấu tạo: -gồm có trục vít và bánh vít, được dùng để truyền chuyển động và tải trọng giữa hai

trục chéo nhau nhờ sự ăn khớp của các ren trên trục vít với các răng trên bánh vít Trục vít là trục dẩn bánh vít là bánh bị dẩn

- tỷ số truyền, kí hiệu là u, u

¿n 1

n 2=

d 2

d 1

Trong đó: -n1:số vòng quay của trục vít,n2 là số vòng quay bánh

Vít(V/phút)

- Hiệu suất truyền động η ;η= tan γ

tan(γ+φ)

γ:góc nâng ren trục vít;φ :góc ma sát trên bề mặt tiếp xúc

b3) tính toán động cơ bước

ta chọn động cơ lưỡng cực,có 4 đầu ra, mổi cuộn được nối ra ngoài ở giữa cuộn hoạt động trên nguyên tắc đảo chiều dòng diện qua cuộn dây a,b

- Nguyên lý hoạt động: khi ta đóng dòng điện ở hai

điện cực đối nhau thì, hai điện cực đó sẽ tạo điện trường trái dấu kéo nam châm vinh cửu của roto quay

- Đổi chiều quay bằng cách lập trình:

 Nếu dịch bước từ trái sang phải thì động cơ

sẽ quay sang phải

 Nếu dich bước từ phải sang trái thì động cơ

sẽ quay sang trái

- đổi chiều bằng phần cứng

Hinh2.5: mô hình động cơ bước lưỡng cực + điều khiển tốc độ động cơ:

v= n

t .

θ

360=f

θ

360 Trong đó: v- là vận tốc động cơ bước(vòng/giây)

n-số lần dịch bước t- thời gianđộng cơ thực hiện n lần dịch bước (giây) f- tần số dich bước(Hz)

θ-góc bước của dộng cơ(độ) Điều khiển motor lưỡng cực với cầu H:

Motor bước lưỡng cực trên cuộn dây khôn có điểm giữa nên khi đảo chiều động cơ gặp khó khăn Để đảo được chiều từ trường trong cuộn dây (cũng có nghĩa là đảo chiều dòng điện)Phải dùng cấu trúc gọi là cầu h

Thông thường L1,R1 đóng ở chế độ thuận l2,R2 đóng ở chế độ nghịch

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN ĐIÊU KHIỂN

3.1 Sơ lược về vi điều khiển

Chíp 8051 phổ biến này có ROM trên chíp ở dạng bộ nhớ Flash Điều này là lý tưởng đối với những phát triển nhanh vì bộ nhớ Flash có thể được xoá trong vài giây trong tương quan so với 20 phút hoặc hơn mà 8751 yêu cầu Vì lý do này mà AT89C51 để phát triển một hệ thống dựa trên bộ vi điều khiển yêu cầu một bộ đốt ROM mà có hỗ trợ bộ nhớ Flash Tuy nhiên lại không yêu cầu bộ xoá ROM Lưu ý rằng trong bộ nhớ Flash ta phải xoá toàn bộ nội dung của ROM nhằm để lập trình lại cho nó Việc xoá bộ nhớ Flash được thực hiện bởi chính bộ đốt PROM và đây chính là lý do tại sao lại không cần đến bộ xoá Để loại trừ nhu cầu đối với một bộ đốt PROM hãng Atmel đang nghiên cứu một phiên bản của AT 89C51 có thể được lập trình qua cổng truyền thông COM của máy tính IBM PC

Số linh kiện ROM RA M Chân I/O Timer Ngắt Vcc Đóng vỏ

AT89C105

AT89C205 1

Bảng 3: Các phiên bản của 8051 từ Atmel (Flash ROM).

Chữ C trong ký hiệu AT89C51 là CMOS

Cũng có những phiên bản đóng vỏ và tốc độ khác nhau của những sản phẩm trên

đây Xem bảng 1.6 Ví dụ để ý rằng chữ “C” đứng trước số 51 trong AT 89C51 -12PC là

ký hiệu cho CMOS “12” ký hiệu cho 12 MHZ và “P” là kiểu đóng vỏ DIP và chữ “C”

cuối cùng là ký hiệu cho thương mại (ngược với chữ “M” là quân sự ) Thông thường

AT89C51 - 12PC rất lý tưởng cho các dự án của học sinh, sinh viên

Tốc độ Số chân Đóng vỏ Mục đích

Bảng 4: Các phiên bản 8051 với tốc độ khác nhau của Atmel.