đồ án tính toán thiết kế hệ thống cơ điện tử

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1 Khái lược về lịch sử phát triển ngành cơ điện tử
Cơ điện tử là thuật ngữ chỉ lĩnh vực khoa học công nghệ giao nhau giữa cơ khí với kỹ
thuật điện tử, điều khiển hệ thống và công nghệ thông
Từ cơ điện tử tiếng anh là mechatronics được viết tắt của từ ghép giữa mechanics và
electronics được người Nhật sử dụng đầu tiên vào năm 1975 trong việc điều khiển động
cơ điện bằng máy tính. Thuật ngữ này sau đó trở nên phổ biến ở Nhật và nhanh được
nhiều nước trên thế giới sử dụng.
Nhìn chung cơ điện tử được coi là ngành thích hợp các đối tượng cơ bản đang tồn tại
các bộ môn quan theo hình thức khác với truyền thống phát triển hơn là một ngành học.
1.2. Ứng dụng của robot trong công nghiệp sản xuất tự động
Từ khi mới ra đời hệ thống phân loại sản phẩm được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới
góc độ thay thế sức con người. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng
suất và hiệu quả sản xuất tăng rõ rệt. Mục tiêu ứng dụng hệ thông phân loại san phẩm
nhằm góp phần nâng cao năng xuất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất
lượng và khả năng cạnh tranh cũa sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt
được các mục tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn của hệ thống phân loại sản
phẩm.

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


Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các may CNC với Robot
công nghiệp, các dây chuyền đó đạt được mức tự động hóa cao…ở đây các máy và Robot
được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình. Ngoài các phân xưởng, nhà máy,
kỹ thuật Robot cũng đươc sử dụng trong việc vượt hơn khả năng của con người. do đó nó
là phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng xuất lao động, giảm nhẹ cho con
người trong những công việc nặng nhọc như lắp ráp oto, vận chuyển hang hóa và tránh
tieps xúc các chất độc hại như trong công nghiệp hàn sơn.

Hệ thống sản xuất đĩa CD của công ty Bluray

Nhà máy FORD đươc trang bị dây chuyền sơn linh hoạt tiên tiến nhất trên thế giới. tất cả
các cấu trúc chính của xe đều được sơn bởi các robot để dạt độ chính xác và đồng đều
cao. Với những thiết bị kiệm định và phương pháp quản lí chất lượng hiện đại của Nhật
Bản, kích cỡ của các thiêt bị gá lắp có thể điều chỉnh để đảm bảo chất lượng tốt nhất cho
các than xe được ráp.
Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của Robot là chưa được linh hoạt như con người, trong
dây chuyền tự động, nếu có một Robot bị hỏng cỏ thể làm ngưng cả hoạt động dây
chuyền, cho nên Robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con
1.3. Giới thiệu về đề tài
Phân loại sản phẩm là công đoạn phân biệt các sản phẩm có đặc điểm khác nhau về
hình dáng, kích thước, chiều cao, màu sắc,… và từ đó loại ra những sản phẩm không đạt
yêu cầu để nâng cao chất lượng sản phẩm hoặc phân chia ra nhiều loại sản phẩm có đặc
điểm khác nhau vào chung một chỗ trong dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp


để dễ vận chuyển và đóng gói,… trong các công đoạn sau. Tuy nhiên, việc chọn phương
thức phân loại cho sản phẩm lại phụ thuộc vào nhiệm vụ của hệ thống nên trước khi thiết
kế và chế tạo mô hình cần phân tích và xác định kỹ lưỡng nhiệm vụ của toàn hệ thống và
từng bộ phận.
1.4. Nôi dung, ý nghĩa, mục đích của đề tài
Trong thưc tế, các dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp bao gồm rất nhiều
khâu, công đoạn và gồm rất nhiều thiết bị, cơ cấu khác nhau. Tuy nhiên như vậy thì sẽ
tốn nhiêu thời gian trong sản xuất và việc đầu tư trang thiết bị nhiều sẽ gây tốn kém và
chiếm nhiều không gian trong nhà máy sản kiệm tối đa thời gian để hoàn thành sản phẩm.
Cho nên hệ thống phân loại sản phẩm là hết sức cần thiết. Cánh tay robot sẽ làm việc với
các băng chuyền và máy tính.xuất. Vấn đề được đặt ra là giảm các khâu và công đoạn
trong sản xuất trên một dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp và tiết
Vì vậy, đề tài: Hệ thống cấp phôi và lấy phân loại sản phẩm kim loại và phi kim là một
ví dụ về sự kết hợp việc lấy phôi và phân loại sản phẩm. Đồng thời phối hợp làm việc của
robot với các băng chuyền, và qua đó thiết lập được một chương trình điều khiển để thay

đổi hoạt động của robot.


CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG.

2.1 . SƠ ĐỒ HỆ THỐNG:
- Thiết kế trên lệnh paint của window:

Hình 2.1: Mô hình hóa hệ thống phân loại sản phẩm.
1- Băng chuyền chính
2- Băng chuyền phụ
3- Cánh tay robot
4- Bộ phận điều khiển
5- Cảm biến từ
6- piston đẩy vật kim loại


7 - Cảm biến vật thể
8- Thùng chứa vật kim loại
9- Thùng chứa vật phi kim
- Nguyên lý làm việc:
Vật thể được chuyển trên băng chuyền chính. Khi đến nơi chuyển tiếp, cảm biến xác
nhận vật thể xác định được vật, làm băng chuyền ngừng hoạt động. Vật thể sẽ bị piston
đẩy vào khu vực cảm biến từ để xác định vật là kim loại hay phi kim. Sau khi xác định
xong ,nếu là kim loại cánh tay robot sẽ đưa vật tới băng chuyền phụ, nếu là phi kim thì
ném vật vào thùng chứa vật phi kim.
2.2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC THÀNH PHẦN:
Vật thể là khối hình lập phương có kích thước cạnh a=3 cm
2.2.1. Tính toán băng chuyền:
a) kích thước: đơn vị cm

a1) Băng chuyền chính :


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

b) Tính toán động học:
Băng chuyền hoạt động nhờ lực kéo của động cơ , qua bộ truyền đai
b1) Tính bộ truyền đai:
D1: Đường kính bánh đai dẩn (cm)
D2: Đương kính bánh đai bị dẩn (cm)
Công thức tính bộ truyền bánh đai:

i: hệ số truyền động đai
n1: số vòng quay động cơ (vòng/phút)
n2: Số vòng quay bánh đai bị dẩn (vòng/phút)
b2) Tính vận tốc băng chuyền:(m/s)

b2) Tính động cơ dẩn động:
- Ta chọn động cơ KGC-3448 một chiều nguồn 24v, tốc độ 48 vòng/phút, công suất 17w.
Momen xoắn cực đại 2.5N.m. Khối lượng 250g, đường kính trục 6mm. Hệ số giảm tốc 50:1
- Nguyên lý làm việc của động cơ khi cho điện áp một chiều U vào hai chuổi điện A và B,


Trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư, các thanh dẩn có dong điện nằm trong từ trường
nam châm vĩnh cửu sẽ chịu lực Fđt tác động làm cho roto quay. Chiều lực xác đinh theo quy tắc
bàn tay trái.
Phương trình điện áp :
U=Eư+RưIư
Trong đó: E:sức phản kháng điện

I:dòng điện trong dây quấn phần ứng
R:điện trở của dây quấn phần ứng
U:điện áp đưa vào
Phương trình sức điện đọng của động cơ điện một chiều :
F=
Trong đó:
P:số đôi cực từ chính
N:số thanh dẩn tác dụng của cuộn dây phần ứng
:số đôi cực nhánh song song của cuộn dây
n:tốc độ quay (vòng/phút)
:từ thông kích từ dưới một cự từ(Wb)
Momen điện từ của động cơ:
Mdt =


Động cơ 1 chiều
2.2.2. TÍNH TOÁN CÁNH TAY ROBOT:
a) kích thước: đơn vị cm
a1) kích thước cánh tay robot :(cm)

Hình 2.3: sơ đồ cánh tay robot


Nguyên lý hoạt động: sau khi cảm biến xác nhận vật liệu là kim loại hoặc phi kim, cảm
biến gửi tín hiệu cho vi điều khiển, vi điều khiển sẽ tác động rơ le đóng động cơ kẹp vật và
động cơ bước chính của cánh tay robot sẽ đưa vật thể đến nơi chứa. Khi đến nơi
a2) cơ cấu kẹp:

Hình 2.4: sơ đồ cơ cấu kẹp vật
Trong đó :

1- động cơ bước kẹp
2- cơ cấu biến đổi
3- dây đàn hồi
4-tay kẹp vật
5- dây kẹp
Nguyên lý làm việc: khi cơ cấu chưa hoạt động dây đàn hồi 3 giử tay kẹp ở trạng thái
mở, khi có lệnh từ vi điều khiển. Động cơ kẹp xoay qua bộ biến đổi kéo dây kẹp làm
khép tay kẹp kẹp giử vật. Khi cánh tay đến nơi thả vật, động cơ kẹp quay ngược lại nhr
vật ra.
a3) bậc tự do của robot:
Là số khả năng chuyển động có thể của 1 cơ cấu (rotate / translate), để dịch chuyển
một vật thể trong không gian thì cơ cấu chấp hành của robot phải đạt một số bậc tự do.
Nhưng để đảm bảo robot hoạt động được thì cơ hệ cua robot phải là một cơ cấu hở.
Theo giáo trình robot công nghiệp – ts. Phạm đăng phước ta có công thức xác định số
bậc tư do của robot là:


W=6.n-∑i.pi
Với: n: số khâu động
Pi: số khớp loai i
I: số bậc tự do bị hạn chế
Với các cơ cấu đươc nối vơi nhau băng khớp tịnh tiến thì số bậc tự do khâu động.
Với cơ cấu hở thì số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp. do vậy, để định
vị, hướng khâu cơ cấu chấp hành cuối trong không gian thì robot cần 6 bâc tự do, với 3
bậc để định vị, 3 bậc để định hướng. tuy nhiên khi robot thực hiện 1 số chuyển động dơn
giản thì có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn.
Từ công thức trên ta xác định số bậc tự do cho cánh tay robot như sau:
Cánh tay robot có n=2 khâu động.
Số bậc tự do bị hạn chế của khớp quay là 5, chỉ để lại một bậc tự do quay quanh trục
z.

Số bậc tự do bị hạn chế của khớp quay là 5, chỉ để lại một bậc tự do tịnh tiến theo
phương z.
Vì vậy cả 2 khớp là khớp loại 5.
Ta có: pi=2; i=5
Nên số bậc tự do của cánh tay robot là:
W=6.2-2.5=2
Do đó cánh tay robot có 2 bậc tự do

b) tính động học:
b1) bộ truyền bánh răng:
cấu tạo:- Gồm 1 bánh răng chủ động và một bánh răng bị động hoạt
động trên nguyên


lý ăn khớp nhau.
- truyền động trên bánh răng được thược hiện truyền chuyển động
hay biến đổi chuyển động nhờ sự ăn khớp của răng trên bánh răng.
- Tỉ số truyền bánh răng:
u
-hiệu suất truyền động
Trong đó: - n1,n2 là số vòng quay của hai bánh răng (vòng/ phút)
- d1, d2 là kích thước bán kính (cm)
- p1,p2 lần lược là công suất trên trục dẩn, trục bị dẩn(W)
b2) bộ truyền trục vít bánh vít:
cấu tạo: -gồm có trục vít và bánh vít, được dùng để truyền chuyển động và tải trọng giữa hai
trục chéo nhau nhờ sự ăn khớp của các ren trên trục vít với các răng
trên bánh vít. Trục vít là trục dẩn bánh vít là bánh bị dẩn.
- tỷ số truyền, kí hiệu là u,

u

Trong đó: -n1:số vòng quay của trục vít,n2 là số vòng quay bánh
Vít(V/phút)
- Hiệu suất truyền động
:góc nâng ren trục vít;góc ma sát trên bề mặt tiếp xúc
b3) tính toán động cơ bước
ta chọn động cơ lưỡng cực,có 4 đầu ra, mổi cuộn được nối ra ngoài ở giữa cuộn. hoạt
động trên nguyên tắc đảo chiều dòng diện qua cuộn dây a,b.


- Nguyên lý hoạt động: khi ta đóng dòng điện ở hai điện cực đối nhau thì, hai điện cực đó sẽ
tạo điện trường trái dấu kéo nam châm vinh cửu của roto quay.
- Đổi chiều quay bằng cách lập trình:
Nếu dịch bước từ trái sang phải thì động cơ sẽ quay sang phải
Nếu dich bước từ phải sang trái thì động cơ sẽ quay sang trái
- đổi chiều bằng phần cứng.
Hinh2.5: mô hình động cơ bước lưỡng cực
+ điều khiển tốc độ động cơ:
•
•

Trong đó: v- là vận tốc động cơ bước(vòng/giây)
n-số lần dịch bước
t- thời gianđộng cơ thực hiện n lần dịch bước (giây)
f- tần số dich bước(Hz)
-góc bước của dộng cơ(độ)
Điều khiển motor lưỡng cực với cầu H:
Motor bước lưỡng cực trên cuộn dây khôn có điểm giữa
nên khi đảo chiều động cơ gặp khó khăn. Để đảo được
chiều từ trường trong cuộn dây (cũng có nghĩa là đảo

chiều dòng điện)Phải dùng cấu trúc gọi là cầu h .
Thông thường L1,R1 đóng ở chế độ thuận. l2,R2 đóng ở
chế độ nghịch



CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN ĐIÊU KHIỂN

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

linh ROM RAM Châ Timer Ngắt Vcc Đóng
n I/O
vỏ

AT89C51

4K

128

32

2

6

5V

40

AT89LV51

4K

128

32

2

6

3V

40

AT89C1051 1K

64

15

1

3

3V

20

AT89C2051 2K

128

15

2

6

3V

20

AT89C52

8K

128

32

3

8

5V

40

AT89LV52

8K

128

32

3

8

3V

40

Bảng 3: Các phiên bản của 8051 từ Atmel (Flash ROM).
Chữ C trong ký hiệu AT89C51 là CMOS.
Cũng có những phiên bản đóng vỏ và tốc độ khác nhau của những sản phẩm trên

đây. Xem bảng 1.6. Ví dụ để ý rằng chữ “C” đứng trước số 51 trong AT 89C51 -12PC là
ký hiệu cho CMOS “12” ký hiệu cho 12 MHZ và “P” là kiểu đóng vỏ DIP và chữ “C”
cuối cùng là ký hiệu cho thương mại (ngược với chữ “M” là quân sự ). Thông thường
AT89C51 - 12PC rất lý tưởng cho các dự án của học sinh, sinh viên.


AT89C5112PC

Tốc độ

Số chân

Đóng vỏ Mục đích

42MHZ

40

DTP

Thương
mại

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