Thiết kế xe cắt cỏ tự hành phần thiết kế cơ khí

Thiết kế xe cắt cỏ tự hành phần thiết kế cơ khí Thiết kế xe cắt cỏ tự hành phần thiết kế cơ khí Thiết kế xe cắt cỏ tự hành phần thiết kế cơ khí luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

THIẾT KẾ XE CẮT CỎ TỰ HÀNH ( PHẦN THIẾT KẾ CƠ KHÍ)

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN PHAN THANH

Đà Nẵng – Năm 2019

TÓM TẮT

Tên đề tài: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ XE CẮT CỎ TỰ HÀNH

Trong thuyết minh đồ án này với đề tài nhóm em là “Tính toán và thiết kế xe cắt

cỏ tự hành trên nền cỏ ở sân golf, bóng đá, công viên hay khuôn viên trường ”

Vì vậy mà trong đề tài đề cập đến nội dung đưa ra các giải pháp cắt cỏ nền ở khuôn viên trường từ đó nhóm vạch ra phương hướng nâng cao hiệu suất cắt cỏ và có thể hút cỏ thay thế hoàn toàn cho người lao động cắt cỏ thủ công bằng tay hay máy cắt cỏ mang vai Việc tính toán thiết kế chế tạo xe cắt cỏ có thể điều khiển từ xa hoặc tự động di chuyển trên nền cỏ rất hay các bộ phận quan trọng khác như bộ phận hút, bộ phận cắt cỏ, bộ phận nâng hạ lưỡi cắt nhằm đảm bảo chiều cao cắt cỏ tấc cả đều các bộ phận đó được thiết kế nhờ vào việc đánh giá điều kiện, địa hình , các loại cỏ mà nhóm

đề ra mục tiêu nhắm tới Từng bộ phận trên xe cắt cỏ được nhóm tính toán và thiết kế đảm bảo tính thực tế bên ngoài

Tất cả nội dung của đồ án nhóm chúng em bao gồm 6 chương với nội dung mỗi chương sẽ khác nhau, nhưng chúng có sự liên kết chặt chẽ và bổ sung cho nhau để tạo thành một cách tổng thể và hoàn chỉnh nhất Sau đây là phần nội dung tóm tắt của từng chương

- Chương 1: Tổng quan về thiết kế xe cắt cỏ tự hành

- Chương 2: Xây dựng phương trình động học và tính toán nguồn động lực, phân tích dạng di chuyển của xe cắt cỏ tự hành

- Chương 3: Tính toán thiết kế phần cơ khí

- Chương 4: Tính toán thiết kế phần thủy khí

- Chương 5: Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

- Chương 6: Chế tạo và kết quả thực nghiệm của xe cắt cỏ tự hành

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Nguyễn Văn Triêm 103140056 14C4A Kỹ thuật cơ khí

2 Đoàn Văn Kiệt 103140028 14C4A Kỹ thuật cơ khí

3 Nguyễn Hoài Nhơn 103140037 14C4A Kỹ thuật cơ khí

4 Phạm Ngọc Quốc 103140042 14C4A Kỹ thuật cơ khí

1 Tên đề tài đồ án:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ XE CẮT CỎ TỰ HÀNH

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Tham khảo tài liệu trên Internet

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

a Phần chung:

1 Nguyễn Văn Triêm

Chương 1: Tổng quan về thiết kế xe cắt cỏ tự hành

Chương 6: Chế tạo và kết quả thử nghiệm của xe cắt cỏ tự hành

2 Đoàn Văn Kiệt

3 Nguyễn Hoài Nhơn

4 Phạm Ngọc Quốc

b Phần riêng:

1 Phạm Ngọc Quốc Chương 2: Xây dựng phương trình động học và

tính toán động lực học, phân tích dạng di chuyển của xe cắt cỏ tự hành

2 Nguyễn Văn Triêm Chương 3: Tính toán thiết kế phần cơ khí

3 Nguyễn Hoài Nhơn Chương 4: Tính toán thiết kế phần thủy khí

4 Đoàn Văn Kiệt Chương 5: Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

a Phần chung:

1 Phạm Ngọc Quốc - Tổng thể xe cắt cỏ tự hành

- Sơ đồ bố trí tổng thể

2 Nguyễn Văn Triêm

3 Nguyễn Hoài Nhơn

4 Đoàn Văn Kiệt

- Càng nâng hạ và bệ giữ motor

- Thanh chống xoay lưỡi cắt

3 Nguyễn Hoài Nhơn - Xilanh khí nén

- Tổng thể bộ phận hút

- Sơ đồ hệ thống dẫn động thủy khí

- Sơ đồ động hệ thống dẫn động thủy khí

- Motor 895

4 Đoàn Văn Kiệt - Sơ đồ bố trí mạch điều khiển từ động

- Sơ đồ bố trí mạch điều khiển từ xa

6 Họ tên người hướng dẫn: PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 25/02/2019

8 Ngày hoàn thành đồ án: 03/06/2019

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm trở lại đây ngành công nghiệp nước ta có nhiều sự phát triển vượt bậc, máy móc đã không còn là quá xa lạ với mỗi chúng ta Để đáp ứng nhu cầu của xã hội trong thời kì hội nhập, việc đào tạo ra các bậc kỹ sư, các thợ máy có trình

độ tay nghề, có kiến thức vững chắc về chuyên môn là một nhiệm vụ quan trọng

Lời đầu tiên em xin cảm ơn đến thầy PGS.TS Trần Thanh Hải Tùng và các thầy

cô trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để em thực hiện yêu cầu của đồ án tốt nghiệp Cảm ơn sự động viên và giúp đỡ tận tình từ gia đình và bạn bè

Trong suốt khoảng thời gian làm đề tài tốt nghiệp “Tính toán thiết kế xe cắt cỏ tự hành”, chúng em đã gặt hái được rất nhiều kiến thức chuyên ngành cũng như sự kết hợp làm việc nhóm Việc tính toán, thiết kế chế tạo mô hình xe cắt cỏ tự hành trên nền

cỏ ở sân golf, khuôn viên trường, sân bóng đá mà quan trọng nhất là cơ cấu dẫn động bánh xe để di chuyển linh hoạt trên nền cỏ, cơ cấu bộ phận cắt cỏ và cơ cấu bộ phận hút cỏ sau khi cắt, Sau đó nhóm em tính toán chọn dùng nguồn động lực là động cơ điện có giảm tốc, tính toán chọn lưỡi cắt cỏ và tính toán phần thủy khí để chế tạo quạt

và ống hút cỏ , đẩy khí trong buồng kín bên ra ngoài môi trường không khí sao cho phù hợp Xác định tổn thất lưu lượng trong các đường ống hút và đẩy rồi từ đó tính được khối lượng cỏ mà bộ phận hút cỏ có thể hút cỏ vào thùng chứa rác Cuối cùng nhóm em là tiến hành xây dựng mô hình thực tế

Nhóm em đã phấn đấu và nỗ lực hết mình để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, song thời gian và kiến thức còn hạn chế nên còn nhiều thiếu sót mong quý thầy cô và bạn đọc đóng góp để đồ án này được hoàn thiện và cải tiến vươn xa hơn nửa

Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 28 tháng 05 năm 2019 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Triêm Phạm Ngọc Quốc Đoàn Văn Kiệt

CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài riêng của nhóm, đề tài không trùng lặp với bất kỳ

đề tài đồ án tốt nghiệp nào trước đây Các thông tin, số liệu được sử dụng và tính toán đều từ các tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, theo quy định

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Triêm Phạm Ngọc Quốc Đoàn Văn Kiệt Nguyễn Hoài Nhơn

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

TÓM TẮT

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ vii

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xii

MỞ ĐẦU 1

1.Mục đích chọn đề tài 1

2.Mục tiêu đề tài 1

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

3.1 Đối tượng nghiên cứu 1

3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ XE CẮT CỎ TỰ HÀNH 4

1.1 Lịch sử phát triển của máy cắt cỏ 4

1.2 Nhu cầu cắt cỏ 5

1.3 Nghiên cứu trong nước 9

1.4 Nghiên cứu ngoài nước 10

1.5 Mục đích nghiên cứu đề tài 12

1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu về đề tài 15

1.7 Phương pháp nghiên cứu 15

1.8 Giới hạn của đề tài 15

Chương 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC VÀ TÍNH TOÁN NGUỒN ĐỘNG LỰC, PHÂN TÍCH QUỸ ĐẠO DI CHUYỂN CỦA XE CẮT CỎ TỰ HÀNH 17

2.1 Xây dựng phương trình động học của xe cắt cỏ tự hành 17

2.1.1 Mô hình bánh xe của xe cắt cỏ tự hành 18

2.1.2 Phương trình động học của xe cắt cỏ tự hành 18

2.2 Tính toán nguồn động lực của xe cắt cỏ tự hành.… 21

2.2.1 Tính toán chọn động cơ truyền động cho bánh xe 21

2.2.2 Tính toán chọn xích dẫn động giữa động cơ và bánh xe 27

2.2.3 Tính toán lực quán tính ly tâm của xe cắt cỏ khi quay vòng 29

2.2.4 Xây dựng các đồ thị của xe cắt cỏ tự hành 30

2.2.4.1 Xây dựng đồ thị đặc tính cơ của động cơ 30

2.2.4.3 Xây dựng đồ thị cân bằng lực kéo của xe cắt cỏ 35

2.2.4.4 Xây dựng đồ thị nhân tố động lực học 39

2.3 Phân tích dạng di chuyển của xe cắt cỏ 41

2.3.1 Qũy đạo di chuyển đường xoắn ốc 41

2.3.2 Qũy đạo di chuyển đường qua lại vuông góc 42

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 44

3.1 Phân tích chọn dạng di chuyển 44

3.1.1 Dạng di chuyển xe tự hành hay robot bằng chân 44

3.1.2.Dạng xe tự hành hay robot di chuyển bằng bánh xích 45

3.1.3.Dạng xe tự hành hay robot di chuyển bằng bánh 46

3.2.Phân tích dạng kết cấu chung của xe cắt cỏ tự hành 47

3.2.1.Cấu trúc tổng quát của xe cắt cỏ tự hành 47

3.2.2.Sơ đồ động của xe cắt cỏ tự hành 48

3.3 Tính toán và thiết kế khung của xe cắt cỏ tự hành 49

3.3.1 Công dụng ,phân loại ,yêu cầu của khung xe cắt cỏ tự hành 49

3.3.2 Kết cấu của khung vỏ xe cắt cỏ tự hành 49

3.4Tính toán thiết kế phân bố tải trọng lên khung 50

3.4.1 Xác định sự phân bố trọng lượng xe lên các cầu 51

3.4.1.1 Khi xe không tải 52

3.4.1.2 Khi xe có tải 53

3.4.2 Kiểm tra bền 53

3.4.2.1 Giới thiệu về phần mềm RDM 53

3.4.2.2 Kiểm tra bền thân vỏ xe 54

2.4.2.3 Khung sườn chịu tải trọng 55

2.4.2.4 Kiểm tra bền dầm 59

3.3.4 Thiết kế khung xe cắt cỏ tự hành 64

3.4 Thiết kế bộ phận cắt 66

3.4.1 Phân tích chọn lưỡi cắt 66

3.5 Thiết kế máng bảo vệ lưỡi cắt và thu gom cỏ 68

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THỦY KHÍ 72

4.1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống khí nén 72

4.1.1 Giới thiệu máy nén khí: 73

4.1.1.1 Máy nén khí trục vít: 74

4.1.1.2 Máy nén khí Piston: 75

4.1.1.3 Máy nén khí ly tâm: 76

4.1.2 Giới thiệu về xy lanh khí nén: 77

4.1.2.1 Cấu tạo của bộ phận xi lanh khí nén: 78

4.1.2.2 Phân loại xi lanh khí nén: 79

4.1.2.3 Ứng dụng của xi lanh khí nén: 81

4.1.3.1 Van đóng mở bằng tay: 82

4.1.3.2 Van đóng mở tự động (bằng điện hoặc khí nén) 85

4.1.3.3 Ứng dụng của các valve 86

4.1.4 Nhiệm vụ của hệ thống khí nén trong xe cắt cỏ tự hành 86

4.1.5 Giới thiệu về hệ thống hút cỏ 87

4.2 Tính toán và thiết kế hệ thống thủy khí 87

4.2.1 Thiết kế quạt hút: 87

4.2.1.1 Ý tưởng thiết kế 87

4.2.1.2 Tính toán thiết kế quạt 91

4.2.2 Tính toán chọn nguồn động lực kéo quạt: 94

4.2.2.1 Tính toán công suất của quạt ly tâm 94

4.2.2.2 Tính chọn động cơ kéo quạt: 94

4.2.3 Thiết kế đường ống hút và thùng chứa cỏ 96

4.2.3.1 Thiết kế đường ống hút 96

4.2.3.2 Thiết kế thùng đựng cỏ 96

4.2.4 Tính tổn thất đường ống 97

4.2.4.1 Thông số của cơ cấu hút 97

4.2.4.2 Tính tổn thất đường ống 97

4.2.5 Tính toán lực hút 99

4.2.6 Tính toán chọn xi lanh nâng hạ lưỡi cắt 101

4.2.7 Tính toán chọn máy nén 103

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO XE CẮT CỎ 105

5.1 Các vi điều khiển dùng trong xe cắt cỏ 105

5.1.1 Vi điều khiển ATMEGA328-PU 105

5.1.2 Thông số kỉ thuật ATMEGA328-PU 105

5.2 ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 106

5.2.1 Truyền thông giao tiếp 106

5.2.2 Mô hình hóa hệ thống điều khiển từ xa 107

5.2.3 Yêu cầu điều khiển 107

5.2.4 Thiết kế hệ thống 108

5.2.5 Chương trình điều khiển 118

5.3 Điều khiển tự động 120

5.3.1 Đặt vấn đề 120

5.3.2 Mô hình hóa hệ thống điều khiển tự động 120

5.3.3 Yêu cầu điều khiển 121

5.3.4 Thiết kế các hệ thống 121

5.3.5 Chương trình điều khiển 123

5.4 Pin năng lượng mặt trời 125

5.5 Code 127

5.5.1 Code điều khiển từ xa 127

5.5.2 Code điều khiển tự động 131

Chương 6: CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 148

6.1.Chế tạo phần cơ khí và thủy khí 148

6.1.1 Kết quả chế tạo phần thủy khí 148

6.1.2 Kết quả chế tạo phần cơ khí 155

6.1.2.1 Cơ sở thiết kế khung 155

6.1.2.2 Kết quả chế tạo của khung xe 156

6.1.2.3 Chọn lắp ráp các bộ phận cơ khí 157

6.2 Chế tạo mạch điều khiển 163

6.2.1 Chế tạo mạch relay kích từ 5v lên 12v 163

6.2.2 Chế tạo mạch cầu H sử dụng Mosfet 165

6.2.3 lắp đặt bố trí encoder (cảm biến diot quang) 167

6.2.4 Hệ thống điện sau khi hoàn thành 168

6.2.5 Tấm pin năng lượng mặt trời 169

6.3 Kết quả thực nghiệm của xe cắt cỏ tự hành 169

6.3.1 Thực nghiệm hướng chạy của xe cắt cỏ 170

6.3.2 Thực nghiệm hiệu suất cắt của xe cắt cỏ 171

6.3.2.1 Tỷ lệ phần trăm cỏ đạt độ cao theo yêu cầu và diện tích cỏ sạch sau mỗi lần cắt 171

6.3.2.2 Tỷ lệ phần trăm cỏ bị tưa sợ và dập nát 172

6.3.3 Thực nghiệm thời gian cắt cỏ 172

KẾT LUẬN 173

TÀI LIỆU THAM KHẢO 174

DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ

BẢNG 2.1 Khối lượng toàn bộ của xe cắt cỏ tự hành

BẢNG 2.2 Thông số bánh xe trước và sau của xe cắt cỏ tự hành

BẢNG 2.3 Các thông số chọn để tính toán

BẢNG 2.4 Các thông số của động cơ giảm tốc MY1016Z

BẢNG 2.5 Các thông số chọn để tính toán chọn xích

BẢNG 2.6 Thông số của xích ống con lăn 35

BẢNG 2.7 Gía trị đặc tính ngoài của động cơ

BẢNG 2.8 Gía trị N f, N , N c, Nk tương ứng với tốc độ của xe cắt cỏ khi làm việc BẢNG 2.9 Gía trị của lực kéo tiếp tuyến, lực cản lăn và không khí của xe

