NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CƠ KHÍ ROBOT LAU KÍNH
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CƠ KHÍ ROBOT LAU KÍNH
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT LAU KÍNH.. 6
1.1. Tình hình thực tiễn hiện nay. 6
1.2. Lý do chọn Robot lau kính. 6
1.3. Tổng quan về robot lau kính. 7
1.4. Nội dụng sẽ trình bày trong các chương. 8
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, Ý TƯỞNG THIẾT KẾ ROBOT. 9
2.1. Nghiên cứu về hình dáng. 9
2.2. Nghiên cứu về cách di chuyển. 12
2.2.1. Chọn lựa phương án di chuyển. 12
2.2.2. Chọn lựa phương án cho bộ phận quay của robot lau kính. 16
2.2.3. Chọn lựa phương án để robot bám trên tường. 18
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THI CÔNG CƠ KHÍ ROBOT LAU KÍNH.. 21
3.1. Tính toán bộ phận bám tường. 21
3.2. Tính toán bộ phận tịnh tiến robot28
3.3. Tính toán bộ phận quay robot41
3.4. Tính toán sức bền khung robot50
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN.. 56
4.1. Đánh giá. 56
4.2. Kết luận. 56
4.3. Hướng phát triển. 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 60
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Robot chăm sóc trong y tế. 6
Hình 1. 2 Robot công nghiệp. 6
Hình 1. 3 Các kiểu phòng kính văn phòng. 7
Hình 2. 1 Kiểu mẫu robot hình bầu dục. 9
Hình 2. 2 Kiểu mẫu robot hình vuông. 10
Hình 2. 3 Kiểu mẫu robot hình mũi tên. 10
Hình 2. 4 Kiểu mẫu robot hình tròn. 11
Hình 2. 5 Kiểu mẫu robot theo thiết kế của nhóm.. 12
Hình 2. 6 Truyền động đai13
Hình 2. 7 Bộ truyền xích. 15
Hình 2. 8 Bộ truyền bánh răng. 17
Hình 2. 9 Robot leo tường sử dụng giác hút của ĐH Seoul19
Hình 2. 10 Mecho-Gecko đang leo trên cửa kính. 20
Hình 3. 1 Biểu đồ thể hiện hoạt động luồng của một động cơ turbin phản lực. 24
Hình 3. 2 Biểu đồ thể hiện hoạt động của dòng khí quanh trục.24
Hình 3. 3 Phân bố các lực trên robot khi leo tường. 25
Hình 3. 4 Động cơ quạt hút28
Hình 3. 5 Hai nhánh đai mắc song song. 29
Hình 3. 6 Hai nhánh đai mắc chéo nhau. 29
Hình 3. 7 Giới thiệu vật liệu dây đai, bánh dẫn. 29
Hình 3. 8 Chuyển động quay. 30
Hình 3. 9 Nguyên lý làm việc. 30
Hình 3. 10 Ứng dụng bộ truyền đai31
Hình 3. 11 Bộ truyền đai răng. 32
Hình 3. 12 Bộ phận tịnh tiến theo thiết kế của nhóm.. 41
Hình 3.13 Bộ phận quay. 43
Hình 3. 14 Truyền động bánh răng côn. 43
Hình 3. 15 Động cơ giảm tốc M2839-S32A81 được sử dụng trong đề tài44
Hình 4. 1 Cấu tạo, hình dáng tổng thể của máy. 56
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3. 1 Các thông số của sợi đai tổng hợp. 33
Bảng 3. 2 Chiều rộng đai răng b. 34
Bảng 3. 3 Số răng của bánh đai răng nhỏ z. 34
Bảng 3. 4 Các thông số của đai răng. 35
Bảng 3. 5 Chiều dài đai răng lđ,mm.. 36
Bảng 3. 6 Các thông số của bánh đai răng 37
Bảng 3. 7 Trị số của hệ số tải trọng động Kđ. 39
Bảng 3. 8 Trị số khối lượng một mét đai qm và lực vòng riêng cho phép [q0]40
Bảng 3. 9 Chọn số răng. 45
Bảng 3. 10 Trị số tiểu chuẩn của môđun. 46
Bảng 3. 11 . Chọn hệ số dịch chỉnh cho bánh nhỏ x1. 47
Bảng 3. 12 Tính các thông số răng côn. 48
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT LAU KÍNH
1.1. Tình hình thực tiễn hiện nay
Ngày nay, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống con người đã làm thay đổi căn bản diện mạo của thế giới. Từ công nghệ điện tử, máy tính, truyền thông đến hóa học, năng lượng… đã giúp chúng ta thuận tiện, dễ dàng hơn và đạt hiệu quả cao hơn trong công việc. Trong những lĩnh vực đó, công nghệ robot cũng đã góp một phần hữu hiệu vào những thành tựu đã đạt được. Robot trở thành một cánh tay đắc lực cho con người, làm những việc con người không làm được, tần suất 24/24 giờ và trong những môi trường nguy hiểm đến tính mạng, sức khỏe con người.
Hình 1. 1 Robot chăm sóc trong y tế Hình 1. 2 Robot công nghiệp
1.2. Lý do chọn Robot lau kính
Xã hội càng phát triển thì những tòa nhà cao tầng mọc lên càng nhiều, con người cũng bận rộn theo công việc, một khó khăn họ không có thời gian trong việc vệ sinh các ô cửa kính bên trong tòa nhà, các phòng ốc hay trong các văn phòng làm việc gia đình, hay các ô cửa kính khá cao gây khó khăn trong việc vệ sinh, có nguy cơ té ngã khi lau do đứng trên ghế cao. Lấy cảm hứng từ đó, chúng em thực hiện đề tài “Robot lau kính”. Dù trên thực tế thì robot lau kính không phải ý tưởng mới, tuy nhiên hình dáng còn tương đối giống nhau, ứng dụng còn ít, vì vậy nhóm muốn cải tiến robot để robot trở nên đẹp hơn, đa dụng hơn.
Hình 1. 3 Các kiểu phòng kính văn phòng
1.3. Tổng quan về robot lau kính
Robot có khả năng di chuyển trên các mặt phẳng thẳng đứng hay trần nhà dựa vào nguyên tắc khí động học được tạo ra từ cánh quạt phản lực gắn trên thân. Tín hiệu điều khiển có thể được truyền qua tín hiệu DTMF của điện thoại và các cảm biến. Khi hoàn thành chế tạo, robot có thể thay thế con người trong việc vệ sinh cửa kính ở các tòa nhà văn phòng một cách an toàn và hiệu quả. Với thiết kế lau bề mặt trong các ô cửa kính lớn, có thể vượt qua các thanh chặn ngang không quá cao ( <3mm) nhỏ gọn nhẹ, dễ dàng sử dụng.
1.4. Nội dụng sẽ trình bày trong các chương
Chương 1: Tổng quan về robot lau kính: chúng em trình bày tồng quan về nhu cầu xã hội hiện nay và ứng dụng của robot trong thực tế cũng như giới hạn đề tài nghiên cứu.
Chương 2: Nghiên cứu, ý tưởng thiết kế robot: chúng em sẽ trình bày về những nghiên cứu, khảo sát để chọn lựa phương án thiết kế robot hợp lý.
Chương 3: Tính toán, thi công cơ khí robot lau kính: chúng em sẽ trình bày quá trình tính toán chọn lựa các thiết bị, tính toán sức bền cho máy, trình bày bản vẽ kỹ thuật và bản vẽ 3D.
Chương 4: Kết luận, đánh giá.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, Ý TƯỞNG THIẾT KẾ ROBOT
Ở chương này, chúng em sẽ trình bày về ý tưởng, hình mẫu, số liệu tham khảo để thiết kế nên robot lau kính bao gồm các vấn đề sau: hình dáng, cách di chuyển, các thông số tổng quát về robot.
2.1. Nghiên cứu về hình dáng
Trên thị trường hiện nay, robot lau kính có nhiều hình dáng, nhiều tạo hình phù hợp với môi trường hoạt động và mục đích sử dụng.
Hình 2. 1 Kiểu mẫu robot hình bầu dục
-Hình bầu dục:
Ưu điểm: Di chuyển nhanh, không gian hoạt động lớn.
Nhược điểm: Khó hoạt động trong không gian hẹp, khó tính toán
Hình 2. 2 Kiểu mẫu robot hình vuông
-Hình vuông:
Ưu điểm: dễ điều khiển, lau được các góc vuông.
Nhược điểm: di chuyển chậm, cơ cấu quay phức tạp.
Hình 2. 3 Kiểu mẫu robot hình mũi tên
-Hình mũi tên:
Ưu điểm: Lau được góc nhỏ.
Nhược điểm: phạm vi hoạt động nhỏ.
Hình 2. 4 Kiểu mẫu robot hình tròn
-Hình tròn:
Ưu điểm: Quay dễ
Nhược điểm: không lau được các góc nhọn.
Sau khi nghiên cứu, chọn lựa kiểu mẫu cho hình dáng robot lau kính, chúng em quyết định chọn hình vuông cho phần xung quanh, phần hình tròn nằm ở trung tâm robot. Ta có thể xem hình dưới để rõ thiết kế tổng quát về hình dáng của robot.
