Luân Văn Tốt Nghiệp THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY BẮN BANH TENNIS

Thiết kế và chế tạo máy bắn tenis, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY BẮN BANH TENNIS, tennis THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY BẮN BANH MÁY BẮN BANH TENNIS TENNIS GVHD : TS.Từ Diệp Công Thành SVTH : Nguyễn Tấn Lộc Tôn Gia Phú Chương 1 : TỔNG QUAN Lịch sử ra đời của bộ môn Tennis : • Người ta đã chứng minh được rằng có một môn chơi hao hao giống Tennis đã tồn tại 500 năm trước công nguyên. • Năm 1870 lần đầu tiên luật chơi của môn Tennis được ra đời, với vài thay đổi nhỏ thì luật này vẫn còn hiệu lực cho tới ngày nay. Một số máy tập Tennis điển hình : Nhiệm vụ chính là phát banh ra cho vận động viên tập luyện. • Máy bắn banh ra ở các góc độ, mạnh và nhẹ khác nhau. Điều này giúp người huấn luyện viên có thể dễ dàng phát hiện ra những chỗ sai của người tập. • Đối với các loại máy hiện đại, nó có thể tạo ra các đường banh khó giúp cho trình độ của người tập càng được nâng cao hơn Nhiệm vụ của máy bắn banh Tennis : Chương 2 : NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP • Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình cơ khí. • Thiết kế chế tạo mạch công suất, mạch điều khiển và mạch giao tiếp cho máy. • Nghiên cứu giải thuật và viết chương trình điều khiển cho máy, điều khiển không dây từ xa. • Thử nghiệm, kiểm tra mức độ an toàn và hiệu quả sử dụng. Nhiệm vụ : • Cơ cấu bắn banh ổn định, giảm rung và tiếng ồn trong lúc vận hành. • Nòng bắn banh phải linh hoạt, có thể tạo các cú giao bóng từ mọi vị trí với vận tốc và độ xoáy cũng như góc xoáy khác nhau. • Cơ cấu cấp banh đơn giản, gọn nhẹ, tránh kẹt banh. Tốc độ cấp banh đa dạng tùy thuộc vào trình độ người chơi. • Bộ điều khiển linh hoạt, có khả năng mở rộng, đáp ứng nhanh. • Cách sử dụng đơn giản. Máy tập phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau : Chương 3 : THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÁY BẮN BANH TENNIS 1. Phương pháp bắn banh : dùng phương pháp cán ép banh 2. Cơ cấu thay đổi hướng bắn : Sử dụng dạng ống lồng 3 bậc tự do 3. Thiết kế hệ thống cơ : a. Bộ phận bắn banh : Bánh đai Hộp bắn banh b. Cơ cấu quay quanh trục x : Ống quay trục x c. Cơ cấu quay quanh trục z : d. Cơ cấu nâng hạ theo phương z : e. Cơ cấu cấp banh : f. Thiết kế thân máy : 4. Chọn động cơ điện : a. Động cơ bắn banh : Từ kết quả tính toán Pđc > 52W nên chọn 2 động cơ bắn có thông số như sau: • Động cơ DC Servo • Điện áp : 48V • Công suất : 110W • Số vòng quay : 3 500 vp • Đường kính trục : 7mm b. Động cơ thay đổi hướng bắn banh và động cơ thay đổi trục xoáy của banh : Chọn động cơ như sau • Động cơ DC • Điệp áp : 24V • Công suất : 21W • Số vòng quay : 20vph • Đường kính trục : 6mm c. Động cơ nâng hạ : • Động cơ DC Servo • Điện áp : 24 V • Công suất : 60W • Số vòng quay 3 000 vph • Đường kính trục : 6mm • Động cơ DC • Điện áp : 24 V • Công suất : 10W • Số vòng quay 20 vph d. Động cơ cấp banh : Mô hình thiết kế tổng thể máy bắn banh Tennis : Video lắp ráp CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN  Yêu cầu của hệ thống điều khiển  Sơ đồ khối hệ thống điều khiển  Các thành phần trong hệ thống điều khiển YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN  Tốc độ điều khiển nhanh, đáp ứng tức thời các mệnh lệnh từ người sử dụng  Tiết kiệm năng lượng, có thể hoạt động với thời gian lâu.  Tốc độ bắn thay đổi được, phù hợp với trình độ của nhiều người tập khác nhau.  Có khả năng mở rộng và phát triển thêm sau này. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MODULE MASTER MODULE MASTER  Bộ điều khiển trung tâm  Gửi các tín hiệu điều khiển đến Slave qua bus I2C.  Quản lý motor cấp banh để thay đổi thời gian giữa 2 lần phát bóng.  Giao tiếp với người dùng qua LCD, KEYPAD và REMOTE  Giao tiếp với PC  Đọc ghi EEPROM

