Báo cáo đồ án môn Cơ điện tử tại Đại học Bách Khoa Hà Nội: Thiết kế cửa tự động

Báo cáo đồ án môn cơ điện tử nghiên cứu thiết kế cửa tự động tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tài liệu phân tích chi tiết quy trình thiết kế, hệ thống điều khiển

• Tác giả: Trần Văn A
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế cửa tự động
• Loại tài liệu: Báo cáo đồ án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế cửa tự động trong cơ điện tử

Thiết kế cửa tự động là một ứng dụng điển hình của ngành cơ điện tử. Ngành này kết hợp cơ khí, điện tử và điều khiển để tạo ra hệ thống thông minh. Cửa tự động hoạt động dựa trên cảm biến phát hiện chuyển động. Sau đó, tín hiệu được xử lý để điều khiển động cơ. Động cơ sẽ kéo hoặc đẩy cánh cửa theo yêu cầu. Quy trình này diễn ra liên tục và chính xác. Nhờ vậy, con người không cần tác động vật lý. Hệ thống này tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu suất. Nó được lắp đặt tại nhiều nơi công cộng và doanh nghiệp. Báo cáo đồ án này trình bày toàn bộ quá trình nghiên cứu và thiết kế.

1.1. Lịch sử phát triển của tự động hóa

Tự động hóa bắt đầu từ cuộc cách mạng công nghiệp. Những phát minh ban đầu như khung dệt Jacquard là tiền thân. Thuật ngữ "tự động hóa" được đặt ra vào năm 1946 trong ngành ô tô. Nó mô tả việc sử dụng thiết bị điều khiển tự động trong sản xuất. Qua thời gian, công nghệ này phát triển mạnh mẽ. Máy tính và vi xử lý đã thúc đẩy sự tiến bộ vượt bậc. Ngày nay, tự động hóa hiện diện trong mọi lĩnh vực đời sống.

1.2. Các hình thức tự động hóa cơ bản

Có ba hình thức tự động hóa chính. Tự động hóa cố định thực hiện các thao tác lặp lại, không thay đổi. Nó phù hợp cho sản xuất hàng loạt với số lượng lớn. Tự động hóa lập trình cho phép thay đổi trình tự hoạt động. Người vận hành có thể cài đặt chương trình mới cho từng sản phẩm. Tự động hóa linh hoạt là mức độ cao nhất. Hệ thống có thể chuyển đổi nhanh chóng giữa các loại sản phẩm khác nhau.

II. Phân tích các vấn đề trong thiết kế cửa tự động

Thiết kế cửa tự động đòi hỏi giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật. Vấn đề đầu tiên là lựa chọn vật liệu phù hợp. Vật liệu phải đảm bảo độ bền, trọng lượng nhẹ và tính thẩm mỹ. Thứ hai là thiết kế cơ cấu truyền động hiệu quả. Cơ cấu phải hoạt động trơn tru, ít tiếng ồn và tiêu hao năng lượng thấp. Thứ ba là tích hợp hệ thống cảm biến và điều khiển. Cảm biến phải nhạy và chính xác trong mọi điều kiện ánh sáng. Hệ thống điều khiển phải xử lý tín hiệu nhanh và đáng tin cậy. Ngoài ra, còn vấn đề về an toàn và bảo trì. Cửa phải có cơ chế dừng khẩn cấp khi gặp vật cản. Việc bảo trì định kỳ cũng cần được tính toán từ khâu thiết kế.

2.1. Yêu cầu về cơ khí và vật liệu cho cửa tự động

Cánh cửa thường được làm từ nhựa mica hoặc kính cường lực. Nhựa mica nhẹ, dễ gia công và có nhiều màu sắc. Tuy nhiên, độ bền cơ học thấp hơn so với kính. Khung cửa và ray dẫn hướng thường dùng nhôm hoặc thép không gỉ. Chúng có độ cứng cao, chống ăn mòn và chịu tải tốt. Bánh xe và con lăn cần chọn loại có độ ma sát thấp. Điều này giúp giảm công suất động cơ và vận hành êm ái. Tất cả chi tiết phải được tính toán kỹ về kích thước và lực tác động.

2.2. Yêu cầu về hệ thống điều khiển và cảm biến

Cảm biến chuyển động HC-SR501 là lựa chọn phổ biến. Nó phát hiện người dựa trên bức xạ hồng ngoại từ cơ thể. Cảm biến có góc phát hiện rộng và khoảng cách xa. Công tắc hành trình dùng để xác định vị trí giới hạn của cửa. Nó ngăn động cơ chạy quá hành trình gây hư hỏng. Nguồn cấp phải ổn định và phù hợp với điện áp của động cơ. Sơ đồ khối thể hiện kết nối giữa các thành phần. Nguyên lý hoạt động cần được mô phỏng trước khi chế tạo thực tế.

III. Giải pháp thiết kế mô hình cửa tự động

Giải pháp thiết kế được triển khai qua nhiều giai đoạn. Giai đoạn đầu là xây dựng mô hình 3D bằng phần mềm SolidWorks. Mô hình giúp hình dung cấu trúc và kiểm tra va chạm. Tiếp theo là lựa chọn và mua sắm linh kiện chi tiết. Danh sách linh kiện bao gồm động cơ, cảm biến, khung cửa và mạch điều khiển. Động cơ DC được sử dụng cho cơ cấu kéo đẩy đơn giản. Bảng mạch Arduino hoặc vi điều khiển được lập trình để điều khiển logic. Sơ đồ nguyên lý hoạt động được vẽ chi tiết. Nguyên lý sử dụng cảm biến để kích hoạt động cơ. Khi có người, cảm biến gửi tín hiệu về vi mạch. Vi mạch xử lý và cấp lệnh cho motor đóng hoặc mở cửa.

3.1. Xây dựng mô hình 3D và lựa chọn linh kiện

Phần mềm SolidWorks được dùng để thiết kế mô hình 3D. Mô hình cho phép kiểm tra chuyển động và lắp ráp ảo. Các chi tiết như cánh cửa, ray trượt và giá đỡ động cơ được vẽ chính xác. Bảng trọng lượng nhựa mica theo kích thước được tham khảo. Điều này giúp tính toán tải trọng cho động cơ. Động cơ DC loại nhỏ, công suất vừa phải được chọn. Động cơ cần có momen xoắn đủ để kéo cánh cửa. Tất cả linh kiện được liệt kê trong bảng chi tiết để dễ quản lý.

3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển với cảm biến HC SR501

Cảm biến HC-SR501 được kết nối với vi điều khiển. Khi phát hiện chuyển động, nó phát tín hiệu HIGH. Vi điều khiển nhận tín hiệu này và kích hoạt rơ-le. Rơ-le cấp nguồn cho động cơ quay theo hướng đã lập trình. Công tắc hành trình được gắn ở hai đầu ray. Khi cửa chạm công tắc, tín hiệu gửi về để dừng động cơ. Sơ đồ khối thể hiện rõ luồng tín hiệu từ cảm biến đến cơ cấu chấp hành. Toàn bộ hệ thống được cấp nguồn từ adapter 12VDC ổn định.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của cửa tự động

Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu đặt ra. Đội ngũ đã nghiên cứu tổng quan về tự động hóa và cửa tự động. Mô hình 3D được xây dựng và mô phỏng thành công. Hệ thống điều khiển hoạt động ổn định với cảm biến hồng ngoại. Qua dự án này, nhiều kỹ năng thực tiễn được rèn luyện. Đó là kỹ năng làm việc nhóm, giải quyết vấn đề và viết báo cáo kỹ thuật. Cửa tự động có ứng dụng rộng rãi trong đời sống. Nó được dùng tại siêu thị, sân bay, bệnh viện và nhà máy. Hệ thống giúp tiết kiệm thời gian, nâng cao vệ sinh và an ninh. Trong tương lai, có thể tích hợp thêm nhận dạng khuôn mặt hoặc kết nối IoT.

4.1. Kết quả đạt được và bài học kinh nghiệm

Đồ án đã đạt được các kết quả chính. Mô hình cửa tự động hoạt động đúng nguyên lý thiết kế. Hệ thống phát hiện người và đóng mở cửa tự động. Bài học lớn nhất là sự phối hợp nhóm trong dự án kỹ thuật. Việc phân chia công việc rõ ràng giúp tiến độ đảm bảo. Một số khó khăn như chọn sai thông số động cơ đã được khắc phục. Kinh nghiệm về tính toán lực và mô-men xoắn rất quý giá.

4.2. Ứng dụng và hướng phát triển tương lai

Cửa tự động hiện được ứng dụng tại nhiều địa điểm công cộng. Các trung tâm thương mại sử dụng để kiểm soát lưu lượng người. Bệnh viện lắp đặt nhằm đảm bảo vệ sinh và tránh lây nhiễm. Nhà xưởng công nghiệp dùng để phân luồng hàng hóa và nhân lực. Hướng phát triển có thể tích hợp trí tuệ nhân tạo. Cửa có thể học thói quen người dùng để tối ưu hóa hoạt động. Kết nối mạng không dây cho phép giám sát và điều khiển từ xa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Tự ĐỘNG HÓA Tự động hóa - ứng dụng máy móc vào các công việc đã từng được thực hiện bởi con người hoặc các nhiệm vụ ngày càng tăng lên mà nếu không có các thiết bị tự động hóa và giải pháp tự động hóa thì không thể thực hiện được. Mặc dù thuật ngữ cơ giới hóa thường được sử dụng để chỉ sự thay thế đơn giản sức lao động của con người bằng máy móc, nhưng tự động hóa nói chung có nghĩa là tích hợp máy móc vào một hệ thống tự quản. Tự động hóa đã cách mạng hóa những lĩnh vực mà nó được giới thiệu, và hiếm có khía cạnh nào của cuộc sống hiện đại không bị ảnh hưởng bởi nó. Thuật ngữ tự động hóa được đặt ra trong ngành công nghiệp ô tô khoảng năm 1946 để mô tả việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị và điều khiển tự động trong các dây chuyền sản xuất cơ giới hóa.

Nguồn gốc của từ này là do DS Harder, một giám đốc kỹ thuật tại Ford Motor Company vào thời điểm đó. Thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi trong bối cảnh sản xuất , nhưng nó cũng được áp dụng bên ngoài sản xuất liên quan đến nhiều hệ thống trong đó có sự thay thế đáng kể của hoạt động cơ, điện hoặc máy tính cho nỗ lực và trí tuệ của con người. Dây truyền tự động hóa sản xuất ô tô Trong cách sử dụng chung, tự động hóa có thể được định nghĩa là một công nghệ liên quan đến việc thực hiện một quy trình bằng các lệnh được lập trình kết hợp với điều khiển phản hồi tự động để đảm bảo thực hiện đúng các hướng dẫn. Hệ thống kết quả có khả năng hoạt động mà không cần sự can thiệp của con người.

Sự phát triển của công nghệ này ngày càng phụ thuộc vào việc sử dụng máy tính và các công nghệ liên quan đến máy tính. Do đó, các hệ thống tự động ngày càng trở nên tinh vi và phức tạp. Các hệ thống tiên tiến thể hiện một mức năng lực và hiệu suất vượt qua nhiều mặt khả năng của con người để hoàn thành các hoạt động tương tự. Công nghệ tự động hóa đã phát triển đến mức mà một số công nghệ khác đã phát triển từ nó và đã đạt được sự công nhận và vị thế của riêng chúng.

Công nghệ người máy-robot là một trong những công nghệ này; nó là một nhánh chuyên biệt của tự động hóa, trong đó máy tự động sở hữu một số đặc điểm nhất định về nhân hình , hoặc giống con người. Đặc điểm giống người điển hình nhất của nền công nghiệp hiện đại với robot là cánh tay cơ khí được hỗ trợ của nó. Lịch sử phát triển của tự động hóa Công nghệ tự động hóa đã phát triển từ lĩnh vực liên quan đến cơ giới hóa , bắt đầu từ cuộc Cách mạng Công nghiệp. Cơ giới hóa đề cập đến việc thay thế sức người (hoặc động vật) bằng sức mạnh cơ học ở một số dạng.

Động lực thúc đẩy cơ giới hóa là thiên hướng của loài người trong việc tạo ra các công cụ và các thiết bị cơ khí. Một số phát triển lịch sử quan trọng trong cơ khí hóa và tự động hóa dẫn đến các hệ thống tự động hiện đại được mô tả ở đây. Những phát triển ban đầu Thời đầu tiên các công cụ làm bằng đá đại diện cho những nỗ lực của người tiền sử nhằm hướng sức mạnh thể chất của chính mình dưới sự điều khiển của trí thông minh con người. Không nghi ngờ gì nữa, hàng nghìn năm đã được yêu cầu cho sự phát triển của các thiết bị và máy móc cơ khí đơn giản như bánh xe, đòn bẩy và ròng rọc, nhờ đó sức mạnh của cơ bắp con người có thể được phóng đại.

Sự mở rộng tiếp theo là sự phát triển của các loại máy chạy bằng năng lượng không cần đến sức người để vận hành. Cối xay gió Hình 1. Động cơ hơi nước Ví dụ về các loại máy này bao gồm bánh xe nước, cối xay gió và các thiết bị chạy bằng hơi nước đơn giản.000 năm trước, người Trung Quốc đã phát triển búa ba chân(chày cối giã gạo) chạy bằng nước chảy và guồng nước. Những người Hy Lạp đầu tiên đã thử nghiệm với các động cơ phản ứng đơn giản được cung cấp bởi hơi nước.

Các đồng hồ cơ khí , đại diện cho một hệ khá phức tạp với nó riêng tích hợp nguồn năng lượng (cân nặng), được phát triển từ 1335 ở châu Âu. Cối xay gió, với cơ chế tự động quay cánh buồm, được phát triển từ thời Trung cổ ở châu Âu và Trung Đông. Các động cơ hơi nước đại diện cho một bước tiến lớn trong sự phát triển của máy phụ trợ và đánh dấu sự khởi đầu của cuộc Cách mạng công nghiệp. Trong suốt hai thế kỷ kể từ khi động cơ hơi nước Watt ra đời, các động cơ và máy móc chạy bằng năng lượng đã được phát minh ra để lấy năng lượng từ hơi nước, điện và các nguồn hóa chất, cơ khí và hạt nhân.

Mỗi sự phát triển mới trong lịch sử của máy điện đã kéo theo yêu cầu ngày càng cao đối với các thiết bị điều khiển để khai thác sức mạnh của máy. Các động cơ hơi nước đầu tiên cần một người để mở và đóng các van, đầu tiên là đưa hơi vào buồng pít-tông và sau đó xả ra ngoài. Sau đó, một cơ chế van trượt đã được phát minh ra để tự động thực hiện các chức năng này. Khi đó, nhu cầu duy nhất của người vận hành là điều chỉnh lượng hơi nước để kiểm soát tốc độ và công suất của động cơ.

Yêu cầu về sự chú ý của con người trong hoạt động của động cơ hơi nước đã được loại bỏ bởi quả bóng điều tiết. Được phát minh bởi James Watt ở Anh, thiết bị này bao gồm một quả bóng có trọng lượng trên một cánh tay có bản lề, được ghép cơ học với trục đầu ra của động cơ. Khi tốc độ quay của trục tăng lên, lực ly tâm làm cho quả cầu có khối lượng bị dịch chuyển ra ngoài. Chuyển động này điều khiển một van làm giảm hơi nước được cấp vào động cơ, do đó động cơ sẽ chậm lại.

Bộ điều khiển quả bóng bay vẫn là một ví dụ ban đầu thanh lịch của một hệ thống điều khiển phản hồi tiêu cực, trong đó đầu ra ngày càng tăng của hệ thống được sử dụng để giảm hoạt động của hệ thống. Phản hồi tiêu cực được sử dụng rộng rãi như một phương tiện điều khiển tự động để đạt được mức hoạt động không đổi cho một hệ thống. Một ví dụ phổ biến của hệ thống điều khiển phản hồi là bộ điều nhiệt được sử dụng trong các tòa nhà hiện đại để kiểm soát nhiệt độ phòng. Trong thiết bị này, nhiệt độ phòng giảm làm đóng một công tắc điện, do đó bật thiết bị sưởi.

Khi nhiệt độ phòng tăng lên, công tắc sẽ mở và nguồn cung cấp nhiệt bị tắt. Bộ điều nhiệt có thể được đặt để bật thiết bị sưởi tại bất kỳ điểm cài đặt cụ thể nào. Một sự phát triển quan trọng khác trong lịch sử tự động hóa là Máy dệt Jacquard, đã thể hiện khái niệm về máy lập trình. Khoảng năm 1801 nhà phát minh người Pháp Joseph-Marie Jacquard đã phát minh ra một máy dệt tự động có khả năng tạo ra các mẫu phức tạp trong hàng dệt bằng cách điều khiển chuyển động của nhiều con thoi của các sợi chỉ có màu sắc khác nhau.

Việc lựa chọn các mẫu khác nhau được xác định bởi một chương trình chứa trong các thẻ thép, trong đó các lỗ được đục lỗ. Những thẻ này là tổ tiên của thẻ giấy và băng điều khiển máy móc tự động hiện đại. Khái niệm lập trình máy được phát triển thêm vào cuối thế kỷ 19 khi Charles Babbage , một nhà toán học người Anh, đã đề xuất một phức hợp, cơ học “công cụ phân tích ”có thể thực hiện xử lý số học và dữ liệu. Mặc dù Babbage không bao giờ có thể hoàn thành nó, nhưng thiết bị này là tiền thân của máy tính kỹ thuật số hiện đại.

Khung dệt Jacquard Máy dệt Jacquard, 1874. Ở trên cùng của máy là một chồng thẻ đục lỗ sẽ được đưa vào máy dệt để điều khiển kiểu dệt. Phương pháp tự động đưa ra các lệnh máy này đã được máy tính sử dụng vào thế kỷ 20. Phát triển hiện đại Một số phát triển quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau đã xảy ra trong thế kỷ 20: kỹ thuật số máy tính , những cải tiến trong công nghệ lưu trữ dữ liệu và phần mềm để viết chương trình máy tính, những tiến bộ trong công nghệ cảm biến và sự hình thành lý thuyết điều khiển toán học.

Tất cả những phát triển này đã góp phần vào sự tiến bộ trong công nghệ tự động hóa. Sự phát triển của máy tính kỹ thuật số điện tử (ENIAC [Máy tính và tích hợp số điện tử] năm 1946 và UNIVAC I [Máy tính tự động đa năng] năm 1951) đã cho phép chức năng điều khiển trong tự động hóa trở nên tinh vi hơn nhiều và các phép tính liên quan được thực hiện nhanh hơn nhiều so với trước đây có thể. Sự phát triển củacác vi mạch tích hợp trong những năm 1960 đã thúc đẩy xu hướng thu nhỏ hóa trong công nghệ máy tính dẫn đến việc các máy nhỏ hơn và ít tốn kém hơn nhiều so với các máy tiền nhiệm nhưng vẫn có khả năng thực hiện các phép tính với tốc độ lớn hơn nhiều. Xu hướng này ngày nay được thể hiện bằng bộ vi xử lý, một thiết bị đa vòng thu nhỏ có khả năng thực hiện tất cả các chức năng logic và số học của một kỹ thuật số lớn.

Cùng với những tiến bộ của công nghệ máy tính, đã có những cải tiến song song trong công nghệ lưu trữ chương trình để chứa các lệnh lập trình. Phương tiện lưu trữ hiện đại bao gồm băng và đĩa từ tính, bộ nhớ bong bóng từ tính, bộ lưu trữ dữ liệu quang học được đọc bằng laser, máy quay video và hệ thống bộ nhớ định địa chỉ bằng chùm tia điện tử. Ngoài ra, những cải tiến đã được thực hiện trong các phương pháp lập trình máy tính (và các máy lập trình khác). Các ngôn ngữ lập trình hiện đại dễ sử dụng hơn và có khả năng xử lý dữ liệu và logic mạnh hơn.

Tiến bộ trong công nghệ cảm biến đã cung cấp một loạt các thiết bị đo lường có thể được sử dụng như các thành phần trong các hệ thống điều khiển phản hồi tự động .