Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật cơ khí chính xác và cơ điện tử, cơ cấu đàn hồi (compliant mechanism) ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhờ ưu điểm truyền chuyển động dựa trên sự biến dạng đàn hồi nguyên khối, loại bỏ khe hở khớp động, không gây ma sát trượt và không yêu cầu bôi trơn định kỳ. Trong đó, cơ cấu đàn hồi ổn định momen (Compliant Constant Torque Mechanism - CCTM) là một phân nhánh đặc thù, có khả năng duy trì giá trị momen xoắn không đổi khi góc quay tiếp tục tăng sau giai đoạn biến dạng ban đầu mà không cần dùng đến các hệ thống cảm biến hay mạch hồi tiếp phức tạp. Để xác minh tính chính xác của các kết quả mô phỏng lý thuyết trong quá trình thiết kế cơ cấu CCTM, việc kiểm nghiệm thực nghiệm đo momen là yêu cầu bắt buộc.

Tuy nhiên, các mô hình thực nghiệm hiện hữu tại xưởng thực hành cơ khí chủ yếu dựa trên việc dùng đầu phân độ quay tay kết hợp mâm cặp ba chấu để xoay cơ cấu theo từng góc độ và đọc giá trị trên thiết bị đo. Cách tiếp cận thủ công này bộc lộ nhiều bất cập: thiết bị cồng kềnh, nặng nề, khó di chuyển, chi phí đầu tư đầu phân độ cao và đặc biệt là thao tác quay tay gây sai số góc quay lớn, dẫn đến kết quả đo kiểm kém chính xác. Từ bối cảnh thực tế đó, đề tài "Thiết kế, chế tạo bàn gá đo momen cho chi tiết đàn hồi ổn định momen" (mã số CTM - 124) được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể trong văn bản như sau:

  • Mục tiêu nghiên cứu:
    1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh bàn gá đo momen cho chi tiết đàn hồi ổn định momen đáp ứng tiêu chí nhỏ gọn, vận hành thuận tiện và nâng cao độ chính xác góc quay.
    2. Phát triển phương án mở rộng trên kết cấu bàn gá để xác định độ bền mỏi của cơ cấu đàn hồi ổn định momen mà không cần chế tạo máy kiểm tra mỏi riêng biệt.
  • Nhiệm vụ nghiên cứu:
    1. Tìm hiểu tổng quan về cơ cấu đàn hồi và cơ cấu đàn hồi ổn định momen (CCTM).
    2. Đề xuất, phân tích ưu nhược điểm và lựa chọn nguyên lý kết cấu tối ưu cho bàn gá.
    3. Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí (bộ truyền trục vít - bánh vít, hệ trục, then, ổ lăn) và thiết kế hệ thống điều khiển điện tử.
    4. Chế tạo, lắp ráp và tiến hành đo kiểm nghiệm thực tế trên bàn gá.

Đối tượng, khách thể và phạm vi nghiên cứu:

  • Chủ thể nghiên cứu: Cơ cấu đàn hồi ổn định momen (CCTM).
  • Khách thể nghiên cứu: Các phương pháp xác định giá trị momen của chi tiết đàn hồi ổn định momen và các kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo cơ cấu CCTM từ hướng đề tài của cán bộ hướng dẫn (ThS. Phan Thanh Vũ).
  • Phạm vi và giới hạn thông số: Bàn gá được tính toán thiết kế để kiểm nghiệm cho cơ cấu CCTM có momen tác dụng lớn nhất là $350 \text{ N}\cdot\text{mm}$ ($0{,}35 \text{ N}\cdot\text{m}$), đường kính ngoài lớn nhất của chi tiết là $150 \text{ mm}$, và tốc độ quay nhỏ nhất đạt $6 \text{ vòng/phút}$. Thời gian thực hiện trong học kỳ I năm học 2023–2024, bảo vệ vào tháng 03/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết cơ cấu đàn hồi nguyên khối và nguyên lý ổn định tải trọng thụ động của cơ cấu CCTM. Khác với các cơ cấu khâu khớp cứng truyền thống gồm các khâu nối qua khớp bản lề hay khớp tịnh tiến loại 5, cơ cấu đàn hồi tích hợp chức năng biến đổi chuyển động và lực ngay trong vật liệu đàn hồi, giúp triệt tiêu ma sát và thu nhỏ kích thước (miniaturize). Đặc tính ổn định momen của CCTM cho phép tạo ra phản lực momen không đổi sau ngưỡng biến dạng ban đầu, được ứng dụng trong cơ cấu cân bằng lực, thiết bị hỗ trợ di chuyển, thiết bị tập phục hồi chức năng và hệ thống vi cơ điện tử (MEMS).

Về mặt tính toán cơ khí, tác giả sử dụng hệ thống công thức giải tích chuẩn theo giáo trình Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (tài liệu [2] của tác giả Trịnh Chất và Lê Văn Uyển / Nguyễn Hữu Lộc) để xác định thông số hình học bộ truyền trục vít bánh vít, phân tích lực tĩnh học trong không gian ba chiều ($yOz$ và $xOz$), tính toán đường kính trục theo điều kiện xoắn thuần túy và kiểm nghiệm độ bền mỏi trục chịu tải trọng chu kỳ đối xứng và chu kỳ mạch động.

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp các phương pháp kỹ thuật cơ khí truyền thống và thực nghiệm tự động hóa:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp và so sánh kỹ thuật: Khảo sát các giải pháp đo kiểm hiện hành (sử dụng đầu phân độ quay tay, sử dụng cảm biến momen xoắn chuyên dụng); xây dựng 3 phương án kết cấu nguyên lý và so sánh dựa trên các tiêu chí: kích thước, độ cứng vững, chi phí gia công, tính dễ đọc số liệu và mức độ tự động hóa góc quay.
  • Phương pháp giải tích cơ học và sức bền vật liệu: Xác định tải trọng phân tích tác dụng lên trục vít và bánh vít ($F_t, F_r, F_a$), lập biểu đồ momen uốn tổng $M_j$ và momen tương đương $M_{tđj}$ tại các tiết diện nguy hiểm, kiểm nghiệm hệ số an toàn bền mỏi $s_j \ge [s]$.
  • Phương pháp thiết kế và chế tạo thực nghiệm: Mô hình hóa 3D các chi tiết trên phần mềm CAD, lập bản vẽ kỹ thuật, gia công chi tiết cơ khí, tích hợp thiết bị đo là tua vít điện tử sẵn có, ghép nối mạch điều khiển động cơ bước qua vi điều khiển và chạy thử nghiệm đo kiểm thực tế trên mẫu cơ cấu đàn hồi.

Nguồn dữ liệu

  • Dữ liệu cơ tính vật liệu thép C45 theo tiêu chuẩn cơ khí: giới hạn bền $\sigma_b = 600 \text{ MPa}$, giới hạn chảy $\sigma_c = 300 \text{ MPa}$, ứng suất xoắn cho phép $[\tau] = 15 - 30 \text{ MPa}$, độ rắn HB 170–217.
  • Thông số tiêu chuẩn gối đỡ trục KP001 và KP002 tra cứu từ catalog linh kiện công nghiệp.
  • Dữ liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất động cơ bước AM24HS5401-10N, driver điều khiển Leadshine M542, bộ nguồn công nghiệp tổ ong Meanwell NES-100-24 và bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3.

Thiết kế và triển khai

Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế bàn gá

Tác giả đề xuất 3 phương án nguyên lý để khắc phục nhược điểm cồng kềnh của đầu phân độ quay tay:

Tiêu chí so sánh Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3 (Được chọn)
Cơ cấu truyền động Động cơ bước + Trục vít bánh vít Động cơ bước + Trục vít bánh vít Động cơ bước + Trục vít bánh vít
Cơ cấu kẹp chi tiết Dùng mâm cặp 3 chấu tự định tâm Gá trực tiếp lên trục, không dùng mâm cặp Gá trực tiếp lên đế bàn gá, không dùng mâm cặp
Tư thế đặt thiết bị đo Tua vít điện tử đặt nằm ngang Tua vít điện tử đặt thẳng đứng Tua vít điện tử đặt nằm ngang
Ưu điểm Dễ định tâm nhờ mâm cặp, vận hành đơn giản Nhỏ gọn, dễ đọc màn hình hiển thị thẳng đứng Nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp, dễ thay thế CCTM
Nhược điểm Cồng kềnh, chi phí cao do mâm cặp, khó đọc số Cần khung đỡ cao và cứng vững, tốn kém chi phí Màn hình hiển thị hướng xuống dưới khi xoay ngang

Phương án 3 được lựa chọn vì loại bỏ được mâm cặp 3 chấu đắt tiền, không đòi hỏi hệ khung giá đỡ phức tạp như Phương án 2, giúp kết cấu tổng thể nhỏ gọn, hạ giá thành gia công và đáp ứng đầy đủ yêu cầu gá đặt cho cơ cấu đàn hồi.

Tính toán hệ thống cơ khí

Bộ truyền trục vít bánh vít được lựa chọn làm cơ cấu giảm tốc và tự hãm, đảm bảo góc quay không bị phản hồi ngược dưới tác dụng của momen đàn hồi. Cả trục vít và bánh vít đều sử dụng vật liệu thép C45 tôi thường hóa.

Thông số hình học bộ truyền Trục vít ($z_1 = 1$) Bánh vít ($z_2 = 30$)
Modul dọc ($m$) $2 \text{ mm}$ $2 \text{ mm}$
Góc biên dạng ren / góc ăn khớp ($\alpha$) $20^\circ$ $20^\circ$
Hệ số đường kính ($q$) $14$ —
Đường kính vòng chia ($d$) $d_1 = 28 \text{ mm}$ $d_2 = 60 \text{ mm}$
Đường kính vòng đỉnh ($d_a$) $d_{a1} = 23{,}2 \text{ mm}$ (vòng đáy) $d_{a2} = 66 \text{ mm}$ (lớn nhất $d_{am2} = 68 \text{ mm}$)
Chiều rộng / Chiều dài ren ($b$) $b_1 = 35 \text{ mm}$ $b_2 = 20 \text{ mm}$
Góc xoắn ốc vít ($\gamma$) / Góc nghiêng răng ($\beta$) $\gamma = 4{,}085^\circ$ $\beta = 4{,}085^\circ$
Khoảng cách trục ($a_w$) $44 \text{ mm}$ $44 \text{ mm}$
Góc ôm trục vít của bánh vít ($\delta$) — $\delta = 38{,}68^\circ$

Lực tác động lên hệ thống truyền động được tính toán từ momen xoắn cực đại $T_2 = 350 \text{ N}\cdot\text{mm}$:

  • Lực vòng bánh vít bằng lực dọc trục vít: $F_{t2} = F_{a1} = \frac{2 T_2}{d_2} = 11{,}67 \text{ N}$.
  • Momen xoắn trên trục vít (với hiệu suất $\eta = 0{,}75$, tỉ số truyền $u = 30$): $T_1 = \frac{T_2}{u \cdot \eta} = 15{,}56 \text{ N}\cdot\text{mm}$.
  • Lực vòng trục vít bằng lực dọc trục bánh vít: $F_{t1} = F_{a2} = \frac{2 T_1}{d_1} = 1{,}11 \text{ N}$.
  • Lực hướng tâm: $F_{r1} = F_{r2} = F_{t2} \cdot \tan(20^\circ) = 4{,}25 \text{ N}$.

Kết quả kiểm nghiệm hệ trục về độ bền mỏi (với hệ số an toàn cho phép $[s] = 1{,}5 - 2{,}5$):

  • Trục bánh vít (chọn đường kính $d_2 = 15 \text{ mm}$): Momen uốn tổng lớn nhất tại tiết diện gối tựa $M_B = 323{,}83 \text{ N}\cdot\text{mm}$, momen tương đương $M_{tđB} = 443{,}55 \text{ N}\cdot\text{mm}$. Hệ số an toàn bền mỏi tính được là $s_j = 30{,}54 > [s]$, kết cấu trục thỏa mãn độ bền mỏi.
  • Trục cho trục vít (chọn đường kính $d_1 = 12 \text{ mm}$): Momen uốn tổng lớn nhất $M_B = 96{,}167 \text{ N}\cdot\text{mm}$, momen tương đương $M_{tđB} = 97{,}1 \text{ N}\cdot\text{mm}$. Hệ số an toàn bền mỏi đạt $s_j = 490{,}475 > [s]$, trục tuyệt đối an toàn khi vận hành.
  • Hệ thống đỡ trục: Sử dụng các gối đỡ trục vòng bi chuyên dụng KP001 và KP002.

Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử

Hệ thống điều khiển bàn gá gồm các thành phần chính:

  1. Động cơ bước AM24HS5401-10N: Động cơ lưỡng cực 2 pha, kích thước NEMA 24 ($60 \text{ mm}$), góc bước $1{,}8^\circ$, dòng định mức $4 \text{ A}$, đường kính trục $8 \text{ mm}$, trọng lượng $1{,}4 \text{ kg}$. Momen xoắn của động cơ vượt xa mức momen cản tính toán trên trục ($15{,}56 \text{ N}\cdot\text{mm}$), đảm bảo không xảy ra hiện tượng trượt bước khi mang tải.
  2. Driver Leadshine M542: Dải điện áp hoạt động $20 - 50 \text{ VDC}$, dòng tải tối đa $4{,}2 \text{ A}$, hỗ trợ các chế độ vi bước từ $1/2$ đến $1/128$ bước, tần số xung điều khiển cực đại $300 \text{ kHz}$, tích hợp cách ly quang Opto và bảo vệ quá áp, quá dòng, ngắn mạch.
  3. Bộ cấp nguồn Meanwell NES-100-24: Cung cấp nguồn một chiều $24 \text{ VDC}$, công suất định mức $100 \text{ W}$, cung cấp điện năng ổn định cho driver và động cơ bước.
  4. Bộ vi điều khiển Arduino Uno R3: Tiếp nhận dữ liệu góc quay thiết lập từ máy tính, phát chuỗi xung điều khiển PUL/DIR đến driver để điều khiển động cơ quay chính xác góc độ yêu cầu.

Phát triển mô hình thử mỏi (Chương 6)

Để kiểm tra độ suy giảm đàn hồi theo thời gian mà không cần chế tạo máy mới, tác giả xây dựng phương án cải tiến bàn gá: thay thế tua vít điện tử đo tĩnh bằng một cảm biến đo momen xoắn (torque sensor) chuyên dụng kết hợp bộ thu thập dữ liệu (DAQ). Động cơ bước được lập trình đảo chiều quay liên tục theo chu kỳ đặt trước để làm biến dạng cơ cấu CCTM lặp đi lặp lại. Cảm biến momen xoắn ghi nhận sự biến thiên momen liên tục theo thời gian thực và truyền về máy tính để đánh giá giới hạn mỏi của chi tiết đàn hồi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu kiểm chứng mô phỏng cơ cấu CCTM; phân tích các hạn chế của mô hình đo momen bằng đầu phân độ quay tay cũ. Xác lập 2 mục tiêu nghiên cứu lớn và 4 nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể. Định nghĩa khách thể nghiên cứu (các công trình về CCTM và đề tài của cán bộ hướng dẫn), chủ thể nghiên cứu (cơ cấu CCTM), cùng phạm vi giới hạn của đề tài (momen $\le 350 \text{ N}\cdot\text{mm}$, đường kính $\le 150 \text{ mm}$, tốc độ quay $\ge 6 \text{ vòng/phút}$).

Chương 2: Tổng quan đề tài

Khái quát lý thuyết về cơ cấu đàn hồi, so sánh với cơ cấu khớp cứng truyền thống trên các khía cạnh: loại bỏ ma sát, không khe hở, không cần bôi trơn, kích thước nhỏ gọn nhưng có nhược điểm về tập trung ứng suất khi biến dạng lớn. Đi sâu vào cơ cấu đàn hồi ổn định momen (CCTM) và các ứng dụng tiềm năng (thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng, cân bằng tải). Phân tích hai phương án đo kiểm hiện có: phương án dùng đầu phân độ quay tay (dễ gá đặt nhưng nặng nề, đắt đỏ, sai số góc quay lớn) và phương án dùng cảm biến momen xoắn chuyên dụng (chính xác cao, hiển thị trực quan nhưng chi phí thiết bị rất cao).

Chương 3: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

Khảo sát chi tiết sơ đồ nguyên lý của 3 phương án thiết kế bàn gá mới: Phương án 1 (động cơ bước, bộ truyền trục vít bánh vít, mâm cặp 3 chấu, tua vít nằm ngang); