Thiết kế phận khí cho hệ thống máy trồng xà lách tự động

CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN Đề tài: MƠ HÌNH HỆ SERVO THỦY LỰC ÁO CÁO ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN Tên đề tài: Thiết kế phận khí cho hệ thống máy trồng xà lách tự động Cơ sở thiết kế: Máy trồng xà lách dựa ý tưởng hệ thống gieo trồng, tưới nước kiểm tra điều kiện trồng cách tự động Cấu trúc máy trồng xà lách tự động dựa cấu trúc máy cắt CNC với trục XYZ, chủ yếu hoạt động trục X Y Nội dung đồ án: - Tính tốn, thiết kế chế tạo khung khí - Sử dụng mạch PIC để điều khiển dạng chuyển động hệ thống Các sản phẩm dự kiến Tính tốn, thiết kế lắp đặt hồn thiện phần khí cho máy trồng xà lách tự động

TỔNG QUAN

Giới thiệu

Chúng tôi đã phát triển một hệ thống trồng và chăm sóc nông sản tự động quy mô nhỏ, phù hợp cho hộ gia đình, nhằm cung cấp rau củ quả sạch phục vụ nhu cầu sinh hoạt hàng ngày.

- Mô hình nhỏ gọn, tiết kiệm diện tích và dễ lắp đặt.

- Tự động hóa các qui trình trồng và chăm sóc các loại nông sản.

- Dễ dàng điều khiển thông qua các thiết bị di động.

Với những yêu cầu đặt ra của đồ án truyền động điều khiển, trong kì này, chúng em dự tính hoàn thiện những phần sau của mô hình:

- Toàn bộ phần cơ khí, bao gồm khung nhôm, thanh trượt, động cơ, hệ thống truyền động và những cơ cấu chấp hành.

- Thực hiện điều khiển những chuyển động cơ bản của hệ thống như chạy ngang dọc, mở van nước, cơ cấu gieo hạt, chạy theo quĩ đạo cho trước.

- Tính toán các số liệu về động cơ, sức bền,

- Lên kế hoạch cải thiện và hướng phát triển cho đồ án sắp tới.

Trong kỳ này, chúng em sẽ chú trọng vào việc phát triển mô hình cơ khí và thực hiện các lệnh điều khiển chuyển động cơ bản Mục tiêu chính là hoàn thiện bộ khung cơ khí cùng với hệ thống điều khiển cơ bản.

1.1.2 Xu hướng áp dụng tự động hóa vào các hoạt động nông nghiệp

Hình 1.1 Kỹ sư đang kiểm tra hệ thống nước tưới thông qua các phần mềm được quản lý trên điện thoại 1

Việc áp dụng công nghệ vào nông nghiệp không còn xa lạ, với nhiều quốc gia đã nghiên cứu và triển khai tự động hóa trong trồng trọt, chăm sóc và thu hoạch Công nghệ giúp tiết kiệm thời gian và công sức, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm nhờ vào sự chính xác và ổn định của hệ thống tự động hóa Mỗi loại cây trồng được chăm sóc và kiểm tra tự động, tạo điều kiện tối ưu cho việc thu hoạch sản phẩm chất lượng cao nhất.

1 https://www.qtsc.com.vn/press/tphcm-ung-dung-cong-nghe-sieu-thong-minh

Hình 1.2 Hệ thống chăm sóc và tưới tiêu trong nông nghiệp tự động hóa 2

Công nghệ hệ thống tự động hóa có tiềm năng lớn trong nông nghiệp, từ quy mô nhỏ cho hộ gia đình trồng rau và cây ăn quả, đến nhà vườn trung bình cung cấp hoa màu cho khu vực cụ thể Hệ thống này cũng có thể được áp dụng trên quy mô lớn, chăm sóc và tưới tiêu cho cả cánh đồng bằng máy móc công suất lớn Việc áp dụng công nghệ tự động hóa không chỉ mang lại sự tiện lợi, nhanh chóng và tiết kiệm mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm thu hoạch so với phương pháp canh tác truyền thống.

2 https://doanhnghiepvadautudilinh.com/nong-nghiep-tu-dong-hoa/

Hình 1.3 Áp dụng cơ giới - tự động hóa vào sản xuất nông nghiệp qui mô lớn

1.1.3 Một số hệ thống tự động hóa được sử dụng trong nông nghiệp

Nông nghiệp mới, một khái niệm ngày càng phổ biến, là nền nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao nhằm nâng cao năng suất và chất lượng nông sản, đáp ứng nhu cầu xã hội và đảm bảo phát triển bền vững Tại các quốc gia có nền nông nghiệp tiên tiến, nông dân không còn thực hiện các công việc truyền thống mà trở thành kỹ sư điều khiển, làm việc với các thiết bị nông nghiệp hiện đại Điều này dẫn đến việc giảm đáng kể lực lượng lao động trong ngành nông nghiệp, trong khi năng suất vẫn không ngừng gia tăng.

Trong khi chúng ta vẫn chờ đợi sự ra mắt của những chiếc xe hơi không người lái, nông nghiệp đã sớm áp dụng các phương tiện không người lái Những máy tự động đa năng này cho phép người nông dân chỉ cần ngồi và điều khiển nhiều công cụ khác nhau, đồng thời đảm bảo hiệu suất công việc lớn và độ chính xác vượt trội so với các máy móc có người lái.

Hình 1.4 Máy kéo cày không người lái

Công nghệ tưới nhỏ giọt của Israel đã cách mạng hóa nông nghiệp nước này nhờ vào diện tích đất trồng hạn chế và nguồn nước khan hiếm Theo TS Trần Chí Trung từ Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam, việc áp dụng công nghệ tưới nhỏ giọt có thể tăng năng suất cây trồng lên đến 50% và tiết kiệm từ 40% đến 70% lượng nước so với phương pháp tưới truyền thống, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với kỹ thuật tưới phun mưa.

Công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm lượng nước tiêu thụ mà còn giảm thiểu số lượng lao động cần thiết, từ đó phù hợp cho cả hộ dân và doanh nghiệp trong việc áp dụng cho các mô hình sản xuất riêng của họ.

3 http://khoahocphattrien.vn/cong-nghe/tuoi-nho-giot-kieu-israel-duoc-ap-dung-nhieu-o-viet- nam/20160331024211919p1c859.htm

Hình 1.4 Công nghệ tưới nhỏ giọt

Robot đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp nhờ vào khả năng làm việc liên tục, độ chính xác cao và tính tự động hoàn toàn Sự phát triển này hứa hẹn sẽ nâng cao năng suất sản xuất một cách đáng kể, đồng thời giúp giảm chi phí cho nông dân.

Hình 1.5 Robot nông nghiệp đang được thử nghiệm tại Anh

Hiện nay, nhiều quốc gia có nền nông nghiệp phát triển đã ứng dụng robot và hệ thống tự động hóa vào các hoạt động đặc trưng của ngành nông nghiệp.

- Hệ thống làm đất và gieo hạt tự động.

- Hệ thống thu hoạch lúa, hoa quả.

- Hệ thống tưới tiêu và phun hóa chất bảo vệ.

- Hệ thống làm sạch và chế biến nông sản.

- Hệ thống đóng gói và vận chuyển.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Quy trình kỹ thuật trồng xà lách

2.1.1 Đặc điểm thực vật học và yêu cầu điều kiện ngoại cảnh

 Đặc điểm thực vật học

- Rau xà lách có nhiều giống khác nhau, loại xà lách cuốn và không cuốn, thuộc cây trồng ngắn ngày.

- Thân thuộc loại thân thảo, dùng để ăn lá.

- Có dịch trắng như sữa trong cây.

- Bộ rễ rất phát triển và phát triển nhanh.

- Xà lách là loại rau rất giàu Vitamin A và các khoáng chất như Ca, Fe, xà lách được dùng để ăn sống.

 Yêu cầu về điều kiện ngoại cảnh

- Nhiệt độ: Thích hợp cho cây sinh trưởng và phát triển từ 15-25 o C

- Ánh sáng trung bình từ 10-12 giờ/ngày rất thuận lợi để cây phát triển.

- Đất: Xà lách không kén đất, thích hợp đất thoát nước tốt, pH: 5.8-6.6.

Kỹ thuật trồng và chăm sóc cây xà lách

2.2.1 Cách chọn giống rau xà lách

Lâm Đồng hiện đang trồng đa dạng các loại xà lách, bao gồm cả giống địa phương và các giống nhập khẩu được thị trường ưa chuộng như lô lô xanh, lô lô đỏ, romain, xà lách xoăn lá lớn và xà lách tím.

Tiêu chuẩn lựa chọn giống xuất vườn:

Chiều cao cây (cm) Đường kính cổ rễ (mm)

Số lá thật Tình trạng cây

Cây khoẻ mạnh, không bị dập, không dị hình,ngọn phát triển tốt,không có biểu hiện nhiễm sâu bệnh

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn chọn giống

2.2.2 Chuẩn bị đất trồng cây xà lách

Khi chọn đất canh tác, cần vệ sinh đồng ruộng bằng cách dọn sạch tàn dư thực vật từ vụ trước và trồng cách xa các khu công nghiệp, bệnh viện, nhà máy để tránh ô nhiễm nguồn nước Đất nên có đặc tính tơi xốp, nhẹ, nhiều mùn, với tầng canh tác dày và thoát nước tốt Trước khi cày xới, hãy rải vôi và tưới nước để diệt một số nấm hại còn tồn tại trên bề mặt đất từ các vụ trước.

Cày xới đất sâu 20-25 cm và phơi ải trong 1-2 tuần, sau đó xử lý đất bằng thuốc ít nhất 15 ngày trước khi trồng để hạn chế sâu bệnh Cuối cùng, bón phân lót trước khi cày lần cuối.

Lên luống rộng 1,0-1.1m, rãnh 20cm, luống cao 10-15cm Tưới ẩm đều trên luống trước khi trồng cây hoặc phủ bạt nylon rồi đục lỗ trồng.

2.2.3 Cách trồng và chăm sóc cây xà lách

Tại Đà Lạt và các vùng phụ cận, xà lách trồng được quanh năm.

 Mật độ, khoảng cách và phương pháp trồng:

Khoảng cách trồng: hàng x hàng 15-25cm, cây x cây 15-20cm tùy giống.

Trồng cây vào buổi chiều mát giúp cây con nhanh chóng phục hồi Sau khi trồng, cần tưới đủ ẩm và kiểm tra vườn sau năm ngày để trồng dặm những cây yếu hoặc chết, đảm bảo mật độ cây trồng.

Sử dụng nguồn nước sạch như nước giếng khoan và nước suối đầu nguồn, tránh nước thải và nước ao tù Vào mùa nắng, nên tưới cây hai lần/ngày vào buổi sáng sớm và chiều mát để duy trì độ ẩm 70-75% Trong mùa mưa, chỉ cần tưới một lần/ngày hoặc không tưới, đồng thời làm mương rảnh thoát nước để tránh ngập úng Sau mưa, tưới nước để rửa đất bám trên lá và ngọn non, giúp hạn chế sự phát sinh và lây lan bệnh, đặc biệt là trong mùa mưa đầu Cuối cùng, sau khi bón phân, cần tưới vừa đủ để đảm bảo phân tan đều.

Trong trường hợp không sử dụng bạt phủ, cần làm sạch cỏ trên luống, rãnh và khu vực xung quanh vườn Việc làm cỏ nên được thực hiện trước khi bón phân, kết hợp với việc xới đất để tạo độ thoáng khí cho đất.

2.2.4 Phân bón và cách bón phân cho cây xà lách

 Phân bón: Lượng phân bón cho cây xà lách 1 ha/ vụ như sau:

- Phân chuồng hoai mục: 20-25m3; phân hữu cơ vi sinh: 1000kg; Vôi bột: 800

1.500kg, tùy độ pH của đất canh tác MgSO4: 10kg.

- Phân hóa học (lượng nguyên chất): 92kg N-48kg P2O5 -60kg K2O.

Lưu ý: Đổi lượng phân hóa học nguyên chất qua phân đơn hoặc NPK tương đương:

Cách 1: Ure: 200kg; super lân: 300kg; KCl: 100kg.

Cách 2: NPK 15-5-20: 300kg; Ure: 102kg; Lân super: 206kg.

Hạng mục Tổng số Bón lót Bón thúc

Phân hữu cơ vi sinh 1000 kg 1000 kg

Bảng 2.2 Bảng hướng dẫn bón phân theo cách 1

Hạng mục Tổng số Bón lót Bón thúc

Phân hữu cơ vi sinh 1000 kg 1000 kg

Bảng 2.3 Bảng hướng dẫn bón phân theo cách 2

- Phân bón lá sử dụng theo khuyến cáo in trên bao bì.

- Chỉ sử dụng các loại phân bón có tên trong Danh mục phân bón được phép sản xuất, kinh doanh và sử dụng tại Việt Nam.

2.2.5 Sơ đồ dự kiến mô hình trồng rau xà lách

- Ván làm khung: dày 3cm

Gieo hạt theo sơ đồ, mỗi ô từ 2 đến 3 hạt Sau 5 ngày, khi xà lách mọc cây con, cần tỉa bớt những cây kém phát triển để giúp những cây còn lại phát triển tốt hơn.

Trong giai đoạn đầu khi cây còn nhỏ, cần tưới nước bằng vòi hoa sen để đảm bảo cung cấp đủ độ ẩm cho sự phát triển Khi cây đã lớn, chuyển sang phương pháp tưới phun sương để nước được phân bố đều lên tất cả các lá, giúp rửa trôi bụi bẩn bám trên bề mặt lá.

Các giải pháp cho các quá trình tự động hóa

2.3.1 Chọn động cơ cho khối dẫn động các trục tọa độ

 Động cơ bước (stepping motor ) Ưu điểm :

- Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho cả vi điều khiển vị trí và vận tốc

Động cơ bước rất phù hợp với các thiết bị điều khiển số, nhờ vào khả năng điều khiển số trực tiếp, chúng đã trở thành lựa chọn phổ biến trong các thiết bị cơ điện tử hiện đại.

- Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC.

- Phạm vi ứng dụng là ở vùng công suất nhỏ và trung bình.

- Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác.

 Động cơ một chiều (DC motor) Ưu điểm :

- Momen xoắn lớn, giá thành rẻ.

- Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp.

- Phải có mạch phản hồi thì mới nâng cao độ chính xác.

 Động cơ SERVO: Ưu điểm:

- Có 2 loại AC và DC.

- Tốc độ đáp ứng nhanh, độ chính xác cao.

- Driver phức tạp, giá thành cao.

Ta chọn động cơ Maxon 24V DC làm động cơ dẫn động các trục tọa độ với các thống số:

2.3.2 Giới thiệu động cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ điện đặc biệt, hoạt động theo nguyên lý khác biệt so với các động cơ điện thông thường Đây là động cơ đồng bộ, có khả năng chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành các xung điện rời rạc, từ đó tạo ra chuyển động góc quay hoặc di chuyển roto đến các vị trí cố định cần thiết.

Động cơ bước được cấu tạo từ sự kết hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ có công suất nhỏ với khả năng giảm sóc.

Động cơ bước hoạt động theo cơ chế quay từng bước, mang lại độ chính xác cao trong điều khiển Chúng sử dụng các bộ chuyển mạch điện từ để đưa tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và tần số nhất định.

Tổng số góc quay của roto phụ thuộc vào tần số chuyển mạch, trong khi chiều quay và tốc độ quay của roto lại bị ảnh hưởng bởi thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.

Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một chấp hành viên hiệu quả, có khả năng thực hiện chính xác các lệnh số Động cơ bước được ứng dụng rộng rãi trong ngành Tự động hóa, đặc biệt trong các thiết bị yêu cầu độ chính xác cao như điều khiển robot, trục máy CNC, tiêu cự trong hệ quang học và cơ cấu lái trong máy bay.

Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ở đĩa cứng, ở đĩa mềm, máy in…

2.3.3 Các giải pháp cho cơ cấu truyền động

 Truyền động trục vít, đai ốc

Truyền động Vít – đai ốc được dùng để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.

Tùy theo dạng chuyển động của vít và đai ốc có thể chia ra các loại:

- Vít vừa quay vừa tịnh tiến, đai ốc cố định với giá đỡ.

- Đai ốc quay, vít tịnh tiến.

- Vít quay, đai ốc tịnh tiến.

- Đai ốc vừa quay vừa tịnh tiến, vít cố định. Ưu điểm:

- Cấu tạo đơn giản, thắng lực lớn, thực hiện được dịch chuyển chậm.

- Kích thước nhỏ, chịu được lực lớn.

- Thực hiện được các dịch chuyển chính xác cao.

- Hiệu suất thấp do ma sát trên ren.

 Cơ cấu truyền động Puly đai truyền

Truyền động đai là phương pháp truyền lực thông qua dây đai, cho phép truyền mômen xoắn và tốc độ giữa hai trục So với bộ truyền bánh răng, truyền động đai có khả năng hoạt động hiệu quả ở khoảng cách lớn hơn.

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. Ưu điểm:

- Việc truyền lực có tính đàn hồi

- Chạy êm và ít ổn, chịu sốc

- Khoảng cách trục có thể lớn

- Không cẩn thiết bôi trơn

- Phí tổn bảo dưỡng ít

- Bị trượt qua sự giãn nở của dây đai

- Qua đó không có tỷ lệ truyền chính xác

- Nhiệt độ ứng dụng bị giới hạn

- Thêm tải trọng lên ổ trục do lực căng cần thiết của dây đai

Tất cả các dây đai phải được căng để có thể thực hiện việc truyền momen xoắn. Điều này được thực hiện bằng cách:

- Lắp ráp với lực căng ban đầu hoặc một con lăn căng đai ở khoảng cách trục nhất định.

- Đẩy hoặc quay động cơ khi khoảng cách trục bù có thể được tăng lên.

THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Yêu cầu kĩ thuật

- Khoảng cách di chuyển: 15mm/lần

- Tải trọng dự kiến: 12kg

3.1.3 Phương án di chuyển của các trục

 Phương án 1: vị trí trồng cây là cố định

Hình 2.1 Phương án cố định vị trí trồng của cây (dựa trên chuyển động máy CNC)

Phương án này cho phép gieo trồng trong một khu vực có kích thước và vị trí cây cố định Chúng ta sẽ di chuyển các module chấp hành bằng cách trượt chúng dọc theo các trục X, Y và Z.

Khi đó, trục X chuyển động trên bệ máy, trục Y chuyển động trên trục X, trục Z chuyển động trên trục Y. Đặc điểm:

Cơ cấu đỡ di chuyển dọc theo trục X trên bệ máy, hỗ trợ cho cơ cấu trục Y và Z, do đó cần có kết cấu vững chắc Thanh trượt dọc trục X cần được gia cố để ngăn ngừa biến dạng trong quá trình máy hoạt động Điều này đảm bảo khớp trượt không bị rơ, giảm thiểu sai số trong quá trình vận hành.

- Trục Y trượt trên trục X, tất cả động cơ, cơ cấu truyền động của trục Y đều cùng chuyển động với trục X.

Trục Z là bộ phận kết nối với module gieo hạt và tưới nước, có khả năng chuyển động thẳng đứng lên xuống Nó trượt trên trục Y, trong khi động cơ và cơ cấu truyền động của trục Z được lắp đặt trên trục Y.

Các module chấp hành sẽ được di chuyển đến vị trí của từng cây trồng, điều này có thể gây ra sự rung lắc và sai lệch trong hệ thống trong quá trình vận hành.

 Phương án 2: cây di chuyển trên 1 trục

Hình 3.2 Phương án di chuyển khu vực trồng cây trên một trục (dựa trên chuyển động của máy CNC)

Phương án này xem khu vực gieo trồng như một bề mặt có khả năng di chuyển dọc theo trục X, trong khi các module chấp hành sẽ trượt dọc theo hai trục còn lại.

Phần cố định của máy bao gồm khung máy, các trục trượt, động cơ và cơ cấu truyền động cho trục X và trục Y, tất cả được gắn chắc chắn vào khung máy.

Trục X và trục Y di chuyển trên các thanh trượt cố định ở khung, trong khi trục Z trượt trên trục Y Trục Y được trang bị các thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động cho trục Z.

Việc di chuyển khu vực trồng cây dọc trục X có thể gây ra sai số lớn nếu cơ cấu truyền động không hiệu quả, mặc dù ít xảy ra rung động hơn so với phương án cố định Thêm vào đó, thiết kế mô hình cho việc di chuyển này cũng gặp nhiều khó khăn.

 Phương án 3: cố định vị trí đầu công cụ, cây di chuyển trên 2 trục X Y

Hình 3.3 Phương án cố định vị trí đầu công cụ.

Tương tự như phương án 2, lúc này, khu vực gieo trồng sẽ chuyển động trên cả hai trục X và Y, trục Z được gắn cố định trên bệ máy. Đặc điểm:

Trục Y di chuyển trên bệ máy, trong khi trục X di chuyển trên trục Y Động cơ và cơ cấu truyền động của trục Y được lắp đặt trên bệ máy, trong khi đó, trục X được gắn trên trục Y.

Trục Z là bộ phận gắn các module chấp hành, được cố định trên bệ máy Động cơ và cơ cấu truyền động được lắp đặt trên bệ máy, cho phép trục Z thực hiện chuyển động lên xuống.

Cấu trúc này mang lại độ ổn định cao cho trục Z, nhưng việc di chuyển một khu vực trồng cây trên hai trục X và Y tạo ra một thách thức phức tạp, đòi hỏi độ ổn định rất cao cho cả hai trục Phương án này thích hợp hơn cho việc di chuyển từng đối tượng riêng lẻ thay vì toàn bộ mô hình gieo trồng.

3.1.4 Phương án cho module gieo hạt

Sử dụng đầu hút hạt giống dài giúp dễ dàng hút hạt từ khay chứa và di chuyển đến vị trí trồng cây đã định Đầu hút sẽ hạ xuống theo trục Z, đảm bảo hạt giống được đặt vào đúng vị trí và độ sâu cần thiết cho quá trình gieo trồng.

- Nguyên lí đơn giản, dễ áp dụng.

- Cơ cấu đơn giản, chi phí thấp, dễ thực hiện mô hình.

- Đảm bảo độ chính xác.

- Mỗi lần chỉ hút được một số lượng hạt nhỏ.

- Việc chuyển động toàn bộ trục Z cho mỗi lần gieo hạt sẽ mất thời gian và tiêu hao năng lượng.

- Khó khăn trong việc tiến hành điều khiển khi mỗi lần chuyển động sang một vị trí mới chỉ có thể tiến hành một lần gieo hạt.

- Hạt được gieo có thể sẽ bị vỡ trong quá trình gieo.

- Đất sẽ bám vào đầu hút, gây ra nghẹt.

 Sử dụng cơ cấu gieo hạt riêng

Cơ cấu thanh răng và bánh răng chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, với thanh răng tạo lỗ gieo hạt Bánh răng không chỉ truyền động cho thanh răng mà còn đảm nhiệm việc cấp và gieo hạt, mang lại hiệu quả cao trong quá trình gieo trồng.

Hình 3.5 Cơ cấu gieo hạt

- Có thể gieo nhiều hạt cùng một lúc.

- Làm giảm yêu cầu chuyển động của hệ thống do có thể mang theo hạt và có tích hợp cơ cấu tự đào lỗ gieo.

- Cơ cấu đơn giản, dễ dàng chế tạo nhở công nghệ in 3D.

- Độ chính xác không cao

- Cơ cấu bánh răng sẽ sinh ra va đập, hao mòn, biến dạng

3.1.5 Phương án cho module tưới nước

Công nghệ tưới nhỏ giọt là một giải pháp hiện đại, mặc dù chi phí lắp đặt cao, nhưng mang lại hiệu quả lớn trong việc tiết kiệm nước và năng lượng Nước tưới được pha trộn với các dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của cây, và được dẫn trực tiếp đến vị trí cần tưới thông qua các vòi nhỏ, với sự kiểm soát từ các thiết bị cảm biến.

Hình 3.6 Phương pháp tưới nhỏ giọt Ưu điểm:

- Tiết kiệm nước và năng lượng.

- Nước và chất dinh dưỡng được cung cấp chính xác cho từng cây.

- Hệ thống phức tạp, khó khăn trong việc thiết kế bộ điều khiển.

- Khó kết hợp được với những cơ cấu khác của máy.

 Sử dụng vòi phun nước lắp trực tiếp trên bệ máy

Những đầu phun được lắp trực tiếp vào bệ máy khi tưới sẽ đồng loạt phun khắp khu vực trồng. Ưu điểm:

Hình 3.7 Phương pháp vòi phun lắp trực tiếp trên bệ máy

- Dễ lắp đặt và vận hành.

- Ít tốn kém chi phí chế tạo.

- Lượng nước hao phí rất lớn.

- Khả năng tưới nước cho từng đơn vị cây không đồng đều

 Sử dụng vòi phun nước lắp trên trục Z Đầu phun được lắp trên trục Z, chuyển động cùng trục Z trượt trên 2 trục X và Y. Ưu điểm:

Hình 3.8 Phương án lắp vòi phun trên trục Z

- Đảm bảo được khả năng tưới đủ lượng nước cho từng cây.

- Giảm được hao phí do vòi phun trực tiếp vào vị trí của cây.

- Áp lực nước vừa đủ để rửa trôi hết bụi vương trên lá cây.

- Hệ thống khó lắp đặt hơn do phải đi ống cấp nước cho đầu phun.

Lựa chọn thiết kế cho mô hình máy cắt CNC với ba trục X, Y, Z, trong đó vị trí trồng cây được cố định và số lượng cây giới hạn Module gieo hạt và tưới nước sẽ được lắp đặt ở đầu trục Z để đảm bảo hiệu quả trong quá trình chăm sóc cây trồng.

- Dựa trên phương án cố định vị trí trồng cây, ta có đưa ra mô hình sơ bộ như sau:

Hình 3.9 Phương án thực hiện mô hình

- Hệ trống truyền động trên 2 trục X, Y là bộ truyền đai.

- Hệ thống truyền động trên trục Z là bộ truyền thanh răng và bánh răng.

- Module gieo hạt sẽ sử dụng cơ cấu gieo hạt riêng và được lắp đặt ở đầu trục Z.

- Module tưới nước sẽ sử dụng phương pháp tưới phun sương và được lắp đặt ở đầu trục Z.

Thiết kế và tính toán

- Các số liệu tính toán lấy từ sách Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (T1, T2) Trịnh Chất, Lê Văn Uyển

- Mô hình dự kiến thực hiện gồm 5 khối chính:

Hình 3.10 Mô hình dự kiến thực hiện

Khối 1: Hệ thống truyền động trục X

Khối 2: Hệ thống truyền động trục Y

Khối 3: Hệ thống truyền động trục Z

Khối 5: Module tưới nước (đã ẩn)

3.2.1 Hệ thống truyền động trục X

Khung gỗ có kích thước 750x540x10mm được ghép lại từ 4 tâm ván dày 20mm Thanh nhôm định hình kích thước 20x40x900mm (2 thanh) Động cơ

Bộ truyền đai (bạc đạn, puly, thanh truyền, dây đai, miếng gá puly bị động,…)

3.2.1.1 Bản vẽ chi tiết khối 1

Hình 3.11 Bản vẽ mô phỏng bằng Solidworks của khối 1

Hình 3.12 Bản vẽ CAD của khối 1

3.2.1.2 Phân bố lực trên trục x

Hình 3.13: Phân bố lực trên trục X

Giả sử khối lượng của hệ thống truyền động trục y và z là: m = 3 kg

- P : Trọng lực của hệ thống truyền động của trục y và z (N)

- : Lực ma sát của con lăn trên thanh nhôm (N)

- : Lực quán tính của hệ trục y và z khi di chuyển (N)

- : Lực kéo của động cơ để hệ trục y và z trượt trên trục x (N)

Trong quá trình di chuyển của cơ cấu truyền động trục x thì xuất hiện lực quán tính

3.2.1.3 Tính toán chọn động cơ

Tính công suất cần thiết cho hệ thông chuyển động:

Tải trọng lớn nhất (bao gồm bộ truyền động trục y, z và module gieo hạt) bằng 3kg và cần chạy với tốc 0,15m/s Để kéo được hệ thì > = 14.83 (N)

Xác định số vòng quay của động cơ:

Trong đó: : số vòng quay của trục máy công tác (vòng/phút)

: vận tốc của trượt trên trục x (m/s) : đường kính puly truyền động (mm)

Tỷ số truyền của hệ thống:

Số vòng quay sơ bộ của động cơ:

Công suất trên trục động cơ:

Trong đó: là hiệu suất bộ truyền đai

Từ các thông số trên, ta chọn động cơ với các thông số sau:

- Tên động cơ: Maxon Motor

- Điện áp hoạt động: 24VDC

- Số vòng quay: 470 vòng/phút

Hình 3.14 Động cơ Maxon 24VDC

3.2.2 Hệ thống truyền động trục Y

Nhôm định hình 20x40mm (2 thanh dài 200mm, 1 thanh dài 600mm) Động cơ

Tấm trượt (2 tấm mica dày 5mm, 8 con lăn)

Bộ truyền đai (puly, dây đai, miếng gá puly bị động…)

3.2.2.2 Phân bố lực trên trục Y

Hình 3.17: Phân bố lực trên trục Y

Giả sử khối lượng của hệ thống truyền động trục z là: m = 1.5 kg

- P : Trọng lực của hệ thống truyền động của trục z (N)

- : Lực quán tính của trục z khi di chuyển (N)

- : Lực kéo của động cơ để trục z trượt trên trục y (N)

Trong quá trình di chuyển của cơ cấu truyền động trục x thì xuất hiện lực quán tính

Tải trọng lớn nhất (bao gồm bộ truyền động trục z và module gieo hạt) bằng 1.5kg và cần chạy với tốc 0,15m/s Để kéo được hệ thì > = 7.415 (N)

: vận tốc của trượt trên trục x (m/s) : đường kính puly truyền động (mm)

Trong đó: là hiệu suất bộ truyền đai

- Tên động cơ: Maxon Motor

- Điện áp hoạt động: 24VDC

- Số vòng quay: 470 vòng/phút

Hình 3.18 Động cơ Maxon 24VDC

3.2.3 Hệ thống truyền động trục Z

Nhôm định hình 20x20mm (1 thanh dài 400mm)

Tấm trượt (1 tấm mica có kích thước 120x150x5mm, 8 con lăn) Động cơ

3.2.3.2 Phân bố lực trên trục Z

Hình 3.21 Phân bố lực trên trục Z

Giả sử khối lượng của trục z là: m = 1 kg

- : Lực kéo của động cơ để trục z trượt vuông góc với trục y (N)

Tải trọng lớn nhất (bao gồm trục z và module gieo hạt) bằng 1kg và cần chạy với tốc độ 0,15m/s Để kéo được hệ thì > = 4.905 (N)

: vận tốc của trượt trên trục x (m/s)

: số rang đĩa xích tải t = 6: bước xích của xích tải (mm)

Trong đó: tỷ số truyền bánh răng trụ hộp giảm tốc 2 cấp

: tỷ số truyền động xích

Trong đó: là hiệu suất bộ truyền xích để hở

- Tên động cơ: Động cơ DC 12 - 24V có hộp giảm tốc

Hình 3.22 Động cơ DC 12-24V có hộp giảm tốc

Vỏ hộp và nắp được in 3D

Bánh răng có đường kính 21mm để biến chuyển động quay của servo thành chuyển động tịnh tiến và để chia hạt giống (được in 3D)

Thanh răng dài 110mm để chọt lỗ thả hạt giống vào đất Động cơ servo

Hình 3.23 Bản vẽ mô phỏng bằng Solidwork của module gieo hạt

Hình 3.24 Bản vẽ CAD của module gieo hạt

3.2.4.2 Phân bố lực trên module gieo hạt

Sử dụng động cơ RC Servo

Động cơ servo trong module gieo hạt phải đối mặt với hai loại lực quan trọng: lực phản kháng từ việc đâm thanh răng vào đất để tạo lỗ gieo hạt và lực ma sát trượt giữa thanh răng và thành hộp khi thanh răng di chuyển.

Moment của phản lực khi tạo lỗ: M1 = d*N = 30*5 = 150 N.mm

Trong đó: d = 30: cánh tay đòn từ trục động cơ đến tâm thanh răng

(mm) N: phản lực của lực đâm F đ khi tạo lỗ (N) Moment lực ma sát trượt của thanh răng: M2 = Fms*d1 = 2*35 = 70 N.mm

Trong đó: d1 = 35: cánh tay đòn từ trục động cơ đến mặt ngoài của thanh răng

Fms: Lực ma sát trượt của thanh răng khi thanh răng di chuyển (N) Suy ra: Tổng moment: M = M1 + M2 = 150 + 70 = 220 N.mm

Tốc độ quay của động cơ: n1 = 15 (rpm)

Công suất cần thiết của động cơ: 0.35 (W)

Ta chọn Động cơ RC Servo MG996

Hình 3.26 Động cơ RC servo MG995R

- Đầu phun sương số 8 (2 cái)

- Nối cuối vuông góc (2 cái)

3.2.6 Tính toán truyền động đai trục X, Y

Hình 3.29 Mô tả sự ăn khớp của đai răng

Bộ truyền đai răng là một giải pháp truyền động kết hợp ưu điểm của bộ truyền xích và bộ truyền đai, hoạt động dựa trên nguyên lý ma sát Hệ thống này truyền tải trọng lực hiệu quả thông qua sự ăn khớp giữa các răng trên đai và bánh đai.

Hình 3.30 Các loại biên dạng đai răng: a) Răng hình thang, b) Răng hình thang có xẽ răng ở chân, c) Răng hình thang chân răng tạo góc, d) Răng cung tròn, e) Răng cong

- Chịu được hóa chất tốt

- Độ dãn dài sẽ được khôi phục hoàn toàn

- Kích thước bộ truyền nhỏ

- Không có hiện tượng trượt

- Lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ

- Tỷ số truyền lớn và hiệu suất cao

- Mô đun đàn hồi lớn

- Hấp thụ rung động kém

 Từ các mục đã nêu trên nhóm chúng em lựa chọn loại đai răng gờ hình thang

3.2.6.2 Tính toán thông số đai

Trong đó: P1: Công suất trên bánh đai chủ động (kW) n1: số vòng quay của bánh đai chủ động (vòng/phút) Chọn m = 1mm (lấy theo tiêu chuẩn ở bảng 4.27 trang 68).

(mm) Trong đó: = 6…9 là hệ số chiều rộng đai

Chọn b = 6mm (lấy theo tiêu chuẩn trong bảng 4.28 trang 69).

Vì tỷ số truyền bằng 1 nên ta chọn số răng của bánh chủ động và bánh bị động bằng nhau và bằng 20 răng.

Khoảng cách trục a được chọn theo điều kiện: amin ≤ a ≤ amax

Với: amin = 0.5*m*(z1+z2) +2*m = 0.5*1*(20+20) +2*1 = 22 (mm) amax = 2*m*(z1+z2) = 2*1*(20+20) = 80 (mm)

Kiểm nghiệm bền

Khối lượng của hệ thống truyền động trục Y và Z là 3kg mỗi bên, trong khi khối lượng thanh nhôm là 0.5kg Điểm chịu lực lớn nhất nằm ở trung điểm của đoạn AC, do đó ứng suất uốn sẽ được tính tại điểm B Ứng suất uốn xuất hiện ở thanh nhôm chịu uốn phẳng cần phải thỏa mãn các điều kiện nhất định.

Trong đó: : Moment uốn cực đại tại tiết diện nguy hiểm của thanh nhôm (N.mm)

Moment quán tính của mặt cắt ngang đối với trục trung hòa x được tính bằng mm^4, trong khi khoảng cách từ điểm biên đến trục trung hòa y k được đo bằng mm Ứng suất uốn cho phép của nhôm là 58.86 N/mm^2.

Hình 3.31 Biểu diễn lực trên trục X ΣMA=0  -FB * 375 + FC * 750 = 0

Hình 3.32 Biểu đồ moment uốn của trục X

Vì mặt cắt ngang của thanh nhôm có hình dạng gần giống hình chữ nhật kích thước 20x40 nên ta chọn tiết diện là hình chữ nhật

Hình 3.33 Tiết diện của thanh nhôm 20x40

(N/mm2)

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	3,26 MB