Nghiên cứu thiết kế và chế tạo xe siêu trường siêu trọng mẫu 150 tấn - Nghiên cứu thiết kế hệ thống cảm biến đo vị trí

MỤC LỤC I. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU 3 I.1. Mục đích 3 I.2. Yêu cầu 3 II. THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ 4 II.1. ĐO ĐỘ CAO TRỤC NÂNG HẠ 4 II.1.1. Yêu cầu đo 4 II.1.2. Phương pháp đo 4 II.1.2.1. Lựa chọn đối tượng đo và phép chuyển đổi tương đương. 4 II.1.2.2. Lựa chọn phương pháp đo 8 II.1.3. Sensor 10 II.1.4. Hệ thống thu thập tín hiệu 12 II.1.4.1. Mục đích của thiết kế hệ thống đo: 12 II.1.4.2. Yêu cầu đối với thiết kế hệ thống đo: 12 II.1.4.3. Thiết kế hệ thống đo 12 II.1.5. Lắp đặt sensor 13 II.1.5.1. Yêu cầu đối với lắp đặt sensor 13 II.1.5.2. Bố trí lắp đặt 14 II.1.6. Bảo vệ chống sự ăn mòn của môi trường 14 II.2. SENSOR ĐO GÓC QUAY BÁNH 15 II.2.1. Yêu cầu đo 15 II.2.2. Phương pháp đo 15 II.2.3. Sensor 16 II.2.4. Hệ thống đo và thu thập tín hiệu từ sensor 16 II.2.5. Lắp đặt sensor 19 II.2.6. Bảo vệ sensor 20 III. KẾT LUẬN 20 IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Vị trí các sensor đo vị trí 3 Hình 2. Ký hiệu các trục nâng hạ và cụm bánh. 4 Hình 3. Đo độ cao của sàn xe thông qua góc mở của khớp nâng hạ 6 Hình 4. Vị trí các điểm trên hệ thống nâng hạ ứng với trường hợp sàn xe ở vị trí thấp nhất và cao nhất 7 Hình 5. Mô tả vị trí các khớp trên trục nâng hạ khi sàn xe ở độ cao thấp nhất và cao nhất 8 Hình 6. Đo góc bằng phương pháp encoder. a – mô tả phương pháp, b – mô tả đĩa encoder. 9 Hình 7. Đo góc thông qua đo các sự thay đổi của đại lượng điện trở 9 Hình 8. SRH880P của hãng Penny and Giles 10 Hình 9. Sensor IPS6000 – hãng Industrial Grade 10 Hình 10. Sensor đo góc quay của hãng Mobil Elektronik 11 Hình 11. Sơ đồ khối thu thập tín hiệu đo tín hiệu xác định độ cao trục nâng hạ 12 Hình 12. Sơ đồ nguyên lý của 4 khối thu thập tín hiệu sensor đo góc nâng hạ truyền tới tủ điều khiển trung tâm. 13 Hinh 13. Vị trí lắp đặt của 1 sensor nâng hạ. 14 Hình 14. Mối nối cáp truyền dẫn M12x1. 15 Hình 15. Sensor đo góc quay của hãng Mobil Elektronik 16 Hình 16. Sơ đồ khối thu thập tín hiệu đo tín hiệu xác định góc xoay của trục bánh 17 Hình 17. Sơ đồ nguyên lý của 6 khối thu thập tín hiệu sensor đo góc lái của trục bánh tới tủ điều khiển trung tâm. 18 Hình 18. Thiết kế lắp đặt sensor đo góc quay tại một cụm bánh 19 Hình 19. Bảo vệ cổng xuất tín hiệu của sensor khỏi tác động của môi trường. 20 I. MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU I.1. Mục đích Chuyên đề nghiên cứu thiết kế hệ thống cảm biến vị trí được thực hiện với các mục đích sau: Giám sát, điều khiển độ nâng hạ của các xi lanh nâng hạ để từ đó theo dõi, điều chỉnh được độ cao của từng trục và độ cao của sàn xe (1605 mm .. 2310 mm). Giám sát và điều khiển góc quay của bánh trong hệ thống điều khiển lái (-90° .. +90°). Sơ đồ bố trí các sensor được dựa vào kết quả khảo sát từ xe mẫu, mô tả như Hình 1.
  Hình 1. Vị trí các sensor đo vị trí 11-a,b,c,d: Các sensor đo độ cao của trục nâng hạ 12-a,b,c,d,e,f: Các sensor đo góc quay của trục bánh xe   I.2. Yêu cầu Các yêu cầu mà chuyên đề phải thực hiện là: Tìm hiểu phương pháp đo. Tìm và lựa chọn sensor cho hệ thống cần thiết kế Nghiên cứu, thiết kế hệ thống thu thập, xử lý tín hiệu đo. Thiết kế lắp đặt các sensor vào xe. Bảo vệ chống sự ăn mòn của môi trường (độ ẩm cao, nồng độ muối trong không khí cao,…) II. THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ II.1. ĐO ĐỘ CAO TRỤC NÂNG HẠ II.1.1. Yêu cầu đo Để phục vụ cho việc nâng hạ và điều khiển cân bằng cho xe lúc vận hành, cần thiết phải đo được độ cao của sàn xe và độ cao của từng trục nâng hạ. Xe có 4 trục nâng hạ được bố trí như Hình 2. Có 6 cụm bánh và 4 cụm nâng hạ. 2 cụm bánh 2-3 và 4-5, mỗi cụm 2 bánh sẽ chung 1 cơ cấu nâng hạ.
  Hình 2. Ký hiệu các trục nâng hạ và cụm bánh.   Các yêu cầu đo: Đo độ cao tại 4 trục nâng hạ Giới hạn nâng hạ: 0 – 705mm Sai số đo: ±1mm II.1.2. Phương pháp đo II.1.2.1. Lựa chọn đối tượng đo và phép chuyển đổi tương đương. Hệ thống trục nâng hạ là một kết cấu gồm xinlanh thủy lực và các thành phần cơ khí để phục vụ cho quá trình nâng hạ. Để đo được độ cao của sàn và độ cao của từng trục nâng hạ ta có 2 hướng giải quyết: Đo không tiếp xúc: sử dụng các cảm biến như siêu âm hoặc quang để tính toán khoảng cách từ sàn xe tới vị trí cảm biến đo, từ đó xác định độ cao cần đo. Đo độ cao của sàn xe thông qua sự dịch chuyển của các xi-lanh thủy thực. Phương pháp đo không tiếp xúc không sử dụng được trong hệ thống cần thiết kế, bởi nó không ổn định và gây phức tạp hệ thống. Ở đây ta tận dụng sự dịch chuyển của các xi-lanh thủy lực. Xi-lanh thủy lực là các hệ thống kín, ta không thể chế tạo mạch đo để tính toán trực tiếp độ di chuyển của piston bên trong. Các nhà sản xuất thường cung cấp các bộ đo đi kèm với từng loại xilanh. Nếu không sử dụng các bộ đo sản xuất sẵn, ta phải đo thông qua sự dịch chuyển của các cơ cấu khác rồi chuyển đổi về sự di chuyển tương đương của piston trong xilanh. Để đo độ dịch chuyển của piston thủy lực trong hệ thống nâng hạ của xe cần thiết kế, ta có 2 giải pháp khả thi: Đo trực tiếp từ xilanh thủy lực: ta phải sử dụng bộ đo lường do nhà sản xuất cung cấp. Các bộ đo này có sai số rất nhỏ nhưng giá thành cao. Đo gián tiếp thông qua góc mở của khớp nâng hạ. Phương pháp này có các ưu điểm sau: Phép chuyển đổi tương đương giữa độ mở khớp nâng hạ sang độ dịch chuyển của xilanh là một công thức đơn giản. Phép đo góc có độ chính xác cao thỏa mãn được yêu cầu đo. Không làm phức tạp hệ thống, nhờ sử dụng kết cấu cơ khí đã thiết kế cho hệ thống nâng hạ mà không cần các cơ cấu trung gian khác. Dễ lắp đặt, thay thế. Giá thành của cảm biến đo góc không đắt như bộ đo cung cấp sẵn bởi nhà sản xuất. Từ các phân tích trên và tham khảo với các kết quả khảo sát từ xe mẫu, chuyên đề lựa chọn phương pháp đo góc mở của khớp nâng hạ. Phép chuyển đổi tương đương từ góc mở của khớp nâng hạ sang độ dịch chuyển của piston trong xilanh thủy lực được mô tả trong Hình 3.
  Hình 3. Đo độ cao của sàn xe thông qua góc mở của khớp nâng hạ   Theo thiết kế cơ khí, 2 tam giác ABC và ADE là không thay đổi hình dạng trong toàn bộ quá trình nâng hạ.
Trong quá trình nâng hạ, tam giác ABC sẽ quay quanh tâm C, điểm A chuyển động kéo theo sự chuyển động của E và D. Sàn xe được nâng lên hạ xuống theo vị trí của D và E. Giá trị thay đổi của đoạn BD là chính là độ dịch chuyển của pittong nâng hạ. Gọi
là góc mở của khớp nâng hạ,
là góc giữa AC so với phương ngang, d =BD là độ dài của xilanh, h là độ cao của D so với mặt đất. Quỹ đạo nâng hạ của sàn xe được thể hiện trong hình sau:
  Hình 4. Vị trí các điểm trên hệ thống nâng hạ ứng với trường hợp sàn xe ở vị trí thấp nhất và cao nhất   Khả năng nâng hạ tối đa của sàn xe là 705mm. Tại vị trí sàn xe thấp nhất:

Tại vị trí sàn xe cao nhất
Vậy, trong quá trình sàn xe chuyển động nâng hạ, góc
thay đổi trong khoảng từ 57.3° tới 113.6° Khi góc khớp nâng hạ
đạt giá trị
(Hình 5), h là độ cao của sàn so với điểm thấp nhất của sàn xe. Ta có:

  Hình 5. Mô tả vị trí các khớp trên trục nâng hạ khi sàn xe ở độ cao thấp nhất và cao nhất  

Công thức tính độ dài của xilanh tại điểm đo
bất kỳ là:
II.1.2.2. Lựa chọn phương pháp đo Như phân tích trên, ta đã lựa chọn đối tượng được đo trực tiếp bởi sensor là góc mở của khớp nâng hạ. Ở đây ta sẽ lựa chọn phương pháp để đo góc mở đó. Một số phương pháp thường sử dụng để sự dịch chuyển của góc là: Đo thông qua bộ mã hóa Encoder (phương pháp quang): Phương pháp sử dụng các bộ thu phát-phát quang và hệ thống đĩa có đục lỗ để đọc (encoder) và mã hóa giá trị của góc cần đo. Phương pháp này cho trực tiếp giá trị số ở dạng nhị phân. Độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào độ phân giải của đĩa encoder Phương pháp đơn giản, độ chính xác tùy chọn nhưng độ bền không thật sự cao (do sự già hóa của các bóng đèn). Đo thông qua sự thay đổi của các đại lượng điện (điện trở, điện cảm, điện dung, điện thế, dòng điện,…) Khi thay góc cần đo thay đổi, sẽ tạo ra sự dịch chuyển vị trí các phần tử của cảm biến, làm cho các đặc tính điện của cảm biến thay đổi (như điện trở, điện dung,…). Từ sự thay đổi này ta sẽ tính ra được góc cần đo. Tín hiệu ra là đại lượng tương tự (analog) và có thể chuẩn hóa và truyền được đi xa trong hệ thống. Phương pháp đo có đặc tín tuyến tính tốt, độ chính xác và tin cậy cao, tuổi thọ của thiết bị cao, hệ thống lắp đặt đơn giản.
a 
b   Hình 6. Đo góc bằng phương pháp encoder. a – mô tả phương pháp, b – mô tả đĩa encoder.  
  Hình 7. Đo góc thông qua đo các sự thay đổi của đại lượng điện trở   Với yêu cầu về độ tin cậy, độ an toàn và sự bền bỉ của của xe cần thiết kế, chuyên đề chọn phương pháp đo góc thông qua các đại lượng điện, cụ thể là sự thay đổi của điện trở. II.1.3. Sensor Một số loại sensor mà nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu được. SRH880P của hãng Penny And Giles
  Hình 8. SRH880P của hãng Penny and Giles   Sensor có thông số như sau: Dải đo: 20 – 360° Sai số: ±0.4% toàn dải Nguồn cấp: 90 – 30 VDC Output: 0 – 5VDC Vỏ: Hợp kim nhôm và thép không gỉ, chống ăn mòn bởi môi trường nhiều muối. Chống rung-sốc: 10 – 2000 Hz, 2500g, 12.6gn rms Giá: 950USD/chiếc IPE6000 – Hãng sản xuất NovoTechnik
  Hình 9. Sensor IPS6000 – hãng Industrial Grade   Dải đo: 20 – 355° Nguồn cấp: 90 – 30 VDC Output: 0 – 5VDC, 4 – 20mA Sai số: ±0.1% toàn dải Vỏ: Hợp kim nhôm và thép không gỉ. Chống rung-sốc: 50g/11ms Giá: 650USD/chiếc 530 410-A00A00-00 – hãng sản xuất: Mobil Elektronik
  Hình 10. Sensor đo góc quay của hãng Mobil Elektronik   Dải đo: -60° .. +60° Điện trở: 0 .. 2k
Tín hiệu ra: 0 .. 5V DC Sai số: ±0.1% toàn dải Nguồn cấp: 10..30V DC Vỏ: Hợp kim nhôm và thép không gỉ, chống ăn mòn bởi môi trường nhiều muối. Chống rung, shock: 50g/11ms Giá: 400USD/chiếc Có nhiều hãng sản xuất cảm biến đo góc khác nhau. Theo khảo sát, các sensor mà xe mẫu sử dụng là của hãng Mobil Elektronik. Các mẫu sensor này đã được hãng xe mẫu nghiên cứu và lựa chọn. Để hạn chế thời gian tìm kiếm và thử nghiệm sensor, chuyên đề cũng lựa chọn các sensor của hãng Mobil Elektronik. II.1.4. Hệ thống thu thập tín hiệu II.1.4.1. Mục đích của thiết kế hệ thống đo: Thu thập giá trị đo từ sensor đo góc mở của khớp nâng hạ Chuyển đổi sự thay đổi về điện trở thành sự thay đổi điện áp Chuẩn hóa tín hiệu điện áp để có thể truyền được tới bộ phận xử lý mà không bị mất thông tin. II.1.4.2. Yêu cầu đối với thiết kế hệ thống đo: 4 kênh để đo tín hiệu sensor tại 4 khớp nâng hạ. Nguồn cấp: 12V. Tín hiệu ra: 0-5V Truyền tín hiệu theo chuẩn 3dây II.1.4.3. Thiết kế hệ thống đo a. Sơ đồ khối thiết bị Tín hiệu được truyền từ sensor về tủ điều khiển trung tâm bằng cáp chuyên dụng. Tại đây, tín hiệu được số hóa và xử lý. Các giá trị về độ cao nâng hạ được truyền liên tục về máy tính trung tâm đặt tại các cabin và hiển thị qua màn hình.
  Hình 11. Sơ đồ khối thu thập tín hiệu đo tín hiệu xác định độ cao trục nâng hạ   b. Sơ đồ nguyên lý Các sensor được ký hiệu trong bản vẽ thiết kế là RP402.4, RP402.8, RP402.12, RP402.16 tương ứng với 4 trục nâng hạ 1, 2, 3, 4 của xe. Tín hiệu được thu thập là điện áp tương ứng với điện trở của sensor tại thời điểm đo.
  Hình 12. Sơ đồ nguyên lý của 4 khối thu thập tín hiệu sensor đo góc nâng hạ truyền tới tủ điều khiển trung tâm.   II.1.5. Lắp đặt sensor II.1.5.1. Yêu cầu đối với lắp đặt sensor Lắp đặt 4 sensor đo góc tại 4 khớp nâng hạ của xe. Xác định điểm đặt của sensor. Vị trí lắp sensor thuận tiện cho việc lắp ráp, thay thế. II.1.5.2. Bố trí lắp đặt
  Hinh 13. Vị trí lắp đặt của 1 sensor nâng hạ.   Sensor được lắp ra phía mặt ngoài của khớp nâng hạ. Sensor được gắn chặt với trục khớp có nối với gầm xe. Thanh quay của sensor được gắn chặt với trục còn lại của khớp quay. II.1.6. Bảo vệ chống sự ăn mòn của môi trường Yêu cầu: Chống lại sự ăn mòn của muối trong môi trường bên cảng. Chống sự xâm nhập của bụi, hơi nước,… Sensor đã lựa chọn được thiết kế cho sự hoạt động trong môi trường có khả năng ăn mòn cao như tại các bến cảng, cũng như chống bụi và hơi nước. Vấn đề cần quan tâm ở đây là việc chống ăn mòn tại các mối nối. Ta sử dụng cáp truyền thông đầu nối kiểu M12x1.Mối nối M12x1 được bọc bởi lớp nút cao su bền, đảm bảo ngăn cản sự tác động của môi trường tới đường truyền dẫn phía trong.

  Hình 14. Mối nối cáp truyền dẫn M12x1.   Cáp truyền được cung cấp bởi nhà sản xuất và đi kèm với sensor. Độ dài của cáp để tín hiệu được truyền đi mà không bị ảnh hưởng, theo thiết kế của nhà sản xuất là 10m. II.2. SENSOR ĐO GÓC QUAY BÁNH II.2.1. Yêu cầu đo Để phục vụ cho việc điều khiển quá trình lái xe lúc vận hành, cần thiết phải đo được góc quay của trục xe. Xe có 6 cụm bánh được bố trí như Hình 2. Có 6 cụm bánh và 4 cụm nâng hạ. Mỗi cụm bánh cần phải được giám sát độc lập góc quay Các yêu cầu đo: Đo góc quay của 6 cụm bánh Góc quay: -90° ÷ +90° Độ chính xác: ±0.1% toàn dải. II.2.2. Phương pháp đo Như phân tích ở lựa chọn phương pháp để đo góc nâng hạ, ta cũng lựa chọn phương pháp đo góc dựa trên sự thay đổi của điện trở. II.2.3. Sensor Từ một số loại sensor đo góc dùng trong công nghiệp đã được chuyên đề tìm hiểu (như của hãng Penny and Giles, NovoTechnick, Mobil Elektronik,…), và từ khảo sát hệ thống sensor của xe mẫu COMETTO SYT 3/2G, chuyên đề lựa chọn sensor sau: 530 420-A00A00-00 – hãng sản xuất: Mobil Elektronik
  Hình 15. Sensor đo góc quay của hãng Mobil Elektronik   Dải đo: ±145° Output: 0 – 5k
Sai số: ±0.1% toàn dải Nguồn cấp: 0 .. 30V DC Vỏ: Hợp kim nhôm và thép không gỉ, chống ăn mòn bởi môi trường nhiều muối. Chống rung, shock: 50g/11ms Giá: 400USD/chiếc II.2.4. Hệ thống đo và thu thập tín hiệu từ sensor a. Sơ đồ khối thiết bị Giống như khối đo góc của các khớp nâng hạ, tín hiệu từ sensor sẽ được truyền trực tiếp về tủ điều khiển trung tâm bằng cáp chuyên dụng. Tín hiệu thu được ở dạng điện áp tương ứng với điện trở sensor tại thời điểm làm việc. Tín hiệu được xử lý và được truyền về máy tính trung tâm đặt tại cabin để hiển thị.
  Hình 16. Sơ đồ khối thu thập tín hiệu đo tín hiệu xác định góc xoay của trục bánh   b. Sơ đồ nguyên lý Giống như sensor đo góc của khớp nâng hạ, tín hiệu từ sensor đo góc quay của bánh trả ra dưới dạng điện áp từ 0 – 5VDC. Điện áp được truyền theo dây cáp tới tủ điều khiển trung tâm. Tại đây, tín hiệu điện áp sẽ được thu thập và xử lý. Tín hiệu điện áp này tương ứng với điện trở của sensor tại thời điểm đo
 
  Hình 17. Sơ đồ nguyên lý của 6 khối thu thập tín hiệu sensor đo góc lái của trục bánh tới tủ điều khiển trung tâm.   Các sensor được ký hiệu trong bản vẽ thiết kế là RP410.4, RP410.8, RP410.12, RP410.16, RP414.4 và RP414.8 tương ứng với 4 trục nâng hạ 1, 2, 3, 4, 5 và 6 của xe. II.2.5. Lắp đặt sensor
  Hình 18. Thiết kế lắp đặt sensor đo góc quay tại một cụm bánh   Sensor được lắp cố định vào trục quay của bánh xe. Thanh quay của sensor được gắn 1 đầu cố định với sàn xe. II.2.6. Bảo vệ sensor Sensor được có vỏ được là hợp kim nhôm và thép không rỉ nên được bảo vệ an toàn trước sự tác động của môi trường (hơi nước, muối,…). Dây cáp sử dụng để truyền dẫn tín hiệu là loại cáp chuyên dụng, được bọc bởi vật liệu chịu được điều kiện môi trường khắc nghiệt. Đầu ra của tín hiệu, nơi mà dây cáp và sensor tiếp xúc với nhau, được bọc kín theo chuẩn M12x1 tương tự như với hệ thống sensor đo góc mở nâng hạ.
  Hình 19. Bảo vệ cổng xuất tín hiệu của sensor khỏi tác động của môi trường.   III. KẾT LUẬN Chuyên đề nghiên cứu thiết kế hệ thống cảm biến vị trí đã thực hiện được nội dung sau: Phân tích lựa chọn phương pháp đo dịch chuyển và lựa chọn cảm biến cho hệ thống nâng hạ và hệ thống lái bánh. Đo độ cao nâng hạ của sàn xe thông qua góc mở của khớp nâng hạ Đo góc quay của trục bánh bằng phương pháp trực tiếp Phương pháp đo và sensor được lựa chọn thỏa mãn các yêu cầu đặt ra: Phép đo có sai số đạt yêu cầu thiết kế Hệ thống đo hoạt động tốt trong điều kiện môi trường không khí có nhiều chất ăn mòn Lắp đặt thay thế thuận tiện Giá thành hợp lý IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyển Tấn Phước, “Cảm biến đo lường và điều khiển”, NXB Hồng Đức, 2007 [2] Đỗ Tiến Đạt, “Hướng dẫn Altium Designer”, NXB Giáo Dục, 2009 [3] Hoàng Minh Sơn, “Mạng truyền thông công nghiệp”, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2001 [4] Hoàng Minh Sơn, “Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình”, NXB Bách khoa Hà Nội, 2006 [5] G. Webster, “The Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook (Electrical Engineering Handbook)”, CRC PRESS, 1999