Tài liệu Thiết kế và thi công robot dọn rác bề mặt sông

  • Số trang: 94 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 155 |
  • Lượt tải: 0
tranbon

Đã đăng 976 tài liệu

Mô tả:

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA XÂY DỰNG VÀ CƠ HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CƠ TIN  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT DỌN RÁC BỀ MẶT SÔNG GVHD: TH.S NGUYỄN VĂN ĐOÀN SVTH: BÙI THỊ ÁNH QUỐC MSSV: 07106054 SVTH: VÕ THÀNH LUẬN MSSV: 07106045 SVTH: TRƢƠNG HỮU TOÀN MSSV: 07106059 P.HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2012 i Bộ Giáo dục và Đào tạo Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM Khoa Xây Dựng & Cơ Học Ứng Dụng Bộ môn Cơ Tin ---o0o--- Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ---o0o--- NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên : Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Lớp 07106 MSSV: 07106054 MSSV: 07106045 MSSV: 07106059 Ngành Cơ tin kỹ thuật 1. TÊN ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT DỌN RÁC BỀ MẶT SÔNG 2. NHIỆM VỤ: - Thiết kế và thi công mô hình Robot dọn rác dựa trên yêu cầu thực tế. - Tính toán và kiểm tra bền những phần quan trọng của Robot. - Thiế kế và thi công mạch điều khiển Robot. - Xây dựng chƣơng trình giải thuật lập trình để điều khiển Robot.  Ngày giao nhiệm vụ đề tài: / /2011  Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 13/01/2012  Họ và tên giáo viên hƣớng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Đoàn  Họ và tên giáo viên phản biện: Th.S Dƣơng Đăng Danh Nội dung và yêu cầu ĐATN đã thông qua Bộ môn. Ngày … tháng … năm 2012 GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Ngƣời duyệt (chấm sơ bộ): ......................... Đơn vị: ........................................................ Ngày bảo vệ: ............................................... Điểm tổng kết: ............................................ Nơi lƣu trữ dự án:………………………… ii LỜI NÓI ĐẦU    Sau thời gian gần năm năm học tập và nghiên cứu trên ghế giảng đƣờng. Nhận đƣợc rất nhiều sự hƣớng dẫn và dạy dỗ tận tình của các thầy cô giáo về chuyên môn lẫn đạo đức. Luận văn tốt nghiệp là sản phẩm có ý nghĩa nhất của bất kì một sinh viên nào. Nó là sự kết tinh của tất cả những kiến thức mà sinh viên đã lĩnh hội đƣợc trong quá trình học tập tại trƣờng cũng nhƣ những những kiến thức tự học tập đƣợc của mỗi sinh viên. Với thời đại khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ nhƣ ngày nay, thì con ngƣời luôn có khuynh hƣớng kết hợp rất nhiều lĩnh vực công nghệ vào những sản phẩm . Đặc biệt là sự kết hợp mạnh mẽ giữa cơ khí, tự động hóa, điện – điện tử, tin học…nhằm đem lại hiệu quả thiết thực và cao nhất. Chính vì vậy đề tài “ Thiết kế và thi công Robot dọn rác bề mặt sông ”. Thứ nhất đề tài đƣợc xem là một trải nghiệm thực sự để nhóm có thể vận dụng những gì đã học tập và nghiên cứu nhằm cho ra một sản phẩm thật sự hữu ích và có giá trị sử dụng. Thứ hai việc chọn và thực hiện đề tài nhằm múc đích giải quyết một vẫn đề nhức nhối là tình trạng ô nhiễm tại các con sông trên địa bàn Thành Phố Hồ Chí Minh nói riêng cũng nhƣ cả nƣớc nói chung. Và đó cũng là lý do và mục đích đề ra để nhóm thực hiện đề tài đạt đƣợc. iii LỜI CẢM ƠN    Trƣớc tiên,chúng em xin đƣợc gửi lời cảm ơn trân trọng và sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Văn Đoàn- ngƣời đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hƣớng dẫn, góp ý, động viên chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện đồ án này. Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô thuộc Khoa Xây Dựng & Cơ Học Ứng Dụng trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM, những ngƣời đã trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản, cũng nhƣ đã nhiệt tình hƣớng dẫn giúp đỡ chúng em trong suốt khóa học vừa qua. Và sau cùng xin đƣợc cảm ơn, chia sẻ niềm vui này với gia đình, ngƣời thân, bạn bè cùng tập thể lớp Cơ Tin khóa 2007 -những ngƣời đã luôn ở bên, quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để chúng tôi đƣợc học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 01 năm 2012 NHÓM THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn iv Nhận xét của giáo viên hƣớng dẫn ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… TP.HCM, ngày tháng năm 2012 Th.S Nguyễn Văn Đoàn v Nhận xét của giáo viên phản biện ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… TP.HCM, ngày tháng năm 2012 Th.S Dƣơng Đăng Danh vi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn MỤC LỤC Chƣơng I: DẪN NHẬP ........................................................................................................... 3 I. ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................ 3 II. Ý NGHĨA ĐỀ TÀI ........................................................................................................ 3 III. MỤC TIÊU CỦA ĐỂ TÀI ........................................................................................... 4 IV. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ...................................................................................................... 4 V. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU .................................................................................... 5 VI. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU ....................................... 5 Chƣơng II: CƠ SỞ LÝ LUẬN ............................................................................................... 6 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ........................................................... 6 I. 1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc do rác thải................................................. 6 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và hƣớng giải quyết. ...................................... 7 II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TIẾP CẬN .............................................................................. 9 2.1Cơ sở tính toán Robot. ................................................................................................. 9 2.1.1 Các khái niệm về lực: ..................................................................................... 9 2.1.2 Thanh chịu xoắn: ......................................................................................... 10 2.1.3 Nguyên lý lực đẩy Archimedes (Tính độ nổi phao của Robot). .................. 14 2.1.4 Lý thuyết các phần tử của hệ động lực tàu. ................................................. 16 2.2 .......................................................................... Cơ sở lý thuyết điều khiển hệ thống. 18 2.2.1 Lý thuyết sóng RF chuẩn truyền UART. ..................................................... 18 2.2.2 Phương pháp điều khiển động cơ DC bằng PWM (Pulse Width Modulation). ................................................................................................ 21 2.2.3 Chuyển đổi tín hiệu ADC – DAC đọc quá dòng và joystick tay bấm. ......... 22 Chƣơng III: NỘI DUNG ....................................................................................................... 23 I. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ROBOT ............................................................................ 23 1.2 1.3 1.4 2.3 Các phương án thiết kế. ................................................................................ 24 Nguyên lý hoạt động của Robot. .................................................................. 26 Tính toán cho Robot. .................................................................................... 27 Tính chọn trục chân vịt và kiểm tra bền. ..................................................... 31 Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn III.....................................................................THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 33 3.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển. .................................................. 33 3.1 Tay bấm điều khiển....................................................................................... 34 3.2 Mạch điều khiển trung tâm. ......................................................................... 35 3.3 Module sóng RF............................................................................................ 41 3.4 Động cơ DC và thiết bị đẩy ( chân vịt ) ........................................................ 41 3.5 Xây dựng toàn bộ giải thuật điều khiển hệ thống. ...................................... 43 Chƣơng IV: CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT ...................................................................... 51 I. Ống nhựa PVC Bình Minh. ...................................................................................... 51 II. Các chi tiết cơ khí. ....................................................................................................... 56 Chƣơng V: KẾT LUẬN ........................................................................................................ 61 I. NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC ...................................................................... 61 5.1 Về nghiên cứu lý thuyết: ............................................................... 61 5.2 Về thiết kế kết cấu khung Robot: .................................................. 61 5.3 Về thiết kế điều khiển:................................................................... 61 II. NHỮNG KẾT QUẢ CHƢA ĐẠT ĐƢỢC VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC... 62 III. HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI................................................................. 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 63 PHỤ LỤC ............................................................................................................................... 64 Phần A: VI ĐIỀU KHIỂN .................................................................................................... 64 I. Tổng quan về họ vi điều khiển AVR ............................................................... 64 Thanh ghi DDRx ................................................................................................................ 67 PhầnB: MỘT SỐ CODE CHÍNH CỦA CHƢƠNG TRÌNH............................................. 70 Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Chƣơng I: DẪN NHẬP I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong thời đại ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của Khoa học công nghệ nói riêng và tất cả các ngành, các lĩnh vực nói chung. Song song với sự phát triển đó thì vẫn đề ô nhiễm môi trƣờng vẫn đang là một điểm nhấn nguy hiểm cho môi trƣờng sống của con ngƣời trên toàn thế giới. Sự ô nhiễm cho đến thời điểm hiện tại thì không chỉ dừng lại cụ thể ở môi trƣờng sống nào mà có thể nói là tất cả. Chính vì vậy việc bảo vệ và cải thiện môi trƣờng sống không chỉ đơn thuần là mọi ngƣời tự ý thức về cách sống về suy nghĩ mà cụ thể là những giải pháp, những gì mà thực tiễn để bắt tay vào làm sạch sự ô nhiễm đó. Cho nên đề tài “ Thiết kế và thi công Robot dọn rác bề mặt sông “ của nhóm thực hiện là những tân kỹ sƣ trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM ngoài việc ý tƣởng và mong muốn góp phần cải tạo môi trƣờng ô nhiễm,đó còn là sự vận dụng trải nghiệm những gì đã học đƣợc vào đề tài nhằm đạt đƣợc mục đích đề ra sao cho hiệu quả nhất. II. Ý NGHĨA ĐỀ TÀI Thông qua việc thực hiện đề tài “ Thiết kế và thi công Robot dọn rác bề mặt sông “ này ngoài việc nhóm thực hiện có cơ hội vận dụng đƣợc những kiến thức mà đã đƣợc đào tạo trong suốt quá trình học tập tại trƣờng, thì nhóm còn đƣợc trƣợc tiếp làm ra một mô hình thực tế, trải nghiệm đƣợc rất nhiều điều thực tiễn mà một ngƣời kỹ sƣ tƣơng lai rất cần khi ra trƣờng. Có cơ hội học tập và nghiên cứu thêm những kiến thức về lĩnh vực điện – điện tử, công nghệ tự động, lập trình… Bƣớc đầu có đƣợc mô hình Robot vớt rác thực tế trên các con sông đang bị ô nhiễm trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh. Một phần ý tƣởng thực hiện đề tài còn mới mẻ nên có thể làm cơ sở để kế thừa và cải tiến sau này nhằm hoàn thiện Robot. Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP III. GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn MỤC TIÊU CỦA ĐỂ TÀI - Trực tiếp tìm hiểu những sản phẩm có sẵn ngoài thị trƣờng để thiết kế mô hình 3D, nghiên cứu và ứng dụng những công nghệ tự động, điện-điện tử có sẵn vào việc điều khiển lập trình cho Robot. - Sử dụng kiến thức môn hình họa vẽ kỹ thuật và kết hợp với phần mềm để thiết kế mô hình Robot trên phần mềm ProEngineer Wildfire 5.0 - Áp dụng kiến thức cơ sở nghành: Cơ lý thuyết, nguyên lý – chi tiết máy, sức bền vật liệu… vào việc tính toán thực tế. Ngoài ra còn tiềm hiểu về kiến thức tự động hóa tính toán thiết kế tàu, chân vịt về lĩnh vực hàng hải để áp dụng tính toán những vấn đề liên quan. - Vận dụng kiến thức nghành liên quan nhƣ: Kỹ thuật điện-điện tử, vi điều khiển, sử dụng phần mềm Orcad và Protues để thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển - Thi công mạch điều khiển và mô hình Robot từ bản thiết kế. - Xây dựng giải thuật chƣơng trình điều khiển. Lập trình điểu khiển Robot sử dụng vi điều khiển ATmega8 với phần mềm Code VisionAVR 2.05 IV. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Do ý tƣởng thiết kế và thực hiện đề tài là Robot giọn rác bề mặt sông còn khá mới mẻ và thời gian thực hiện đề tài tƣơng đối ngắn, cùng với việc thi công chế tạo mô hình Robot, cũng nhƣ trình độ chuyên môn của nhóm thực hiện đề tài có hạn và nhiều yếu tố khách quan khác… Chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn thành bản thuyết mình cũng nhƣ mô hình đồ án này, nhƣng chỉ giải quyết đƣợc một số vấn đề chính đặt ra : - Thiết kế, tính toán những phần quan trọng của Robot dọn rác:  Tính lực nổi của toàn bộ Robot theo nguyên lý lực đẩy Archimedes.  Từ yêu cầu thực tế, tính toán vận tốc làm việc của Robot từ đó tính chọn động cơ và chân vịt phù hợp theo điều kiện sản xuất ngoài thị trƣờng.  Tính toán bền cho khung Robot.  Tính toán bền cho trục và khợp nối từ động cơ ra chân vịt - Bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp của mô hình Robot. Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn - Thiết kế thi công Board mạch cũng chƣ hệ thống điều khiển Robot. - Lập trình điều khiển Robot từ xa thông qua module RF sử dụng truyền thôngtheo chuẩn UART, cũng nhƣ lập trình cho Board chính để kết nối dùng vi điều khiển AT mega8 trên phần mềm Code VisionAVR 2.05 V. Thi công chế tạo đƣợc mô hình Robot dọn rác bề mặt sông. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Nghiên cứu các tài liệu, sách báo, giáo trình có liên quan, các tài liệu chuyên môn dùng trong việc tính toán cũng nhƣ điều khiển lập trình trên các trang Web cũng nhƣ trên các diễn đàn mạng Internet. Tìm hiểu các cơ cấu truyền động cũng nhƣ kiểu dáng canô mô hình để hỗ trợ trong việc thiết kế Robot. VI. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU Về phƣơng pháp nghiên cứu: - Tìm hiểu, khảo sát, tham khảo tài liệu, diễn đàn về kiểu dáng thiết kế cũng nhƣ cở sở tính toán chuyên nghành. - Đề ra ý tƣởng chung và dùng phƣơng pháp loại trừ thống nhất kết cấu kiểu dáng thiết kế và công việc thực hiện. - Tiến hành chạy thực nghiệm đánh giá kết quả để so sánh mục tiêu đặt ra từ đó rút ra tính khả thi của đồ án. Về phƣơng tiện nghiên cứu: - Thiết kế mô hình và tính toán độ bền khung Robot bằng phần mềm ProEngineer Wildfire 5.0 và Visual Nastran - Thiết kế Board mạch và lập trình điều khiển Robot bằng vi điều khiển ATmega8 cùng với bộ thu phát tín hiệu RF bằng các phần mềm: Orcad, Protues, Code VisionAVR 2.05 … Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Chƣơng II: CƠ SỞ LÝ LUẬN I. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc do rác thải. Rác thải ở Việt Nam đang là một hiện trạng đáng lo ngại. Cùng với sự phát triển kinh tế, gia tăng dân số cộng với sự lãng phí tài nguyên trong thói quen sinh hoạt của con ngƣời, rác thải có số lƣợng ngày một tăng, thành phần ngày càng phức tạp và tiềm ẩn ngày càng nhiều nguy cơ độc hại với môi trƣờng và sức khoẻ con ngƣời. Là một nƣớc đang đang phát triển, tốc độ tăng các rác thải sinh hoạt ở cả thành phố và nông thôn, rác thải công nghiệp, y tế ở nƣớc ta còn nhanh hơn nhiều các nƣớc khác, từ năm 2003 đến 2008 tăng gấp hai lần. Tình hình trong thời gian gần đây đã trở nên bức xúc, đặc biệt ở 3 thành phố lớn là Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh và Đà Nẵng. Ví dụ tại Hà Nội, khối lƣợng rác thải sinh hoạt tăng trung bình 15%/năm, vởi tổng lƣợng ƣớc tính 5.000 tấn/ngày đêm, và dự đoán chỉ sang năm (2012) có thể không còn chỗ để đổ rác. Thành phố Hồ Chí Minh mỗi ngày có trên 7.000 tấn rác thải sinh hoạt, mỗi năm cần 235 tỷ đồng để xử lý. Hình 1.1: Những bịch nilon rác thải trên một con kênh tại TP.HCM Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Đặt biệc là các hồ nằm trong công trình công cộng hoặc dọc theo các con đƣờng đều bị ảnh hƣởng bởi rác thải, mà nguyên nhân chính là do ý thức ngƣời quá kém trong việc giữ vệ sinh chung, vì mục đích bảo vệ môi trƣờng. Hình 1.2: Xả rác suống Hồ Hoàn Kiếm sau lễ hội phố hoa dịp đầu năm 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và hƣớng giải quyết. Trƣớc tình hình ô nhiễm trầm trọng môi trƣờng nƣớc do rác thải và sự trôi nổi dày đặt của bèo, thực vật sống trôi nổi trên sông làm cản trở phƣơng tiện đƣờng thủy. Cũng một phần công nghệ chế tạo không phức tạp và đƣợc khuyến khích nhƣ hiện nay thì việc nghiên cứu chế tạo ra những sản phẩm giúp cải thiện cho việc ô nhiễm do rác thải đang đƣợc đầu tƣ có mục đích và hiệu quả trong nƣớc ta hiện nay.  Hệ thống cắt, vớt rong. Rác thải trên kênh, rạch, song, hồ của Trung tâm Nghiên cứu và phát triển công nghệ - Máy công nghiệp ( Trƣờng đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh ) Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Hình 1.3: Hệ thống máy ăn bèo hoạt động trên song Hệ thống máy bao gồm một máy chính và một thiết bị phụ trợ. Hệ thống máy có thể thực hiện đƣợc các chức năng nhƣ: cắt và vớt rong, cỏ dại dƣới mặt nƣớc ở độ sâu tối đa 1,5 m cùng với chiều rộng 2,36 m; vớt lục bình, rác thả nổi trên mặt nƣớc và lơ lửng ở độ sâu 0,5 m - bề rộng 4 m; chuyển tải vật sau khi cắt, vớt lên bờ hoặc đƣa lên phƣơng tiện vận chuyển đƣa đi nơi khác chế biến. Hệ thống có thể đƣợc ứng dụng trong hoạt động các công ty công ích của các đô thị, công ty khai thác công trình thủy lợi.  Thiết bị tự động thu gom rác trên song do kỹ sƣ Hoàng Tử Cƣờng, Tổng Công ty Cơ khí Giao thông vận tải Sài Gòn đã nghiên cứu và chế tạo. Hình 1.4: Tàu vớt rác tự động trên sông, biển Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Thiết bị này giống nhƣ một con tàu thông thƣờng nhƣng có hai thân riêng biệt, dạng phao nổi, liên kết với nhau bởi phần khung sàn tàu cao hơn mặt nƣớc, đầu thân tàu gắn với cánh tay gom rác. Vì vậy, khi tàu chuyển động sẽ tạo nên một dòng chảy mang theo rác nổi vào thân tàu hứng. Rác sẽ đƣợc tự động gom vào giữa thân tàu và đổ về thùng chứa mà không phải nhờ đến sức lực, thao tác của công nhân. Tàu gồm các phần nhƣ: boong chính, thiết bị lái, truyền động lái, thiết bị neo, chằng buộc, thiết bị cứu sinh, thiết bị cứu hỏa và các thiết bị tín hiệu.. Theo thiết kế, tàu vớt rác đƣợc sử dụng tại các sông, kênh, rạch và các hồ có chiều sâu nƣớc từ 1,2m trở lên. Chiếc tàu này có kết cấu cơ bản kiểu 2 thân dạng phao nổi, khi tàu chạy tạo dòng chảy ở giữa thiết bị. Tàu có 2 cánh hƣớng rác có độ mở rộng 4m, khi tàu chạy, rác nổi đƣợc hƣớng vào luồng chảy giữa 2 thân phao. Tại khoảng giữa của tàu có trang bị một lƣới chắn rác và gàu vớt rác. Khi rác vào đầu gầu, công nhân chỉ việc ấn nút là gàu vớt rác tự động lật lên đổ rác vào thùng đƣợc đặt trên mâm quay. Ngoài ra, tàu vớt rác còn đƣợc trang bị các thiết bị an toàn bao gồm còi, đèn xoay, đèn làm việc và phao cứu sinh Tuy nhiên mặc khuyết điểm cảu các máy vớt rác này là chỉ làm việc đƣợc ở những con sông, kênh rạch có diện tích lớn. Trong khi đó thì tính chất những rác nổi nhỏ luôn bị trôi dạt, gom lại thành khối và tấp và gần bờ, gần những chân bờ đá trong các hồ địa hình chật hẹp giới hạn về không gian làm việc. Chính vì vậy những giải pháp sang kiến nhƣ những Robot vớt rác có thể làm việc ở các địa hình phức tạp trong các kênh, hồ Thành Phố là rất cần thiết và mang tính khả thi cao. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TIẾP CẬN 2.1 Cơ sở tính toán Robot. 2.1.1 Các khái niệm về lực: Ngoại lực: Là tác dụng của môi trƣờng bên ngoài hay của các vật thể khác lên vật thể khảo sát. Ngoại lực bao gồm tải trọng và phản lực liên kết. Nội lực: Dƣới tác dụng của ngoại lực, lực tƣơng tác giữa các phân tử của vật thể sẽ thay đổi để chống lại sự dịch chuyển bên trong vật thể đó gọi là nội lực. Tải trọng: Là các tác động dƣới dạng lực bên ngoài tác dụng lên vật thể gây ra sự thay đổi trạng thái ứng suất, biến dạng…so với trạng thái cân bằng ban đầu. Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Phản lực liên kết: Là những lực thụ động, phát sinh tại nơi tiếp giáp giữa vật thể khảo sát và vật thể xung quanh khi có tác dụng của tải trọng. Mômen xoắn: Là một đại lƣợng trong vật lý, thể hiện tác động gây ra sự quay quanh một điểm hoặc một trục của một vật thể. Nó là khái niệm ở rộng cho chuyển động quay từ khái niệm lực trong chuyển động thẳng. Mômen xoắn còn đặc trƣng cho khả năng chịu tải tức thời của động cơ và đƣợc truyền tới thiết bị đẩy là chân vịt của tàu thông qua hệ trục truyền động tạo lực đẩy. Ứng suất: Tại một điểm trên mặt cắt là cƣờng độ của nội lực trên một đơn vị  diện tích tại điểm đó, nó gọi là đại lƣợng véc tơ. Có thể phân ứng suất p thành hai thành phần: một trên phƣơng pháp tuyến n của mặt cắt gọi là ứng suất pháp tuyến ký hiệu  , một nằm trong mặt cắt gọi là ứng suất tiếp tuyến ký hiệu  . Ta có hệ thức: p 2   2   2 Vậy ứng suất đặc trƣng cho mức độ chịu đựng của vật liệu tại một điểm. Nếu ứng suất vƣợt quá một giới hạn nào đó thì vật liệu bị phá hoại, việc xác định ứng suất là cơ sở đánh giá mức độ an toàn của vật liệu. 2.1.2 Thanh chịu xoắn: Thanh chịu xoắn thuần túy khi trên mọi mặt cắt ngang chỉ tồn tại một thành phần ứng lực 𝑀𝑧 . Hình 1.5: Các trƣờng hợp thanh chịu xoắn thuần túy Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Thanh chịu xoắn thƣờng đƣợc gọi đối với trục. Trục truyền lực, trục động cơ, những dầm cầu đƣờng ô tô cũng có thể bị xoắn nếu tải trọng không đặt đúng tim cầu.  Công thức tính ứng suất tiếp trên tiết diện: ( Theo tài liệu SỨC BỀN VẬT LIỆU, Lê Thanh Phong, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh) Theo các giả thiết đã nêu, ta có thể xem: trên tiết diện ứng suất pháp bằng không, chỉ tồn tại ứng suất tiếp vuông góc với bán kính tiết diện, là kết quả của biến dạng trƣợt do các mặt cắt ngang xoay tƣơng đối với nhau quanh trục z . Xét phân tố tách ra nhƣ hình 6.3a, giới hạn bởi hai mặt vuông góc với trục có tọa độ z và z  dz . Tiếp tục tách ra phân tố con (hình 6.3b) giới hạn bởi hai mặt trụ bán kính   R ,   d và hai mặt cắt nhau bởi giao tuyến là trục z , hợp với nhau một góc d . Trạng thái ứng suất tại mọi điểm của trục là trạng thái trƣợt thuần túy. Hình 1.6: Phân tích biến dạng thanh chịu xoắn Tiết diện bên trái, ở tọa độ z, có góc xoay  . Tiết diện bên phải, ở tọa độ z  dz , sẽ có góc xoay   d . Hiệu số d , là góc xoay tƣơng đối của hai tiết diện cách nhau một đoạn dz, đƣợc gọi là góc xoắn của đoạn trục có chiều dài dz. Bán kính của tiết diện bên phải cũng có góc xoay tƣơng đối d so với bán kính tƣơng ứng của tiết diện bên trái.  là biến dạng góc vuông của phân tố hay còn gọi là góc trƣợt, ta có:   Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn AA1 d    dz dz (a). Trang 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Trị số  là góc xoay tƣơng đối giữa hai mặt cắt cách nhau một đơn vị chiều dài gọi là góc xoắn tỷ đối của thanh - là hằng số trên tiết diện, và là hàm số theo tọa độ z, thứ nguyên [Rad]/[chiều dài]:  d dz (6.1).   G  G Theo định luật Hooke về trƣợt: (b). Theo định nghĩa: tổng mômen đối với trục z của các ứng suất tiếp trên toàn tiết diện F chính là mômen xắn Mz : Mz  dF   G 2 dF F F (c). Tích G là hằng số trên tiết diện,   2 dF là mômen quán tính cực J  của tiết diện F đối với tâm nên Mz  G .J  hay: G  Mz J (6.2). Thay (6.2) vào (b) ta nhận đƣợc công thức tính ứng suất tiếp trên tiết diện:  Mz  J (6.3). Biểu đồ ứng suất tiếp trên tiết diện: Ứng suất tiếp trên tiết diện có phƣơng vuông góc với bán kính, có chiều của mômen xoắn Mz và có trị số phụ thuộc bậc nhất với khoảng cách từ tâm đến điểm tính ứng suất (xem hình 6.4). td  max  W  Mz d Mz .  J  2 W (6.4). J J  đƣợc gọi là mômen chống xoắn, là đặc trƣng hình học của  max d / 2 tiết diện, có thứ nguyên chieàu daøi  . 3 Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Hình 1.7: Biểu đồ phân bố ứng suất trên tiết diện của thanh chịu xoắn thuần túy Với tiết diện tròn đặc (hình 6.4a): J  d 4 d 3  W  32 16  0,2d 3 . Tiết diện hình vành khăn (hình 6.4b): J   W  D 4  32 d 4 32   32 D 4  d4   2  d4  D 4  d 4  0,2 D 3 1  4  . D 32 D     Ứng suất tiếp đối ứng nhƣ hình 6.4c  Điều kiện bền – ba bài toán cơ bản: Phân tố vật thể trong trục chịu xoắn ở trạng thái ứng suất trƣợt thuần túy, phân tố nguy hiểm là những phân tố ở sát mặt ngoài của trục có  max . Điều kiện bền đƣợc viết:  Mz       W    max td     max  max max (6.5). Trị số cho phép của ứng suất tiếp đƣợc xác định từ thí nghiệm xoắn:     0 ;  0 n là ứng suất nguy hiểm và n là hệ số an toàn. Trong trƣờng hợp chỉ có thí nghiệm kéo-nén thì ứng suất tiếp cho phép lấy theo thuyết bền: Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Nguyễn Văn Đoàn Theo thuyết bền thứ ba (thuyết bền ứng suất tiếp):      . 2 Theo thuyết bền thứ tƣ (thuyết bền thế năng biến dạng đàn hồi hình dáng):      . 3 Từ điều kiện bền ta cũng có ba bài toán cơ bản: Kiểm tra bền: Ta kiểm tra xem ứng suất trong trục có thỏa điều kiện bền hay không?  Mz       5% .  W    max  max   Chọn kích thước mặt cắt ngang: Đây là bài toán thiết kế, ta phải định kích thƣớc mặt cắt ngang của trục sao cho đảm bảo điều kiện bền. Từ (6.5) ta có: W  M Mz  5% . Nếu chọn ở trạng thái giới hạn thì: W  z  5% , từ đó ta có thể     xác định đƣợc kích thƣớc mặt cắt ngang của trục. Định tải trọng cho phép: Từ (6.5) ta dễ dàng xác định đƣợc nội lực lớn nhất có thể đạt đƣợc của thanh là: Mz   W  5% , hay ở trạng thái giới hạn: Mz    W  5% Có Mz  ta có thể tìm đƣợc trị số cho phép của tải trọng tác dụng lên công trình hay chi tiết máy. 2.1.3 Nguyên lý lực đẩy Archimedes (Tính độ nổi phao của Robot). Lực đẩy Archimedes (hay lực đẩy Ácsimét) là lực tác động bởi một chất lƣu (chất lỏng hay chất khí) lên một vật thể nhúng trong nó, khi cả hệ thống nằm trong một trƣờng lực (nhƣ trọng trƣờng hay lực quán tính). Lực này có cùng độ lớn và ngƣợc hƣớng của tổng lực mà trƣờng lực tác dụng lên phần chất lƣu có thể tích bằng thể tích vật thể chiếm chỗ trong chất này. Bùi Thị Ánh Quốc Võ Thành Luận Trƣơng Hữu Toàn Trang 14
- Xem thêm -