Hình 2. 5 Kiểu mẫu robot theo thiết kế của nhóm
2.2. Nghiên cứu về cách di chuyển
2.2.1. Chọn lựa phương án di chuyển
2.2.1.1. Phân bố các cơ cấu:
Với hình dáng như trên ta có thể khắc phục được những nhược điểm của những kiểu dáng khác đặc biệt là trong khâu tính toán di chuyển.
Với thiết kế hình dáng như trên ta có phần xung quanh và phần trung tâm. Ta có thể liệt kê các phương án sau:
Cách 1:
- Đặt phần di chuyển ở phần xung quanh, phần lau kính ở trung tâm robot.
- Khi di chuyển, tịnh tiến ổn nhưng phần tính toán thiết kế để robot quay phức tạp do phần di chuyển là hình vuông nên khó quay đầu ở góc hẹp., không thích hợp với thực tế.
- Ngoài ra, nếu đặt phần lau ở trung tâm, phạm vi lau kính nhỏ, và không lau được trong góc
Cách 2:
- Đặt phần di chuyển ở trung tâm, phần lau kính ở xung quanh.
- Như vậy khi tịnh tiến hoặc quay đầu đều có thể tính toán thiết kế đơn giản, phù hợp thực tế. Cụ thể robot đi như sau: khi bắt đầu khởi động, robot chạy tịnh tiến dọc theo phương song song với khung cửa kính, khi chạm tường, vách, robot sẽ lùi lại và quay đầu, do phần di chuyển nằm bên trong và hình tròn nên việc quay đầu trở nên dễ dàng.
- Ngoài ra, phần vuông nằm bên ngoài là phần lau kính nên có thể lau được các góc của kính.
Sau khí nghiên cứu và khảo sát cách di chuyển của robot, nhóm quyết định chọn cách di chuyển thứ hai.
2.2.1.2. Chọn cơ cấu:
Với phân bố như trên ta có những phương án chính phù hợp cho cơ cấu di chuyển như sau:
Cách 1: Ta dùng cơ cấu bánh đai:
Truyền động đai là truyền động bằng phương tiện kéo. Chúng truyền mômen xoắn và tốc độ giữa hai trục, và có thể có một khoảng cách lớn hơn so với bộ truyền bánh răng. Vì tất cả các dây làm bằng nhựa hoặc vải dệt, đặc tính của chúng khác biệt đáng kể với các bộ truyền bánh răng hoặc xích.
Hình 2. 6 Truyền động đai
Ưu điểm của bộ truyền đai:
– Bộ truyền đai có kềt cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành hạ.
– Bộ truyền đai có khả năng truyền chuyển động giữa hai trục khá xa nhau, mà kích thước của bộ truyền không lớn lắm.
– Bộ truyền làm việc êm, không có tiếng ồn.
– Đảm bảo an toàn cho động cơ khi có quá tải.
Nhược điểm của bộ truyền đai:
– Bộ truyền đai có trượt, nên tỷ số truyền và số vòng quay n2 không ổn định.
– Bộ truyền có khả năng tải không cao. Kích thước của bộ truyền lớn hơn các bộ truyền khác, khi làm việc với tải trọng như nhau
– Tuổi thọ của bộ truyền tương đối thấp, đặc biệt khi làm việc với vận tốc cao.
– Lực tác dụng lên trục và ổ lớn, có thể gấp 2÷3 lần so với bộ tuyền bánh răng.
Phạm vi sử dụng của bộ truyền đai:
– Bộ truyền đai được dùng nhiều trong các máy đơn giả Khi cần truyền chuyển động giữa các trục xa nhau. Kết hợp dùng làm cơ cấu an toàn để bảo vệ động cơ.
– Bộ truyền đai thường dùng truyền tải trọng từ nhỏ đến trung bình. Tải trọng cực đại có thể đến 50 kW.
– Bộ truyền có thể làm việc với vân tốc nhỏ, đến trung bình. Vận tốc thường dùng không nên quá 20 m/s, vận tốc lớn nhất có thể dùng là 30 m/s.
– Tỷ số truyền thường dùng từ 1 đến 3 cho đai dẹt, từ 2 đến 6 cho đai thang. Tỷ số truyền tối đa cho một bộ truyền đai dẹt không nên quá 5, cho bộ truyền đai thang không nên quá 10
– Hiệu suất trung bình trong khoảng 0,92 đến 0,97.
Cách 2: Ta dùng cơ cấu bánh xích:
Bộ truyền xích truyền chuyển động và momen xoắn giữa 2 trục khá xa nhau và các trục này thông thường sẽ truyền chuyển động đến các bánh răng để thực hiện ăn khớp và tiếp trục truyền chuyển động và monen đến các cơ cấu khác, bánh răng cũng cần phải đươc thiết kế và tính toán rất kỹ để đảm bảo về mặt kỹ thuật.
Hình 2. 7 Bộ truyền xích
Ưu điểm của bộ truyền xích:
– Bộ truyền xích có khả năng tải cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn so với bộ truyền đai.
– Bộ truyền xích có thể truyền chuyển động giữa hai trục xa nhau, mà kích thước của bộ truyền không lớn
– Bộ truyền xích có thể truyền chuyền động từ một trục dẫn đến nhiều trục bị dẫn ở xa nhau.
– Hiệu suất truyền động cao hơn đai.
Nhược điểm của bộ truyền xích:
– Bộ truyền xích có vận tốc và tỷ số truyền tức thời không ổn định.
– Bộ truyền làm việc có nhiều tiếng ồn.
– Yêu cầu chăm sóc, bôi trơn thường xuyên trong quá trình sử dụng.
– Bản lề xích mau bị mòn, và có quá nhiều mối ghép, nên tuổi thọ không cao.
Phạm vi sử dụng của bộ truyền xích:
– Bộ truyền xích được dùng nhiều trong các máy nông nghiệp, máy vận chuyển, và trong tay máy.
– Khi cần truyền chuyển động giữa các trục Xa nhau, hoặc truyền chuyển động từ một trục đến nhiều trục.
– Bộ truyền xích thường dùng truyền tải trọng từ nhỏ đến trung bình. Tải trọng cực đại có thể đến 100 kW.
– Bộ truyền có thể làm việc với vận tốc nhỏ, đến trung bình. Vận tốc thường dùng không nên quá 6 m/s. Vận tốc lớn nhất có thể dùng 25 m/s, khi tỷ số truyền nhỏ hơn 3.
– Tỷ số truyền thường dùng từ 1 đến 7. Tỷ số truyền tối đa không nên quá 15.
– Hiệu suất trung bình trong khoảng 0,96 đến 0,98.
Từ những ưu điểm và nhược điểm của bánh đai và bánh xích và phạm vi ứng dụng của chúng, chúng em quết định sử dụng bộ truyền bánh đai.
2.2.2. Chọn lựa phương án cho bộ phận quay của robot lau kính
Qua tìm hiểu, tham khảo chúng em quyết định chọn truyền động bánh răng vì năng suất hoạt động của bộ truyền này cao và hoạt động phù hợp nhất với đề tài chúng em.
Bộ truyền động bánh răng truyền chuyển động quay từ một trục này sang trục khác. Qua đó các răng của cả hai bánh răng ăn khớp theo dạng cứng vào nhau và vì thế không có độ trượt. Điều này cho phép truyền các lực nhỏ, chẳng hạn như trong kỹ thuật chính xác, hoặc lực rất lớn, thí dụ như bộ truyền động trong máy cán, và giữ được tỷ lệ truyền chính xác. Ngoài ra bánh răng cần có một khoảng cách trục nhỏ.
Hình 2. 8 Bộ truyền bánh răng
Ưu điểm của bộ truyền bánh răng:
– Bô truyền bánh răng có kích thước nhỏ gọn hơn các bộ truyền khác, khi làm việc với công suất, số vòng quay và tỷ số truyền như nhau.
– Bộ truyền bánh răng có khả năng tải cao hơn so với các bộ truyền khác, khi có cùng kích thước
– Tỷ số truyền không thay đổi, số vòng quay n2 ổn định.
– Hiệu suất truyền động cao hơn các bộ truyền khác
– Làm việc chắc chắn, tin cậ có tuổi bền cao.
Nhược điểm của bộ truyền bánh răng:
-Bộ truyền bánh răng yêu cầu gia công chính xác cao, cần phải có dao chuyên dù Giá thành tương đối đắt.
-Bộ truyền làm việc có nhiều tiếng ồn, nhất là khi vận tốc làm việc cao.
-Khi sử dụng cần phải chắm sóc, bôi trơn đầy đủ.
Phạm vi sử dụng của bộ truyền bánh răng:
– Bộ truyền bánh răng được dùng nhiều nhất so với các bộ truyền khác ,nó được dùng trong tất cả các loại máy, trong mọi ngành kinh tế.
– Bộ truyền bánh răng có thể truyền tải trọng từ rất nhỏ đến rất lớ Tải trọng cực đại có thể đến 300 kW.
– Bộ truyền có thể làm việc với vận tốc từ rất nhỏ, đến rất lớ Vận tốc lớn nhất có thể đến 200 m/s.
– Tỷ số truyền thường dùng từ 1 đến 7. Tỷ số truyền tối đa cho một bộ truyền thông dụng không nên quá 12.
– Hiệu suất trung bình trong khoảng 0,97 đến 0,99.
2.2.3. Chọn lựa phương án để robot bám trên tường
Việc chế tạo robot lau tường đã không còn mới mẻ trên thế giới nữa, người ta đã nghĩ đến nhiều giải pháp khác nhau giúp robot có thể di chuyển ở điều kiện ngược với trọng lực như dùng lực hút nam châm, giác hút chân không hay mô phỏng khả năng của các loài bò sát như thằn lằn, rắn mối… Những giải pháp trên đã đạt được một số thành tựu đáng kể nhưng những khó khăn gặp phải cũng không ít, đó là nguyên nhân tại sao mảng đề tài này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi vào cuộc sống.
Ví dụ như việc dùng lực hút nam châm chỉ được hỗ trợ trong môi trường có bề mặt là các chất có từ tính như vách tường bằng sắt, thân tàu ngầm, ô tô…
(a) Robot phát hiện vết nứt trên vỏ tàu
(b) VEX Magnetic Climbing Robot Model 2
Kiểu thứ 2 là sử dụng giác hút. Trường đại học Seoul National University, Seoul, Hàn Quốc đã phát triển một số phiên bản của loại robot này. Các van cơ học điều khiển các miếng hút khiến robot có thể bám dính vào bề mặt một lực tương đối lớn, nhưng với kiểu thiết kế này, việc di chuyển robot khá khó khăn và không phù hợp với những công việc trên bề mặt không thực sự bằng phẳng.
Hình 2. 9 Robot leo tường sử dụng giác hút của ĐH Seoul
Một giải pháp khác khá mới mẻ là robot phỏng sinh học. Để có thể bám trên tường, robot sử dụng các miếng tiếp xúc được gắn dưới chân giống như một con tắc kè. PEDA Labs và University of California Berkeley đã thiết kế một con robot như vậy có tên là Mecho-Gecko.
Hình 2. 10 Mecho-Gecko đang leo trên cửa kính
Cũng giống như việc dùng giác hút, robot kiểu này không thể di chuyển linh động được và kinh phí cho các miếng tiếp xúc thường khá cao.
Giải pháp cuối cùng cũng là giải pháp chúng em lựa chọn cho đề tài này là sử dụng nguyên lý động học. Ưu điểm của nó là không quá phức tạp và đắt đỏ, robot cũng có thể di chuyển một cách rất linh hoạt như ở mặt đất. Chi tiết sẽ được chúng em giới thiệu ngay sau đây.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THI CÔNG CƠ KHÍ ROBOT LAU KÍNH
Ở phần này, chúng em sẽ nêu chi tiết quá trình tính toán, thi công robot lau kính. Trình tự tính toán robot như sau:
- Tính toán bộ phận bám tường.
- Tính toán bộ phận tịnh tiến robot.
- Tính toán bộ phận quay robot.
- Tính toán sức bền vỏ robot.
3.1. Tính toán bộ phận bám tường
3.1.1. Cơ sở lý thuyết:
Chúng em chế tạo robot có thể di chuyển trên bề mặt thẳng đứng dựa vào nguyên lý động học: sử dụng Động cơ turbin phản lực luồngquay với vận tốc lớn, tạo ra chênh lệch áp suất giữa trong và ngoài buồng khí, khi áp lực lớn hơn trọng lực của thân robot thì nó có thể di chuyển được. Vậy động cơ turbin phản lực phân luồng là gì?
3.1.1.1. Giới thiệu về động cơ turbin phản lực phân luồng:
Một động cơ turbin phản lực thường được dùng làm động cơ đẩy cho máy bay. Không khí được đưa vào bên trong những máy nén quay thông qua cửa hút khí và được nén tới áp suất cao trước khi đi vào buồng đốt. Ở đây không khí trộn với nhiên liệu và được đốt cháy. Quá trình cháy này khiến nhiệt độ khí tăng lên rất nhiều. Các sản phẩm cháy nhiệt độ cao thoát ra khỏi buồng đốt và chạy qua turbin để làm quay máy nén. Dù quá trình này làm giảm nhiệt độ và áp suất khí thoát ra khỏi turbin, thì những tham số của chúng vẫn vượt cao hơn so với điều kiện bên ngoài. Luồng khí bên trong turbin thoát ra ngoài thông qua ống thoát khí, tạo ra một lực đẩy phản lực ngược chiều. Nếu tốc độ phản lực vượt quá tốc độ bay, máy bay sẽ có được lực đẩy tiến về phía trước. Tốc độ luồng khí phụt nói chung phụ thuộc vào tốc độ bay, đây cũng là lý do các máy bay muốn có tốc độ vượt âm, hiện nay phải sử dụng loại động cơ này.
3.1.1.2. Các bộ phận của động cơ turbin phản lực phân luồng:
a/ Cửa hút gió:
Phía trước máy nén là cửa hút gió (hay cửa vào), nó được thiết kế để hút được càng nhiều không khí càng tốt. Sau khi qua cửa hút gió, không khí đi vào hệ thống nén.
b/ Máy nén:
Máy nén quay ở tốc độ rất cao, làm tăng năng lượng cho dòng khí, cùng lúc nén khí lại khiến nó tăng áp suất và nhiệt độ.
Đối với hầu hết các máy bay dùng động cơ phản lực turbin, không khí nén được lấy từ máy nén trong nhiều giai đoạn để phục vụ các mục đích khác như điều hòa không khí/điều hòa áp suất, chống đóng băng cửa hút khí, và nhiều việc khác.
Có nhiều kiểu máy nén được dùng cho máy bay động cơ phản lực turbin và turbin khí nói chung: trục, ly tâm, trục-ly tâm, ly tâm đôi, vân vân.
Các máy nén giai đoạn đầu có tỷ lệ nén tổng thể ở mức thấp 5:1 (tương tự mức của đa số các động cơ phụ và máy bay động cơ turbin phản lực loại nhỏ ngày nay). Những cải tiến khí độc lực sau này cho phép các máy bay dùng động cơ turbin phản lực ngày nay đạt tỷ lệ nén tổng thể ở mức 15:1 hay cao hơn. So sánh với các động cơ phản lực cánh quạt đẩy) dân dụng hiện nay có tỷ lệ nén tổng thể lên tới 44:1 hay cao hơn.
Sau khi đi ra khỏi bộ phận nén, không khí nén vào trong buồng đốt.
c/ Buồng đốt:
Quá trình đốt bên trong buồng đốt khác rất nhiều so với quá trình đốt trong động cơ piston. Trong một động cơ piston khí cháy bị hạn chế ở khối lượng nhỏ, khi nhiên liệu cháy, áp suất tăng lên đột ngột. Trong một động cơ turbin phản lực, hỗn hợp không khí và nhiên liệu, không hạn chế, đi qua buồng đốt. Khi hỗn hợp cháy, nhiệt độ của nó tăng đột ngột, áp lực trên thực tế giảm đi vài phần trăm.
Nói chi tiết, hỗn hợp không khí-nhiên liệu phải được ngăn lại ở mức hầu như dừng hẳn để đảm bảo tồn tại một ngọn lửa cháy ổn định, quá trình này diễn ra ngay đầu buồng đốt. Và chưa tới 25% không khí tham gia vào quá trình cháy, ở một số loại động cơ tỷ lệ này chỉ đạt mức 12% phần còn lại đóng vai trò dự trữ để hấp thu nhiệt tỏa ra từ quá trình đốt nhiên liệu. Một khác biệt nữa giữa động cơ piston và động cơ phản lực là nhiệt độ đỉnh điểm trong động cơ piston chỉ diễn ra trong khoảnh khắc, trong một phần nhỏ của toàn bộ quá trình. Buồng đốt trong một động cơ phản lực luôn đạt mức nhiệt độ đỉnh và có thể làm chảy lớp vỏ ngoài. Vì thế chỉ một lõi ở giữa của dòng khí được trộn với đủ nhiên liệu đảm bảo cháy thực sự. Vỏ ngoài được thiết kế với hình dạng sao cho luôn có một lớp không khí sạch không cháy nằm giữa bề mặt kim loại và nhân giữa. Lớp không khí không cháy này được trộn với các khí cháy làm nhiệt độ giảm xuống ở mức turbin có thể chịu đựng được. Một điểm quan trọng khác là ở động cơ turbine, quá trình đánh lửa của bugi chỉ xảy ra trong quá trình khởi động, và ngọn lửa được duy trì bởi chính nó trong suốt quá trình hoạt động.
d/ Turbin:
Khí nóng ra khỏi buồng đốt được hướng chạy qua các lá turbine làm quay turbine. Về mặt khí động các lá turbine có cấu tạo gần giống như các lá máy nén nhưng chỉ có hai hoặc ba tầng và bản chất hoàn toàn ngược với máy nén. Khí nóng qua turbine giãn nở sinh công làm quay các tầng turbine. Turbine quay sẽ kéo quay máy nén. Một phần năng lượng quay của turbine được tách ra để cung cấp cho các phụ kiện như bơm nhiên liệu, dầu, thủy lực...
e/ Ống thoát khí:
Sau turbin, khí cháy thoát ra ngoài qua ống thoát khí tạo ra một tốc độ phản lực lớn. Ở ống thoát khí hội tụ, các ống dẫn hẹp dần dẫn tới miệng thoát. Tỷ lệ áp lực ống thoát khí của một động cơ phản lực thường đủ lớn để khiến khí đạt tốc độ Mach 1.0.
Tuy nhiên, nếu có lắp một ống thoát khí kiểu hội tụ-phân kì "de Laval", vùng phân rã cho phép khí nóng đạt tới tốc độ trên âm ngay bên trong chính ống thoát khí. Cách này có hiệu suất lực đẩy hơi lớn hơn sử dụng ống thoát khí hội tụ. Tuy nhiên, nó lại làm tăng trọng lượng và độ phức tạp của động cơ.
Hình 3. 1 Biểu đồ thể hiện hoạt động luồng li tâm của một động cơ turbin phản lực
Máy nén hoạt động nhờ giai đoạn turbin và đẩy khí đi nhanh hơn, buộc nó phải chạy song song với trục đẩy.
Hình 3. 2 Biểu đồ thể hiện hoạt động của dòng khí quanh trục trong động cơ turbin phản lực.
Ở đây, máy nén cũng hoạt động nhờ turbin, nhưng dòng khí vẫn song song với trục đẩy.
3.1.2. Tính toán động cơ phản lực phân luồng:
Hình 3. 3 Phân bố các lực trên robot khi leo tường
Công thức tính chênh lệch áp suất:
Trong đó:
Pin: Áp suất trong buồng khí
Pat: Áp suất khí quyển
A: Diện tích buồng khí
Fe: Lực ép buồng khí
Từ đó ta có được:
Lực ma sát khi robot di chuyển:
Với:
R: Lực ma sát
N: Phản lực của tường tác dụng lên robot
k: Hệ số ma sát (phụ thuộc vào bề mặt)
Khi robot đứng yên trên mặt phẳng thẳng đứng, lực ép của buồng khí phải bằng với phản lực (theo định luật 3 Newton).
Hay:
Vì lực nén của robot lên tường là thành phần theo phương x trong khi trọng lực tác dụng theo phương y, nên lực ma sát để robot đứng yên tối thiểu phải bằng trọng lực.
Dựa vào số liệu đã có tính được như sau:
Pat = 101325,3354 N/m2 = 1 atm
A = = 14172 mm2
k = 0.4 (hệ số ma sát của kính)
g = 9.8 m/s2
Pin= 97867.7463 N/m2 = 0.966 atm
Lực ép buồng khí: Fe = 49 N
Phản lực: N = 49 N
...
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN
4.1. Đánh giá
Sau một thời gian nghiên cứu đề tài “thiết kế robot lau kính” đã hoàn thành và đạt một số kết quả sau:
- Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại robot lau kính thông dụng hiện nay.
- Phân tích các thông số kỹ thuật và phương án thiết kế một robot có khả năng di chuyển trên kính dùng nguyên lý phản lực cơ bản.
- Thiết kế cơ khí khung và chi tiết robot ( mô phỏng 3d Inventor, Bản autocad 2d các thông số chi tiết, bản vẽ lắp của máy)
4.2. Kết luận
Đây là hình dáng thiết kế máy sau khi hoàn thiện của nhóm:
Hình 4. 1 Cấu tạo, hình dáng tổng thể của máy
với kích thước 29x29x11 cm
Nhóm đã thiết kế Trong quá trình hoàn thành đề tài, do một số thiếu sót về kinh nghiệm thiết kế thì sản phẩm chúng em làm ra chắc chắn có nhiều thiếu sót. Nhưng nhìn về tổng quan chúng em đã cơ bản hoàn thành đề tài và hoàn thiện được về thẫm mỹ.
Do phần gầm khung robot chỉ cao 3mm ( khoảng cách từ bánh xe chạm kính cho tới phần khung gầm, phù hợp với thiết kế miếng vải lau dày 3mm) nên robot chỉ có thể vượt qua các thanh sắt chắn ngang cao <3mm.
Máy sẽ có nút nguồn đặt ở bề mặt dưới khi bật nguồn động cơ quạt hút hoạt động giúp máy bám vào kính và một nút start ở trên đỉnh tay cầm để khởi động máy lau kính.
Đặc biệt, Máy sẽ dừng lại tại đúng điểm khởi hành, cũng là điểm mà bạn áp máy vào kính, do đó bạn sẽ không phải lo đến tình trạng chú robot này ngừng hoạt động ở một điểm nào đó tít trên cao. Ngoài ra nhóm có thiết kế một hệ thống an toàn giúp robot không bị rơi khỏi kính xuống mặt đất trong các trường hợp sự cố ngoài ý muốn ví dụ như hết pin. Dây đai bảo vệ đi kèm theo máy có thể kéo dài 4 mét và cũng có thể nối thêm tùy nhu cầu sử dụng.
Ban đầu nhóm đã thiết kế hệ thống cung cấp nước tự động cho máy nhưng khi tính toán xem kĩ lại thì nó có những nhược điểm như sau:
- Nếu thiết kế phần cung cấp nước ở bên trong máy trên miếng vải lau thì như vậy lượng nước cung cấp ra sẽ thấm vào mặt trong tấm vải trước rồi mới dần lan ra mặt ngoài tiếp xúc với mặt kính điều này sẽ làm mất một khoản thời gian. Và khi thiết kế như vậy thì cũng sẽ có nguy cơ rò rỉ nước vào bên trong bộ phận điều khiển làm giảm tuổi thọ của máy và hư hỏng máy.
- Còn nếu thiết kế phần cung cấp nước nằm phía ngoài máy đặt song song miếng vải lau ở vị trí đầu robot thì nước cung cấp sẽ rơi trực tiếp xuống kính tuy nhiên việc thiết kế như này sẽ làm bộ phận cung cấp nước lâu ngày sẽ bám bụi bẩn gây giảm tuổi thọ máy, mặt khác khi máy hướng di chuyển theo phương thẳng đứng lên, thì máy có thể nhận đủ lượng nước có thể lau sạch bề mặt kính, tuy nhiên khi máy chuyển hướng theo phương ngang phần cung cấp nước vẫn sẽ giữ cố định ở trên nên phải đợi lượng nước lan khắp khăn thì mới đảm bảo sạch bề mặt kính.
Nên nhóm sử dụng cách xịt nướt trước trên bề mặt kính rồi sau đó khởi động máy lau như vậy sẽ đảm bảo tuổi thọ của máy hơn và vẫn đảm bảo độ sạch cho tấm kính nhờ vào tấm vải lau thiết kế từ vải caron với các đường chéo góc đảm bảo quét mọi vết bẩn khi nó đi qua.
Nhờ cơ chế chỉ xoay phần bánh chuyển động chứ không xoay phần khăn lau nên kính sẽ không bị tình trạng quần dơ.
4.3. Hướng phát triển
- Bổ sung thêm cảm biến để xác định vị trí và trạng thái của robot, giúp robot có thể tự hành được
- Robot leo tường có thể thực hiện rất nhiều mục đích của con người: từ quan trắc, điều khiển đến cứu hộ, vệ sinh… nên nếu tích hợp được một số phụ phần thì kết quả sẽ rất thú vị.
- Hướng đề tài của chúng em là phát triển thêm để đạt được mục tiêu là thiết kế “ROBOT LAU KÍNH CHO CÁC TÒA NHÀ CAO TẦNG”
Ở một chừng mực nhất định, đề tài còn gặp khá nhiều thiếu sót cần phải bổ sung để hoàn thiện hơn, chúng em rất mong nhận được sự nhận xét và góp ý của quý thầy cô để chúng em có thể phát triển lên các phiên bản cao hơn.
Để thiết kế và chế tạo cơ khí robot lau kính, ta cần các bước sau:
1. Thiết kế khung robot
- Xác định loại robot: Ta có thể thiết kế robot cần sử dụng bánh xe hoặc chân để di chuyển.
- Xác định kích thước: Tùy thuộc vào kích thước của kính cần lau để thiết kế kích thước khung robot.
- Thiết kế hệ thống chuyển động và vận hành: Bao gồm các động cơ, động cơ servo, bộ phận điều khiển, các cảm biến và bộ điều khiển.
2. Thiết kế bộ lau kính
- Bộ lau kính cần thiết kế sao cho phù hợp với kích thước của chỗ cần lau và có thể dễ dàng thay thế.
3. Lắp đặt
- Gắn các bộ phận điều khiển và các cảm biến trên khung robot.
- Lắp đặt bộ lau kính lên khung robot.
- Kết nối các động cơ và bộ điều khiển với bộ lau kính và khung robot.
4. Kiểm tra và sửa chữa
- Kiểm tra hoạt động của robot.
- Sửa chữa các lỗi nếu có.
Về phần chế tạo cơ khí robot lau kính, ta có thể sử dụng các vật liệu như nhôm, thép không gỉ để tạo khung robot. Các bộ phận như bộ lau kính có thể được gia công bằng nhựa hoặc thép không gỉ. Các động cơ và bộ điều khiển có thể mua từ các nhà sản xuất và lắp ráp vào robot.
Tổng kết lại, để thiết kế và chế tạo cơ khí robot lau kính, ta cần các bước thiết kế, lắp đặt, kiểm tra và sửa chữa. Vật liệu sử dụng để chế tạo cơ khí robot lau kính có thể là nhôm, thép không gỉ còn bộ phận như bộ lau kính có thể được gia công bằng nhựa hoặc thép không gỉ.