BẢNG 2.10 Gía trị nhân tố động lực họ D và hệ số cản lăn tương ứng với tốc độ của

xe

BẢNG 3.1 Thông số trọng lượng khung xe cắt cỏ tự hành

BẢNG 4.1 Bảng tỉ lệ và khối lượng riêng của vật chất quạt hút được

BẢNG 4.2 Thông số kỹ thuật động cơ dẫn động quạt hút

BẢNG 4.3 Thông số kỹ thuật của xi lanh AIRTAC MAL20

BẢNG 4.4 Bảng tính lực đẩy ra và lực rút về của xi lanh khí nén AIRTAC MAL20 BẢNG 4.5 Thông số kỹ thuật của máy nén khí 12V V2 – MNKV2

BẢNG 5.1 Thông số Pin năng lượng mặt trời POLY-20W

BẢNG 6.1 Thông số và kích thước của thép làm khung

BẢNG 6.2 Thông số kỹ thuật của xe cắt cỏ đã thiết kế

HÌNH 1.1 Máy cắt cỏ đầu tiên năm 1872

HÌNH 1.2 Máy cắt cỏ thương mại sử dụng vào 4/1930

HÌNH 1.3 Cỏ nền trong khuôn viên Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng

HÌNH 1.4 Máy cắt cỏ được đeo trên vai và cầm tay

HÌNH 1.5 Máy cắt cỏ đẩy bằng tay

HÌNH 1.6 Xe cắt cỏ có người lái

HÌNH 1.7 Xe cắt cỏ tự hành do một sinh viên Việt Nam sáng tạo

HÌNH 1.8 Robot cắt cỏ di chuyển hai bánh truyền

HÌNH 1.9 Robot cắt cỏ của Công ty Kyodo ở Mỹ sản xuất

HÌNH 1.10 Robot cắt cỏ tự động Gardena R40Li-20

HÌNH 2.1 Mô hình bánh xe đã được lý tưởng hóa

HÌNH 2.2 Mô hình động học của xe cắt cỏ tự hành

HÌNH 2.3 Sơ đồ phân tích lực khi xe cắt cỏ

HÌNH 2.4 Bánh xe sau và trước của xe cắt cỏ tự hành

HÌNH 2.5 Động cơ giảm tốc MY1016Z

HÌNH 2.6 Xích ống con lăn 35

HÌNH 2.7 Nhông đĩa

HÌNH 2.8 Đồ thị đặc tính cơ của động cơ

HÌNH 2.9 Đồ thị cân bằng công suất của xe cắt cỏ

HÌNH 2.10 Đồ thị cân bằng lực kéo của xe cắt cỏ

HÌNH 2.11 Đồ thị nhân tố động lực học của xe cắt cỏ

HÌNH 2.12 Qũy đạo di chuyển bằng đường xoắn ốc

HÌNH 2.13 Qũy đạo di chuyển đường qua lại vuông góc

HÌNH 3.1 Hình ảnh robot bằng chân

HÌNH 3.2 Một số hình ảnh về robot di chuyển bằng bánh xích HÌNH 3.3 Xe cắt cỏ tự hành di chuyển bẳng bánh xe

HÌNH 3.4 Cấu trúc tổng quát của xe cắt cỏ tự hành

HÌNH 3.5 Sơ đồ động của xe cắt cỏ tự hành

HÌNH 3.6 Hình dạng khung xe cắt cỏ cắt cỏ tự hành

HÌNH 3.7 Phân bố trọng lượng lên các cầu khi xe không tải

HÌNH 3.8 Phân bố trọng lượng lên các cầu khi xe có tải

HÌNH 3.9 Sơ đồ khối sử dụng phần mềm RDM

HÌNH 3.10 Thép chữ V CT3 chọn làm khung

HÌNH 3.11 Sơ đồ đặt lực khi quay vòng

HÌNH 3.12 Biểu đồ biến dạng khi quay vòng

HÌNH 3.13 Biểu đồ lực khi quay vòng

HÌNH 3.14 Biểu đồ lực cắt khi quay vòng

HÌNH 3.15 Biểu đồ momen xoắn khi quay vòng

HÌNH 3.16 Biểu đồ momen uốn khi quay vòng

HÌNH 3.17 Biểu đồ ứng suất khi quay vòng

HÌNH 3.18 Sơ đồ lực tác dụng lên dầm ngang

HÌNH 3.19 Sơ đồ biến dạng của dầm ngang khi xe quay vòng HÌNH 3.20 Biểu đồ lực dọc

HÌNH 3.21 Biểu đồ lực cắt

HÌNH 3.22 Biểu đồ mômen xoắn

HÌNH 3.24 Biểu đồ ứng suất dầm ngang

HÌNH 3.25 Hình chiếu đứng của khung xe cắt cỏ tự hành

HÌNH 3.26 Hình chiếu bằng khung xe cắt cỏ tự hành

HÌNH 3.27 Hình chiếu cạnh khung xe cắt cỏ tự hành

HÌNH 3.28 Cạnh sắc lưỡi dao

HÌNH 3.29 Lưỡi cắt được chọn

HÌNH 3.30 Chuyện động và hướng di chuyển của cỏ

HÌNH 3.31 Máng thu gom được thiết kế

HÌNH 3.32 Hình chiếu đứng máng thu gom

HÌNH 3.33 Hình chiếu bằng máng thu gom

HÌNH 4.1 Sơ đồ tổng quát của hệ thống khí nén

HÌNH 4.21 Ống ruột gà

HÌNH 4.22 Thùng chưa cỏ

HÌNH 4.23 Cỏ được lấy ra từ thùng chứa

HÌNH 4.24 Sơ đồ bố trí đường ống trong cơ cấu hút

HINH 4.25 Xi lanh AIRTAC MAL20

HINH 4.26 Máy nén khí 12V V2 – MNKV2

HINH 5.1 Vi điều khiển Atmega 328

HINH 5.2 Sơ đồ chân của Atmega 328

HINH 5.3 Sơ đồ điều khiển từ xa

HINH 5.4 Sơ đồ mạch nguồn

HINH 5.5 Sơ đồ mạch kích 5V lên 12V

HINH 5.6 Mạch điều khiển động cơ BTS79600

HÌNH 5.12 Sơ đồ điều khiển tự động

HÌNH 5.13 Sơ đồ nguyên lí của encoder

HÌNH 5.14 Vị trí bố trí encoder

HÌNH 5.15 Sơ đồ nguyên lí mạch cầu H sử dụng mosfet

HÌNH 5.16 Tấm Pin năng lương mặt trời POLY 20W

HÌNH 5.17 Mạch giảm áp DCXL 4015

HÌNH 6.1 Bộ phận hút cỏ được thiết kế trong môi trường caita

HÌNH 6.2 Máy nén khí vào bình chứa khí

HÌNH 6.3 Van phân phối

HÌNH 6.4 Bình chứa khí nén cung cấp khí cho xilanh

HÌNH 6.5 Chế tạo quạt ly tâm được dẫn động bởi mottor 895

HÌNH 6.6 Thùng chứa cỏ

HÌNH 6.7 Ống hút cỏ được bố trí ở máng bảo vệ lưỡi cắt

HÌNH 6.8 Bộ phận hút cỏ tổng thể sau khi chế tạo hoàn thành

HÌNH 6.9 Bình chứa khí nén cung cấp khí cho xilanh nâng hạ

HÌNH 6.10 Van phân phối để điều khiển nâng hạ lưỡi cắt

HÌNH 6.11 Xilanh nâng hạ lưỡi cắt

HÌNH 6.12 Bộ phận nâng hạ lưỡi cắ tổng thể được bố trí trên xe cắt cỏ sau khi hoàn

HÌNH 6.13 Khung xe cắt cỏ

HÌNH 6.14 Khung xe cắt cỏ sau khi chế tạo

HÌNH 6.15 Bánh xe dẫn động

HÌNH 6.16 Bánh xe tự lựa hướng lái

HÌNH 6.17 Nhông xích được thiết kế và chọn thực tế HÌNH 6.18 Trục giữ bánh xe sau được thiết kế và gia công HÌNH 6.19 Vòng bi lắp ở trục bánh xe