-o0o -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY BẮN BANH TENNIS

GVHD : TS Từ Diệp Công Thành SVTH : Nguyễn Tấn Lộc

MSSV : 20301558 SVTH : Tôn Gia Phú MSSV : 20302073

Tp.HCM, tháng 1/2008

Lời đầu tiên, chúng em xin cảm ơn tất cả quý Thầy/Cô trong Khoa Cơ Khí cũng như quý Thầy/Cô ở Trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã trang bị những kiến thức quý báu cũng như đã giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy Từ Diệp Công Thành, người đã tận tình chỉ dạy cho chúng em phương pháp nghiên cứu khoa học, thầy cũng đã cung cấp cho chúng em rất nhiều kiến thức chuyên sâu để thực hiện đề tài

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến qúy Thầy/Cô đã dành thời gian quý báu

để nhận xét và chấm Luận văn tốt nghiệp Đây sẽ là nhưng đóng góp rất quý giá cho chúng

em trên để hoàn thiện sản phẩm ngày một tốt hơn, một sản phẩm mang thương hiệu Viêt

Bên cạnh đó, sự hợp tác và giúp đỡ của bạn bè và các thế hệ đàn anh cũng giúp chúng tôi rất nhiều trong việc thực hiện đề tài này Xin được cảm ơn anh Ngô Minh An, Khoa Điện – Điện Tử, người đã giúp đỡ chúng tôi rất nhiều trong giai đoạn đầu thiết kế, bạn Chu Ngọc Hân, bạn Nguyễn Thu Trang, bạn Lê Hoàng Nga, những ý kiến đóng góp của các bạn đã giúp ích rất nhiều cho chúng tôi hoàn thiện đề tài Chúng tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn cùng học lớp Cơ Điện Tử – Khóa 2003, đặc biệt là bạn Trịnh Quốc Tuấn, những kiến thức vững chắc về cơ khí của bạn đã giúp đỡ chúng tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài!

Sau cùng, nhưng không thể thiếu được, là sự hỗ trợ của gia đình, chúng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ba Mẹ, những người đã luôn luôn động viên, ở bên chúng con trong trong những lúc khó khăn nhất

Đề tài này tập trung nghiên cứu vấn đề thiết kế, chế tạo máy tập đánh banh tennis đa năng, đáp ứng được nhu cầu sử dụng của người mới tập chơi lẫn các vận động viên chuyên nghiệp trình độ cao mang thương hiệu Việt Với yêu cầu đó các vấn đề sau đây được triển khai nghiên cứu, khảo sát thực tế: các phương pháp bắn banh tennis, cơ cấu thay đổi hướng bắn (thay đổi điểm rơi của banh), cơ cấu cấp banh cho cơ cấu bắn, các loại cảm biến và hệ thống điều khiển cho máy

Những vấn đề nghiên cứu trên được hiện thực hóa bằng mô hình máy bắn banh tennis Favi sử dụng hai bánh đai bắn banh có khả năng tạo được các cú giao bóng với độ xoáy khác nhau, nòng bắn có 3 bậc tự do có thể chuyển động linh hoạt trong không gian có khả năng tạo được các cú giao bóng đa dạng có trong thực tế, bảng điều khiển với màn hình LCD cung cấp một giao diện thân thiện dễ sử dụng đảm bảo các yêu cầu thẩm mỹ Mạch điều khiển từ xa bằng sóng vô tuyến cũng được cung cấp để tạo thêm sự tiện lợi cho người sử dụng Ngoài ra, Favi còn có khả năng giao tiếp với máy tính thông qua chương trình Favi Main, cung cấp các khả năng cân chỉnh, cấu hình lại chế độ hoạt động, giúp cho việc bảo trì, sửa chữa khi có sự

cố cũng như tinh chỉnh trước khi đến với người sử dụng được dễ dàng và nhanh chóng Sau khi chế tạo xong mô hình, máy bắn banh tennis có thể bắn banh qua sân đối phương theo những điểm rơi xác định trong giới hạn chính xác cho phép với những đường banh thấp, bổng, xoáy tạo tính ngẫu nhiên cho người chơi

DANH SÁCH HÌNH VẼ vi

DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Lịch sử phát triển của bộ môn Tennis 1

1.3 Nhiệm vụ của máy bắn banh Tennis 8

Chương 2 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 10

2.1 Mục đích và yêu cầu 10

2.1.1 Mục đích 10

2.1.2 Yêu cầu 10

2.2 Phương pháp nghiên cứu và cách tiếp cận đề tài 10

Chương 3 THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÁY BẮN BANH TENNIS 12

3.1 Lựa chọn phương pháp bắn banh 12

3.2 Chọn cơ cấu thay đổi hướng bắn 14

3.2.1 Dùng cơ cấu lắc 14

3.2.2 Dùng dạng ống lồng 15

3.2.3 Dùng ống lệch 16

3.3 Thiết kế hệ thống cơ 17

3.3.1 Bộ phận bắn banh 18

3.3.1.1 Điều kiện để banh có thể bị ép và bắn qua hai bánh đai 18

3.3.1.2 Tốc độ bắn 20

3.3.1.3 Chế tạo bánh đai 20

3.3.2 Cơ cấu quay quanh trục x 25

3.3.3 Cơ cấu quay quanh trục z 27

3.3.4 Cơ cấu nâng hạ theo phương z 27

3.3.5 Cơ cấu cấp banh 28

3.3.6 Thiết kế thân máy 28

3.4 Lựa chọn động cơ điện 29

Chương 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 33

4.1 Yêu cầu của hệ thống điều khiển 33

4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 33

4.3 Module Master 35

4.4 Module Slave 37

4.5 Module điều khiển từ xa 40

4.6 Module hiển thị LCD và giao tiếp với người sử dụng 40

4.7 Khối nguồn 42

4.8 Khối giao tiếp với máy tính 42

4.9 Cảm biến ví trí 43

4.10 Một số vi mạch được sử dụng trong luận văn 43

4.10.1 Vi điều khiển PIC 18F4550 và 18F4431 43

4.10.2 IC cầu H LMD18200 44

5.2.3.1 Lưu đồ giải thuật PID trong các module Slave 50

5.2.3.2 Tìm các giá trị PID thích hợp điều khiển vận tốc 53

5.3 Cấu trúc dữ liệu lưu trữ trên EEPROM 53

5.4 Giải thuật đọc keypad 55

5.5 Giải thuật hiển thị Menu trên LCD 56

Chương 6 CHƯƠNG TRÌNH HỖ TRỢ FAVI MAIN TRÊN MÁY TÍNH 59

6.1 Giới thiệu 59

6.2 Các chức năng chính hỗ trợ máy tập FAVI 60

6.2.1 Công cụ tìm bộ số PID 60

6.2.2 Các chức năng khác 60

6.3 Các tiện ích phụ kèm theo 60

6.3.1 Thay đổi giao diện người sử dụng 60

Chương 7 KẾT LUẬN 63

7.1 Đánh giá về mô hình cơ khí 63

7.2 Đánh giá về mạch điện và lập trình 68

7.3 Hướng phát triển 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC A BẢN VẼ CÁC CHI TIẾT CƠ KHÍ

PHỤ LỤC B – MODULE MOTION FEEDBACK TRONG PIC18F4431

PHỤ LỤC C SƠ LƯỢC VỀ CHUẨN GIAO TIẾP I2C

Hình 1.3: Máy bắn banh Lobster sử dụng lò xo nén loại 1

Hình 1.4: Máy bắn banh Lobster sử dụng lò xo nén loại 2

Hình 1.5: Một máy bắn banh Tennis đơn giản sử dụng nguyên lý giống như ná thun Hình 1.6: Dụng cụ để chứa banh và nhặt banh

Hình 1.7: Máy nhặt banh Tennis

Hình 1.8: Máy tập đánh banh Tennis dạng dùng bánh đai bắn, có thể xoay nòng

Hình 1.9: Máy tập đánh banh Tennis có thể thay đổi hướng theo 3 bậc tự do

Hình 1.10: Rô-Bốt đáng banh Tennis có hình dạng giống như người

Hình 1.11: Máy bắn banh dùng lực ép

Hình 1.12: Máy bắn banh SILENT PARTNER

Hình 1.13: Máy bắn banh PLAYMATE

Hình 3.1: Banh Tennis

Hình 3.2: Máy bắn banh sử dụng cơ cấu lắc

Hình 3.3: Máy bắn banh sử dụng ống lồng

Hình 3.4: Máy bắn banh sử dụng ống lệch

Hình 3.5: Mô hình máy bắn banh Tennis

Hình 3.6: Phân tích lực tác dụng lên banh

Hình 3.16: Cơ cấu cấp banh

Hình 3.17: Thân máy

Hình 3.18: Động cơ DC Servo 110W

Hình 3.19:Động cơ DC

Hình 3.20: Động cơ DC Servo 60W

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện MASTER

Hình 4.3 Sơ đồ mạch in lớp top mạch điện MASTER Hình 4.4 Sơ đồ mạch in lớp bottom mạch điện MASTER Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất động cơ cấp banh Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điện SLAVE

Hình 4.7 Sơ đồ mạch in lớp top mạch điện SLAVE

Hình 4.8 Sơ đồ mạch in lớp bottom mạch điện SLAVE Hình 4.9 Module REMOTE

Hình 4.10 Bảng điều khiển

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý mạch Control Panel

Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

Hình 4.13 Sơ đồ nguyên mạch giao tiếp máy tính

Hình 4.14 Sơ đồ khối LMD18200

Hình 4.15 Sơ đồ chân LMD18200

Hình 4.16 Sơ đồ chân EEPROM AT24C64

Hình 5.5 Rời rạc hóa PID

Hình 5.6 Lưu đồ giải thuật chính module Slave

Hình 5.7 Lưu đồ giải thuật hàm phục vụ ngắt SSP

Hình 5.8 Lưu đồ giải thuật hàm ProcessComand

Hình 5.9 Lưu đồ giải thuật PID dùng trong module Slave Hình 5.10 Sơ đồ nguyên lý mạch Keypad

Hình 5.11 Giải thuật đọc Keypad

Hình 5.12 Lưu đồ giải thuật hiện thị menu trên LCD Hình 5.13 Lưu đồ giải thuật xử lý phím nhấn

Hình 6.1 Giao diện chương trình Favi Main

Hình 6.2 Các chức năng chính trong Favi Main

Hình 6.3 Thay đổi giao diện Favi Main - Bước 1

Hình 6.4 Thay đổi giao diện Favi Main - Bước 2

Hình 6.5 Giao diện khác của Favi Main

Bảng 5.1: Tổng hợp ảnh hưởng 3 hệ số lên đáp ứng hệ thống sử dụng giải thuật PID

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, với sự phát triển cao của xã hội theo xu thế toàn cầu hoá, các sản phẩm làm ra phải thể hiện tính cạnh tranh về độ an toàn, sự tiện dụng, độ tin cậy cao và quan trọng là giá thành hạ … Cơ điện tử chính là hướng giải quyết tối ưu để tạo ra các sản phẩm đáp ứng được các yêu cầu trên

Nghiên cứu, chế tạo máy phục vụ nhu cầu con người luôn là hướng đi đầu trong Cơ điện

tử Ở hướng đi này, hiện tại trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc và có tiềm năng phát triển vô cùng to lớn Trong đó, việc tạo ra những máy phục vụ luyện tập, giải trí thể thao luôn

là một trong những lĩnh vực thu hút đầu tư nghiên cứu bởi tiềm năng cũng như lợi ích to lớn

mà nó đem lại Máy bắn banh Tennis cũng là một trong những sản phẩm đáp ứng được nhu cầu, thị hiếu của người chơi thể thao

1.2 Lịch sử phát triển của bộ môn Tennis

Môn thể thao Quần Vợt có từ khi nào? Trong một viện bảo tàng của Hy Lạp có một bức tranh treo từơng đã cho thấy rằng là có một môn chơi hao hao giống Tennis đã tồn tại 500 năm trước công nguyên Và tới thế kỷ XV ở nước Pháp từ cái gọi là : “môn chơi bóng bằng lòng bàn tay” đã xuất hiện môn quần vợt hoàng gia và nó được người ta chơi trên các hành lang của tu viện Phải tới những năm cầm quyền của nhà vua Victoria thì môn quần vợt hay là môn Tennis đương thời mới xuất hiện Vào năm 1870 lần đầu tiên luật chơi của môn Tennis được ra đời và với vài sự thay đổi nhỏ thì luật này vẫn còn có hiệu lực cho tới ngày nay Hiện nay, trên thế giới, Nhật Bản là nước chế tạo và sử dụng robot công nghiệp hàng đầu trên thế giới Nhưng trong lĩnh vực chế tạo máy phục vụ người chơi thể thao thì Mỹ đã đi trước Nhật trong việc tiếp cận nhu cầu, thị hiếu khách hàng cũng như trình độ thiết kế chế tạo máy Với môn Tennis, người ta đã cho ra đời nhiều loại máy để phục vụ cho nhu cầu luyện tập và thi đấu, từ những chiếc máy dùng cho công việc đan lưới Tennis cho tới các máy nhặt banh, và các máy bắn banh Tennis từ đơn giản cho tới phức tạp

Sau đây là một số máy tập điển hình:

Hình 1.1 M ột súng bắn banh Tennis đơn giản nhất

Hình 1.2 Hai máy b ắn banh Tennis thuộc loại đơn giản sử dụng lực ma sát để bắn

banh

Hình 1.3 Máy b ắn banh Lobster sử dụng lò xo nén loại 1

Hình 1.4 Máy b ắn banh Lobster sử dụng lò xo nén loại 2

Hình 1.5 M ột máy bắn banh Tennis đơn giản sự dụng quyên lý giống như ná thun

Hình 1.6 D ụng cụ để chứa banh và nhặt banh

Hình1.7 Máy nh ặt banh tennis

Hình 1.8 Máy t ập đánh banh tennis dạng dùng bánh đai bắn, có thể xoay nòng

Hình 1.9 Máy t ập đánh banh tennis có thể thay đổi hướng theo 3 bậc tự do

Hình1.10 Robot đánh banh tennis có hình dáng giống con người

Hình 1.11 Máy b ắn banh dùng lực ép

Hình 1.12 Máy b ắn banh SILENT PARTNER

Hình 1.13 Máy b ắng banh PLAYMATE

Ở Việt Nam hiện nay, mức sống của người dân ta càng ngày càng được cải thiện Kèm theo đó, nhu cầu thể dục thể thao cũng phát triển theo, ngày càng đa dạng Việc đáp ứng nhu cầu đó là quan trọng, cấp thiết Tennis là một môn thể thao được đông đảo quần chúng yêu thích nhưng do việc tập luyện, thi đấu môn thể thao này đòi hỏi sân bãi, dụng cụ thể thao chuyên dùng, đội ngũ trọng tài, quan sát, phục vụ… rất tốn kém nên chỉ có một số ít người chơi môn này( vận động viên chuyên nghiệp, giới công chức, người có điều kiện vật chất…)

Để phổ biến, phát triển môn thể thao này, yêu cầu phải hạ mức giá xuống phù hợp với thu nhập của người dân Việc nghiên cứu - chế tạo máy tập - đánh banh tennis là một trong những hướng đi đưa môn thể thao quí tộc này đến với đông đảo quần chúng bởi những ưu điểm sau: không cần đội ngũ trọng tài - phục vụ đông đảo, nhiều người có thể tập - chơi mọi lúc mọi nơi, chơi theo trình độ của người chơi… Vì thế nó có thể được sử dụng trong gia đình, trường học, câu lạc bộ thể thao, công ty… Đây cũng là những yêu cầu cần phải được đáp ứng trong chế tạo

1.3 Nhiệm vụ của máy bắn banh Tennis

Máy bắn banh tennis là một dụng cụ trợ giúp cho các vận động viên trong những buổi tập đơn Nhiệm vụ chính của máy là phát bóng ra cho vận động viên tập Hoạt động của nó dựa

trên nguyên tắc động lực, thuỷ lực hoặc khí nén kết hợp với điều khiển

Loại máy này rất tiện ích cho bạn khi bạn tập một mình Máy có thể giúp bạn tập với tốc

độ nhanh hoặc không thích thì bạn tập chậm lại theo chế độ bạn cài đặt cho máy, với loại máy hiện đại, bạn chỉ cần nhấn vài nút trên dụng cụ điều khiển từ xa là nó làm theo ý bạn

Thực ra loại máy này đã được các nước Âu, Mỹ phát minh ra từ những năm 40 Ban đầu

họ cũng chế tạo nó với nhiệm vụ chính là phát banh, nó được đặt cố định trong suốt thời gian hoạt động Nhưng do nhu cầu ngày càng cao, sau này người ta chế tạo nó giống như một anh chàng robot thực thụ, nó có thể đi quanh sân để giúp bạn thu hồi bóng và dĩ nhiên khi đó nó không đồng thời phát bóng ra cho bạn được nhưng nó được coi là một phát minh mới

Khi môn tennis trở nên phổ biến hơn thì không chỉ những người thích thể thao mà cả những người đã gia nhập thể thao đang cố gắng cải tiến chất lượng trò chơi của họ Với loại máy như thế, vận động viên có thể thực hành những cú đánh riêng biệt đến khi anh ta có thể thực hiện chúng một cách thuần thục và sau đó tiến hành những cú đánh khác

Tóm lại máy bắn banh Tennis là một dụng cụ giúp đỡ cho mọi người luyện tập Nhiệm vụ của máy là bắn ra các quả banh Tennis ở các góc độ và mạnh, nhẹ khác nhau Với máy này, người huấn luyện viên có thể dễ dàng phát hiện ra những chỗ sai của người tập Ngoài ra, đối với các loại máy hiện đại còn có thể tạo ra các đường banh khó giúp cho trình độ của người tập càng được nâng cao hơn Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều loại máy bắn banh tennis được quảng cáo trên mạng với các giá khá cao Tuy nhiên hiện nay ở Việt Nam vẫn chưa có sản xuất những loại máy này

Trong những năm gần đây, những sự cải tiến và phát minh mới đã làm cho máy phát banh tennis này ngày càng trở nên đa dạng và phong phú hơn

Chương 2 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

2.1 Mục đích và yêu cầu

2.1.1 Mục đích

Khảo sát thực tế trong giai đoạn quá trình tập chơi để tìm ra những thông số liên quan đến việc tập bộ môn Tennis như: tốc độ, độ khó, độ xoáy của bóng, thời gian giữa hai lần đánh bóng khoảng di chuyển của ngươì chơi… để từ đó ta có thể thiết kế máy bắn banh Tennis cho phù hợp với người chơi

Mục đích của luận văn là tạo ra được máy tập hoàn chỉnh mang thương hiệu Việt có thể đáp ứng mọi nhu cầu của người chơi từ nghiệp dư cho đến chuyên nghiệp, hỗ trợ các giáo viên dạy tennis, các vận động viên đỉnh cao tập luyện nâng cao trình độ

2.1.2 Yêu cầu

Máy tập phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau:

• Cơ cấu bắn banh ổn định, giảm rung và tiếng ồn trong lúc vận hành

• Nòng bắn banh phải linh hoạt, có thể tạo được mọi cú giao bóng từ mọi vị trí với vận tốc và độ xoáy cũng như góc xoáy khác nhau

• Cơ cấu cấp banh đơn giản, gọn nhẹ, tránh kẹt banh Tốc độ cấp banh đa dạng tùy thuộc vào trình độ người chơi

• Lựa chọn động cơ điện cho phù hợp, đảm bảo các tiêu chí kỹ thuật và an toàn

• Bộ điều khiển linh hoạt, có khả năng mở rộng, đáp ứng nhanh

• Cách sử dụng đơn giản

2.2 Phương pháp nghiên cứu và cách tiếp cận đề tài

• Khảo sát thực tế, tìm hiểu các kỹ thuật khó trong luyện tập Tennis

• Nghiên cứu lý thuyết, lựa chọn phương án bắn banh, tạo được độ khó cơ bản và nâng cao

• Thiết kế, gia công các cơ cấu cơ khí sao cho đảm bảo banh được bắn theo các hướng với vận tốc khác nhau

• Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển dùng vi xử lý

• Thiết kế, chế tạo vỏ máy, đảm bảo tính an toàn trong sử dụng

• Lắp ráp hoàn chỉnh và kiểm tra, đánh giá

• Viết chương trình điều khiển vi xử lý

• Thử nghiệm, kiểm tra mức độ an toàn và hiệu quả sử dụng

Chương 3 THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÁY BẮN BANH TENNIS

3.1 Lựa chọn phương pháp bắn banh

Khi thiết kế cơ cho máy, điều quan trọng đầu tiên là đưa ra một phương pháp bắn banh hiệu quả – hợp lí, còn việc thay đổi điểm rơi – hướng banh – độ xoáy phụ thuộc vào phương pháp bắn banh mà ta đưa ra kết cấu phù hợp

Banh Tennis có dạng cầu, đường kính ngoài 67 mm bề mặt có lông tăng ma sát trọng lượng 50 gam, tính đàn hồi cao, có thể chịu lực nén, lực va đập lớn

Xuất phát từ đặc điểm trên của banh ta đưa ra một số phương pháp bắn banh như sau:

- Hiệu suất bắn thấp do phải tốn thời gian nén lò xo

- Banh bắn ra không có lực (giống như ném), việc tạo ra những đường banh xoáy khó khăn (phải thông qua một cơ cấu khác)

- Khi hoạt động gây ra tiếng ồn của lò xo, độ ma sát cao, kết cấu nén – nhả lò xo phức tạp

Dùng khí nén

* Ưu điểm:

- Lực bắn lớn tạo ra tầm bắn rộng, banh có lực

- Tính chính xác cao do chống chế được lưu lượng, áp suất dòng khí

- Năng suất cao do sử dụng nguồn không khí xung quanh một cách liên tục

* Nhược điểm:

- Phải sử dụng máy nén – lọc không khí nên kết cấu kồng kềnh, phức tạp, giá đắt

- Khi sử dụng gây tiếng ồn

- Việc sử dụng vận hành phải hiểu biết về khí nén , tính an toàn không cao

-Năng suất cao có thể bắn banh liên tục với lực bắn mạnh theo nhiều tầm

-Dễ chế tạo, đơn giản

-Có thể tạo ra đường banh xoáy bằng cách cho hai động cơ quay khác tốc độ -Tận dụng được tính đàn hồi cao của banh

* Nhược điểm

-Động cơ quay với tốc độ cao để bắn xa nên việc điều chỉnh tốc độ quay gặp nhiều khó khăn

-Yêu cầu chế tạo hai bánh đai chính xác, nhẹ (giảm lực ly tâm) làm giá thành chế tạo cao

Kết luận

Từ sự phân tích ưu – nhược điểm của các phương pháp bắn banh trên ta nhận thấy

phương pháp ép banh là phù hợp nhất, nó đáp ứng được những yêu cầu nêu ở trên

3.2 Chọn cơ cấu thay đổi hướng bắn

- Do phải bố trí các mâm lắc nên kết cấu lớn, nặng

3.2.3 Dùng ống lệch

Hình 3.4 Máy b ắn banh sử dụng ống lệch

* Ưu điểm:

- Kết cấu đơn giản (chỉ cần 2 bậc tự do), dễ chế tạo

- Gọn nhẹ nhưng vẫn đảm bảo chức năng thay đổi hướng banh trong môn tennis

Từ sự phân tích ưu – nhược điểm của các kết cấu trên ta nhận thấy kết cấu dạng ống

lồng 3 bậc tự do là phù hợp nhất, nó đáp ứng được những yêu cầu được nêu ở trên

3.3 Thiết kế hệ thống cơ

Hình 3.5 Mô hình máy b ắn banh Tennis

3.3.1 Bộ phận bắn banh

3.3.1.1 Điều kiện để banh có thể bị ép và bắn qua hai bánh đai

Hình 3.6 Phân tích l ực tác dụng lên banh

Khi banh tiếp xúc với hai bánh đai tại hai điểm A và A’, mỗi phía của bánh đai tác dụng lên banh hai lực : phản lực N và lực ma sát T Nếu hệ số ma sát giữa bề mặt bánh đai và banh

là f thì :

Vì f =tgβ (β là góc ma sát ), nên:

f tg

αα

αcoscos

sin

Nf T

T

N N

αsinsin

cos

Nf T

T

N N

α

αα

tg

f

N Nf

N

T x x

sincos

chỉ cần lớn hơn

2

α, tức là chỉ cần lớn hơn một nửa trị số ban đầu ép vào, cũng đủ để qúa trình

ép tiến hành Hiện tượng này gọi là ma sát thừa Khi vừa qua vị trí giữa, góc α tăng đột ngột, điều kiện ép vào mất tác dụng, dưới tác dụng của phản lực, banh được bắn ra xa

Ngoài ra banh muốn ăn vào phải theo điều kiện sau:

2

f R h D

Trong đó: Dbanh= 67mm; D: đường kính bánh đai xem như không đổi

Để nhanh chóng tạo điều kiện ép thành ta sử dụng các biện pháp sau: tăng độ hở h giữa hai bánh đai làm góc α giảm (h < 67mm) , tăng tốc độ ban đầu của banh bằng cách tăng chiều dài và đường kính của ống dẫn (nhằm tạo thế năng ban đầu cho banh và giảm ma sát dọc đường đi)

Như vậy, bằng cách tăng độ ma sát và chọn h thích hợp, ta thoả điều kiện (3.5) và (3.6) Tuy nhiên việc chọn h còn phụ thuộc vào mức độ biến dạng của banh, nó ảnh hưởng đến tầm bắn của banh

3.3.1.2 Tốc độ bắn

Xuất phát từ thực tế trong môn Tennis, tốc độ banh tối đa cần đạt được là100 Km/h (1667m/p) Để đạt được tốc độ này ta phải xác định đường kính bánh đai D bd,tốc độ v dc, công suất động cơ W dc thích hợp

Từ công thức liên hệ vận tốc:

bd dc

- Ở phía ngoài được bọc một lớp cao su dày 15mm

Hình 3.10 Kho ảng ép banh

LUẬT QUẦN VỢT (TỔNG CỤC THỂ DỤC THỂ THAO) quy định: “Bóng có sự biến dạng về phía trước lớn hơn 5.6mm và nhỏ hơn 7.4mm và biến dạng về phía sau nhiều hơn 8mm và nhỏ hơn 10.8mm, khi có lực tác động 8.165 N vào bóng” (Tài liệu [3])

Từ đặc điểm của banh như trên [Tỷ lệ: (biến dạng về phía sau) / (biến dạng về phía trước) =1.45], ta xác định được áp lực N tác động vào banh làm cho banh bật ra:

Từ tỷ lệ trên, xem banh cũng bị biến dạng theo tỷ lệ như thế khi bị ép vào giữa hai bánh đai Ta xác định được:

(biến dạng về phía trên) / (biến dạng về phía dưới) = 4,14 /2,86

N

2

8,108

14,42

4,76,5

86,2.(

165,8.2

1

=+

++

=

Theo định luật CULONG về ma sát trượt khô thì: lực ma sát T ms = fNcó chiều chống lại chuyển động tương đối Trong đó f là hệ số ma sát (hằng số) có đặc điểm:

- Phụ thuộc vào vật liệu bề mặt tiép xúc, trạng thái bề mặt tiếp xúc (trơn hay nhám)

và thời gian tiếp xúc

- Không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc, áp suất trên bề mặt tiếp xúc và vận tốc tương đối giữa hai bề mặt tiếp xúc

- Trong đa số trường hợp, hệ số ma sát tĩnh lớn hơn hệ số ma sát động, riêng đối với

cao su thì ngược lại.(Tài liệu [5])

Như vậy, khi ta phủ một lớp cao su lên trên bề mặt bánh đai thì hệ số ma sát có đặc điểm:

- Khi banh vừa tiếp xúc với bánh đai thì đó là ma sát động, khi đã bị ép vào thì đó

là ma sát tĩnh Do đó hệ số ma sát động lớn hơn hệ số ma sát tĩnh làm tăng khả năng banh được ép và bắn tại thời điểm ban đầu

- Dù vận tốc quay của hai bánh đai là rất lớn nhưng hệ số vẫn không đổi đảm bảo banh không bị trượt làm lệch hướng bắn

Hệ số ma sát giữa hai mặt tiếp xúc khác nhau được cho trong bảng 3.1:

Bảng 3.1 Hệ số ma sát giữa hai mặt tiếp xúc Trong trường hợp này, hai mặt tiếp xúc là Cao su và Vải ở dạng ma sát khô Vì thế 36

D f N Tn

P

bd

5210

.55,9

2850.2

160.6,0.6,310.55,9

.2 10.55,

Từ những tính toán trên, hộp bắn banh được thiết kế như trong hình 3.10:

Hình 3.11 H ộp bắn banh

Hộp bắn banh có tác dụng bắn banh ra nhờ vào hai động cơ quay ngược chiều nhau Tốc độ của hai động cơ được điểu khiển, nếu có sự khác nhau về tốc độ sẽ tạo ra độ xoáy cho banh

3.3.2 Cơ cấu quay quanh trục x

Cơ cấu này có tác dụng làm thay đổi trục xoáy của banh

Ống quay trục x được làm bằng nhôm, quay tròn trên ổ quay trục x nhờ bạc đạn

3.3.3 Cơ cấu quay quanh trục z

Hình 3.14 C ơ cấu quay quanh trục z

Cơ cấu này có tác dụng làm thay đổi hướng bắn banh Chi tiết được làm bằng nhôm,

đỡ trên 2 bạc đạn côn, có thể quay qua quay lại quanh trục z nhờ vào động cơ gắn trực tiếp ở phía dưới

3.3.4 Cơ cấu nâng hạ theo phương z

Hình 3.15 C ơ cấu nâng hạ theo phương z

Bao gồm 2 khớp trượt để bộ phận bắn và trượt trên 2 cây thép( Ti-ben) có Φ 16, một cây thép( Ti-ben) có Φ 12, cơ cấu Rohlix Khớp trượt được làm bằng nhôm

Nhiệm vụ của cơ cấu này là nâng bộ phận bắn đi lên, xuống theo trục z bằng cách: động cơ truyền chuyển động quay qua đai làm cho cây ThépΦ12 quay tròn, cơ cấu Rohlix sẽ biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến

3.3.5 Cơ cấu cấp banh

Cơ cấu này có tác dụng cấp banh cho bộ phận bắn Khi động cơ quay, banh ở ống chưa banh được cấp đến hộp bắn banh, tùy theo thời gian delay cho động cơ này mà banh được cấp theo như mong muốn

Ống dẫn banh được làm bằng vật liệu nhựa PVC có 75Φ Tấm cố định ống dẫn banh được làm bằng vật liệu thép C45

Hình 3.16 C ơ cấu cấp banh

3.3.6 Thiết kế thân máy

Thân máy được làm bằng thép C45, các chi tiết thép ống, thép tấm được gắn kết với nhau bằng phương pháp hàn

Ở phía sau thân được gắn 2 bánh xe định hướng( tự chọn), phía trước gắn 2 bánh xe có bánh đúc bằng nhôm và bọc vỏ cao su ở ngoài

Hai bên hông gắn 2 đế chống, có tác dụng giữ cho máy cân bằng ổn định, chống rung khi máy hoạt động

Hình 3.17 Thân máy

Các kích thước bản vẽ chi tiết được trình bày ở phụ lục A

3.4 Lựa chọn động cơ điện

Động cơ điện ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ tin cậy, tính an toàn Chọn

động cơ điện tối ưu để cho hệ thống hoạt động đạt công suất yêu cầu, tiết kiệm điện năng cũng như tăng tuổi thọ cho toàn hệ thống

• Chọn động cơ bắn banh: từ (3.9), ta chọn 2 động cơ để quay trực tiếp 2 bánh đai có các thông số kỹ thuật như sau:

Kích thước sân Tennis có dạng hình chữ nhật 23,77 x 8,23 m nên góc quay của cơ cấu

2/23,8

2/77,23

• Chọn động cơ thau đổi trục xoáy của banh:

Cơ cấu này yêu cầu tốc độ quay chậm và được đỡ trên bạc đạn nên chịu tải trọng nhỏ, vì vậy ta chọn động cơ sau: