GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Trong thế kỷ XXI, sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong ngành công nghiệp vật liệu và tự động hóa sản xuất, đã dẫn đến việc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi các loại vật liệu mới, trong đó có vật liệu nhựa Các nhà khoa học đang nỗ lực phát triển nhựa với những ưu điểm như nhẹ, bền, chống dẫn điện và dẫn nhiệt, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống Điều này cho thấy vật liệu nhựa có xu hướng thay thế các vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ và gốm, đồng thời giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn tài nguyên đang cạn kiệt.
Việc kiểm tra các thông số kỹ thuật như độ kéo và độ uốn là rất quan trọng để đánh giá tính chất vật liệu Hiện nay, nhiều phòng thí nghiệm, trường học và xưởng sản xuất đang sử dụng thiết bị thử kéo và uốn, nhưng quá trình xử lý số liệu thường phải thực hiện thủ công, dẫn đến hiệu suất và độ chính xác không cao Mặc dù trên thị trường có những thiết bị kéo hoặc nén với độ chính xác cao, nhưng giá thành nhập khẩu cao đã tạo ra rào cản cho các doanh nghiệp trong nước.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Tạo điều kiện cho người nghiên cứu phát triển kỹ năng và áp dụng kiến thức vào thực tế là rất quan trọng để tạo ra sản phẩm mới, góp phần vào sự phát triển của nền công nghiệp trong nước Điều này cũng sẽ là cơ sở để cải tiến và phát triển sản phẩm, cũng như ứng dụng vào các lĩnh vực liên quan khác.
Dựa trên các nguyên lý và phương pháp thử nghiệm vật liệu, thiết bị đo lường lực Loadcell mang lại độ chính xác cao và khả năng kết nối với máy tính Điều này cho phép xây dựng phần mềm xử lý số liệu hiệu quả trên thiết bị thử kéo uốn sản phẩm nhựa.
Bằng cách sử dụng tín hiệu điện từ từ bộ cảm biến lực và dữ liệu độ giãn dài chính xác, chúng ta có thể thu thập và tính toán kết quả thử nghiệm một cách chính xác Ngoài ra, quá trình biến đổi của vật liệu được thể hiện trực quan qua các biểu đồ, cho phép lưu trữ kết quả, lập báo cáo và xuất dữ liệu theo yêu cầu.
Phần mềm này cho phép theo dõi toàn bộ quá trình thử nghiệm với độ chính xác cao, nhờ vào việc truyền tải các giá trị đo được từ máy tính xử lý Người dùng có thể chọn, quan sát và phân tích các giai đoạn biến dạng của vật liệu trên biểu đồ, từ đó đánh giá chất lượng vật liệu một cách hệ thống và chi tiết hơn.
Thiết bị thử độ kéo vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá cơ tính, đặc biệt là độ giãn dài của vật liệu Việc sử dụng thiết bị này giúp nâng cao độ chính xác trong thử nghiệm, đơn giản hóa quá trình xử lý số liệu, tiết kiệm thời gian và chi phí nâng cấp, từ đó cải thiện hiệu suất sản xuất.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu của nghiên cứu là khám phá khái niệm độ giãn dài của sản phẩm nhựa, từ đó đưa ra kết luận sơ bộ về chất lượng sản phẩm và kiểm tra độ giãn dài của vật liệu ở nhiệt độ cao Nghiên cứu sẽ xem xét các phương pháp kéo và uốn sản phẩm nhựa, đồng thời tìm hiểu một số thiết bị thử kéo và uốn có sẵn trên thị trường cùng với nguyên lý hoạt động của chúng.
Thiết kế mô hình 3D bằng phần mềm SolidWorks 2014
Hoàn chỉnh thiết kế cho thiết bị thử kéo
Gia công, lắp ráp thiết bị
Viết chương trình thuật toán và chạy thử thiết bị
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu về độ giãn dài của vật liệu nhựa trong một số sản phẩm nhựa, đồng thời khảo sát các thiết bị đo lường và thiết bị kết nối với máy tính, nhằm nâng cao hiểu biết về tính chất cơ học của nhựa và cải thiện quy trình kiểm tra chất lượng sản phẩm.
Phân tích dữ liệu, lọc các dữ liệu nhận được Từ đó viết chương trình xử lý số liệu và giao diện tương tác với người dùng
Nghiên cứu về phần gia nhiệt đối với tủ nhiệt lắp trên thiệt bị
Nghiên cứu, thiết kế, tính toán và chế tạo thiết bị thử kéo sản phẩm nhựa trong phạm vi phòng thí nghiệm
Sử dụng phần mềm cơ khí SolidWorks 2015 trong thiết kế để lắp ráp và thử nghiệm chuyển động thô của thiết bị
Sử dụng phần mềm KeilC để lập trình cho chip điều khiển STM32F103C8T6
Sử dụng phần mềm Visual Studio 2013 để lập trình giao diện tương tác với người sử dụng thông qua máy tính.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp thực nghiệm để tìm ra kết quả
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết :
Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các cơ cấu chuyển động và tính toán lực kéo từ cảm biến là rất quan trọng trong việc thiết kế và chế tạo thiết bị thử kéo sản phẩm nhựa Việc hiểu rõ lực tác động và các nguyên lý của thiết bị thử kéo giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình thử nghiệm Hơn nữa, khả năng lập trình kết nối với máy tính và xử lý số liệu sẽ cải thiện hiệu quả và độ tin cậy của thiết bị thử kéo.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
Thực hiện thí nghiệm để đánh giá độ bền của thiết bị thử kéo sản phẩm nhựa là rất quan trọng Kết quả của thí nghiệm này sẽ làm cơ sở cho việc tính toán lực và thiết kế chế tạo các chi tiết của thiết bị Ngoài ra, việc sử dụng vi điều khiển để giao tiếp với máy tính và trao đổi dữ liệu thông qua giao diện cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Giới thiệu về tầm quan trọng của vật liệu nhựa
Vật liệu nhựa, với lịch sử phát triển phong phú, đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên toàn thế giới Việc nghiên cứu và ứng dụng thành công vật liệu này đã được nhiều quốc gia áp dụng, khiến nhựa trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày Nhờ vào những ưu điểm nổi bật như trọng lượng nhẹ, tiết kiệm nguyên liệu, chi phí thấp, khả năng chống ăn mòn, và giảm độ rung, tiếng ồn, nhựa được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ để cách điện, chống thấm nước và bảo vệ linh kiện điện tử Ngoài ra, trong ngành công nghiệp điện tử, nhựa được dùng để sản xuất các chi tiết chân đế cho bảng mạch Vật liệu này cũng có ứng dụng quan trọng trong ngành đóng tàu, y tế với các sản phẩm như chân, tay giả, răng giả, và ghép sọ, cũng như nhiều lĩnh vực dân dụng khác.
Vật liệu nhựa đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các ngành kinh tế, với sản lượng tiêu thụ khoảng 5.000 tấn mỗi năm tại Việt Nam Nhựa được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như thiết bị giáo dục, sản xuất bàn ghế, giải phân cách giao thông, bảo vệ hệ thống điều khiển tàu xuồng, ghế ngồi và thùng rác công cộng Ngoài ra, Việt Nam cũng đang ứng dụng vật liệu nhựa trong điện dân dụng, bao gồm hộp công tơ điện, sào cách điện và đặc biệt là sứ cách điện.
Tầm quan trọng của vật liệu nhựa
- Giao thông vận tải: bảo vệ cho các board mạch của ô tô, xe lửa khỏi các tác động có hại như rò rỉ nước, nhiên liệu, điện…
- Hàng hải: Làm các chi tiết cách điện cho thuyền, tàu, xuồng cao tốc
- Hàng không: thay thế vật liệu sắt, nhôm để làm tay nắm cửa trong máy bay dân dụng, quân sự
Quốc phòng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và điều khiển các phương tiện chiến đấu như tàu chiến, xuồng cao tốc, máy bay và xe tăng Đồng thời, các thiết bị và dụng cụ phục vụ cho nghiên cứu và sản xuất trong quân đội cũng rất cần thiết, bao gồm bồn chứa nước hoặc hóa chất, khay trồng rau và bia tập bắn.
- Công nghiệp hóa chất: Bồn chứa dung dịch acid (thay gelcoat bằng epoxy hoặc nhựa vinyleste) Bồn chứa dung dịch kiềm (thay gelcoat bằng epoxy)
Sản phẩm trong sơn mài: bình, tô, chén, đũa
Sản phẩm trang trí nội thất: khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn
Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn…
Vật liệu nhựa nổi bật với khả năng chế tạo linh hoạt, cho phép sản xuất các cấu trúc sản phẩm theo yêu cầu kỹ thuật đa dạng Các thành phần cốt lõi có độ cứng và độ bền cơ học cao, trong khi vật liệu nền đảm bảo sự liên kết hài hòa, tạo ra các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt Polyme, một trong những ứng dụng hiệu quả nhất của nhựa, sở hữu nhiều ưu điểm như nhẹ, bền, chịu được môi trường, dễ lắp đặt và có đặc tính đàn hồi cao Ngoài ra, polyme còn bền vững với hóa chất, có độ dẫn nhiệt và điện thấp, thuận lợi cho quá trình sản xuất nhờ khả năng chế tạo ở nhiệt độ và áp suất nhất định.
Việc tính toán và đo độ bền kéo hay uốn của sản phẩm nhựa là rất quan trọng để chế tạo các sản phẩm phục vụ nhu cầu và các ngành công nghiệp khác nhau Do đó, nhiều thiết bị đã được phát triển để đáp ứng yêu cầu thực tiễn này.
2.2 Sơ lƣợc về thiết bị thử độ kéo sản phẩm nhựa
Thiết bị thử kéo và uốn là công cụ thí nghiệm quan trọng dùng để đo độ giãn dài của vật liệu nhựa, giúp đánh giá độ bền của chúng Qua đó, thiết bị này hỗ trợ trong việc lựa chọn vật liệu phù hợp với yêu cầu sản xuất.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi thực hiện thử nghiệm kéo bằng cách sử dụng một đầu kẹp cố định và một đầu kẹp di động, áp dụng lực kéo lên mẫu thử cho đến khi mẫu bị đứt hoặc phá hủy Ngoài ra, thử nghiệm uốn được thực hiện theo nguyên tắc ba điểm, với lực uốn vừa đủ để làm cong vật liệu cho đến khi gãy Đặc biệt, trong đề tài này, chúng tôi chỉ sử dụng thiết bị kiểm tra độ dãn dài thông qua phương pháp kéo mẫu thử.
2.3 Lợi ích của thiết bị thử kéo sản phẩm nhựa
Là thiết bị dùng để kiểm tra tính chất và chất lƣợng của sản phẩm nhựa sau khi thành hình
Các tính chất đƣợc xác định từ thí nghiệm kéo:
Tính biến dạng đàn hồi
Đặc điểm biến dạng dẻo tại điểm kéo
Độ giãn dài cho phép khi đƣợc phá hủy
2.4 Tình hình sử dụng thiết bị thử kéo trên thế giới và Việt Nam
Hiện nay, nhựa được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như đời sống, công nghiệp, xây dựng và trang trí nội thất với đa dạng chủng loại Do đó, việc kiểm tra cơ tính của vật liệu là rất cần thiết để đảm bảo sản phẩm đạt chất lượng và yêu cầu ban đầu.
2.4.1 Tình hình sử dụng thiết bị thử kéo trên thế giới
Hiện nay, thiết bị thử kéo đa dạng từ tay, động cơ đến CNC có khả năng thử kéo mẫu với kích thước khác nhau, đảm bảo độ chính xác và năng suất cao.
Một số loại thiết bị đang đƣợc sử dụng để kiểm tra độ giãn dài kéo máy kéo vạn năng Tinius Olsen [25]
Máy kiểm tra ứng dụng rộng này được thiết kế để kiểm tra kéo, nén, uốn và xé rách cho các vật liệu kim loại như thép, hợp kim và nhôm Với các phụ tùng đặc biệt, máy cũng có thể kiểm tra tính chất cơ học của ốc vít, thép dây cáp và các phụ tùng thành phẩm Sản phẩm được sản xuất và hiệu chuẩn theo tiêu chuẩn ISO 75001 và ASTM E4, đồng thời hỗ trợ kiểm tra theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau như ISO 6892, ISO 7438, ASTM A370, ASTM E8 và BS EN.
Hệ thống chuyển động của máy được thiết kế với cơ chế truyền tải bằng trục ren và bánh răng, trong đó có một động cơ được lắp đặt ở mặt sau của crosshead Khi động cơ hoạt động, nó đảm bảo hiệu suất truyền động hiệu quả cho toàn bộ hệ thống.
Nó điều khiển các trục ren và bánh răng, cho phép các Crosshead di chuyển lên hoặc xuống, từ đó điều chỉnh không gian thử nghiệm Việc không cần xoay trục vít dẫn hướng mang lại lợi thế tách biệt giữa hệ thống truyền tải và hệ thống định vị, đảm bảo sự đồng trục trong quá trình di chuyển của ngàm kéo, từ đó nâng cao độ chính xác của kết quả kiểm tra Điều này cho thấy nó vượt trội hơn so với các cơ cấu truyền tải cơ khí khác.
Hệ thống điều khiển của máy kiểm tra vạn năng sử dụng công nghệ Servo thủy lực, cho phép điều chỉnh khoảng cách và xử lý kiểm tra thông qua phần mềm Các kết quả kiểm tra được xử lý trên máy tính, phục vụ cho việc phân tích hiệu quả.
Đo tải: Cảm biến áp suất dầu độ chính xác cao, nó đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao
Đo khoảng dịch chuyển: Bộ cảm biến quang điện độ chính xác cao
Đo biến dạng: Thiết bị đo độ giãn dài độ chính xác cao đáng tin cậy và kinh tế
Ngàm kẹp tự động: Kẹp dầu thủy lực tự động và an toàn
Hình 2.2: máy kéo vạn năng Tinius Olsen
Thiết bị kéo vạn năng Instron 3300 của Mỹ [26]
- Kết cấu khung: đƣợc chế tạo bằng thép cứng, có kết cấu vững chắc, chịu đƣợc lực kéo lớn và có tính ổn định cao
Hệ thống chuyển động của thiết bị được thiết kế với cơ cấu hành trình con trượt, giúp hoạt động êm ái và không gây tiếng ồn Quá trình sản xuất khung trượt và bàn kẹp tuân thủ tiêu chuẩn ISO và được kiểm soát chặt chẽ, đảm bảo độ ổn định cao cho thiết bị, từ đó nâng cao độ chính xác trong quá trình thử nghiệm.
- Hệ thống cảm biến: thông qua hệ thống cảm biến tải trọng (loadcell) với độ nhạy và chính xác cao, làm cho sai số lặp lại nhỏ hơn 0,01%
Kết hợp thiết bị công nghệ cao cho phép điều khiển trực tiếp trên màn hình máy tính, hiển thị và lưu trữ dữ liệu cũng như đồ thị trong quá trình thử nghiệm kéo Người dùng có thể thiết lập chế độ thử nghiệm ngay trên màn hình, đồng thời điều chỉnh và kiểm soát tốc độ kéo một cách linh hoạt và chính xác.
Hình 2.3: Thiết bị kéo vạn năng của Mỹ Instron 3300
2.4.2 Tình hình sử dụng thiết bị thử độ kéo tại Việt Nam
Tình hình sử dụng thiết bị thử kéo và uốn trên thế giới và Việt Nam
Hình 3.1: Các sản phẩm làm từ vật liệu nhựa
Chất dẻo, hay nhựa, là hợp chất cao phân tử được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nhiều vật dụng hàng ngày như áo mưa và ống dẫn điện, cũng như trong các sản phẩm công nghiệp hiện đại Chúng có khả năng biến dạng dưới tác động của nhiệt và áp suất, đồng thời giữ nguyên hình dạng sau khi tác động kết thúc Chất dẻo ngày càng được ưa chuộng để thay thế các vật liệu truyền thống như vải, gỗ, da, kim loại và thủy tinh nhờ vào tính bền, nhẹ, khó vỡ và đa dạng màu sắc.
Hầu hết các chất dẻo được cấu thành từ các polyme hữu cơ, chủ yếu là các chuỗi chứa nguyên tử cacbon, cùng với ôxy, lưu huỳnh hoặc nitơ Để tạo ra những đặc tính riêng biệt cho chất dẻo, các nhóm phân tử khác nhau được liên kết vào mạch cacbon tại những vị trí thích hợp Cấu trúc của các chuỗi này có ảnh hưởng lớn đến tính chất của polymer Việc can thiệp tinh vi vào cấu trúc phân tử cho phép tạo ra nhiều tính chất đa dạng, khiến chất dẻo trở thành một phần không thể thiếu trong đời sống hiện đại của thế kỷ 21.
Hầu hết các loại chất dẻo đều chứa các chất hữu cơ hoặc hợp chất vô cơ khác, với tỷ lệ chất phụ gia biến đổi từ 0% cho polymer dùng trong thực phẩm đến hơn 50% cho ứng dụng điện tử Trung bình, các chất phụ gia chiếm khoảng 20% khối lượng polymer, giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất Phụ gia ổn định, bao gồm các chất chống cháy, được sử dụng để giảm tính cháy của vật liệu Nhiều loại chất dẻo cũng chứa chất độn, thường là khoáng chất như đá phấn, nhằm làm cho sản phẩm rẻ hơn trên mỗi đơn vị trọng lượng.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về vật liệu
Hình 3.1: Các sản phẩm làm từ vật liệu nhựa
Chất dẻo, hay nhựa, là hợp chất cao phân tử được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nhiều vật dụng hàng ngày như áo mưa và ống dẫn điện, cũng như trong các sản phẩm công nghiệp hiện đại Chúng có khả năng biến dạng dưới tác động của nhiệt và áp suất, nhưng vẫn giữ được hình dạng sau khi tác động kết thúc Chất dẻo ngày càng thay thế các vật liệu truyền thống như vải, gỗ, da, kim loại và thủy tinh nhờ vào tính bền, nhẹ, khó vỡ và đa dạng màu sắc.
Hầu hết các chất dẻo được cấu thành từ các polyme hữu cơ, chủ yếu là các chuỗi nguyên tử cacbon kết hợp với ôxy, lưu huỳnh hoặc nitơ Đặc điểm của chất dẻo được tạo ra bằng cách liên kết các nhóm phân tử khác nhau vào mạch cacbon tại những vị trí thích hợp Cấu trúc của các chuỗi này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của polymer Sự can thiệp tinh vi vào cấu trúc phân tử đơn vị cho phép chất dẻo phát triển nhiều tính chất đa dạng, khiến chúng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại của thế kỷ 21.
Hầu hết các loại chất dẻo chứa các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ, với tỷ lệ chất phụ gia dao động từ 0% cho polymer thực phẩm đến hơn 50% cho ứng dụng điện tử Trung bình, khoảng 20% khối lượng polymer là chất phụ gia, trong đó chất độn không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm chi phí sản xuất Phụ gia ổn định, bao gồm các chất chống cháy, giúp giảm tính cháy của vật liệu Nhiều loại chất dẻo còn sử dụng chất độn, chất tương đối trơ và vật liệu rẻ tiền khác để hạ giá thành sản phẩm trên mỗi đơn vị trọng lượng, thường là các loại khoáng như đá phấn.
Một số chất độn có độ hoạt động cao được gọi là tăng độ bền, thường được sử dụng để cải thiện tính chất của polymer Trong các ứng dụng đặc biệt, polymer hữu cơ quá cứng cần được trộn với chất tạo dẻo, là các hợp chất gốc dầu, nhằm cải thiện tính lưu biến Bên cạnh đó, phẩm màu cũng là các chất phụ gia phổ biến, mặc dù trọng lượng của chúng chỉ chiếm tỉ lệ nhỏ trong tổng thể sản phẩm.
- Phân loại theo hiệu ứng của polyme với nhiệt độ
Nhựa nhiệt dẻo là loại nhựa có khả năng chảy mềm khi được nung nóng đến nhiệt độ Tm và đông cứng lại khi hạ nhiệt độ Loại nhựa này thường được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp, với các mạch đại phân tử liên kết bằng các liên kết yếu như liên kết hydro và liên kết Vanderwaals Mặc dù tính chất cơ học của nhựa nhiệt dẻo không cao bằng nhựa nhiệt rắn, nhưng chúng có khả năng tái sinh nhiều lần, với các ví dụ tiêu biểu như polyetylen (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS), polymetyl metacrylat (PMMA), polybutadien (PB) và polyetylen terephthalat (PET).
Nhựa nhiệt rắn là hợp chất cao phân tử có khả năng chuyển đổi thành trạng thái không gian 3 chiều khi chịu tác động của nhiệt độ hoặc phản ứng hóa học, và sau đó không thể nóng chảy hay hòa tan trở lại, đồng thời không có khả năng tái sinh Một số loại nhựa nhiệt rắn phổ biến bao gồm ure formaldehyde (UF), nhựa epoxy, phenol formaldehyde (PF), nhựa melamin và polyeste không no.
Vật liệu đàn hồi (Elastome): là loại nhựa có tính đàn hồi nhƣ cao su
Tính chất Nhựa nhiệt dẻo Nhựa nhiệt rắn
Bền va đập Gic (kJ/m 2 ) 0,7-6,5 0,02-0,2
Nhiệt độ sủ dụng tối đa ( O C) 25-230 50-450
Bảng 3.1: So sánh một vài tính chất cơ, nhiệt của nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn
- Phân loại theo ứng dụng
Nhựa thông dụng: là loại nhựa đƣợc sử dụng số lƣợng lớn, giá rẻ, dùng nhiều trong những vật dụng thường ngày, như: PP, PE, PS, PVC, PET, ABS,
Nhựa kỹ thuật là loại nhựa sở hữu các tính chất cơ lý vượt trội so với nhựa thông dụng, thường được ứng dụng trong nhiều sản phẩm công nghiệp, điển hình như nhựa polycarbonate (PC) và nhựa polyamide (PA).
Nhựa chuyên dụng: Là các loại nhựa tổng hợp chỉ sử dụng riêng biệt cho từng trường hợp.
Cơ sở lý thuyết của quá trình biến dạng [20]
3.2.1 Khái quát về quá trình biến dạng
Biến dạng dẻo là hiện tượng xảy ra khi sự dịch chuyển tương đối giữa các chất điểm và phần tử của vật thể rắn do tác động của ngoại lực, nhiệt độ hoặc nguyên nhân khác, dẫn đến sự thay đổi về hình dạng và kích thước của vật thể mà vẫn bảo toàn liên kết vật liệu.
Tất cả các phương pháp gia công áp lực đều dựa trên một tiền đề chung là thực hiện một quá trình biến dạng dẻo
Vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực sẽ thay đổi hình dạng kích thước mà không mất đi sự liên kết bền chặt của nó
Khả năng biến dạng dẻo đƣợc coi là một đặc tính quan trọng của vật liệu
3.2.2 Ví dụ minh chứng quá trình biến dạng Để làm sáng tỏ quá trình biến dạng ta quan sát thí nghiệm kéo đơn giản Dưới tác dụng của lực kéo, mẫu kéo liên tục bị kéo dài cho đến khi bị kéo đứt Trong thí nghiệm kéo với các thiết bị phù hợp ta có thể đo được lực kéo và độ giãn dài tương ứng, từ đó xác định đƣợc ứng suất và biến dạng theo các mối quan hệ sau:
Hình 3.2: Biểu đồ quá trình kéo sản phẩm nhựa
Quan sát biểu đồ ta thấy sự biến dạng vật liệu chia làm 3 giai đoạn cơ bản:
Giai đoạn 1: Biến dạng đàn hồi
Giai đoạn 2: Biến dạng đàn hồi dẻo
Biến dạng: là sự thay đổi hình dạng và kích thước của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng
Biến dạng đàn hồi: là một loại biến dạng mà lƣợng biến dạng bị mất đi ngay khi bỏ tải trọng
Biến dạng dẻo: là một loại biến dạng còn giữ lại lƣợng biến dạng dƣ khi bỏ tải trọng
Biến dạng phá hủy: là một loại biến dạng làm cho vật liệu bị tách rời làm hai hay nhiều phần khác nhau dưới tác dụng của tải trọng.
Các đặc trƣng cơ học của vật liệu
3.3.1 Các đặc trƣng cơ tính của vật liệu Để nghiên cứu ứng lực của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng, người ta phải tiến hành thí nghiệm trên các mẫu thử của chính vật liệu đó trong các phòng thí nghiệm chuyên dùng Các thí nghiệm đƣợc tiến hành nhằm xác định các đại lƣợng cho phép ta đánh giá đƣợc tính đàn hồi, tính dẻo, độ bền của vật liệu
Đặc trưng cơ học của vật liệu là những đại lượng quan trọng thể hiện khả năng chịu tải trong các điều kiện cụ thể Cơ tính của vật liệu được xác định qua các chỉ tiêu này, giúp tính toán độ bền khi sử dụng và so sánh giữa các vật liệu khác nhau Các chỉ tiêu cơ học này được xác định thông qua các phương pháp thử nghiệm trên mẫu có kích thước theo tiêu chuẩn.
3.3.2 Phương pháp kiểm tra đặc trưng cơ học của vật liệu
Thí nghiệm sản phẩm nhựa được thực hiện trên thiết bị kéo, nén, nhằm kiểm tra tính chất cơ học của mẫu Mẫu thí nghiệm chuẩn được chế tạo với hình dạng và kích thước cụ thể, tùy thuộc vào loại vật liệu và tuân thủ quy định của từng quốc gia.
Sau khi thực hiện thí nghiệm, chúng ta sẽ thu được đường cong đặc tính của vật liệu Dựa vào đường cong này, có thể xác định một số đặc trưng cơ học quan trọng của loại vật liệu đó.
Hình 3.3: Biểu đồ cơ tính của nhựa
3.3.2.2 Kích thước của mẫu thử chuẩn
Việc kiểm tra cơ tính mẫu bắt đầu từ quá trình chuẩn bị và kiểm tra mẫu Phương pháp đo cơ tính dựa trên sự thống nhất của mẫu tiêu biểu, trong đó đo độ giãn dài kéo được thực hiện khi mẫu không chịu ứng suất được kéo giãn đến giới hạn nhất định và xuất hiện vết đứt Tuy nhiên, việc kiểm tra độ bền kéo chỉ là một phần trong việc đánh giá cơ tính tổng thể của sản phẩm, vì độ giãn dài kéo còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vật liệu, điều kiện kiểm tra (nhiệt độ, tốc độ kéo, độ ẩm) và điều kiện mẫu trước kiểm tra Do đó, cơ tính của vật liệu chỉ nên so sánh trong cùng một điều kiện kiểm tra, vì nhiệt độ và tốc độ kéo có ảnh hưởng quan trọng đến độ giãn dài kéo và cần được kiểm soát trong quá trình thử nghiệm.
Khái niệm độ giãn dài
3.4.1 Khái niệm Độ giãn dài (còn gọi là độ biến dạng tỉ đối) là phần trăm dài ra của vật liệu khi chịu tác dụng của lực kéo
𝜀 là độ biến dạng tỉ đối (độ giãn dài) l0 là chiều dài ban đầu l là chiều dài khi kéo
Trong các vật liệu khi nói tới độ giãn dài, ta thường hiểu là độ giãn dài tới hạn (tức là độ giãn dài tới khi đứt)
3.4.2 Nhận xét về độ giãn dài vật liệu
- Vật liệu dẻo nhƣ sắt, thép, đồng,…có độ giãn dài cao
- Vật liệu giòn nhƣ gang, thuỷ tinh, gốm…có độ giãn dài thấp
- Vật liệu polyme có độ dãn dài rất rao Polyme có thể kéo dài thành sợi nhỏ và mảnh
Hình 3.4: Biểu đồ so sánh độ giãn dài của vật liệu giòn và vật liệu dẻo
lý thuyết tuning PI vận tốc và chi tiết sơ đồ khối hàm truyền bộ PI
Hình 3.5 : Sơ đồ khối hàm truyền PI
Trong đó: Te: Tải điện
TL: Tải có momen xoắn
W: Vận tốc góc của động cơ Đặt 1 s
: là hàm truyền động cơ
B (đơn vị:[Nms/rad]) : hằng số ma sát của động cơ và tải quy về trục động cơ
J (đơn vị:[kg.m2]) : hằng số moment quán tính của động cơ và tải quy về trục động cơ
Vật liệu giòn Vật liệu dẻo
Để điều chỉnh các thông số J và B của động cơ, cần cấp nguồn cho động cơ bằng tín hiệu PWM% Trong quá trình khởi động, để đạt tốc độ w1, ta đo thời gian từ khi động cơ dừng đến khi đạt 63,2% tốc độ w1 Thời gian này sẽ được sử dụng để xác định các thông số theo công thức đã cho.
Hình 3.7: Sơ đồ khối hàm truyền PI có hồi tiếp Gọi tên khối điều khiển PI là C(s), ta có:
Khái quát về những phần mềm hỗ trợ
Ta có phương trình đặc trưng bậc 2:
Từ H(s) và phương trình đặc trưng:
− ξ (xita): Hệ số suy giảm(thường chọn là 1)
Vậy công thức tính thông số bộ điều khiển PI là:
3.6 Khái quát về nhừng phần mềm hổ trợ
3.6.1 Sơ lƣợc về phần mềm SolidWorks 2014 [14]
SolidWorks 2014 là phần mềm thiết kế phổ biến trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, kiến trúc, cơ khí, ô tô, hàng không, và trang trí nội thất Phần mềm này cho phép người dùng tạo ra các mô hình 3D chi tiết và lắp ráp các bộ phận thành một hệ thống hoàn chỉnh Ngoài ra, SolidWorks còn hỗ trợ kiểm tra động học, phân tích động lực học, nhiệt học, và thủy khí động học, cùng với việc tra cứu thông tin về vật liệu Phần mềm có ba chức năng chính: CAD, CAM và CAE, đáp ứng nhu cầu thiết kế và phân tích trong các ngành công nghiệp khác nhau.
Trong quá trình thực hiệnđồ án, đã sử dụng các công cụ hổ trợ của phần mềm nhƣ sau:
- Các lệnh trong nhóm Sketch 2D để thiết kế các bản vẽ chi tiết 2D
- Các lệnh vẽ trong Sketch 3D để xây dựng các mô hình 3D từ các bản vẽ 2D
- Thƣ viện Material để lấy thông tin về vật liệu
- Hổ trở tính toán ứng suất
3.6.2 Sơ lƣợc về phần mềm Visual Studio 2013
Visual Studio 2013 là phần mềm lập trình do Microsoft phát triển, hỗ trợ lập trình viên trong việc viết mã Ngoài các chức năng cơ bản như viết mã, biên dịch và gỡ lỗi, Visual Studio còn cung cấp nhiều tính năng hữu ích khác cho người dùng.
- Làm việc nhóm thông qua Team Foundation Server của Microsoft
- Các phím tắt và plugins hỗ trợ người dùng thao tác nhanh trong việc viết mã
- Tùy chỉnh liên kết các project và thƣ viện, tập tin liên quan
Phần mềm chủ yếu được sử dụng để thiết kế giao diện người dùng thông qua ứng dụng Form, được lập trình bằng ngôn ngữ C# và hỗ trợ bởi Visual Studio.
3.6.3 Sơ lƣợc về phần mềm KeilC
Keil compiler là một trình biên dịch nổi tiếng, phát triển bởi Đức và hiện thuộc sở hữu của ARM Phần mềm này hỗ trợ hầu hết các lõi ARM và các hãng khác, cung cấp bộ thư viện ngoại vi giúp lập trình viên dễ dàng thiết kế ứng dụng Keil giúp tạo ra các ứng dụng cho thiết bị sử dụng bộ vi xử lý ARM Cortex-M và lập trình nhúng.
THIẾT KẾ, PHÁC THẢO Ý TƯỞNG VÀ THỰC HIỆN
Quy trình thiết kế và phác thảo ý tưởng
Thiết kế đóng vai trò quan trọng trong quá trình chế tạo, giúp định hình ý tưởng và xác định vị trí tương quan giữa các chi tiết Thông qua bản thiết kế, chúng ta có thể đánh giá tính hợp lý và khả thi của toàn bộ dự án.
Quy trình thiết kế phần cơ khí thiết bị thử kéo sản phẩm nhựa được tiến hành như sau :
Quy trình thiết kế thiết bị bắt đầu bằng việc phác thảo các ý tưởng ban đầu trên giấy, không cần chú trọng đến kích thước chính xác Mục tiêu chính là thể hiện vị trí tương quan giữa các chi tiết và cụm chi tiết trong toàn bộ thiết bị.
Bước tiếp theo trong quá trình thiết kế là sử dụng phần mềm SolidWorks để tạo ra từng chi tiết, cho phép điều chỉnh kích thước một cách linh hoạt Do mô hình là sự kết hợp của nhiều chi tiết, kích thước của chúng có mối quan hệ chặt chẽ và ảnh hưởng lẫn nhau, tạo ra sự ràng buộc trong quá trình lắp ráp.
Trong quá trình thiết kế, việc đối chiếu và so sánh từng chi tiết với các chi tiết trước đó là rất quan trọng Để thuận tiện hơn, có thể thực hiện việc vẽ và lắp ráp các chi tiết tương quan song song, sau đó điều chỉnh kích thước và hình dạng cho đến khi hoàn thiện Phương pháp này không chỉ giúp thiết kế trở nên trực quan hơn mà còn giảm thiểu thời gian và công sức tính toán, ước đoán.
Khảo sát máy có sẵn
Phát thảo hình thành ý tưởng Thiết kế trên solidworks
Vẽ phát thảo Lắp ráp trên solidworks
Gia công, tìm mua các chi tiết
Láp ráp mô hình thực tế Hiệu chỉnh
Nếu không đạt yêu cầu
Lên phương án chế tạo – Nghiên cứu thiết bị đã có
4.2.1 Tính năng kỹ thuật của thiết bị cũ
Phương pháp kẹp trực tiếp sản phẩm nhựa dẫn đến quá trình gá đặt và kéo lâu, chỉ thích hợp với vật liệu dạng thanh trụ dài có kích thước định hình sẵn, do đó hạn chế mẫu kéo.
Cơ cấu kẹp bằng siết đai ốc có thể gây ra hư hại cho bề mặt kẹp, do đó mẫu kéo dễ bị tổn thương trước khi xảy ra biến dạng, dẫn đến hư hỏng không mong muốn.
Sản phẩm nhựa có những giới hạn về hình dạng, như độ dày, độ mỏng và chiều dài, vì nếu quá mỏng, quá dày hoặc quá ngắn sẽ không đảm bảo được quá trình kéo trong thiết bị.
4.2.2 Phân tích các phương án dùng để tham khảo a) Quan sát các thiết bị có sẵn
Máy kéo vạn năng Tinius Olsen được thiết kế với cặp ống thủy lực và cấu trúc tứ trụ vững chắc, đảm bảo khung chịu lực bền bỉ Bộ điều khiển nhỏ gọn giúp tiết kiệm không gian, mang lại hiệu quả cao trong quá trình sử dụng.
Máy kéo thử vật liệu Instron 3300 được thiết kế kiểu đứng với hai hàm kẹp và kết cấu tay siết tạm thời, giúp giảm thời gian gá đặt hiệu quả Tuy nhiên, phương án này không phù hợp cho mọi ứng dụng.
Mặc dù thiết bị đã được cải tiến về mặt công nghệ, nhưng những hạn chế về tính năng kỹ thuật vẫn tồn tại Do đó, cần thiết phải hoàn thiện và cải tiến thiết bị để nâng cao hiệu suất và tính năng sử dụng.
Không hạn chế về hình dạng mẫu kéo
Tối ưu phương án kẹp
Tích hợp thêm tủ nhiệt để kiểm tra ở nhiệt độ cao hơn.
Phương án hoàn thiện cải tiến
- Thêm tủ nhiệt ở phía trên để giữ nhiệt cho việc thử kéo mẫu
- Bộ điều khiển nhiệt độ
Hàm kẹp được thiết kế theo cơ cấu chữ U, giúp tăng diện tích tiếp xúc với mẫu Việc vặn chặn đai ốc sẽ ngăn chặn mẫu bị trượt ra khỏi hàm kẹp, đảm bảo độ ổn định và chính xác trong quá trình sử dụng.
Hình 4.1: Nguyên lý lực kéo của hàm kẹp
- Phần Hàm kẹp động sẽ đƣợc đặt thêm phần cách nhiệt.
Hình 4.2: ống cách nhiệt cho phần hàm kẹp động
Teflon là một loại polymer có khả năng cách nhiệt hiệu quả, giúp giữ nhiệt độ ổn định trong hộp thí nghiệm, ngăn cản sự truyền nhiệt ra môi trường không khí Với độ bền nhiệt cao, tính cách điện tốt, không bắt cháy, hệ số ma sát nhỏ và độ chống mài mòn cao, Teflon là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu tính ổn định và an toàn trong quá trình thí nghiệm.
- Phần Teflon này được sủ dụng trong trục dẫn hướng của hàm kẹp bên trong hộp gia nhiệt
Hình 4.3: Trục dẫn bằng Teflon cách nhiệt
- Hộp gia nhiệt đƣợc cấu tạo thành 3 lớp:
hai lớp trong và ngoài cùng làm từ inox 304 có độ cứng tốt và ít bị biến dạng do nhiệt gây ra
lớp ở giữa là các sợi thủy tinh có tác dụng cách nhiệt với môi trường bên ngoài
Hình 4.5: Hộp gia nhiệt và nắp trên thiết kế
Bộ điều khiển gia nhiệt phản hổi nhiệt độ đƣợc tích hợp sẵn trên E5CN của hãng Omron
Loại Bộ điều khiển Digital
Dãi nhiệt độ 10-550 0 C Đặc điểm - 1 Analog 0-10VDC Output, 2 Alarm, nguồn auto 100-
- chu kỳ lấy mẫu 60ms
- Màn hình LCD hiển thị 5 LED màu rỏ ràng dể nhìn
- Ngỏ vào nhiệt độ thermocouple, Pt100, hồng ngoại, Analog tùy chọn
- Hiển thị 2 dòng 5 LED màu với độ phân giải cao 0.010C
- Nguồn cấp 100-240VAC±15% hoặc 24VAC/DC±15%
- Ngỏ ra nhiều lựa chọn tùy model: Relay (contact), transistor (SSR), Analog (4-20mA)
- Chức năng điều khiển nhiệt độ ON/OFF hoặc PID
- Các chức năng mở rộng có thể gắn card option thêm: Invent, RS-485, Heater-Burnout, transfer
- Tốc độ lấy mẩu cao 60ms, và chức năng tự hiệu chỉnh tự động (Auto-turning, self-turning)
- Vỏ bọc bằng nhựa tổng hợp, nhiệt độ làm việc -10~550C Kích thước 48x48mm
Hình 4.6 bộ điều khiển nhiệt
- Sử dụng bong halogen để đốt nóng
Bóng đèn halogen hoạt động bằng cách sử dụng dây đốt điện trở nằm trong buồng khí halogen, có thể là buồng lớn hoặc nhỏ Việc sử dụng khí halogen giúp tăng nhiệt độ sáng, từ đó nâng cao cường độ phát sáng của bóng đèn.
Bóng halogen có kích thước tim đèn nhỏ hơn bóng đèn thông thường, cho phép điều chỉnh tiêu điểm chính xác hơn Chúng thường được làm từ thủy tinh thạch anh, vật liệu có khả năng chịu nhiệt và áp suất cao Tuy nhiên, đèn halogen phát ra nhiều tia cực tím (UV), vì vậy thường sử dụng bộ lọc để khắc phục nhược điểm này.
• Thay thé trực tiếp đơn giản cho đèn sợi đốt thông thường
• Không chứa thủy ngân, có thể đƣợc ném đi với rác thải sinh hoạt bình thường
• Chi phí thay mới loại đèn này thấp
• Nhiều kích thước và công suát khác nhau
• Tuổi thọ trung bình còn kém so với nhiều loại bóng đèn khác
• Tỏa nhiệt gây ảnh hưởng đến các bộ phận liền kề hình 4.7 bóng Halogen
4.3.1.6 Đánh giá tính khả thi của phương án Đánh giá:
- Hình dáng: Đảm bảo về tính thẩm mỹ khi có thêm tủ nhiệt kết cấu cách nhiệt tốt giúp giảm thất thoát nhiệt độ.
Lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công cho những chi tiết không có sẵn
- Hình dánh: giữ nguyên nhƣ thiết kế ban đầu, chỉ lắp thêm tủ cách nhiệt
- Hàm kẹp: sử dụng vít-đai ốc để siết chặc mẫu
Hình 4.8: Hình vẽ mô hình sau khi chọn phương án thiết kế phát triển
4.4 Lựa chọn vật liệu, phương pháp gia công cho những chi tiết không có sẵn
Sử dụng nhôm 6061 để chế tạo thân thiết bị thí nghiệm, vì loại nhôm này mang lại độ bền và tính thẩm mỹ vượt trội Nhôm 6061 không chỉ có bề ngoài đẹp mắt mà còn sở hữu khả năng chống mài mòn cao, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng trong các ứng dụng yêu cầu chất lượng và thẩm mỹ.
Nhôm là nguyên liệu nhẹ, dễ vận chuyển với chi phí thấp, được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không, xây dựng nhà cao tầng và công nghiệp ô tô Việc sử dụng nhôm trong lĩnh vực vận tải không chỉ giúp giảm chi phí nhiên liệu mà còn mang lại hiệu quả cao trong sản xuất nhờ khả năng gia công dễ dàng trên máy móc cơ khí hoặc đúc.
Có nhiều phương pháp xử lý thành phẩm nhôm như sơn nước, sơn bột, xi hoặc sơn tĩnh điện Nhôm, với dạng tấm, cuộn hay định hình, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các kim loại khác Dù các kim loại khác có một số lợi thế, nhưng không thể so sánh với nhôm về tính năng Quá trình nhôm định hình giúp tối ưu hóa các đặc tính vật lý của nhôm, rất phù hợp cho các nhà thiết kế, kỹ sư và nhà sản xuất Nhôm là kim loại nhẹ nhất, với khối lượng riêng chỉ 2.7g/cm³, và chỉ nặng 0.1 pound trên inch vuông, nhẹ hơn 1/3 so với sắt, thép, đồng và đồng thau.
4.4.2 Lựa chọn phương pháp gia công cho các chi tiết không có sẵn
Nhóm đã áp dụng các phương pháp gia công cơ khí như phay, hàn, tiện, khoan và taro ren để gia công các chi tiết không có sẵn.
- Sử dụng các máy cơ khí cơ và máy CNC đối với một số chi tiết cần độ chính xác cao.
TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ – LẮP RÁP
Sơ đồ tổng thể của hệ thống
Sơ đồ 5.1: Sơ đồ tổng thể của hệ thống
Tín hiệu từ Loadcell được vi điều khiển đọc sau khi đã được xử lý bởi mạch khuếch đại Vi điều khiển tích hợp thuật toán PID được lập trình sẵn, xuất xung ngõ ra để điều khiển động cơ thông qua mạch cầu H Động cơ sẽ dẫn động trục vít me công tác qua bộ nối chuyển trục để thực hiện nhiệm vụ.
Lắp ráp phần hàm kẹp cơ khí
Hình 5.1: Hàm kẹp cơ khí sau khi đƣợc lắp ráp hoàn chỉnh
STT TÊN CHI TIẾT SỐ LƢỢNG
8 Thanh gắn hàm kẹp trên 1
Hình 5.2: Hình chiếu hàm kẹp và trục dẫn
Tủ gia nhiệt
Tủ cách nhiệt được làm từ inox 304 với độ dày 15mm, bao gồm hai lớp mỗi lớp dày 1mm Ở giữa, phần không gian được lót bằng sợi thủy tinh cách nhiệt, giúp ngăn chặn sự thất thoát nhiệt ra ngoài hiệu quả.
Hình 5.4: Hình chiếu tủ gia nhiệt
Hình 3.5 Hình ảnh lắp ráp của 2 trục dẫn bằng Teflon.
Tính toán công suất truyền động
5.4.1 Sơ đồ chuyển động và nguyên lý hoạt động của thiết bị kéo sản phẩm nhựa theo phương án thiết kế
Hình 5.6: Sơ đồ động của thiết bị
5.4.2 Tính toán công suất động cơ khi hoạt động
Công suất trên trục động cơ điện đƣợc xác định theo công thức :
Pct:công suất cần thiết trên trục động cơ
Pt: công suất tính toán trên trục thiết bị công tác η : Hiệu suất truyền động
Với bộ truyền trục vít me -đai ốc bi đã thì chọn η =1
Nhƣ vậy muốn xác định công suất động cơ cần biết công suất tính toán Pt
Với thiết kế thiết bị thử kéo đo đƣợc lực kéo từ 0 ÷ 1000 N Dựa vào mô phỏng và thực tế chọn n` vòng/phút suy ra vận tốc kéo
Suy ra vận tốc trục vít là
5.4.3 Chọn động cơ a) Động cơ bước
Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác, không cần mạch phản hồi
Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC
Giá thành cao, momen xoắn nhỏ, momen máy nhỏ
Dễ bị xảy ra hiện trượng trượt nếu gặp trường hợp sụt điện áp b) Động cơ servo
Động cơ servo DC được thiết kế cho các hệ thống hồi tiếp vòng kín, trong đó tín hiệu ra của động cơ được kết nối với mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển Nếu có bất kỳ trở ngại nào cản trở chuyển động của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận diện rằng tín hiệu ra chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển sẽ điều chỉnh sai lệch để động cơ đạt được độ chính xác cần thiết thông qua thuật toán điều khiển.
Loại động cơ này có một số đặc điểm chung nhƣ sau:
- Đặc điểm động học tốt
- Thường được tích hợp sẵn cảm biến đo tốc độ hay góc quay
Bao gồm hai loại: Động cơ điện một chiều
- Ƣu điểm: Momen khởi động lớn, dễ điều khiên tốc độ và chiều, giá thành rẻ
Dải tốc độ điều khiển hẹp
Phải có mạch nguồn riêng Động cơ điện xoay chiều
Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều
Đa dạng và phong phú về chủng loại, giá thành rẻ
Phải có mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành để đảm bảo an toàn, momen khởi động nhỏ
Mạch điểu khiển tốc độ phức tạp
Encoder là cảm biến vị trí cung cấp thông tin về góc quay dưới dạng số mà không cần bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) Loại encoder này, được gọi là encoder quay quang, còn được biết đến với tên gọi bộ mã hoá vòng quay.
5.4.4.2 Cấu tạo cơ bản của một encoder quay quang
- Đĩa quay đƣợc xẻ rãnh gắn vào trục
- Một nguồn sáng và 1 tế bào quang điện đƣợc bố trí thẳng hàng
Hình 5.9: Sơ đồ nguyên lý của một encoder
Encoder tuyệt đối (Absolute encoder): mã nhị phân, mã gray
- Một đĩa quay đƣợc mã hoá theo các rãnh đồng tâm
Đầu đọc bao gồm các tia sáng và tế bào quang điện, trong đó mỗi tia sáng được chiếu đến từng rãnh của từng tế bào quang điện Mỗi tế bào quang điện sẽ tạo ra một bit cho đầu ra số.
- Ví dụ: đĩa có 8 rãnh đồng tâm thì đầu đọc có 8 tia sáng riêng biệt và 8 tế bào quang điện Ngõ ra là đầu ra số (digital) 8 bit
Encoder tương đối (Incremental encoder): loại 1 kênh, 2 kênh
- Một đĩa xẻ rãnh đƣợc gắn trên trục
- Đầu đọc gồm 1 – 3 bộ thu phát quang
- Đầu ra là xung vuông
5.4.4.4 Ứng dụng của encoder quay quang
- Trong các bài toán đo tốc độ động cơ
- Xác định khoảng dịch chuyển của đối tƣợng thông qua xác định số vòng quay của trục,
- Ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: Robot, máy công cụ, hàng không vũ trụ…
5.4.5 Kiểm tra độ đáp ứng của động cơ
Dò bằng tay các thông số Kp Ki Kd để kiểm tra hồi tiếp từ động cơ
Hình 5.12 đáp ứng PI cùa động cơ setpoit xung/ms
Hình 5.13 đáp ứng PI với setpoit = 60xung/ms Nhận xét: với các thong số Kp0, Ki=2, Kd
-Vọt lố của động cơ là từ 20-30 tính từ giá trị đặt
- Sai lệch dao động ±5xung
Giao diê ̣n kiểm tra lại đáp ứng vận tốc
Hình 5.14: Giao diện điều khiển PI vận tốc 1
Vùng 1 bao gồm ô Speed, nơi người dùng nhập giá trị vận tốc cho động cơ, và ô Wn, dùng để nhập tần số tự nhiên Wn vào mạch PIC, với giá trị có thể thay đổi.
Khi giá trị Wn tăng từ 10 đến 1000, độ dốc của hệ thống và độ dao động quanh điểm cân bằng cũng gia tăng Ô F cut off được sử dụng để nhập giá trị tần số cắt cho bộ lọc thông thấp; khi F tăng, mạch sẽ trở nên nhạy cảm hơn với những thay đổi trong sai số xác lập.
Nút SEND: Sau khi nhập các thông số vào 3 ô trống trên nhấn SEND mã lệnh sẽ đƣợc truyền qua UART tới động cơ
Nút START khi được nhấn sẽ chuyển thành nút STOP, đồng thời đồ thị sẽ nhận giá trị tốc độ gửi lên từ mạch ARM để tiến hành vẽ đồ thị.
Nút Exit: nhấn vào sẽ tắt toàn bộ chương trình
Nút COMPACT cho phép người dùng vẽ đồ thị khi nhấn START, và sau 10 giây, đồ thị sẽ cuộn theo đường đáp ứng Khi nhấn nút này, đồ thị sẽ thu lại từ thời điểm bắt đầu nhấn START Sau khi nhấn, nút sẽ chuyển thành SCROLL, và nếu nhấn thêm một lần nữa, đồ thị sẽ tiếp tục cuộn theo đường đáp ứng như trước.
− Vùng 2: Hiển thị giá trị và thời gian lấy mẫu, thay đổi liên tục khi nhấn nút START, dừng lại khi nhấn STOP
Vùng 3: Đồ thị minh họa sự biến động của vận tốc so với giá trị đặt, trong đó đường màu xanh biểu thị giá trị đặt và đường màu đỏ thể hiện giá trị thực tế.
Hình 5.15: Giao diện điều khiển PI vận tốc 2
Tab Store có một khu vực lớn màu trắng để hiển thị các giá trị thời gian và tốc độ thực tế sau khi nhấn nút START Nút Save cho phép người dùng lưu trữ dữ liệu này dưới dạng file text, giúp dễ dàng nhập vào MATLAB để phân tích khi cần thiết.
To begin serial communication, select the Serial Communication tab, choose the appropriate port and baud rate, and click open Next, press the Begin button, navigate to the Display tab, and enter the speed, wn, and f cut off values before clicking Start Finally, click Send to initiate the process.
Hình 5.16: Đồ thị đáp ứng của động cơ thông qua giá trị đặt
Sai số err nằm trong vùng cho phép ±30 Tốc độ đáp ứng khi có tải chậm, 2s khi tăng từ 0 lên 1680v/ph
Sau khi tìm hiểu và khảo sát, chúng tôi đã chọn động cơ servo DC loại Servo Motor TRE Series của hãng Tagama với công suất 200W để đáp ứng yêu cầu của thiết bị.
Hằng số moment quay ( KT) 11.9x10 -2 Nãm/A (1.21 kg.fãcm/A) Hằng số điện áp (KE) 12.4x10 -3 V/min-1 Điện trở phần ứng (Ra) 0.4 Ω Điện cảm phần ứng (La) 0.6 mH
Dòng điệntối đa 31 A Điện áp định mức (V0) 42 V
Tốc độ định mức (N0) 3000 min -1
Moment định mức(T0) 0.637 Nãm (1.95 kg.fãcm)
Moment tức thời (Tp) 3.64 Nãm (11.2 kg.fãcm)
Tốc độ lớn nhất (N) 4000 min -1
Moment quỏn tớnh (Jm) 0.157x10-4 kgãm 2 (0.16 gfãcmãs 2 ) Hằng số thời gian cơ (Tm) 4.7 ms
Hằng số thời gian điện (Te) 1.5 ms
Nhiệt cho phép phần ứng 130 °C
Hằng số thời gian nhiệt (Jth) 17 min
Moment hóm (Tf) 14.9x10 -2 Nãm (0.17 kg.fãcm)
Hệ số ma sát nhớt trên trục động cơ (B) 0.1 (Nms)
Bảng 5.3 Thông số kỹ thuật của động cơ Nhƣ vậy, thông số kỹ thuật của động cơ đƣợc sử dụng:
- Tải trọng cho phép: 37.51 kg
Dir: chiều quay của động cơ PWM: cấp xung cho động cơ quay
THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU NHẬN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU
Thiết bị đo lực loadcell [9]
Loadcell là một thiết bị cảm biến quan trọng, có chức năng chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện Khái niệm "strain gage" đề cập đến cấu trúc có khả năng biến dạng đàn hồi khi chịu lực, từ đó tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ thuận với mức độ biến dạng.
Loadcell là thiết bị thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, bao gồm cả lực tĩnh và lực biến thiên chậm Tùy thuộc vào thiết kế, một số loại loadcell còn có khả năng đo các lực tác động mạnh.
6.1.2.1 Theo phương lực tác dụng
6.1.2.3 Theo tín hiệu mã hóa
- Loadcell analog – tín hiệu tương tự
- Loadcell digital – tín hiệu số
Loadcell bao gồm hai thành phần chính: "Strain gage" và "Load" Strain gage là một điện trở đặc biệt có kích thước nhỏ, chỉ bằng móng tay, với điện trở thay đổi khi bị nén hoặc kéo dãn Thành phần này được cung cấp năng lượng từ một nguồn điện ổn định và được gắn chắc chắn lên "Load", là một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.
Hoạt động của thiết bị dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone, trong đó giá trị lực tác dụng tỉ lệ thuận với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu Do đó, thiết bị này cung cấp tín hiệu điện áp tỉ lệ tương ứng.
Loadcell được cấu tạo bởi các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4, kết nối thành cầu điện trở Wheatstone Điện áp kích thích được cung cấp cho hai góc (1) và (4) của cầu, trong khi điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc còn lại Ở trạng thái cân bằng (không tải), điện áp tín hiệu ra gần bằng không khi các điện trở được gắn phù hợp, lý do khiến cầu điện trở Wheatstone còn được gọi là mạch cầu cân bằng.
Khi tải trọng tác động lên loadcell, thân loadcell sẽ bị biến dạng, làm thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại trong điện trở strain gauges Sự biến đổi này dẫn đến sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges, từ đó gây ra sự thay đổi trong điện áp đầu ra của loadcell.
Sự thay đổi điện áp rất nhỏ, chỉ có thể được đo và chuyển đổi thành số sau khi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử.
6.1.5 Thông số kỹ thuật cơ bản Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp
Công suất định mức: giá trị khối lƣợng lớn nhất mà loadcell có thể đo đƣợc
Dải bù nhiệt độ là khoảng nhiệt độ mà đầu ra của loadcell được điều chỉnh Nếu nhiệt độ nằm ngoài khoảng này, đầu ra sẽ không đảm bảo tuân thủ các thông số kỹ thuật đã được quy định.
Cấp bảo vệ của loadcell được đánh giá theo thang đo IP, như IP65, cho khả năng chống ẩm và bụi Điện áp làm việc của loadcell thường nằm trong khoảng từ 5 đến 15 V, với giá trị lớn nhất và nhỏ nhất được nêu rõ Độ trễ là hiện tượng khi hiển thị kết quả, dẫn đến sai số trong kết quả, thường được biểu thị dưới dạng phần trăm của tải trọng.
Trở kháng đầu vào của loadcell được xác định thông qua các thông số S- và S+ khi thiết bị chưa được kết nối hoặc ở trạng thái không tải Đồng thời, điện trở cách điện thường được đo ở dòng DC 50V, phản ánh giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của loadcell và thiết bị kết nối điện.
Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng
Giá trị ra: kết quả đo đƣợc (đơn vị: mV)
Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng được đo giữa EX+ và EX- trong điều kiện loadcell chƣa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải
Quá tải an toàn: là công suất mà loadcell có thể vƣợt quá (ví dụ: 125% công suất)
Hệ số tác động của nhiệt độ là đại lượng đo được khi loadcell hoạt động dưới tải, phản ánh sự thay đổi công suất của nó khi nhiệt độ thay đổi Chẳng hạn, nếu hệ số này là 0.01%/10°C, điều này có nghĩa là khi nhiệt độ tăng thêm 10°C, công suất đầy tải của loadcell sẽ tăng thêm 0.01%.
Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống nhƣ trên nhƣng đo ở chế độ không Với đồ án này thực hiện chọn loadcell “S” có công suất 0÷100 kg
Board cầu H [30]
Board cầu H-Bridge sử dụng IC MC33883 của FreeScale, kết hợp với 4 MOSFET IRF3205 cho dòng liên tục 10A và tối đa 30A, với điện áp cấp từ +24V IC kích FET IR2184 đảm bảo FET dẫn tốt và ngăn ngừa hiện tượng trùng dẫn Driver cách ly công suất sử dụng OPTO PC921, cho phép tín hiệu vào điều khiển bao gồm DIR+, DIR-, PWM+, PWM-, giúp người dùng dễ dàng tùy chọn tín hiệu điều khiển ở mức cao hoặc thấp.
Board gồm 1 led báo chiều quay động cơ
Board đƣợc thiết kế nhỏ gọn Board mạch 2 lớp, chất lƣợng cao, phủ màu xanh ,rất thích hợp cho Robocon Ứng dụng:
- Điều khiển động cơ DC
Có hai cách điều khiển nhƣ sau:
Nếu ta cấp MASS của Board VDK cho chân DIR- và chân PWM thì lúc đó ta sẽ điều khiển tốc độ bằng PWM dương
Độ rộng xung mức 1 của PWM ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ động cơ: càng lớn thì tốc độ càng nhanh, đạt tối đa khi PWM ở mức tối đa, và ngược lại, độ rộng xung nhỏ khiến động cơ chậm lại và dừng khi PWM ở mức tối thiểu Khi chân PWM+ được kết nối với chân PWM của VDK, nếu chân DIR+ cấp mức 1, động cơ sẽ quay thuận, còn nếu cấp mức 0, động cơ sẽ quay nghịch.
Khi cấp nguồn +5V từ Board VDK cho chân DIR+ và PWM+, ta có thể điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp PWM âm Cụ thể, độ rộng xung mức 0 của PWM càng lớn thì tốc độ động cơ càng nhanh, đạt tối đa khi PWM ở mức min Ngược lại, nếu độ rộng xung mức 0 nhỏ thì tốc độ động cơ sẽ chậm lại và dừng hẳn khi PWM đạt mức Max Chân PWM- được kết nối với chân PWM của VDK, trong khi chân DIR- ở mức 1 sẽ khiến động cơ quay thuận, còn ở mức 0 sẽ làm động cơ quay nghịch.
Board STM32F103RCT6 [24]
TMe-STM32F103 ARM Cortex-M3 Development Board sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 của STMicroelectronics 32-Bit 64PIN (LQFP) với 256 to 512KB Flash, USB, CAN, 11 timers, 3 ADCs, 13 communication interfaces…
TMe-STM32F103 là một giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh với nguồn tài nguyên phong phú, cung cấp nhiều tính năng hữu ích cho việc học tập và áp dụng trong các dự án đa dạng.
Với TMe-STM32F103, người dùng có thể yên tâm không phải lo lắng về phần cứng, mà thay vào đó, tập trung phát triển các ứng dụng phần mềm Đây là một công cụ tuyệt vời, phục vụ đa dạng nhu cầu của cả kỹ sư dày dạn kinh nghiệm lẫn những người mới bắt đầu.
TMe-STM32F103 thiết kế Header JTAG chuẩn 10x2, hỗ trợ người dùng sử dụng các công cụ Program/Debug như J-LINK và ULINK Sản phẩm này được tối ưu theo kiểu module, cho phép kết nối hoặc ngắt giữa các module và MCU qua Jumper, đồng thời người dùng có thể tùy biến kết nối bằng dây cắm đa dụng Tất cả các I/O của chip 64-pin (PORTA/B/C) được đưa ra theo kiểu Header 5x2, dễ dàng kết nối với các thiết bị ngoại vi khác.
Hình 6.5: Sơ đồ chân chip STM32F103C8T6
Trong phần này, chúng tôi sẽ giới thiệu các Module trên Board phát triển TMeSTM32F103C8T6 Board thử nghiệm được thiết kế theo kiểu module, cho phép cấu hình dự án đa dạng với số lượng lớn và các Port đầu ra sẵn sàng kết nối với thiết bị bên ngoài Cả phần cứng và phần mềm đều thuộc sở hữu của người sử dụng, cho phép người dùng tùy chỉnh theo nhu cầu và rút ra kết luận từ các trường hợp khác nhau thông qua các ví dụ.
- Tất cả I/O External Output module
quy trình hoạt động của thiết bị kéo sản phẩm nhựa
Sơ đồ 6.3: quy trình hoạt động của thiết bị kéo sản phẩm nhựa
Mở giao diện kết nối
Chỉnh vị trí gá đặt Đặt mẫu thử vào hàm kẹp Đặt giá trị nhiệt độ Đặt giá trị vận tốc
Bắt đầu quy trình kéo
Kết thúc quy trình kéo CHỈNH VỊ TRÍ GÁ ĐẶT
Lấy kết quả, tháo gỡ mẫu
Thay mẫu mới Đúng sai
Quy trình hoạt động của thiết bị kéo sản phẩm nhựa:
- Bước 1: kết nối dây điện của các động cơ, loadcell, công tắc hành trình, encoder với hộp điều khiển
- Bước 2: Bật nguồn hộp điều khiển, kết nối VĐK với máy tính
Để bắt đầu, hãy mở giao diện điều khiển thiết bị thử nghiệm trên máy tính Tiếp theo, chọn cổng COM tương ứng với cổng kết nối của hộp điều khiển để tiến hành kéo sản phẩm nhựa.
Baudrate 9600 (do mạch điều khiển qui định) Nhấn nhút nhấn để thực hiện giao tiếp giữa máy tính và mạch điều khiển
Để điều chỉnh vị trí gá đặt của hàm kẹp, bạn hãy sử dụng hai nút nhấn trên giao diện: một nút để di chuyển hàm kẹp lên và nút còn lại để điều khiển hàm kẹp đi xuống.
- Bước 5: đặt mẫu thử vào vị trí hàm kẹp và siết hàm kẹp để kẹp chặt
- Bước 6: đặt giá trị nhiệt độ cần để kiểm tra mẫu ở bản điều khiển trên thân máy
- Bước 7: đặt giá trị vận tốc cần kiểm tra
Khi nhiệt độ đã đạt yêu cầu, hãy nhấn nút để bắt đầu quá trình kéo Trong suốt quá trình này, giao diện sẽ hiển thị các thông số quan trọng như lực kéo, thời gian thực hiện và một đồ thị thể hiện lực đo được.
- Bước 9: Kết thúc quá trình là khi sản phẩm nhựa đứt (hoặc đạt tới hạn kéo trên máy) hay đã chạm công tắc hành trình chống va chạm
- Bước 10: Sau đó vào trong ổ đĩa C:\ của máy tính, sẽ có một file Excel tên là
Log.xls File này lưu trữ số liệu của thí nghiệm như: giá trị lực, hành trình kéo, thời gian và tên mẫu
- Bước 11: Để kết thúc công việc, nhấn nút
- Bước 12: Nhấn nút nhấn để thoát hoàn toàn giao diện
- Bước 13: Tháo gỡ sản phầm phá huỷ ra
- Bước 14: Gỡ các dây điện đã kết nối với phần hộp điện nếu không cần kiểm tra nữa
Sơ đồ 6.4: Sơ đồ truyền nhận tín hiệu
Sơ đồ 6.5: Sơ đồ giải thuật đọc giá trị lực từ loadcell
Giao diện tương tác với người sử dụng
Dùng ngôn ngữ C# để lập trình giao diện cho thiết bị kéo sản phẩm nhựa
Lấy giá trị trung bình VĐK đọc giá trị loadcell
Lấy kết quả sai đúng
Hình 6.6: Giao diện của thiết bị
- Chiếm phần lớn diện tích của giao diện là phần biểu đồ hiển thị lực trong quá trình làm việc của thiết bị
- Phía bên trái biểu đồ là hai panel gồm các nút điều khiển việc kết nối cổng COM và chỉnh vận tốc, vị trí của hàm kẹp
Bên phải biểu đồ có nút thoát, cho phép người dùng rời khỏi giao diện sau khi hoàn tất công việc Các thông số hiển thị bao gồm Lực, Độ biến dạng và Thời gian thực hiện, giúp theo dõi quá trình làm việc hiệu quả.
6.5.2 Thao tác với giao diện
Bước 1: Khi cắm cổng USB vào thì giao diện sẽ tự động nhận cổng COM, tiếp theo chúng ta chọn giá trị Baudrate và nhấn nút Kết nối
Bước 2: Nhập giá trị vận tốc làm việc mong muốn trong ô Vận tốc (mm/phút)
Bước 3: Nhập tên mẫu thử vào ô trống bên dưới ô vận tốc
Bước 4: Sử dụng nút nhấn phía dưới ô nhập tên cho mẫu để điều chỉnh vị trí mỏ kẹp đến vị trí mong muốn
Bước 5: Nhấn nút bắt đầu để thực hiện công việc theo chế độ đã chọn Đồng thời, giá trị lực sẽ được lưu vào một file Excel để thống kê sau khi kết thúc thử nghiệm.
Trong bước 5, các giá trị lực, độ biến dạng và thời gian làm việc được hiển thị trong các ô tương ứng, đồng thời biểu đồ cũng thể hiện đường hiển thị lực.
Bước 6: Sau khi hoàn tất công việc, nhấn nút Thoát để thoát ra khỏi giao diện
Hình 6.7: Các bước thực hiện công việc