HÌNH 6.25 Máng thu gom lưỡi cắt

HÌNH 6.26 Sơ đồ mạch relay kích từ 5v lên 12v

HÌNH 6.27 Mạch relay

HÌNH 6.28 Bảng mạch in của mạch cầu H

HÌNH 6.29 Bảng mạch in trong thực tế

HÌNH 6.30 Quá trình bố trí linh kiện

HÌNH 6.31 Mạch in sau khi hoàn thành

HÌNH 6.32 Bố trí encoder

HÌNH 6.33 Các đầu nối vào mạch điều khiển

HÌNH 6.34 Hệ thống điện sau khi hoàn thành

HÌNH 6.35 Tấm pin năng lượng mặt trời

HÌNH 6.36 Kết quả thực nghiệm của xe cắt cỏ

HÌNH 6.37 Qũy đạo lý thuyết và thực tế của xe cắt

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

vmax[m/s] Tốc độ cực đại của xe

G [N] Trọng lượng của xe

Ne [W] Công suất hữu ích động cơ

Me [N/m2] Momen xoắn của động cơ

ne [v/ph] Tốc độ góc của trục động cơ

nN [v/ph] Tốc độ góc cực đại ứng với công suất cực đại

nM [v/ph] Tốc độ góc cực đại ứng với momen cực đại

ih0 [-] Tỉ số truyền lực chính

Nk [W] Công suất truyền đến bánh xe chủđộng

Nt [W] Công suất tiêu hao cho hệ thống truyền lực

Nω [W] Công suất tiêu hao để thắng lực cản không khí

Nf [W] Công suất tiêu hao để thắng lực cản lăn

Ni [W] Công suất tiêu hao để thắng lực cản dốc

Nj [W] Công suất tiêu hao để thắng lực cản quán tính

Nc [W] Công suất cản trong quá trình chuyển động của xe

Pk [N] Lực kéo tiếp tuyến của xe

x [] Số mắc xích

i[] Số lần va đập

W[mm] Độ rộng trong con lăn

D[mm] Đường kính con lăn

d[mm] Đường kính trục trong của con lăn

L2[mm] Độ dài trục trong khóa xích

T[mm] Độ dày má xích

C[mm] Khoảng cách tâm hai dãy xích kép

L1[mm] Độ dài trục trong con lăn

G [KG] Trọng lượng toàn bộ của xe cắt cỏ tự hành

Go [KG] Trọng lượng khi xe có tải

Gk [KG] Trọng lượng khung xe cắt cỏ tự hành

Gđc [KG] Trọng lượng của động cơ điện của xe

Ghc [KG] Trọng lượng bộ phận hút

Gbpc [KG] Trọng lượng bộ phận cắt của xe

Gaq [KG] Trọng lượng ắcquy của xe

Gdk [KG] Trọng lượng mạch điều khiển và dây điện xe

Gx [KG] Trọng lượng của xi lanh nâng hạ và van điều khiển 4/2 Gvdk [KG] Trọng lượng của vi điều khiển

Gmh [KG] Trọng lượng của máy hút

L [mm] Chiều dài cơ sở L

a [mm] Khoảng cách từ trọng tâm đến bánh xe sau

b [mm] Khoảng cách từ trọng tâm đến bánh trước

Z1 [KG] Lực phân bố tải trọng phía trước

Z2 [KG] Lực phân bố tải trọng phía sau

 [KG/mmch 2] Ứng suất giới hạn chảy của vật liệu

G kss[KG] Tải trọng tĩnh của khung sườn cột phía sau

G kst[KG] Tải trọng tĩnh của khung sườn cột phía trước

G x[KG] Trọng lượng của xi lanh nâng hạ và van điều khiển 4/2

G bpc[KG] Trọng lượng của bộ phận cắt

G v kd [KG] Trọng lượng của vi điều khiển

G mh[KG] Trọng lượng của máy hút

Qtt [N] Tải trọng tập trung đặt tại các dầm ngang chính do trọng

lượng khung vỏ sinh ra

q lt[N] Lực li tâm tập trung tại các đầu dầm ngang khi xe chuyển

động quay vòng Nmax [N] Lực dọc lớn nhất của khung

Ty [N] Lực cắt lớn nhất theo phương Y

Tx [N] Lực cắt lớn nhất theo phương X

Mxmax [N.mm] Moment xoắn lớn nhất

MFy [N.mm] Moment uốn lớn nhất theo phương Y

MFx [N.mm] Moment uốn lớn nhất theo phương X

n[v/ph] Số vòng quay của quạt

H[mmH2O] Cột áp của quạt

Q[m3/s] Lưu lượng của quạt

nS[v/ph] Số vòng quay đặc trưng

c

m [kg] Lưu lượng khối

c

η [-] Hiệu suất hiệu dụng của quạt

Ntr[W] Công suất trên trục quạt

Nđc[W] Công suất động cơ nhiệt

t [-] Hệ số hiệu dụng truyền động

Hw[m] Tổng tổn thất cột nước trên đường ống

hd[m] Tổn thất dọc đường trên đường ống

[kg] Khối lượng tối đa cơ cấu hút được

MỞ ĐẦU

1 Mục đích chọn đề tài

Theo như nhóm chúng tôi khảo sát ở các nơi như sân bóng, sân golf, thì việc cắt

cỏ của người dân hiện nay rất mất thời gian và không đạt hiệu quả cao Tuy họ có rất nhiều phương pháp cắt cỏ khác nhau, từ thủ công bằng tay cho đến mang máy móc

trên vai để cắt cỏ Do đó nhóm tôi nhận thấy và quyết định đưa ra ý tưởng ‘‘thiết kế

mô hình xe cắt cỏ tự hành’’ để thay thế cho người dân, giúp cho người dân bớt đi

phần nào mệt nhọc và tiết kiệm được thời gian, đạt hiểu quả cao hơn

Với việc sử dụng các loại động cơ điện có sẵn trên thị trường và giá thành rẻ để nhóm chúng tôi thuận tiện trong việc nghiên cứu thiết kế xe cắt cỏ tự hành, đó cũng là nguồn động lực chính để xe di chuyển khi cắt cỏ

Đặc biệt trong bối cảnh vấn đề cắt cỏ ở sân golf rộng đến vài hecta hay sân bóng thì sẽ cần đến nguồn nhân lực lao động rất đông để cắt cỏ Với xu hướng hiện nay thời đại công nghệ 4.0, sức nguồn lao động sẽ dần được thay thế bằng máy móc hiện đại nhất Bên cạnh đó, xu hướng hiện nay sử dụng các máy cắt cỏ sử dụng nhiên liệu, nên gây ra ô nhiễm môi trường một phần nào đó

Từ việc đánh giá nhiều vấn đề cắt cỏ hiện nay như vậy, nhóm chúng tôi đã đưa ra

quyết định “thiết kế xe cắt cỏ tự hành” chạy bằng điện thay thế cho người dân lao

động và không gây ra ô nhiễm cho môi trường xung quanh

Trong đề tài này nhóm chúng tôi tập trung đưa ra mô hình thực tế cắt cỏ ở các sân golf, sân bóng, với số liệu cụ thể và thực tế

2 Mục tiêu đề tài

Phân tích, tính toán thiết kế xe cắt cỏ tự hành ở các sân golf và sân bóng Từ đó

nhóm chúng tôi xây dựng mô hình xe cắt cỏ tự hành thực tế cắt cỏ ở các sân golf hay sân bóng,

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Thiết kế xe cắt cỏ tự hành hoạt động sử dụng nguồn động lực là động cơ điện để truyền chuyển động giúp cho xe di chuyển để vận hành cắt cỏ và hút cỏ một cách linh hoạt Đề tài còn đưa ra các vấn đề cần được nghiên cứu và đánh giá các loại cỏ, địa

hình để xe cắt cỏ tự hành di chuyển cắt cỏ, nhằm đưa ra phương pháp thiết kế hợp lý nhất khi thiết kế chế tạo

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Tính toán, chọn động cơ phù hợp cho việc thiết kế xe cắt cỏ tự hành

- Tính toán, thiết kế bộ phận cắt cỏ

- Tính toán, thiết kế bộ phận hút cỏ

- Tính toán, kiểm nghiệm độ bền của khung xe cắt cỏ

- Tính toán thiết lập vi mạch điều khiển tự động dựa trên Arduino

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nhóm chung tôi sử dụng các giáo trình đã học qua, tham khảo các tài liệu nước ngoài, các bài báo nghiên cứu khoa học trong nước và ngoài nước, khảo sát các sản phẩm thị trường có sẵn

5 Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp của nhóm chúng tôi bao gồm 6 chương như sau:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ XE CẮT CỎ TỰ HÀNH

Những vấn đề về nhu cầu cắt cỏ, nêu ra thực trạng cắt cỏ trong nước và ngoài nước, giới thiệu một số cơ cấu cắt và hút cỏ của đề tài, cũng như đưa ra các ưu điểm và nhược điểm của xe cắt cỏ tự hành từ đó đưa ra kết luận việc nghiên cứu và thiết kế xe cắt cỏ tự hành là việc cần thiếc theo xu hướng công nghệ 4.0

Chương 2: ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC, TÍNH TOÁN CHỌN ĐỘNG CƠ

TRUYỀN ĐỘNG, QUỸ ĐẠO DI CHUYỂN

Phân tích điều kiện làm việc của xe cắt cỏ tự hành, từ đó chúng ta đi tính toán để chọn động cơ, sau đó phân tích chọn động cơ để phù hợp cho việc thiết kế xe cắt cỏ tự hành Xây dựng các phương trình động học, động lực học, đặc tính của động cơ đã chọn cho robot cắt cỏ, xây dựng các đồ thị công suất, lực kéo,

Tính toán thiết kế bộ phận cắt cỏ cho xe cắt cỏ, các thông số được thiết kế nhờ vào việc khảo sát các cơ cấu chi tiết có sẵn trên thị trường Từ đó chọn nguồn động lực chủ yếu để để dẫn động lưỡi cắt sao cho phù hợp Tính toán thiết kế lưỡi cắt nhằm đảm bảo cho thảm cỏ ở mức đẹp nhất có thể, thiết kế và tính toán độ bền của khung để đảm bảo cho robot cắt cỏ vận hành tốt trong việc di chuyển cắt cỏ

Chương 4: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THỦY KHÍ

Tính toán thiết kế bộ phận hút cỏ cho xe cắt cỏ, các thông số được thiết kế nhờ vào việc tham khảo tài liệu và khảo sát các chi tiết có sẵn trên thị trường, các thông số cần phải được phân tích và đánh giá chính xác để đảm bảo cho bộ phận hút làm việc ở điều kiện tốt nhất, từ đó để chọn nguồn động lực dẫn động quạt hút phù hợp để thực hiện việc cắt cỏ Tính toán và thiết kế đường ống hút và ống đẩy một cách phù hợp, ngoài ra còn thiết kế các chi tiết phụ khác cho xe cắt cỏ

Chương 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN

Giới thiệu tổng quan về các hệ thống điện và thiết kế các hệ thống điện Đặt vấn đề về mạch điều khiển từ xa va điều khiển tự động sau đó chọn phương án phù hợp nhất cho xe cắt cỏ Giới thiệu tổng quan về các cảm biến dùng trên xe cắt cỏ và nêu các chức năng của cảm biến đó được dùng trên xe cắt cỏ Lập trình và viết mã Code cho xe cắt cỏ, để xe làm việc ở điều kiện tốt nhất và đạt hiệu quả cao

Chương 6: CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ MÔ HÌNH

Lên ý tưởng đưa ra những phương pháp bố trí động cơ để di chuyển xe cắt cỏ,

bố trí bộ phận lưỡi cắt cỏ, hút cỏ sau khi cắt, các hệ thống điện và các mạch điều khiển

Mục đích, ý nghĩa, yêu cầu của xe cắt cỏ ở các sân gofl, sân bóng, các khuôn viên trường, Thực hiện mô hình và sau đó đưa ra kết quả thực nghiệm

KẾT LUẬN

Kết luận về kết quả của xe cắt cỏ sau khi đã được vận hành, so sánh mục đích và yêu cầu đặt ra trước khi thực hiện nghiên cứu xe cắt cỏ ở sân golf hay khuôn viên trường, sân bóng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ XE CẮT CỎ TỰ HÀNH

Trong thời buổi công nghệ 4.0, cùng với sự phát triển kinh tế của các ngành công nghệ kỹ thuật và công nghiệp, nông nghiệp, Cùng với những vấn đề đó làm ảnh hưởng đến môi trường sống xung quanh của chúng ta Để giải quyết những vấn đề đố chúng ta cần đưa ra giải pháp để tránh ô nhiễm môi trường đó là trồng cỏ, cây xanh tạo quan cảnh môi trường xanh sạch đẹp, không khí trong lành

Tuy nhiên việc đó thuận lợi cho quan cảnh môi trường không khí, nhưng vẫn có những vấn đề cần chú ý, khi cỏ lớn nhanh dần thì sẽ gây ra mất quan cảnh môi trường xung quanh, đặc biệt ở các khuôn viên xanh, sạch, đẹp, cho nên để đáp ứng được giữ quan cảnh ngày ngày được đẹp và trong lành thì chúng ta phải xử lý cỏ, cùng với sự ngày càng phát triển nên người ta đã tiến hành việc nghiên cứu và sản xuất ra nhiều máy móc cắt cỏ, giúp con người xử lý cỏ ở sân vường, khuôn viên trường, sân golf hay sân bóng

1.1 Lịch sử phát triển của máy cắt cỏ

Các máy cắt cỏ đầu tiên được phát minh bởi Edwin vào năm 1827 trong Thrupp, ngay bên ngoài Stroud ở Gloucestershire Máy cắt vừa ra đời được thiết kế chủ yếu để cắt cỏ trên sân thể thao và khu vườn rộng lớn, như là một thay thế vượt trội so với lưỡi hái, và đã được cấp bằng sáng chế ở Anh vào ngày 31 tháng 8, năm 1830

Máy đầu tiên được sản xuất với 19 inch (480 mm) rộng với một khung làm bằng sắt rèn Các máy cắt được thiết kế với tay đẩy từ phía sau Bánh xe đúc từ gang có công suất phát từ con lăn phía sau để cắt hình trụ, cho phép con lăn phía sau để điều khiển con dao trên xi lanh cắt (tỷ lệ là 16: 1) Một con lăn đặt giữa các xi lanh cắt và con lăn chính hoặc đất có thể được nâng lên hoặc hạ xuống để thay đổi chiều cao của lớp cắt

Hai trong số các máy vừa sản xuất đã sớm được bán cho công viên Sở thú Regent

ở London và Cao đẳng Oxford

Hình 1.1 Máy cắt cỏ đầu tiên năm 1872

Trong giữa thập kỷ này, Thomas Green và Con Leeds giới thiệu một máy cắt được gọi là Messor Silens (có nghĩa là cắt không nghe tiếng ồn) sử dụng một chuỗi để truyền tải điện năng từ các con lăn phía sau để các xilanh cắt Những máy này nhẹ hơn

và êm dịu hơn so với máy móc thiết bị điều khiển trước chúng, mặc dù giá thành chúng cao hơn nhiều

Hình 1.2 Máy cắt cỏ thương mại sử dụng vào 4/1930

1.2 Nhu cầu cắt cỏ

Nhu cầu được sống và làm việc trong không gian thiên nhiên trong lành là nhu cầu

cần thiết đối với cuộc sống con người chúng ta ngày nay Có những công trình tiện

nghi và hiện đại, bề thế, tọa lạc, trong một cảnh thiên nhiên tạo nên nét đẹp hài hòa về mặt kiến trúc, thân thiện với môi trường, giúp cho con người chúng ta có cảm giác thoải mái và mát mẻ, trong lành trong cuộc sống của chúng ta

Nhu cầu có một cảnh quan thiên nhiên bên các công trình kiến trúc rộng lớn như khuôn viên trường học, sân golf, sân đá bóng, sân vườn trong khuôn nhà ở, đối với thế giới thì không còn gì là mới lạ Tuy nhiên đối với Việt Nam chúng ta đây là vấn đề đang được rất nhiều người cần quan tâm, đặc biệt các khu Công nghiệp, Thành phố

Từ trước đến nay ở nước ta việc cắt cỏ nền ở khuôn viên trường, sân vườn, sân golf, phát quan cỏ dại, vệ sinh cây cỏ trong vườn, tất cả đều được con người sử dụng bằng dao, kéo để dọn sạch cỏ

Hiện nay, Việt Nam có nhiều công ty cây xanh, cơ sở hoa kiểng, cây cảnh được thành lập để phục vụ cho nhu cầu tạo mỹ quan đẹp, trong lành và thoải mái, ngày càng được gia tăng Các công trình công cộng như đường xá, trường học, công viên, bệnh viện, tất cả đều có các công trình cây xanh bên cạnh Trong không gian thiên nhiên đó diện tích chiếm chủ yếu là cỏ nền Cỏ nền chiếm một không gian lớn trong các khuôn viên trường hay ở công viên, các cơ sở hạ tầng lớn

Hình 1.3 Cỏ nền trong khuôn viên Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng

Phần lớn cỏ nền chiếm một diện tích khá lớn trên toàn bộ các công trình nên việc chăm sóc cỏ nền để giữ được nét đẹp, sức sống của cỏ là rất quan trọng từ việc trồng,

lao động So với các cây khác thì cỏ nền chiếm một diện tích lớn, bên cạnh đó tốc độ sinh trưởng của cỏ lại nhanh hơn nên việc cắt tỉa thường xuyên khoảng một tháng một lần Đối với công trình công cộng lơn hay sân golf, sân bóng đá, cần phải nguồn nhân lực lao động nhiều để thực hiện việc cắt cỏ, bên cạnh đó việc cắt cỏ diễn ra ngoài trời nên ảnh hưởng nhiều đến sức khỏe của người lao động

Trong đời sống hiện đại như ngày nay, hầu hết các công việc chân, tay của con người gần như được thay thế bằng công cụ máy móc và các thiết bị công nghệ thông minh cho công việc cần được thực hiện mỗi ngày Trong đó chúng ta không thể không nhắc đến đó là những người tỉa cỏ nền bằng phương pháp truyền thống trước kia trong các khuôn viên trường, sân golf, sân bóng đá đều bằng dao kéo, với sự phát triển như ngày này thì những người đó sẽ cần một máy cắt cỏ để có thể dọn dẹp khuôn viên trường, tỉa cỏ nền sân vườn, sân golf, một cách dễ dàng và tiết kiệm thời gian, đạt hiểu suất cao trong khi làm việc Từ đó máy cắt cỏ ngày ngày càng được cải tiến và hoàn thiện hơn để phục vụ cho nhu cầu của con người trong đời sống hàng ngày

Ngày nay trên thế giới máy cắt cỏ được sử dụng phổ biến và rộng rãi hơn cho việc cắt cỏ nền được thực hiện bằng các máy cắt cỏ cầm tay

Hình 1.4 Máy cắt cỏ được đeo trên vai và cầm tay

Tùy vào diện tích sân cỏ nền và địa hình, các loại cỏ mà người ta có thể chọn các loại máy cắt cỏ với kích thước và công suất khác nhau, thông thường được sử dụng cắt

cỏ sân vườn, sân bóng đá người ta có thể dụng máy cắt cỏ đẩy bằng tay

Hình 1.5 Máy cắt cỏ đẩy bằng tay

Đối với ở sân golf, sân bóng đá rộng lớn thì người ta thường dùng xe cắt cỏ có người lái

Hình 1.6 Xe cắt cỏ có người lái

Qua các phương tiện cắt cỏ trên ta nhận thấy rằng tất cả máy cắt cỏ được do người lao động trực tiếp sử dụng Việc dùng máy móc để cắt cỏ đã giảm đi rất nhiều của người lao động so với phương pháp cắt cỏ truyền thống Tuy nhiên, công việc này được thực hiện nhiều lần và lặp đi lặp lại, không gian làm việc ngoài trời, vẫn còn sử

dụng nhiều nguồn nhân lực lao động Đồng thời, máy cắt cỏ còn tạo ra nhiều tác hại trực tiếp lên người lao như tiếng ồn, độ rung, khí thải, làm cho sức khỏe lao động của con người càng ngày suy giảm dần, đó cũng là nguyên nhân gây ra nhiều căn bền tiềm ẩn về lâu dài Cho nên nhóm chúng em quyết định thiết kế xe cắt cỏ có thể thay thế cho con người là một nhu cầu cần thiết, để hạn chế người lao động không còn làm việc ở môi trường khó khăn ngoài trời, dẫn đến ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của người lao động

1.3 Nghiên cứu trong nước

Với việc nhu cầu cắt cỏ nền đối với nước chúng ta là rất cần thiết, công việc cắt cỏ chủ yếu bằng các máy móc cần con người trực tiếp vận hành Cho đến hiện này, từ những thông tin chúng ta tìm hiểu và nghiên cứu qua tập chí khoa học và công nghệ phát triển, ngoài ra còn thu thập thông cuộc thi nghiên cứu khoa học cấp thành phố, cấp nhà nước, việc cắt cỏ hiện nay trên nước ta hầu hết là sử dụng máy cắt cỏ cầm tay, máy cắt cỏ đẩy tay, xe cắt cỏ có người lái Từ đó chúng ta nhận ra một điều rằng chưa

có một máy cắt cỏ nào làm việc thay thế cho con người, người lao động vẫn cắt máy móc bằng tay hoặc máy cắt cỏ đẩy tay, ngoài ra còn có một số máy cắt cỏ bằng điện giảm bớt tiếng ồn và rung động tác động lên người lao động

Cho đến hiện nay theo như nhóm em biết từ Internet thì hiện nay nước ta vẫn còn hiếm về việc nghiên cứu xe cắt cỏ tự hành thay thế toàn bộ cho người lao động Tuy nhiên ở nước ta vẫn có nhưng rất ít, sau đây một xe cắt cỏ tự hành do một sinh viên ở Việt Nam nghiên cứu trong cuộc thi sáng tạo Robot năm 2012, điều đó cho ta thấy được việc nghiên cứu xe cắt cỏ tự hành vẫn còn hiếm

Hình 1.7 Xe cắt cỏ tự hành do một sinh viên Việt Nam sáng tạo

Từ đó nhóm em quyết định tiến tới việc nghiên cứu và thiết kế xe cắt cỏ tự hành, tuy việc nghiên cứu vẫn còn hạn chế nhất định, nhưng vẫn cố gắn chế tạo ra sản phẩm thay thế cho con người lao tốt nhất có thể

1.4 Nghiên cứu ngoài nước

Đối với nước ngoài, vấn đề nghiên cứu đề tài xe cắt cỏ thay thế cho con người lao động không còn xa lạ với họ nữa, họ đã nghiên cứu và phát triển đạt được rất nhiều thành công, qua từng thời điểm họ cải tiến và nâng cấp ngày một đa dạng, nhiều mẫu

mã mới và được thương mại hóa

Một số Robot cắt cỏ được các Công ty ở Mỹ sản xuất thành công :

Hình 1.8 Robot cắt cỏ di chuyển hai bánh truyền

động phía sauvà hai bánh tự lựa phía trước

Robot cắt cỏ trên được thiết kế sử dụng năng lượng từ bộ nguồn pin Robot di chuyển bằng hai bánh truyền động phía sau và hai bánh tự lựa phía trước, tuy nhiên bốn bánh không có cơ cấu đảm bảo cho Robot cắt cỏ tiếp xúc với mặt nền cho nên Robot khó khăn trong việc di chuyển với địa hình xấu

Năng lượng cắt cỏ và di chuyển sử dụng nguồn DC từ pin Lưỡi dao cắt nhỏ được lắp vào cán dao xoay tròn nhờ vào bộ truyền đai Với thiết kế này, việc cắt cỏ dễ

thì cỏ sẽ bị lưỡi cắt chỉ đi qua hai lần Robot di chuyển nhờ vào hệ thống dẫn hướng bằng phương pháp sự ngăn cản tia hồng ngoại của cỏ ngăn quá trình truyền nhận giữa đầu phát và đầu thu Với thiết kế này, hệ thống dẫn hướng rất dễ bị cỏ đã cắt chắn lại tia hồng ngoại vì trong quá trình cắt cỏ nằm khắp nơi, có khi vướng vào đầu phát và thu nên việc điều khiển hướng đi bằng phương pháp này khó đạt được

độ chính xác

-Hình 1.9 Robot cắt cỏ của Công ty Kyodo ở Mỹ sản xuất

Robot cắt cỏ này được hoạt động dựa vào năng lượng từ pin 12V-24V Lưỡi cắt được lắp trực tiếp vào động cơ điện, lưỡi cắt chuyển động xoay tròn, tuy không có vỏ thu gom nên phần cỏ bị cắt không thể thoát ra ngoài mà bị cắt thành nhiều mãnh rơi xuống thảm cỏ đã cắt gây trở ngại cho việc tăng trưởng của cỏ

Robot di chuyển bằng bốn bánh nên tính cơ động của Robot cắt cỏ rất thấp khi rẽ sang trái hoặc phải Kết cấu Robot nhỏ, gầm Robot thấp nên lực cản gây ra cho Robot cắt cỏ lớn làm hạn chế sự chuyển động và tiêu hao năng lượng Hướng di chuyển được xác định dựa vào độ cao của cỏ đã cắt và chưa cắt nhờ vào các cảm biển được đặt dưới thân Robot cắt cỏ

Tuy nhiên khi cắt cỏ nằm khắp nơi nên dễ làm cho Robot không xác định hướng được hướng đi Robot này được thiết kế với công suất nhỏ nên phù hợp với nhu cầu hộ gia đình và thảm cỏ có mật độ và chiều cao thấp

Hình 1.10 Robot cắt cỏ tự động Gardena R40Li-20

Máy cắt cỏ Robot tự động Gardena R40Li-20 được tích hợp motor quay với điện thế pin 18V cho khả năng cắt cỏ nhanh và đều Máy cắt cỏ Gardena với thiết kế phù hợp không có khí thải và khói, tốt cho người sử dụng Máy cắt cỏ chạy pin được làm

từ các chất liệu cao cấp với độ bền cao nhờ đó người dùng có thể sử dụng dễ dàng, nhanh chóng và tiện lợi

Gardena R40Li-20 có trọng lượng nhẹ nhưng đem lại hiệu suất cao, với thiết kế tay cầm êm ái giúp người dùng hạn chế trơn trượt trong quá trình thao tác Máy cắt cỏ khu vườn ở các khu vực có diện tích lớn 400m2, máy cắt cỏ Gardena là một trong những vật dụng không thể thiếu khi thực hiện các công việc cắt cỏ, phát hoang, làm vườn và khuôn viên trường,

Từ việc nghiên cứu trong nước và ngoài nước cho ta thấy được sự phát triển công nghệ ở các nước tiên tiến, các mô hình Robot cắt cỏ rất đa dạng và phong phú, ngày càng được phát triển ở tầm cao mới và nhiều mô hình Robot cắt cỏ tự động được thương mại hóa

1.5 Mục đích nghiên cứu đề tài

Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng nằm ở địa chỉ 54 Nguyễn Lương Bằng, phường Hòa Khánh, quận Liên Chiểu, thành phố Đà Nẵng Trường có diện tích rộng hơn 240000 m2, có rất nhiều cây xanh và đặc biệt là nền cỏ để trang trí, làm đẹp cho cảnh quan thiên nhiên xung quanh, là nơi lý tưởng để cho các sinh viên học tập và làm việc nhóm

Hình 1.11 Nền cỏ trong khuôn viên Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Trồng cây xanh trong khuôn viên trường sẽ đem lại nhiều bóng mát, tạo không khí trong lành và làm đẹp cảnh quan chung của trường Tuy nhiên khi cỏ nền lớn lên thì cần phải được tỉa, để cho khuôn viên xung quanh trường có cảnh quan thiên nhiên đẹp hơn

Xuất phát từ nhu cầu thực tế và sự đam mê nghiên cứu, muốn tìm tòi học hỏi thêm những kiến thức về chuyên nghành để phục vụ cho công việc sau này nên nhóm chúng

tôi đã chọn và tiến hành nghiên cứu đề tài là: “Thiết kế mô hình xe cắt cỏ tự hành”

nhằm thay thế cho người lao động Ứng dụng thiết bị này giúp cho người lao động tiết kiệm thời gian và công sức lao động và đạt hiệu suất cao, tạo ra quan cảnh môi trường trong khuôn viên trường thán mát và sạch sẽ, trong làn, với mong muốn khi hoàn thành đề tài sẽ giải quyết được phần nào vấn đề cắt cỏ nền trong khuôn viên trường và sân bóng đá, sân golf, và có khả năng ứng dụng thực tế rộng rãi

Ngoài ra thì xe cắt cỏ nhóm chúng em nghiên cứu và thiết kế được sử dụng để cắt cỏ nền ở sân golf và sân bóng đá rộng lớn, sau khi cắt cỏ xe có thể hút thu gom cỏ

đã cắt vào thùng chứa, góp phần tạo nên quan cảnh văn minh trong đời sống hiện đại ngày nay

Hình 1.12 Khảo sát cỏ nền ở sân bóng đá và sân golf cho xe cắt cỏ

Dựa vào các kiến thức đã học trên trường và khảo sát thị trường thực tế, tìm

hiểu trên mạng nhóm em đưa ra ý tưởng “thiết kế xe cắt cỏ tự hành” hoạt động hoàn

toàn cơ cấu truyền động bằng cơ khí, hai bánh sau được dẫn động bằng xích nguồn động lực chính từ động cơ điện, bộ phận cắt cỏ sử dụng motor 775 để cắt cỏ được bố trí dưới thân xe, bộ phận hút sử dụng motor 895 DC

Ưu điểm và nhược điểm của ý tưởng thiết kế xe cắt cỏ tự hành của nhóm:

- Ưu điểm:

+ Robot cắt cỏ không gây ra ô nhiễm môi trường xung quanh

+ Hoạt động tương đối là ổn định trong việc di chuyển và cắt, hút

+ Chi phí các chi tiết đã khảo sát trên thị trường để chế tạo thấp

+ Ít gây ra tiếng ồn cho môi trường xung quanh

+ Làm việc ổn định và vận hành dễ dàng

+ Tuổi thọ làm việc cao

+ Việc bảo dưỡng sữa chữa dễ dàng và thuận tiện bởi vì các chi tiết và linh kiện điện tử đã có sẵn trên thị trường

- Nhược điểm:

+ Yêu cầu về độ chính xác tỉ mỹ cao khi gia công cơ khí cao

+ Sử dụng nguồn điện chủ yếu từ ắc quy nên việc ắc quy dễ hết bình không thể tránh khỏi

Cuối cùng mục đích chủ yếu đề tài của nhóm chúng yếu là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo xe cắt cỏ để thay thế cho còn người thực hiện việc cắt cỏ và thu gom cỏ sau khi cắt, bên cạnh đó còn góp phần vào việc nghiên cứu xe cắt cỏ để đáp ứng được nhu cầu của nước ta hiện nay

1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu về đề tài

Để thực hiện được mục đích của đề tài, xe cắt cỏ của nhóm em cần phải được nghiên cứu và thiết kế các bộ phận cơ khí để thực hiện được các chức năng mà người lao động cắt cỏ và thu gom cỏ sau khi cắt Đây chính là cơ cấu chấp hành thực hiện các công việc cắt, thu gom cỏ thay thế người lao động

Khi thiết kế cơ khí (khung, bộ phận cắt cỏ và hút cỏ) đã hoàn thành, xe cắt cỏ cần được nghiên cứu, thiết kế hệ thống điện và điều khiển, với nhiệm vụ này thì cần đưa ra được phương án giới hạn vùng cỏ cắt, đưa ra được phương án xác định hướng di chuyển và xử lý để dẫn hướng cho xe cắt cỏ di chuyển theo một quỹ đạo

Sau khi hoàn thành thiết kế phần cơ khí và điều khiển cho xe cắt cỏ thì nhóm chúng em tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng kết qua so sánh với lý thuyết đã tính toán trước đó, từ đó nhóm chúng em có thể có cơ sở để đánh giá mức độ đạt được của mục đích đề tài của nhóm

1.7 Phương pháp nghiên cứu

- Dựa trên cơ sở lý thuyết và tính toán, thiết kế, chế tạo theo từng giai đoạn, sau

đó tìm ra phương án hợp lý, đơn giản và tiết kiệm nhất

- Khảo sát thực tế, tìm hiểu về máy cắt cỏ cầm tay, máy cắt cỏ đẩy, xe cắt cỏ có người lái và đang được đưa vào sử dụng, kế thừa những ưu điểm, tìm cách khắc phục những khuyết điểm để áp dụng vào đề tài của nhóm chúng em

- Giai đoạn sau đó là tiến hành chế tạo

- Giai đoạn cuối cùng là kiểm nghiệm xe, kiểm tra kết quả thực nghiệm cung cấp thông tin phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến xe cắt cỏ cho quá trình tính toán và thiết

kế và đánh giá kết quả thực hiện, nhằm tìm ra những phương án chưa hợp lý từ đó chúng ta đưa ra các giải pháp thiết kế sữa chữa kịp thời

Bên cạnh đó cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ thông tin, máy vi tính cho phép được sử dụng rất nhiều công cụ hỗ trợ trong việc tính toán cũng như mô phỏng, cho phép ta quan sát và thu thập kết quả nhanh hơn Do vậy việc sử dụng máy tính có thể rút ngắn thời gian khảo sát và thu hẹp vùng khảo sát thực nghiệm Trong đề tài của chúng em để tính toán và thiết kế, mô phỏng trên phần mềm Catia V5

1.8 Giới hạn của đề tài

Việc cắt cỏ được thực hiện với nhiều mục đích và điều kiện làm việc khác nhau: cắt cỏ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp, cắt cỏ phục vụ cho việc tạo mỹ quan môi trường xung quanh, cho các khu vui chơi công viên, các sân thể thao (sân golf, sân bóng đá), cắt cỏ trong môi trường ẩm ướt và khô ráo, đồi dốc

Lúc đầu nhóm chúng em nghiên cứu đề tài không cho xe cắt cỏ làm việc bất cứ ở môi trường vào điều kiện thời tiết, địa hình xấu, mà chỉ giới hạn đề tài nghiên cứu là

xe cắt cỏ được thiết kế phục vụ cắt cỏ nền ổ khuôn viên trường và sân golf, bóng đá, với điều kiện môi trường khô ráo và bằng phẳng, không có chướng ngại vật trong vùng cắt cỏ

Qua thông tin tìm hiểu trên mạng thì công việc tỉa cỏ nền là công việc cần thiết và định kỳ để duy trì một thảm cỏ nền bền đẹp

Thời gian cắt cỏ tùy thuộc vào từng loại cỏ, thời tiết, với những loại cỏ có tốc độ sinh trưởng nhanh thì thời gian cắt tầm khoảng là 2 tuần cắt một lần, với những loại cỏ

có tốc độ sinh trưởng chậm thì thời gian cắt tầm khoảng 1 tháng cắt một lần

Tùy theo mục đích sử dụng của cỏ tại thời điểm cắt mà chiều cao sẽ được cắt khác nhau, giả sử như cỏ sân golf chiều cao cỏ khoảng 2-3cm, cỏ trên sân bóng 2-3,5 cm, cỏ trong khuôn viên Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng 3-4,5cm Robot cắt cỏ của chúng em được chế tạo giới hạn chiều cao cắt

Theo như quan sát người thực hiện cắt cỏ khi sử dụng máy cắt cỏ đẩy tay, tốc độ di chuyển tối đa 25-30 m/phut Trong đề tài xe cắt cỏ của nhóm chúng em tốc độ tối đá được thiết kế khoảng 30-35 m/phut

Chương 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC VÀ TÍNH TOÁN NGUỒN ĐỘNG LỰC, PHÂN TÍCH QUỸ ĐẠO DI CHUYỂN CỦA XE

CẮT CỎ TỰ HÀNH

Đề tài này đưa ra phương án thiết kế xe cắt cỏ tự hành, nguồn động lực chủ yếu dùng bằng động cơ điện trong việc di chuyển cắt cỏ giảm bớt ô nhiễm môi trường và thay thế toàn bộ cho sức người, tăng hiệu quả trong việc cắt cỏ, giảm bớt thời gian, chi phí Ngoài ra đảm bảo an toàn trong việc cắt cỏ

Xe cắt cỏ tự hành được sử dụng nguồn động lực thay thế cho con người trong quá trình làm việc đó là việc di chuyển của xe cắt cỏ phải linh hoạt và hạn chế gây tiếng ồn một cách tối ưu nhất, giá thành phù hợp với cuộc sống ngày nay.-

Để lựa chọn được động cơ dẫn động trong việc di chuyển của xe cắt cỏ tự hành thì

ta xét rất nhiều đến yếu tố như: hạn chế ô nhiễm môi trường, tính khả thi, mức độ thông dụng của đối tượng, giá thành trên thị trường, các yêu cầu kỹ thuật khi sử dụng

2.1 Xây dựng phương trình động học của xe cắt cỏ tự hành

Động học là nghiên cứu cơ bản để tìm hiểu quá trình hoạt động của một hệ thống

cơ khí hay trong một lĩnh vực điều khiển tự động một cái thiết bị nào đó, chúng ta cần phải tìm hiểu về đặc tính cơ của xe cắt cỏ để thiết kế sao cho phù hợp với nhiệm vụ đặt

ra, đồng thời việc tìm hiểu đặc tính cơ còn giúp chúng ta xác định được phương pháp thiết kế phần mềm điều khiển sao cho phù hợp đối với từng phần cứng của xe cắt cỏ tự hành

Trong khi đó xe cắt cỏ tự hành lại là một thiết bị tự động độc lập, nó hoàn toàn có thể di chuyển trong môi trường hoạt động Không có phương pháp nào có thể giúp ta

đó được vị trí tức thời của xe cắt cỏ tự hành Thay vào đó thông thường để xác định vị trí của xe cắt cỏ tự hành, người ta phải tích hợp chuyển động của xe theo thời gian Ngoài ra sự trượt của bánh xe còn là nguyên nhân khiến cho quá trình đánh giá, ước lượng chuyển động của xe cắt cỏ giảm bớt độ chính xác

Xe cắt cỏ tự hành là lĩnh vực khá rộng và đa dạng Tuy nhiên chúng lại có một điểm chung đó là nhiệm vụ điều khiển động cơ Trong đề tài này sẽ tập trung vào việc

nghiên cứu và điều khiển mô hình xe cắt cỏ tự hành 4 bánh Trong đó, hai bánh sau là hai bánh chủ động được điểu khiển bởi hai động cơ độc lập, hai bánh trước là hai bánh

tự xoay chọn hướng lái

Có thể xem bánh xe di chuyển trên mặt phẳng lăn không trượt, tốc độ của xe cắt

cỏ là tốc độ của trung điểm khoảng cách giữa hai bánh sau Khối lượng và quán tính của bánh xe không đáng kể có thể bỏ qua

2.1.1 Mô hình bánh xe của xe cắt cỏ tự hành

Mô hình bánh xe của xe cắt cỏ tự hành đã được lý tưởng hóa như hình 2.1 Bánh

xe quay quanh trục của nó (trục Y) Bánh xe chuyển động theo phương X( trục X) Khi chuyển động ở tốc độ thấp, có thể bỏ qua ảnh hưởng của sự trượt bánh xe so với mặt

Hình 2.1 Mô hình bánh xe đã được lý tưởng hóa

Động học là bài toán về chuyển động mà không xét tới sự tác động của lực tới chuyển động của xe cắt cỏ tự hành, nó bao gồm các yếu tố hình học xác định vị trí của

xe cắt cỏ Ngoài ra nó còn thể hiện mối quan hệ giữa các thông số điều khiển và các thông số trạng thái của hệ thống trong không gian

2.1.2 Phương trình động học của xe cắt cỏ tự hành

Để xác định được vị trí của xe cắt cỏ tự hành trên mặt phẳng, ta xây dựng mối quan hệ tọa độ tham chiếu toàn cục của mặt phẳng và hệ tọa độ tham chiếu cục bộ của

cục có gốc O (xOy) Điểm P coi tâm dịch chuyển của xe cắt cỏ tự hành Hệ tọa độ

V t r( ) là vận tốc của bánh bên phải

V t l( ) là vận tốc của bánh bên trái

L là khoảng cách hai bánh xe sau

R là khoảng cách từ tâm xe cắt cỏ tự hành đến tâm vận tốc tức thời

ICC là tâm vận tốc tức thời

O

R

Y Yp

Xm

◼

ICC

R + là bán kính mô tả quỹ đạo chuyển động của của bánh phải

Từ tâm vận tốc tức thời ICC, ta xác định được vận tốc góc của xe cắt cỏ tự hành Trước tiên phải xác định vận tốc góc của bánh xe bên trái và phải

Vận tốc góc của bánh xe bên phải :

( ) ( )

2

r r

v t t

L R

+ (2.1)

Vận tốc góc của bánh xe bên trái :

( ) ( )

2

l l

v t t

L R

− (2.2)

Từ đó ta suy ra được vận tốc góc của xe cắt cỏ tự hành:

(t) (t) ( ) r( ) l( )

v t V t t

L

 = − = − (2.3) Bán kính cong từ tâm di chuyển của xe cắt cỏ tự hành tới tâm của vận tốc tức thời được xác định bởi công thức sau: