Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống máy bắn bóng tennis tự động" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Nguyễn Xuân Huy, Bùi Xuân Mến, Phan Tuấn Bảo, Nguyễn Hoàng Tùng và Thái Quang Vinh dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Trọng Hiếu tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy, khóa 2012–2016).
Bối cảnh thực tiễn của đề tài xuất phát từ sự phát triển của phong trào luyện tập quần vợt (tennis) tại Việt Nam. Quần vợt là bộ môn đòi hỏi điều kiện sân bãi chuyên dụng, dụng cụ tập luyện và thường cần có bạn chơi, người nhặt bóng hoặc huấn luyện viên hỗ trợ trực tiếp. Các dòng máy bắn bóng tennis nhập khẩu trên thị trường thời điểm này có giá thành cao, khó tiếp cận đối với các câu lạc bộ phong trào, trường học hoặc người tự tập luyện cá nhân. Từ thực tế đó, nhóm tác giả đặt vấn đề chế tạo một mô hình máy bắn bóng tennis tự động mang thương hiệu Việt, có chi phí sản xuất thấp, vận hành ổn định và đáp ứng các bài tập từ mức độ cơ bản đến nâng cao.
Mục tiêu nghiên cứu tổng quát là khảo sát các thông số vận động của môn quần vợt (tốc độ, độ xoáy, điểm rơi của bóng), từ đó tính toán thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy cơ khí phục vụ công tác giảng dạy, thí nghiệm và hỗ trợ người chơi tập luyện một mình. Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản phân định thành sáu nội dung:
- Báo cáo nghiên cứu tổng quan tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu.
- Tính toán, thiết kế hệ thống.
- Các tính toán và thiết kế phần cơ khí.
- Chế tạo, lắp đặt.
- Khảo sát và đánh giá hệ thống.
- Kết luận.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là các cơ cấu cơ khí và hệ thống điều khiển động học của máy bắn bóng, bao gồm cơ cấu cán ép bắn bóng bằng bánh đai ma sát, cơ cấu thay đổi góc bắn hai bậc tự do (nâng - hạ và quay trái - phải), cơ cấu cấp bóng tự động và hệ thống dẫn động điện một chiều (DC). Phạm vi không gian nghiên cứu được xác định theo kích thước sân tennis tiêu chuẩn ($23,77 \text{ m} \times 8,23 \text{ m}$), đặt máy tại vị trí giữa đường biên cuối của nửa sân đối diện để bao quát cự ly bắn từ $12 \text{ m}$ đến $25 \text{ m}$. Phạm vi công nghệ tập trung vào thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm hoạt động ở dải điện áp $12\text{VDC}$, vận tốc bắn bóng thiết kế trong khoảng $80\text{ km/h}$ đến $100\text{ km/h}$ ($19,44\text{ m/s} - 22,22\text{ m/s}$).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật của quả bóng tennis theo Luật Quần vợt do Tổng cục Thể dục Thể thao ban hành, kết hợp lý thuyết cơ học tiếp xúc ma sát và động học ném xiên. Cụ thể, quả bóng tennis có khối lượng tiêu chuẩn $50\text{ g}$, đường kính ngoài từ $63,5\text{ mm}$ đến $66,8\text{ mm}$ (nhóm chọn giá trị tính toán danh nghĩa là $D_{\text{bóng}} = 66\text{ mm}$ hoặc $67\text{ mm}$ khi chưa nén), bề mặt phủ lớp nỉ tăng ma sát. Theo quy định, bóng thả rơi tự do từ độ cao $254\text{ cm}$ xuống sàn bê tông phải có độ nảy đạt từ $134,62\text{ cm}$ đến $147,62\text{ cm}$. Dưới tác dụng của tải trọng kiểm tra $8,165\text{ N}$, biến dạng nén phía trước trung bình của bóng tập luyện (loại 2 và 3) là $x_1 = 6,48\text{ mm}$, biến dạng phía sau trung bình là $y_1 = 9,4\text{ mm}$, xác lập tỷ lệ biến dạng động học $y_1 / x_1 = 1,45$.
Đồ án ứng dụng định luật ma sát trượt khô Culong ($T = f \cdot N$) và điều kiện hình học để xác định khả năng ăn bóng giữa hai bánh đai quay ngược chiều. Khi bóng tiếp xúc bánh đai tại góc ăn $\alpha$, lực tiếp tuyến kéo bóng vào là $T_x = N \cdot f \cdot \cos\alpha$ và lực đẩy ngược chiều là $N_x = N \cdot \sin\alpha$. Điều kiện cần để bóng bị cuốn vào khe hẹp giữa hai bánh đai mà không bị trượt đẩy ra ngoài là:
$$T_x > N_x \iff f > \tan\alpha \iff \tan\beta > \tan\alpha \iff \beta > \alpha$$
Trong đó $\beta$ là góc ma sát giữa lớp bọc cao su NBR của bánh đai và vỏ nỉ của bóng tennis ($f = \tan\beta \approx 0,5$ ở trạng thái ma sát khô).
Phương pháp nghiên cứu được nhóm tác giả áp dụng bao gồm:
- Phương pháp phân tích - so sánh các nguyên lý bắn bóng cơ khí (lò xo đàn hồi, súng khí nén, cơ cấu ly tâm và cơ cấu cán ép ma sát bằng bánh đai).
- Phương pháp tính toán giải tích động học và động lực học cơ khí: xác định phương trình quỹ đạo bay của quả bóng trong trọng trường $y = x\tan\varphi - \frac{g x^2}{2 v_b^2 \cos^2\varphi}$ nhằm xác định dải góc bắn $\varphi$, tính toán mô men cản $M = T \cdot R$ và công suất yêu cầu của động cơ.
- Phương pháp thực nghiệm chế tạo: gia công cơ khí các chi tiết từ phôi nhôm A6061, thép C45, nhựa POM, nhựa Mica; lắp ráp mạch điện điều khiển và tiến hành bắn thực tế trên sân để hiệu chỉnh góc lắc và tốc độ quay.
Nguồn dữ liệu của đề tài gồm các quy chuẩn kích thước sân và bóng của Liên đoàn Quần vợt Thế giới (ITF), tài liệu tra cứu sổ tay thiết kế chi tiết máy và hệ số ma sát vật liệu, cùng các dữ liệu đo đạc thực tế trên mô hình thử nghiệm.
Thiết kế và triển khai hệ thống cơ khí - điều khiển
Hệ thống máy bắn bóng tennis tự động được cấu tạo từ bốn cụm chức năng chính: cụm bắn bóng ma sát, cụm thay đổi góc bắn lên - xuống, cụm thay đổi góc bắn trái - phải và cụm cấp bóng tự động.
| Cụm cơ cấu |
Thông số kết cấu chính |
Động cơ và dẫn động |
Chức năng kỹ thuật |
| Cụm bắn bóng |
2 bánh đai nhôm bọc cao su NBR dày $15\text{ mm}$, $\Phi 120\text{ mm}$, bề rộng $50\text{ mm}$, bán kính rãnh lõm $50\text{ mm}$, khoảng cách trục $200\text{ mm}$ |
2 động cơ DC $12\text{V}$, công suất danh định $150\text{ W}$, tốc độ tối đa $3500\text{ vg/ph}$, mô men $0,5\text{ N}\cdot\text{m}$ |
Cán ép bóng với độ biến dạng $\Delta h = 6\text{ mm}$, bắn bóng đạt vận tốc $25\text{ m/s}$ ($90 - 92\text{ km/h}$), tạo xoáy vi sai |
| Cơ cấu lắc lên - xuống |
Trục quay ngang, khung đỡ cụm bắn, góc nâng hạ biên độ giới hạn theo phương đứng |
Động cơ điện giảm tốc $12\text{VDC}$ qua cơ cấu truyền động trục vít / tay đòn |
Thay đổi góc bắn $\varphi$, điều chỉnh tầm xa của bóng từ $S_{\min} = 12\text{ m}$ đến $S_{\max} = 25\text{ m}$ |
| Cơ cấu lắc trái - phải |
Trục xoay đứng, đĩa quay dẫn hướng góc ngang |
Động cơ điện giảm tốc $12\text{VDC}$ kết hợp công tắc hành trình |
Quét góc ngang đưa bóng sang hai biên sân tennis (chiều rộng sân $8,23\text{ m}$) |
| Cơ cấu cấp bóng |
Phễu chứa bóng dạng lồng tròn, đĩa cấp xoay định thời, ống dẫn hướng nhựa POM |
Động cơ giảm tốc $12\text{VDC}$ điều chỉnh tốc độ quay |
Rút từng quả bóng đưa vào nòng bắn với tần số cấp đặt trước, chống kẹt |
Hệ thống điện của máy sử dụng nguồn điện một chiều $12\text{VDC}$. Mạch động lực cung cấp dòng cho hai động cơ bắn bóng tốc độ cao thông qua mạch điều tốc, cho phép thay đổi độc lập điện áp cấp vào từng động cơ. Khi hai bánh đai quay cùng tốc độ, bóng bắn ra theo quỹ đạo thẳng (bóng phẳng). Khi có sự chênh lệch số vòng quay giữa bánh đai trên và bánh đai dưới, lực ma sát không đối xứng sẽ tạo ra mô men quay làm bóng xoáy cuộn (xoáy cắm - topspin) hoặc xoáy lùi (xoáy bổng - backspin). Mạch điều khiển tích hợp công tắc chuyển mạch và relay đóng cắt hành trình để đảo chiều cơ cấu lắc trái - phải tự động.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài, khảo sát nhu cầu áp dụng kỹ thuật tự động hóa vào hoạt động thể dục thể thao tại Việt Nam, nêu rõ tính cấp thiết của việc nội địa hóa thiết bị hỗ trợ tập luyện tennis nhằm giảm chi phí so với máy nhập ngoại. Tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu, nhiệm vụ cụ thể, giới hạn phạm vi đề tài vào việc thiết kế mô hình cơ khí chứng minh nguyên lý với các chỉ tiêu định lượng: vận tốc bắn $25\text{ m/s}$, công suất động cơ bắn $150\text{ W}$, tần số bắn và cấp bóng tính bằng trái/phút, góc bắn thay đổi linh hoạt theo phương đứng và phương ngang. Kế hoạch thực hiện được vạch rõ từ nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế chi tiết máy, lập bản vẽ, gia công chế tạo chi tiết đến lắp ráp và thử nghiệm.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Nội dung chương này khái quát lịch sử hình thành môn quần vợt từ trò chơi Pelota năm 1859, giải đấu đầu tiên tại Wimbledon năm 1877 cho đến Kỷ nguyên Mở năm 1968; tổng hợp sự phát triển của phong trào tennis tại Việt Nam từ đầu thế kỷ 20 đến khi thành lập Liên đoàn Quần vợt Việt Nam (VTF) năm 1989. Tác giả phân tích lịch sử máy bắn bóng tennis từ thiết kế súng cối cơ học dùng lò xo nén của Rene Lacoste đầu thập niên 1920, thiết kế máy dùng khí nén của Percy Jepson (1922) và bản cải tiến chứa 48 quả bóng của J. Black (1930). Qua đó, chương xác lập nhiệm vụ của máy bắn bóng hiện đại là công cụ hỗ trợ người tập đơn lẻ, giúp mô phỏng chính xác các cú giao bóng, trả bóng ở nhiều tốc độ và độ xoáy khác nhau.
Chương 3: Thiết kế cơ khí bộ phận bắn bóng
Chương 3 tập trung phân tích ưu - nhược điểm của bốn phương án bắn bóng: dùng lò xo đẩy, dùng khí nén, dùng lực ly tâm và dùng phương pháp cán ép bóng bằng bánh đai ma sát. Trên cơ sở so sánh kỹ thuật, phương pháp cán ép ma sát được chọn nhờ kết cấu gọn, hiệu suất cao, khả năng tạo xoáy linh hoạt bằng vi sai tốc độ.
| Phương pháp |
Ưu điểm |
Nhược điểm |
Đánh giá lựa chọn |
| Lò xo đẩy bóng |
Chế tạo đơn giản, chi phí thấp, tầm bắn tương đối rộng |
Hiệu suất thấp, tốn thời gian nén lò xo, bóng bắn thiếu lực, khó tạo bóng xoáy, ồn và kết cấu nén - nhả phức tạp |
Loại bỏ |
| Khí nén |
Lực bắn lớn, tầm xa rộng, độ chính xác áp suất cao, năng suất liên tục |
Đòi hỏi máy nén khí cồng kềnh, chi phí cao, gây tiếng ồn lớn, vận hành yêu cầu kỹ thuật khí nén cao |
Loại bỏ |
| Lực ly tâm |
Năng suất cao, kết cấu gia công tương đối dễ |
Kích thước máy cồng kềnh, tầm bắn hạn chế, đòi hỏi tốc độ quay rất cao gây rung động và va đập lớn |
Loại bỏ |
| Cán ép bánh đai |
Năng suất cao, bắn liên tục nhiều tầm, tạo bóng xoáy dễ dàng bằng chỉnh tốc hai động cơ, tận dụng tính đàn hồi của bóng |
Đòi hỏi động cơ tốc độ cao, chế tạo bánh đai yêu cầu độ đồng tâm và cân bằng động cao để giảm lực ly tâm |
Được lựa chọn |
Phần tính toán động học xác định quan hệ vận tốc: với vận tốc bắn bóng yêu cầu $v_b = 90\text{ km/h} = 25\text{ m/s}$ và đường kính bánh đai tính toán $D_{bd} = 140\text{ mm}$, tốc độ góc $\omega = 357,14\text{ rad/s}$, số vòng quay động cơ yêu cầu là:
$$n = \frac{60 \cdot \omega}{2\pi} = \frac{60 \cdot 25}{\pi \cdot 0,14} \approx 3412\text{ vg/ph}$$
Từ đó, nhóm chọn động cơ DC có tốc độ $3500\text{ vg/ph}$. Khi chế tạo thực tế, bánh đai nhôm có đường kính ngoài $\Phi 120\text{ mm}$, bọc cao su NBR dày $15\text{ mm}$, mặt lõm bán kính $R = 50\text{ mm}$ tạo khe hở hình bầu dục nhằm phân bố đều lực ép, tránh làm biến dạng cục bộ gây hỏng bóng. Với khoảng cách trục $200\text{ mm}$ và khe hở ép $h = 60\text{ mm}$ (lượng ép $\Delta h = 6\text{ mm}$), góc ăn bóng tính được là $\alpha \approx 13,86^\circ \approx 14^\circ$ ($\cos\alpha = 0,97$), thỏa mãn điều kiện góc ăn nhỏ hơn góc ma sát ($\alpha < \beta$). Áp lực nén lên bóng được xác định là $N = 3,08\text{ N}$ (mỗi bánh đai chịu $1,54\text{ N}$), lực ma sát tiếp tuyến $T = f \cdot N = 0,5 \cdot 3,08 = 1,54\text{ N}$, làm cơ sở chọn 2 động cơ DC $12\text{V}$, mô men xoắn giữ $0,5\text{ N}\cdot\text{m}$.
Chương 4: Thiết kế các bộ phận còn lại của máy
Chương 4 tính toán thiết kế ba cụm phụ trợ:
- Cơ cấu thay đổi hướng bắn lên - xuống: Dựa trên kích thước sân tennis $23,77\text{ m} \times 8,23\text{ m}$, vị trí đặt máy tại cuối sân xác định tầm bắn xa nhất $S_{\max} = \sqrt{23,77^2 + (8,23/2)^2} \approx 24,3\text{ m}$ (chọn $S_{\max} = 25\text{ m}$) và tầm bắn ngắn nhất đến vạch giữa sân $S_{\min} = 12\text{ m}$. Thiết lập hệ phương trình chuyển động $x(t) = v_b \cos\varphi \cdot t$ và $y(t) = v_b \sin\varphi \cdot t - \frac{1}{2}gt^2$ để tính góc nghiêng nòng $\varphi$.
- Cơ cấu thay đổi hướng bắn trái - phải: Xác định góc quay quét ngang của máy nhằm đưa bóng rải đều sang hai góc sân hoặc cố định tại một điểm theo ý muốn người tập.
- Cơ cấu cấp bóng: Thiết kế phễu nạp kết hợp cơ cấu chia bóng định lượng, đảm bảo đưa từng quả bóng vào ống dẫn rơi đúng tâm tiếp xúc của hai bánh đai với chu kỳ đều đặn, triệt tiêu hiện tượng kẹt bóng.
Chương 5: Vật liệu chế tạo
Chương này phân tích đặc tính cơ lý và chỉ định vật liệu cho từng cụm chi tiết máy:
- Nhôm và hợp kim nhôm (mác A6061): Khối lượng riêng nhỏ, gia công cắt gọt tốt, chống ăn mòn; được sử dụng gia công đĩa bánh đai bắn bóng và các tấm gá khung máy nhằm giảm quán tính quay ly tâm.
- Thép cacbon (mác thép C45): Độ bền kéo và giới hạn chảy cao; sử dụng chế tạo các trục truyền động, chốt xoay của cơ cấu lắc chịu tải trọng uốn và xoắn.
- Nhựa POM (Polyoxymethylene): Độ cứng bề mặt cao, hệ số ma sát trượt thấp, chịu mài mòn; gia công các bạc trượt, con lăn dẫn hướng và cơ cấu cấp bóng.
- Nhựa Mica (Acrylic): Độ trong suốt quang học cao, dễ uốn nhiệt; sử dụng chế tạo vỏ bao che hộp bắn bóng giúp quan sát chuyển động bên trong và đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Chương 6: Thiết kế mạch điện
Chương 6 xây dựng giải pháp cấp nguồn và điều khiển hệ thống điện $12\text{VDC}$. Nội dung gồm:
- Lựa chọn phương án khởi động mềm cho các động cơ DC công suất lớn nhằm tránh sụt áp nguồn.
- Thiết kế mạch động lực điều khiển độc lập hai động cơ bắn bóng thông qua biến trở hoặc mạch băm xung điều tốc.
- Thiết kế mạch điều khiển đảo chiều cơ cấu lắc góc bắn (trái - phải, lên - xuống) sử dụng relay kết hợp công tắc hành trình giới hạn góc xoay.
- Lập bảng kê khí cụ điện chi tiết phục vụ đấu nối và lắp ráp tủ điện điều khiển gọn trong thân máy.
Chương 7: Kết luận và kiến nghị
Chương 7 tổng kết toàn bộ quá trình thực hiện đồ án, đánh giá mức độ hoàn thiện của mô hình thực tế so với mục tiêu ban đầu. Tác giả thẳng thắn chỉ ra các nhược điểm còn tồn tại của mô hình, đồng thời đề xuất hướng phát triển tiếp theo cho đề tài cũng như định hướng cải tiến công nghệ cho các dòng máy bắn bóng tennis tự động trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã chế tạo thành công mô hình máy bắn bóng tennis tự động hoạt động ổn định trên sân thực tế, đạt được các thông số kỹ thuật định lượng cụ thể:
| Hạng mục thông số |
Giá trị tính toán thiết kế |
Giá trị thực nghiệm mô hình |
| Đường kính bánh đai bắn bóng |
$140\text{ mm}$ (sơ bộ lý thuyết) |
$\Phi 120\text{ mm}$ (gia công nhôm A6061 bọc cao su NBR dày $15\text{ mm}$) |
| Khe hở ép bóng ($h$) |
$60\text{ mm}$ ($\Delta h = 6\text{ mm}$ so với bóng $66\text{ mm}$) |
$60\text{ mm}$ |
| Góc ăn bóng ($\alpha$) |
$13,86^\circ \approx 14^\circ$ |
$14^\circ$ |
| Tốc độ quay động cơ bắn |
$3412\text{ vg/ph}$ |
$0 - 3500\text{ vg/ph}$ (điều chỉnh vi sai) |
| Vận tốc bắn bóng ($v_b$) |
$80 - 100\text{ km/h}$ ($19,44 - 22,22\text{ m/s}$) |
Đạt cực đại xấp xỉ $25\text{ m/s}$ ($90 - 92\text{ km/h}$) |
| Tầm bắn xa nhất ($S_{\max}$) |
$25\text{ m}$ |
Bao quát hết đường biên cuối sân tennis ($24,3\text{ m}$) |
| Tầm bắn ngắn nhất ($S_{\min}$) |
$12\text{ m}$ |
Rơi qua lưới, gần vạch phát bóng giữa sân |
| Lực ép bóng ban đầu ($N$) |
$3,08\text{ N}$ |
Vận hành ép mút bóng, không làm rách nỉ hay móp bóng |
Về mặt giải pháp, đồ án đã đề xuất phương án bọc cao su NBR dày $15\text{ mm}$ có biên dạng lõm bán kính $R = 50\text{ mm}$ trên bánh đai nhôm A6061, giải quyết triệt để bài toán biến dạng tập trung gây hỏng bóng và tăng diện tích tiếp xúc ma sát. Việc ứng dụng điều khiển vi sai hai động cơ DC độc lập cho phép mô hình tạo ra các quỹ đạo bóng đa dạng (bóng thẳng, bóng xoáy cắm, bóng xoáy bổng) mà không cần lắp thêm các cơ cấu phụ trợ phức tạp.
Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc làm chủ toàn bộ quy trình từ tính toán lý thuyết tiếp xúc đàn hồi, động học cơ cấu máy, lựa chọn vật liệu lai (kim loại - polyme - cao su) đến gia công chế tạo hoàn chỉnh một sản phẩm cơ điện tử thể thao nội địa, mở ra giải pháp giảm giá thành thiết bị tập luyện tennis tại Việt Nam.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Mặc dù mô hình đã vận hành thực tế đáp ứng các yêu cầu cơ bản, tác giả đã chỉ ra một số hạn chế kỹ thuật:
- Việc điều chỉnh tốc độ quay của hai động cơ bắn bóng ở dải vận tốc cao còn gặp khó khăn, chưa có mạch phản hồi vòng kín (encoder) để ổn định tốc độ tuyệt đối khi bắn liên tục.
- Yêu cầu gia công hai bánh đai đòi hỏi độ chính xác đồng tâm rất cao; khi vận hành ở tốc độ cực đại ($3500\text{ vg/ph}$), lực ly tâm vẫn gây ra hiện tượng rung động nhất định lên khung máy.
- Mô hình mới giải quyết được việc bắn bóng cố định và lắc góc, chưa tích hợp tính năng tự hành di chuyển quanh sân để thu gom bóng tự động như một robot thực thụ.
Hướng phát triển tiếp theo được đề xuất:
- Nâng cấp hệ thống điều khiển bằng việc tích hợp vi điều khiển (hoặc PLC) kết hợp mạch băm xung PWM có hồi tiếp tốc độ, cho phép lập trình sẵn các bài tập ngẫu nhiên mô phỏng trận đấu thật.
- Bổ sung bộ điều khiển từ xa không dây giúp người chơi tự chuyển đổi chế độ bắn khi đứng ở cuối sân đối diện mà không cần người phụ trợ.
- Mở rộng dung lượng phễu chứa bóng và cải tiến cơ cấu di động để tự động nhặt bóng trên sân sau khi kết thúc chu kỳ bắn.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo trực tiếp cho sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Cơ khí đang thực hiện các đề tài về máy bắn bóng thể thao (tennis, bóng bàn, cầu lông) hoặc các cơ cấu cán ép ma sát dẫn động bằng bánh đai.
Phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm: phương pháp phân tích lực và xác lập điều kiện ăn bóng ma sát ($f > \tan\alpha$), công thức quy đổi độ biến dạng đàn hồi của bóng tennis để tính áp lực ép $N$ và mô men cản động cơ, bảng thông số phối hợp vật liệu giữa nhôm A6061, cao su NBR, thép C45, nhựa POM và Mica trong kết cấu cơ khí thực tế.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao nhóm nghiên cứu lựa chọn phương pháp cán ép bóng bằng bánh đai thay vì dùng khí nén hoặc lò xo?
Phương pháp lò xo có hiệu suất thấp, tốn thời gian nén lại, lực bắn yếu và khó tạo xoáy. Phương pháp khí nén tạo lực bắn tốt nhưng đòi hỏi bình nén khí cồng kềnh, chi phí cao và ồn ào. Phương pháp cán ép bằng hai bánh đai ma sát được chọn vì kết cấu cơ khí gọn nhẹ, bắn bóng liên tục với tần số cao, tận dụng được tính đàn hồi của bóng và dễ dàng tạo ra các đường bóng xoáy bằng cách điều chỉnh tốc độ quay khác nhau giữa hai động cơ.
2. Điều kiện kỹ thuật nào bắt buộc phải thỏa mãn để quả bóng bị kéo vào giữa hai bánh đai bắn?
Hệ số ma sát $f$ giữa bề mặt bánh đai và bóng phải lớn hơn tang của góc ăn bóng $\alpha$ ($f > \tan\alpha$), tức góc ma sát $\beta$ phải lớn hơn góc ăn $\alpha$. Trong đồ án, tác giả chọn khoảng cách trục $200\text{ mm}$, khe hở ép $h = 60\text{ mm}$ (ép bóng từ đường kính $66\text{ mm}$ xuống còn $60\text{ mm}$, tức $\Delta h = 6\text{ mm}$), tính ra góc ăn $\alpha \approx 13,86^\circ \approx 14^\circ$. Với bề mặt bánh đai bọc cao su NBR tiếp xúc vỏ nỉ bóng tennis có hệ số ma sát khô $f \approx 0,5$, điều kiện $\tan\beta = 0,5 > \tan(14^\circ) \approx 0,25$ được thỏa mãn hoàn toàn.
3. Làm thế nào để mô hình máy bắn bóng tạo ra các kiểu bóng xoáy khác nhau?
Máy sử dụng hai động cơ điện một chiều DC dẫn động độc lập cho bánh đai trên và bánh đai dưới. Khi hai động cơ quay cùng tốc độ, bóng bắn ra không có xoáy (bóng phẳng). Khi điều khiển động cơ trên quay nhanh hơn động cơ dưới, mặt trên của bóng chịu ma sát lớn hơn làm bóng có xu hướng xoáy cắm xuống (topspin). Ngược lại, khi động cơ dưới quay nhanh hơn động cơ trên, bóng nhận mô men quay ngược chiều tạo ra đường bóng xoáy bổng (backspin).
4. Vì sao bánh đai bắn bóng được chế tạo kết hợp giữa nhôm A6061 và cao su NBR với rãnh mặt lõm bán kính $50\text{ mm}$?
Thân bánh đai làm bằng nhôm A6061 để giảm tự trọng, hạn chế lực quán tính ly tâm khi quay ở tốc độ cao ($3500\text{ vg/ph}$). Lớp ngoài bọc cao su NBR dày $15\text{ mm}$ nhằm tăng hệ số ma sát tiếp xúc với bóng. Rãnh lõm bán kính $R = 50\text{ mm}$ khi ghép đối xứng hai bánh đai tạo thành một khoang ép hình bầu dục, giúp tăng diện tích tiếp xúc ma sát, phân bố đều lực ép $3,08\text{ N}$ lên quả bóng và tránh biến dạng tập trung gây hỏng bóng.
5. Phạm vi góc bắn và cự ly bắn của máy được xác định dựa trên cơ sở nào?
Cơ sở tính toán là kích thước sân tennis chuẩn dài $23,77\text{ m}$ và rộng $8,23\text{ m}$. Đặt máy tại điểm giữa đường biên cuối sân, cự ly dài nhất bóng cần vươn tới góc sân đối diện là $S_{\max} = 24,3\text{ m}$ (chọn tính toán $25\text{ m}$) và cự ly ngắn nhất qua lưới rơi gần vạch giữa sân là $S_{\min} = 12\text{ m}$. Dựa trên phương trình quỹ đạo bay của chất điểm ném xiên và vận tốc bắn đầu nòng $25\text{ m/s}$, góc nâng nòng theo phương đứng và góc quay lắc ngang được xác lập để bóng bao quát toàn bộ nửa sân tập luyện.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống máy bắn bóng tennis tự động" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế cơ điện tử phục vụ thể thao, từ lý thuyết tính toán động học, phân tích lực tiếp xúc ma sát đến gia công chế tạo mô hình thực tế. Thiết bị đạt dải vận tốc bắn $80 - 100\text{ km/h}$, cự ly bao quát $12 - 25\text{ m}$ và cho phép tạo các kiểu xoáy đa dạng nhờ cơ cấu hai bánh đai vi sai bọc cao su NBR dẫn động bởi động cơ DC $12\text{V}$. Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi trong việc chế tạo thiết bị hỗ trợ tập luyện thể thao nội địa với chi phí hợp lý, đồng thời cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên khối ngành cơ khí chế tạo máy.
