PHẦN MỞ ĐẦU Chương II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU Chương III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương IV: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH CÁC CƠ CẤU Chương V: MẠCH ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN Chương VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Cơ cấu nguyên lý máy: Cơ cấu nguyên lý máy là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật, đặc biệt là kỹ thuật cơ khí. Chúng bao gồm những thiết kế cơ bản và cấu trúc của máy móc, giúp chuyển đổi, truyền đạt hoặc điều chỉnh chuyển động và lực trong một hệ thống cơ khí. Cơ cấu nguyên lý máy là nền tảng cho việc thiết kế và hoạt động của hầu hết các loại máy móc và thiết bị kỹ thuật. Cơ cấu nguyên lý máy là yếu tố cơ bản và thiết yếu trong thiết kế và hoạt động của máy móc.
Hiểu biết về các cơ cấu này không chỉ giúp phát triển các giải pháp kỹ thuật mới mà còn cải thiện hiệu quả và độ tin cậy của các hệ thống máy móc hiện có. Mỗi loại cơ cấu nguyên lý máy có các nguyên lý hoạt động riêng, được dựa trên các nguyên tắc vật lý và cơ học. Hiểu biết sâu hơn về các nguyên lý này là cách để có thể thiết kế và điều chỉnh các cơ cấu máy một cách hiệu quả.2 Các nghiên cứu về mô hình cơ cấu máy: Các nghiên cứu về mô hình cơ cấu máy thường tập trung vào việc phát triển, cải tiến, và ứng dụng các cơ cấu máy trong thực tế, nhằm tối ưu hóa hiệu suất, độ chính xác, và độ tin cậy của chúng. Dưới đây là một số hướng nghiên cứu chính trong lĩnh vực này: - Mô phỏng và phân tích động lực học - Thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu máy - Nghiên cứu vật liệu và công nghệ chế tạo - Điều khiển và tự động hóa - Nghiên cứu ứng dụng 2.3 Ứng dụng cơ khí trong giáo dục: Ứng dụng cơ khí trong giáo dục mang lại nhiều lợi ích và cơ hội để cải thiện quá trình học tập, giảng dạy, và nghiên cứu.
Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu của cơ khí trong lĩnh vực giáo dục: - Mô phỏng và mô hình hóa Phần mềm mô phỏng: Sử dụng phần mềm mô phỏng như ANSYS, SolidWorks, hoặc MATLAB để giảng dạy về cơ học, động lực học, và thiết kế cơ khí. Mô hình hóa 3D: Ứng dụng công nghệ in 3D để tạo ra các mô hình cơ khí, giúp sinh viên có cái nhìn trực quan và tương tác trực tiếp với các bộ phận máy. - Giáo trình và tài liệu học tập đa phương tiện Video và clip mô phỏng: Sản xuất các video giáo dục và clip mô phỏng vận hành của máy móc, cung cấp một cách tiếp cận sinh động và dễ hiểu cho sinh viên. 4 - Phòng thí nghiệm và thực hành REME LAB: Xây dựng các phòng thí nghiệm ảo hoặc kỹ thuật số, cho phép sinh viên thực hành và thử nghiệm mà không cần đến phòng thí nghiệm thực tế, giảm chi phí và rủi ro.
Ứng dụng cơ khí trong giáo dục không chỉ giúp cải thiện chất lượng giáo dục kỹ thuật mà còn chuẩn bị cho sinh viên những kỹ năng cần thiết để thành công trong thế giới công nghiệp 4.0, nơi mà sự kết hợp giữa kỹ thuật, công nghệ, và kỹ năng mềm là chìa khóa cho sự thành công. 5 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Những khái niệm cơ bản 3.1 Bậc tự do (BTD) của vật rắn Bậc tự do là khả năng chuyển động độc lập, hay là thông số độc lập cần để xác định vị trí của vật rắn. Trước tiên hãy xét một vật rắn S chuyển động trong mặt phẳng. Khả năng chuyển động độc lập của vật rắn (hình 3-1): tịnh tiến theo hai trục X, Y và quay trong mặt phẳng chuyển động.
Ba khả năng chuyển động này độc lập đối với nhau.Vì vậy, trong chuyển động phẳng, vật rắn có 3 BTD. Bậc tự do của vật rắn Trong chuyển động không gian, khả năng chuyển động của vật rắn là tịnh tiến và quay quanh 3 trục X, Y, Z. Sáu chuyển động này là độc lập với nhau. Như vậy trong không gian vật rắn có 6 BTD.2 Khâu “Vật thể” trong môn học cơ lý thuyết, ở Nguyên lý máy được gọi là khâu.
Tùy theo vật liệu chế tạo, khâu được chia làm: - Khâu rắn tuyệt đối - Khâu mềm - Khâu cấu tạo từ chất lỏng và hơi Phần tử kết cấu hoặc tập hợp những phần tử nối cứng với nhau được gọi là khâu rắn. Khác nhau chủ yếu giữa khâu mềm (xích, dây cáp, dây đại…) và khâu rắn là sự dịch chuyển tương đối của những phần tử cấu tạo của khâu.3 Sự nối động, khớp động Nối các khâu nhưng giữa chúng cho phép chuyển động tương đối, gọi là nối động. Chổ hai khâu nối động với nhau được gọi là khớp động. Điểm, đường, mặt của các khâu tiếp xúc trong chuyển động tương đối giữa các khâu gọi là các thành phần của khớp động.
Dựa vào những cơ sở khác nhau sau để tiến hành phân loại khớp động. - Theo dạng tiếp xúc của các thành phần khớp động: Khớp loại thấp - các khâu tiếp xúc theo mặt, khớp loại cao - các khâu tiếp xúc theo đường hoặc điểm. Khớp loại thấp bao gồm các khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp cầu, khớp vít… (bảng 3-1). Khớp tịnh tiến và khớp quay có thể xem như là trường hợp đặc biệt của khớp vít khi bước ren bằng vô cùng hoặc bằng không.
Khớp loại thấp có ưu điểm: Khả năng truyền tải lớn, lâu mòn, chịu lực lớn hơn khớp loại cao. Khớp loại cao thực hiện được những chuyển động phức tạp hơn, so với khớp loại thấp. - Theo số bậc tự do bị hạn chế trong chuyển động tương đối giữa hai khâu. Chuyển động khâu tự do trong không gian là hợp của 6 chuyển động độc lập đơn giản: 3 chuyển động tịnh tiến và 3 chuyển động quay quanh 3 trục tọa độ.
Khi một khâu được nối động với khâu khác, số BTD của khâu sẽ giảm đi. Tùy theo cách đối hợp giữa hai khâu, hình dáng hình học của thành phần khớp động, trong chuyển động tương đối giữa hai khâu, mỗi khâu có thể mất đi 5, 4, 3, 2, 1, BTD theo phân loại của viện sĩ I.Artôbôlepski, những khớp động như thế sẽ được chia thành năm loại, tùy theo số bậc tự do mất đi. (xem bảng 3-1) Đối với những khâu chuyển động song phẳng, khi chưa nối động, BTD bằng 3. Sau khi tham gia khớp động, BTD có thể bằng 2 hoặc 1.
Cho nên trong mặt phẳng chỉ có khớp loại 4 và khớp loại 5, vì khớp loại 4 để lại 2 BTD khớp loại 5 để lại 1 BTD. Cấu tạo của các khớp động rất phức tạp và đa dạng. Để thuận tiện biểu diễn các khớp động sẽ sử dụng các lược đồ khớp động, trình bày trong (bảng 3-1).1 Số BTD bị Khớp động Lược đồ Loại hạn chế 1 1 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 8 3.4 Chuỗi động và cơ cấu Tập hợp những khâu, nối với khâu bằng các khớp động, được gọi là chuỗi động. Chuỗi động được chia thành.
- Chuỗi động đơn giản và phức tạp. Chuỗi động đơn giản - các khâu chỉ tham gia không quá 2 khớp động; chuỗi động phức tạp - các khâu tham gia 3 khớp động hoặc lớn hơn. - Chuỗi động kín và hở (hình 3-2) chuỗi động hở - có khâu chỉ tham gia 1 khớp động. Chuỗi động kín – các khâu tham gia ít nhất 2 khớp động.
Trong các cơ cấu, có thể gặp chuỗi động kín hoặc chuỗi động hở. Ngành chế tạo máy thường gặp nhất là chuỗi động kín. - Chuỗi động phẳng và không gian. Trong chuỗi động phẳng các khâu chuyển động trong một mặt phẳng hoặc trong những mặt phẳng song song với nhau.
Đối với các chuỗi động không gian, các điểm của các khâu vạch nên những đường cong không gian, hoặc những đường cong phẳng nằm trong những mặt phẳng cắt nhau. Trong ngành cơ khí thường sử dụng những cơ cấu phẳng. Trong cơ cấu, khâu được gắn với hệ quy chiếu dùng để xác định các thông số chuyển động của các khâu khác, được gọi là giá giá, hoặc là khâu tĩnh. Trong nhiều trường hợp, giá được cố định đối với quả đất.
Nhưng cũng có trường hợp giá chuyển động đối với quả đất, chẳng hạn như khung hoặc vỏ của các máy vận chuyển, tên lửa… trong thực tế, cũng thường gặp các cơ cấu trong đó các khâu lần lượt là giá cố định.2 Bậc tự do của cơ cấu Bậc tự do của cơ cấu là số khả năng chuyển động độc lập, hay là số thông số độc lập cần để xác định vị trí của cơ cấu. Chuỗi động kín và hở Sau đây chúng ta sẽ lập công thức tính BTD của cơ cấu và chuyển động, trong đó chỉ chú ý đến những quan hệ hình học của chúng.1 Trước tiên xét cơ cấu phẳng: Giả sử có cơ cấu hoặc chuỗi động, bao gồm n khâu chuyển động, trong đó có p5 khớp loại 5 và p4 khớp loại 4. Số bậc tự do của n khâu khi chưa được nối động sẽ là 3 x n, vì mỗi khâu chuyển động tự do trong mặt phẳng có 3 BTD. Số BTD giảm đi do các khớp động hạn chế sẽ là: 2p5 + p4 Cho nên BTC của cơ cấu sẽ bằng: W = 3n – (2p5 + p4) (3–1) Công thức trên do nhà bác học Nga P.2 Cơ cấu không gian Trong cơ cấu không gian, mỗi khâu chuyển động tự do sẽ có 6 bậc tự do, vì vậy công thức tính bậc tự do sẽ có dạng sau: W = 6n – (5p5 + 4p4 + 3p3 + 2p2 + p1) (3–2) Trong đó p5, p4, p3, p2, p1 là số khớp loại 5, 4, 3, 2, 1 có trong cơ cấu.
10 Ví dụ: Cơ cấu được biểu diễn trên hình 3-3 có khâu động. Số khớp loại 5 là 4 (3 khớp quay và 1 khớp tiến). Trong cơ cấu khoan có khớp loại 4. Áp dụng công thức (3-1) bậc tự do của cơ cấu sẽ là: W= 3.
Cơ cấu toàn khớp loại thấp 3.3 Bậc tự do ràng buộc thừa: Một số cấu trúc đặc biệt ảnh hưởng đến BTD của cơ cấu. Trong những cơ cấu như vậy. Cần phải chú ý khi áp dụng các công thức (3-1), (3-2) để tính BTD. Hãy xét những ví dụ cụ thể : Ví dụ 1 : Cơ cấu cam (hình 3-4) gồm có 3 khâu động, 3 khớp loại 5, 1 khớp loại 4 (khớp động giữa khâu 1 và 2).
Áp dụng công thức (3-1), BTD của cơ cấu bằng: W = 3. Cơ cấu có khớp loại cao.