Tính toán và chế tạo xe tự hành AGV vận chuyển hàng hóa trong công nghiệp

Đồ án tốt nghiệp loại xuất sắc Khái niệm xe tự hành (Automated Guided Vehicle) là một khái niệm chung chỉ tất cả các hệ thống có khả năng vận chuyển mà không cần người lái. Trong công nghiệp AGV được hiểu là các xe chuyên chở tự động được áp dụng trong các lĩnh vực: - Cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất. - Vận chuyển hàng giữa các trạm sản xuất, trong khu vực sản xuất - Phân phối, cung ứng sản phẩm, đặc biệt trong bán buôn. - Cung cấp, sắp xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viện, siêu thị, văn phòng. - Qua tất cả các ứng dụng trên, đã thể hiện rất rõ hiệu quả của như: Giúp giảm thiệt hại trong kiểm kê, sắp xếp sản xuất linh hoạt hơn, giảm thiểu nguồn nhân lực v.v…

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫn: TS Trương Công Tuấn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHÍA VIỆT

NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên:Nguyễn Công Đạt MSSV:20150839

Trần Văn Tuấn MSSV: 20154147Lớp: Kỹ thuật cơ điện tử 02 – K60

Bộ môn: Cơ Điện Tử

III/ NỘI DUNG THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN

- Giới thiệu chung

- Thiết kế hệ thống cơ khí

- Thiết kế hệ thống điều khiển

- Mô hình và kết quả thực nghiệm

- Kết luận

IV/ CÁC BẢN VẼ VÀ ĐỒ THỊ

- Bản vẽ tách chi tiết (A0)

- Bản vẽ mạch điều khiển (A0)

- Bản vẽ lắp (A0)

- Bản vẽ cơ cấu đổ hàng (A0)

- Bản vẽ sơ đồ thuật toán (A0)

- Bản vẽ sơ đồ nguyên lý (A0)

V/ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Trương Công Tuấn

VI/ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ THIẾT KẾ: 06/9/2020

VII/ NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN: 20/1/2021

Hà Nội, ngày tháng năm 2021Giảng viên hướng dẫn

Đánh giá của giảng viên hướng dẫn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Nguyễn Công Đạt

Trần Văn Tuấn

Giảng viên hướng dẫn

Đánh giá của giảng viên phản biện

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Nguyễn Công Đạt

Trần Văn Tuấn

Giảng viên phản biện

LỜI CẢM ƠN

Trải qua 5 năm học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi đã trang bị chochúng em những kiến thức về chuyên môn cũng như đời sống để có được hànhtrang tốt nhất cho tương lai

Đồ án tốt nghiệp ngày hôm nay chính là những kiến thức đã được tổng hợp đầy

đủ nhất mà chúng em đã tích lũy được trong thời gian học tập tại trường Quađây, nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô trong viện Cơ khí,

bộ môn Cơ điện tử và đặc biệt là thầy giáo Trương Công Tuấn đã tận tình hướngdẫn chúng em hoàn thành đồ án lần này Chúng em chúc các thầy cô luôn mạnhkhỏe, nhiệt huyết để dạy bảo, giúp đỡ các thế hệ sinh viên tiếp theo Cảm ơn giađình đã luôn tin tưởng và hi vọng, là nguồn động lực lớn nhất cho chúng con

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Đồ án tốt nghiệp của nhóm em là tính toán và chế tạo hệ thống xe tự hành agvvận chuyển hàng hóa trong công nghiệp Trong đồ án, nhóm đặt ra mục tiêu điềukhiển xe di chuyển thông minh tránh các vật cản lấy, trả hàng đúng vị trí Vớimục tiêu đó, chúng em đã vận dụng kiến thức về cơ khí, lý thuyết điều khiển tựđộng để tính toán và chế tạo nên một chiếc xe tự hành Từ đó có thể lựa chọn cácthiết bị phù hợp

Về phần cứng, nhóm xây dựng mô hình bằng vật liệu thép hộp để đảm bảo độcứng vững cho xe khi chịu tải nặng Hệ thống điều khiển sử dụng Arduino Mega

2560 kết hợp với driver L298 để điều khiển động cơ Cảm biến GM65, cảm biếnvạch line và cảm biến siêu âm có nhiệm xác đinh vị trí robot, xác định đường đi

và khoảng cách, báo vật cản Từ đó định hướng được hướng đi cho xe

Về phần mềm, nhóm sử dụng Solidworks và AutoCad để thiết kế mô hình, sửdụng phần mềm Arduino IDE để điều khiển chuyển động của xe Dùng phầnmềm matlab, proteus để mô phỏng Nhóm khi tiếp nhận đề tài nhận thấy rằng: đềtài thiết kế hệ thống xe tự hành là một đề tài hay, có tính ứng dụng thực tiễn cao

và phù hợp với sinh viên cơ điện tử.Tuy nhiên đề tài khá lớn và phức tạp, nên cónhiều thách thức với nhóm do kiến thức của mỗi thành viên trong nhóm cònnhiều hạn chế Nên đề tài của nhóm chỉ dừng lại ở mô hình nhỏ, thuật toán cònkhá đơn giản Điều kiện về kinh phí còn hạn chế nên chỉ đạt được một phần Hivọng sau đồ án này, nhóm sẽ có những nghiên cứu và phát triển thêm để đạt đượcmục tiêu đã đưa ra Qua đồ án này, chúng em học được nhiều kiến thức trongviệc sử dụng các thiết bị điện tử và động cơ Ngoài ra, còn trau dồi cho bản thânđược các kỹ năng về văn phòng cũng như lập trình

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

3.2.1 Xây dựng hàm truyền động cơ 373.2.2 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 39

3.4.1 Động Cơ DC Servo GM25-370 DC Geared Motor 46

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.25 Mô phỏng độ chuyển vị của khung xe 29

Hình 2.28 Mô phỏng ứng suất chi tiết cánh tay đòn 30Hình 2.29 Mô phỏng ứng suất chi tiết giá đỡ chứa hàng 31Hình 2.30 Mô phỏng chuyển vị chi tiết cánh tay đòn 32Hình 2.31 Mô phỏng chuyển vị chi tiết giá đỡ chứa hàng 32Hình 2.32 Mô phỏng chuyển vị cụm chi tiết đổ hàng hóa 33

Hình 3.1 Mô hình hóa không gian làm việc và các vị trí 35

Hình 3.9 Sơ đồ khối sử dụng PID điều khiển động cơ 41

Hình 3.23 Cảm biến la bàn số và gia tốc GY-511 LSM303DLHC 54

Hình 3.24 Cảm biến dò line TCRT 5000 55Hình 3.25 Sơ đồ các chân cảm biến dò Line TCRT5000 55Hình 3.26 Sơ đồ nối mạch của cảm biến dò Line TCRT5000 55

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của xe với hệ thống đổ trả hàng 19

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của arduino mega 2560 50Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của cảm biến siêu âm SFR 52

1.1 Giới thiệu đề tài

Cùng với sự mở rộng của các nhà máy được tự động hóa và cơ khí hóa, các vấn

đề về việc vận chuyển, bốc dỡ và tích trữ hàng hóa trở nên ngày càng quan trọnghơn Theo xu hướng gia tăng sự tự động hóa trong các lĩnh vực sản xuất, các hệthống vận chuyển bên trong các nhà máy dưới dạng “hệ thống máy dẫn đường tựđộng” ngày càng chiếm một vị trí quan trọng trong toàn bộ lĩnh vực xử lý vậtliệu Xe được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ:

- Cung cấp và chuyên chở ở các khu vực sản xuất và kho Khu vực này bao gồmnhiều ứng dụng khác nhau trong toàn bộ luồng vật liệu từ khi nhập hàng hóa, quakho và vùng sản xuất đến khi chuyển đi

- Ứng dụng tích hợp sản xuất của xe tự hành chở hàng như một bệ nền lắp ráp.Ứng dụng này dựa trên cơ sở ý tưởng rằng quy trình sản xuất có thể được cấutrúc theo cách linh hoạt hơn với hệ thống vận chuyển này

- Cung ứng và chuyên chở trong các khu vực đặc biệt, như ở bệnh viện và dichuyển tài liệu trong các văn phòng, trong các khu sản xuất diện tích lớn

Trong tất cả các ứng dụng trên, người ta thấy rằng xe tự hành làm cho kế hoạchsản xuất linh hoạt hơn, giảm thiểu nhu cầu nhân lực, hữu ích cho việc phát triểncông nghệ 4.0

Hình 1.1 Xe tự hành di chuyển trong nhà máy

1.2 Tổng quan về xe tự hành

1.2.1 Giới thiệu xe tự hành

Khái niệm xe tự hành (Automated Guided Vehicle) là một khái niệm chung chỉtất cả các hệ thống có khả năng vận chuyển mà không cần người lái Trong côngnghiệp AGV được hiểu là các xe chuyên chở tự động được áp dụng trong cáclĩnh vực:

- Cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất

- Vận chuyển hàng giữa các trạm sản xuất, trong khu vực sản suất

- Phân phối, cung ứng sản phẩm, đặc biệt trong bán buôn

- Cung cấp, sắp xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viên, siêu thị, vănphòng

- Qua tất cả các ứng dụng trên, đã thể hiện rất rõ hiệu quả của như: Giúp giảmthiệt hại trong kiểm kê, sắp xếp sản xuất linh hoạt hơn, giảm thiểu nguồn nhânlực v.v…

Ngoài ra, xe tự hành còn giúp giảm chi phí chế tạo, tăng hiệu quả sản xuất.Chúng có thể chế tạo để chuyển hàng, kéo hàng, nâng hoàng cấp phát cho một số

vị trí làm việc nhất định

Lịch sử phát triển của xe tự hành

Hệ thống xe dẫn hướng tự động (AGVS) đã tồn tại từ năm 1953 bới BarrettElectronics of Northbrook, bang Illinois – USA, nay là Savant Automation ofWalker, bang Michigan – USA Một nhà phát minh với một giấc mơ sáng chế ramột phương pháp tự động hoá con người trên chiếc xe tải kéo mà đã được sửdụng trong các nhà máy trong nhiều năm

Lúc đầu chỉ là một chiếc xe kéo nhỏ chạy theo một đường dẫn Hệ thống hướngdẫn đầu tiên được tạo ra khi xuất hiện các cảm biến dò theo một từ trường AGV

tồn tại ở mức này giữa năm bảy mươi Công nghệ lúc này đã điều khiển các hệthống để mở rộng khả năng và tính linh hoạt Xe không chỉ còn được dùng đểkéo rơ moóc trong kho, mà còn được sử dụng trong quá trình sản xuất, làm việc,

và các

hệ thống lắp ráp ô tô

Hình 1.2 Một trong những mấu xe đầu tiên

Qua nhiều năm, khi công nghệ trở nên tinh vi hơn, thì ngày nay các xe chủ yếuđược định vị bởi hệ thống Lazer LGV (Lazer Guided Vehicle) Trong quá trình tựhành, LGV được lập trình để giao tiếp với các robot khác nhằm đảm bảo sảnphẩm được chuyển qua các trạm, kho nơi mà sau đó chúng được giữ lại hoặcchuyển đến một vị trí khác Ngày nay, LGV đóng vai trò quan trọng trong thiết

kế các nhà máy và nhà kho, đưa hàng hóa đến đúng địa điểm một cách an toàn

1.2.2 Phân loại xe tự hành

● Phân loại theo chức năng

*) Xe kéo (Towing Vehicle)

Xe kéo xuất hiện đầu tiên và bay giờ vẫn còn thịnh hành Loại này có thể kéođược nhiều loại toa hàng khác nhau và chở được từ 8000 đến 60000 pounds

Ưu điểm của hệ thống xe kéo:

- Khả năng chuyên chở lớn

- Có thể dự đoán và lên kế hoạch về tính hiệu quả của việc chuyên chở cũng nhưđảm bảo an toàn

- Tăng tính an toàn

Hình 1.3 Mô hình xe kéo

*) Xe chở (Unit Load Vehicle)

Xe chở được trang bị các tầng khay chứa có thể là các nâng, hạ chuyền độngbằng băng tải ,đai hoăc xích Loại này có ưu điểm:

- Tải trọng được phân phối và di chuyển theo yêu cầu

- Thời gian đấp ứng nhanh gọn

- Giảm hư hại sản

- Đường đi linh hoạt

- Giảm thiểu các tắc nghẽn giao thông chuyên chở

- Lập kế hoạch hiệu quả

Hình 1.4 Mô hình xe chở

*) Xe đẩy (Cart Vehicle)

Xe đẩy được cho là có tính linh hoạt cao và rẻ tiền Chúng được sử dụng đểchuyên chở vật liệu và các hệ thống lắp giáp

Hình 1.5 Mô hình xe đẩy

*) Xe nâng (Fork Vehicle)

Có khả năng nâng các tải trọng đặt trên sàn hoặc trên các bục cao hay các khốihàng đặt trên giá

Hình 1.6 Mô hình xe nâng

● Phân loại theo dạng đường đi

*) Loại chạy không chạy theo đường dẫn (Free path navigation)

Có thể di chuyển đến các vị trí bất kỳ trong không gian hoạt động Đây là loại xeAGV có tính linh hoạt cao được định vị vị trí nhờ các cảm biến con quay hồichuyển (Gyroscop sensor) để xác định hướng di chuyển, cảm biến laser để xácđịnh vị trí các vật thể xung quanh trong quá trình di chuyển, hệ thống định vị cục

bộ (Local navigation Location) để xác định tọa độ tức thời,… Việc thiết kế loại

xe này đòi hỏi công nghệ cao và phức tạp hơn so với các loại xe khác

*) Loại chạy theo đường dẫn (Fixed path navigation)

Xe AGV thuộc loại này được thiết kế chạy theo các đường dẫn định sẵn gồm cácloại đường dẫn như sau:

- Đường dẫn từ: Là loại đường dẫn có cấu tạo là dây từ (Magnetic wire) chôn

ngầm dưới nền sàn Khi di chuyển, nhờ có các cảm biến cảm ứng từ mà xe có thể

di chuyển theo đường dây dẫn Loại đường dẫn này không nằm bên trên mặt sànnên có mỹ quan tốt, không ảnh hưởng đến các công việc vận hành khác Tuynhiên khi sử dụng phải tiêu tốn năng lượng cho việc tạo từ tính trong dây, đồngthời đường dẫn là cố định và không thể thay đổi được

- Đường ray dẫn: Xe tự hành được chạy trên các ray định trước trên mặt sàn.

Loại này chỉ sử dụng đối với những hệ thống chuyên dụng Nó cho phép thiết kế

xe đơn giản hơn và có thể di chuyển với tốc độ cao nhưng tính linh hoạt thấp

- Đường băng kẻ trên sàn: Xe AGV di chuyển theo các đường băng kẻ sẵn trên

sàn nhờ các loại cảm biến nhận dạng vạch kẻ Loại này có tính linh hoạt cao vìtrong quá trình sử dụng người ta có thể thay đổi đường đi một cách dễ dàng nhờ

kẻ lại các vạch dẫn Tuy nhiên khi sử dụng, các vạch dẫn có thể bị bẩn hay hư hạigây khó khăn cho việc điều khiển chính xác xe

- Điều hướng bằng Laser: LGV (Laser Guided Vehicle), đây là một trong những

hệ thống điều hướng phổ biến nhất, nó được dùng cho các phương tiện dẫnđường bằng laser Công nghệ điều hướng laser guided được sử dụng rộng rãitrong xe nâng tự động, được sử dụng trong các ứng dụng nhà kho Công nghệđiều hướng laser guided điều khiển một hệ thống robot đến vị trí mục tiêu bằnglaser Nó được thực hiện bằng cách chiếu ánh sáng laser, xử lý hình ảnh giao tiếp

để cải thiện độ chính xác của sự điều hướng Điều hướng laser bao gồm các lĩnhvực robot, thị giác máy tính, giao diện người dùng, trò chơi video, giao tiếp vàcông nghệ nhà thông minh

+Ưu điểm: dễ dàng cài đặt, định vị chính xác, không tốn chi phí bảo trì cài đặt+Nhược điểm: LGV có giá tương đối cao, dễ sửa đổi chương trình theo dõi AGVnhưng chỉ có các kỹ sư của nhà cung cấp mới có thể thực hiện

- Điều hướng GPS, RTLS: các vệ tinh, beacon được dùng để xác định vị trí AGV

(thích nghi với môi trường ngoài trời, độ chính xác thấp và không thể sử dụngbên trong)

1.3 Lựa chọn phương án xây dựng

- Xe tự hành dẫn hướng bằng mã qr code

- Các bộ phận dẫn động và điều khiển: Động cơ, mạch điều khiển, cảm biến…

- Khay chứa tải: Được thiết kế tùy theo loại xe và yêu cầu sử dụng

- Nguồn năng lượng: Ắc quy, điện một chiều

- Các hệ thống định vị và truyền thông: Cảm biến quét mã vạch GM 65, cảm biếnsiêu âm…

1.4 Nhiệm vụ và phương hướng đề tài

1.4.1 Nhiệm vụ

Xe tự hành trong đề tài nghiên cứu là xe chở, vận chuyển hàng hóa trong côngnghiệp Đặc biệt hướng tới các hàng hóa trong ngành công nghiệp thương mại,

có kích thước vài tải trọng đòi hỏi thay đổi liên tục Trong khuôn khổ của một đồ

án tốt nghiệp với kinh phí và khả năng hạn hẹp, nên để đề tài có tính khả thi cao,nhóm chúng em đã đề ra các nhiệm vụ trong việc thiết kế và chế tạo xe tự hànhnhư sau:

Chế tạo kết cấu kết cấu cơ khí cho xe là loại xe chở hàng hóa có kích thước khácnhau và đa dạng về hình dáng với tải trọng tối đa là 3kg (bao gồm tải trọng củaxe) Đảm bảo được được độ vững chắc của xe và hàng hóa trong quá trình dichuyển, tạo sự ổn định và thuận lợi cho phần điều khiển

Thiết kế được mạch điện tử cho xe hoạt động ổn định, có nhiều cổng vào ra, thựchiện các chức năng như: điều khiển các động cơ của xe, kết nối với cảm biến, …Lập trình điều khiển cho xe di chuyển đến đúng vị trí và thực hiện đúng thao tácyêu với tốc độ ổn định 30m/phút Sai lệch dừng lớn nhất là 10mm và sai lệch gócnhỏ hơn 3 độ Thiết kế cho hệ thống AGV có khả năng phát hiện được vật cảntrong quá trình di chuyển đồng thời đưa ra cảnh báo và định hướng di chuyển.Tìm hiểu và thiết kế cơ khí cho xe Sử dụng năng lượng là nguồn điện một chiều

1.4.2 Phương hướng xây dựng đề tài

Từ những nhiệm vụ ở trên, nhóm chúng em đã thảo luận và đưa ra được nhữngphương hướng cụ thể để bắt tay vào thực hiện đề tài như sau:

Tìm kiếm tài liệu về xe tự hành thông qua nhiều nguồn khác nhau như: tài liệutrên mạng internet, các bài giảng của các thầy cô giáo trong trường cũng như giáotrình của một số trường đại học khác, các đồ án hoặc công trình nghiên cứu vềAGV…

Khảo sát các mô hình thực tế đang có trên thị trường như trong các siêu thị, trongcác nhà máy sản xuất ở trong và ngoài nước…

Đưa ra đề xuất thiết kế chế tạo xe mang tính khả thi nhất, có tham khảo ý kiếnnhận xét của thầy hướng dẫn để hoàn thiện ý tưởng thiết kế

Tiếp theo tiến hành thiết kế mô hình hóa cho kết cấu cơ khí, tính toán tải trọng đểlựa chọn động cơ và chế tạo trục bánh xe Đồng thời thiết kế được mạch điềukhiển đáp ứng được khả năng điều khiển cho xe

Tiến hành chế tạo, lắp ráp cơ khí cho xe Thử khả năng tải trọng của xe và động

cơ có đáp ứng được yêu cầu theo tính toán hay không Nếu đáp ứng thì tiến hànhkết nối mạch điều khiển với xe Lắp ráp các modul lại với nhau…

Tiếp theo là lập trình điều khiển cho xe dựa vào những phần mềm có sẵn, nhằmđáp ứng được với các mục tiêu được đề ra Trong quá trình vận hành nếu xảy ra

sai sót thì tiến hành sửa chữa, điều chỉnh sao cho hệ thống xe hoạt động chínhxác, ổn định.

Cuối cùng đưa ra đánh giá nhận xét và đề xuất hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2.1 Giới thiêu chương

Khi lên ý tưởng về một chiếc máy hay robot thì điều quan trọng và không thểthiếu là phần thiết kế phần cơ khí Trong chương này em sẽ giới thiệu quy trình

để thiết kế cơ khí hình thành lên một con xe tự hành cơ bản Bao gồm: tính toánthiết kế, mô hình hóa các chi tiết, tính chọn động cơ và kiểm nghiệm độ bền hệthống

2.2 Yêu cầu kỹ thuật

2.2.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, trong công nghiệp xe tự hành được hiểu là các xe chuyên chở tự độngđược áp dụng trong các lĩnh vực:

- Cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất

- Chuyển hàng giữa các trạm sản xuất

- Phân phối, cung ứng sản phẩm, đặc biệt trong bán buôn

- Cung cấp, sắp xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viên, siêu thị, vănphòng

Qua tất cả các ứng dụng trên, Xe tự hành thể hiện rất rõ hiệu quả của mình như:Giúp giảm thiệt hại trong kiểm kê, sắp xếp sản xuất linh hoạt hơn, giảm thiểunguồn nhân lực v.v…

Giúp giảm chi phí chế tạo, tăng hiệu quả sản xuất Chúng có thể được chế tạo đểchuyển hàng, kéo hàng, nâng hoàng cấp phát cho một số vị trí làm việc nhất định.Mang đến nhiều lợi ích khác nhau cho các công ty khi giúp giảm số lượng nhâncông, tăng hiệu suất làm việc mà không cần phải tăng chi phí, giảm thiểu tai nạn

và nâng cao an toàn trong quá trình sản xuất

Thấy được những lợi ích mà nó mang lại thì việc thiết kế và điều khiển một con

xe tự hành là rất cần thiết Phát triển nhiều tính năng mới và hoạt động một cáchmượt mà hơn

Sử dụng nhiều tính năng định hướng giúp xe hoạt động thông minh hơn và đadạng hóa nhiều hơn

2.2.2 Yêu cầu đặt ra

● Xe tự hành hoạt động ở chế độ:Phát hiển và xử lý khi có vật cản, đọc vị trí

và điều khiển tới đúng vị trí trả hàng

● Di chuyển trên địa hình bằng phẳng, trong phòng

● Đảm bảo độ cứng vững và chịu tải trọng: 7KG (bao gồm cả trọng lượngxe)

● Tốc độ tối đa khi ổn định 15m/phút (ổn định khi có tải)

● Gia tốc tối đa 0,25𝑚/𝑠2

● Sai lệch dừng lớn nhất 10mm

● Sai lệch góc tại mỗi vị trí nhỏ hơn 3 độ

● Định hướng di chuyển và giảm nhiễu

● Hàng hóa có kích thước tải trọng tối đa 3kg-H/W/L:20/25/30(mm)

2.3 Phân tích phương án lựa chọn

Phương án 1: Cơ cấu di chuyển bằng 3 bánh

● Bánh chủ động phía sau và bánh tự lựa phía trước

Hình 2.1 Cơ cấu xe 3 bánh

- Ưu điểm:

● 3 bánh xe luôn đồng phẳng tiếp xúc với mặt đất

● Kết cấu cơ khí đơn giản

● Qua cua dễ dàng

● Dễ điều khiển

- Nhược điểm:

● Xe mang tải nặng hoặc kích thước lớn sẽ khiến xe dễ lật

● Khó cân xứng khi mang tải dễ lệch hướng

Phương án 2: Cơ cấu di chuyển bằng 4 bánh.

● Hai bánh tự lựa phía trước, hai bánh chủ động phía sau

Hình 2.2 Cơ cấu xe 4 bánh

- Ưu điểm:

● Xe có kết cấu đơn giản

● Xe có 4 bánh nên khi mang tải nặng, kích thước lớn qua cua dễdàng

● Dễ điều khiển

- Nhược điểm:

● Khó đảm bảo 4 bánh luôn đồng phẳng

● Kết cấu 2 bánh tự lựa ở phía trước nên khó qua cua

Qua nhưng phân tích và tham khảo những phương án trên e quyết định chọnphương án thiết kế cơ cấu xe 4 bánh: 1 bánh tự lựa phía trước, 1 bánh tự lựa phíasau và 2 bánh chủ động ở giữa

Hình 2.3 Cơ cấu xe lựa chọn

2.4 Bánh xe

2.4.1 Bánh xe chủ động

Yêu cầu:

- Nhẹ, bền, khả năng chịu tải tốt

- Đường kính bánh xe <200mm

- Phù hợp với di chuyển trên địa hình bằng phẳng

Phương án lựa chọn loại bánh xe cao su – kim loại đường kính 64mm có thể chịutải trọng 50KG

- Xử lý nhanh khi vào cua

- Phù hợp hoàn cảnh kinh tế sinh viên

Hình 2.5 Bánh xe dẫn hướng

2.5 Động cơ

2.5.1 Giới thiệu chung

Cấu tạo của động cơ gồm stator, rotor và hệ thống chổi than-vành góp Stator baogồm vỏ máy cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích)bao gồm các bối dây được đặt trong rãnh của lõi sắt Đối với các động cơ có côngsuất nhỏ người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

Hình 2.6 Cấu tạo của rotor động cơ

Rotor (còn gọi là phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật cách điện lại có rãnh để đặtcác phần tử của dây quấn phần ứng Lõi thép có hình trụ tạo thành từ việc ghépnhiều lá thép kỹ thuật điện đã phủ lớp vecni cách điện để giảm tổn hao gây bởidòng điện xoáy Chung quanh lá thép được dập các rãnh để khi ghép lại sẽ tạothành rãnh của phần ứng để đặt bộ dây quấn Giữa lá thép có dập lỗ để lắp trục vàchốt chêm dọc Ngoài ra, trên lá thép còn được dập một số lỗ thông gió để làmmát Thân máy, cực từ và lõi thép phần ứng hợp thành mạch từ của máy điện mộtchiều

Dây quấn được tạo thành từ nhiều phần tử dây quấn, mỗi phần tử gồm nhiềuvòng dây được xếp trong các rãnh của lõi thép Hai đầu phần tử nối với với 2phiến góp, 2 cạnh tác dụng của mỗi phần tử được xếp trong 2 rãnh nằm dưới 2cực khác tên.

Phần ứng được bắt chặt trên trục thép, hai đầu trục có gắn bạc đạn Nắp máy giữ

cố định hai bạc đạn và được bắt chặt vào thân máy bằng bulông xuyên

Hình 2.7 Stator của động cơ

Stator còn gọi là phần cảm có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy, thườngđược chế tạo bằng gang hay thép đúc Stator là mạch từ cũng vừa là vỏ máy baobọc các bộ phận bên trong Phía mặt trong của stator có gắn các cực từ, phần cuốicực từ được làm loe ra tạo thành đầu cực từ, trên thân cực từ có gắn cuộn dâyquấn kích từ

Hình 2.8 Cổ góp và chổi than

Cổ góp tạo thành từ việc ghép nhiều phiến góp bằng đồng thành một hình trụtròn, sau đó gắn vào trục rotor, giữa các phiến góp có cách điện với nhau và được

cách điện với trục bằng lớp mica mỏng Một đầu phiến góp được xẻ rãnh để hànvới đầu dây của phần tử dây quấn phần ứng.

Chổi than còn gọi là chổi điện làm từ than graphit và được đặt trong giá đỡ hìnhhộp Chổi than có thể di chuyển dọc theo trục giá đỡ, giá đỡ được cách điện vàbắt chặt vào nắp máy Một đầu chổi than tì sát lên bề mặt cổ góp, đầu còn lại có

lò xo ép chặt

Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều vào cuộn dâyphần ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng.Số lượng chổi thanbằng số lượng cực từ(một nửa có cực tính dương, một nửa có cực tính âm)

2.5.2 Encoder

Module encoder thương được sử dụng để ổn định tốc độ động cơ, xác định sốvòng quay của bánh xe…Trong sản phầm của đề tài, encoder được sử dụng đểxác đinh vị trí và hướng của robot trong môi trường làm việc

Nguyên lí hoạt động:

Nhìn chung các loại Encoder có nguyên lý hoạt động giống nhau Với encoderquang, Encoder sử dụng một nguồn phát quang là tia hồng ngoại – infrared, 2transistor quang cho 2 kênh như sơ đồ mạch ở Hình 2.11, khi đĩa encoder ởkhoảng trống thì lúc này tia hồng ngoại được chiếu vào transistor quang làm chotransistor dẫn bão hòa, lúc này ở kênh A hay kênh B Hai transistor quang Q1,Q2 được đặt ở vị trí để 2 kênh A, B lệch pha nhau 1 góc 90º

Hình 2.9 Sơ đồ mạch nguyên lý của encoder

Hình thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau Khi cảm biến

A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên qua, vàngược lại hình dưới của Hình là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh Xét trường hợptrục quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải Bạn hãy quansát lúc tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ởmức thấp Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi”

từ phải qua trái Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao.Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta biêt được chiều quay củađộng cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A).

Hình 2.10 Hai kệm A và B trong encoder

2.5.3 Tính chọn động cơ chính

Để xe chuyển động, động cơ có vai trò cung cấp moment cho các bánh xe Quátrình chuyển động này chịu ảnh hưởng đáng kể của khối lượng xe và ma sát giữabánh xe và mặt đường Vậy lực tạo ra để xe di chuyển được với gia tốc a = 0,25

- m: Tổng khối lượng chịu tải (kg).

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của xe

𝑅

Ta tính được:

𝐹 = 7 0, 25 + 0, 04 7 10 = 4, 55 (𝑁) (2.2)Công suất trên động cơ ( áp dụng công thức 2.11 sách tính toán và thiết kế hệ dẫnđộng cơ khí của Trịnh Chất – Lê Văn Uyển )::

Động Cơ DC Servo GM25-370 DC Geared Motor

Hình 2.12 Động Cơ DC Servo GM25-370

Hình 2.13 Kích thước động cơ

Thông số kỹ thuật của động cơ:

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của động cơ

Momen xoắn định mức 0.43Nm

2.5.4 Động cơ phụ chuyển hàng hóa

Để xe chuyển hàng hóa vận chuyển từ xe tới các khoang chứa, động cơ có vai tròcung cấp moment tạo lực giúp đẩy cánh tay đòn tạo độ dốc giúp hàng hóa trượtxuống khoang chứa Quá trình chuyển động này chịu ảnh hưởng đáng kể củakhối lượng hàng hóa và lực ma sát giữa thanh răng và giá đỡ thanh răng Vậy lựctạo ra để thanh răng di chuyển được với gia tốc a = 0,2𝑚/𝑠2

Xét sơ đồ đặt lực:

Hình 2.14 Sơ đồ đặt lực

Định luật 2 Niuton cho thanh răng ta được:

F-Fms-F1=m1.aF=Fms+F1+m1.aF=m1.g +m.g.d1/d2+m1.a (2.6)µTrong đó :

- F: Lực tác động từ động cơ

- Fms: Lực mát giữa thanh răng và giá đỡ thanh răng

- F1: Lực tác động từ cánh tay đòn giá đỡ hàng hóa

- m1: Khối lượng thanh răng

- m: Khối lượng hàng hóa tối đa

- a: Gia tốc chuyển động của thanh răng mong

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của xe với hệ thống đổ trả hàng

m1 Khối lượng thanh răng <0.3 KG

d1 Cánh tay đòn của vật với khớp quay A 14 mm

d2 Cánh tay đòn của thanh răng khớp quay A 6 mm

𝑑

Công suất của động cơ ( áp dụng công thức 2.8, 2.10, 2.11 sách tính toán và thiết

kế hệ dẫn động cơ khí của Trịnh Chất – Lê Văn Uyển ): :

và thiết kế hệ dẫn động cơ khí của Trịnh Chất – Lê Văn Uyển )::

T=F.𝑑 =70,15.17/2=596(Nmm)=0,596(N.m) (2.8)

𝑤/2Tốc độ quay trục động cơ ( áp dụng công thức 2.8, 2.10, 2.11, 2.12, 2.15, 2.16sách tính toán và thiết kế hệ dẫn động cơ khí của Trịnh Chất – Lê Văn Uyển ):

(2.9)

Từ những yêu cầu trên nhóm em lựa chọn mẫu động cơ:

Hình 2.15 Động cơ DC servo JGB 37 - 545

Hình 2.16 Kích thước động cơ

Thông số kỹ thuật của động cơ:

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của động cơ

Momen xoắn tối đa 1,5Nm

● Trục được nhiệt luyện đạt độ cứng: (40 – 42) HRC,

● Tương đương với HB = 375 – 425

Tra bảng 10.5 (sách tính toán thiết kế hệ thống dẫn động khí của Trịnh Chất –

Lê Văn Uyển ):)

F=mg/2=7.10/2=35 (N)

Giá trị momen tương đương (công thức 10.16 sách tính toán và thiết kế hệ dẫnđộng cơ khí của Trịnh Chất – Lê Văn Uyển ) được xác định như sau:

𝑀

𝑡𝑑 = 𝑀

𝑥

2+ 0, 75𝑇2 (𝑁𝑚𝑚)

𝑀

𝑡𝑑 = 0 352 + 0, 75 0, 212 = 0, 37(𝑁𝑚𝑚)(2.11)

Tính sơ bộ kích thước trục: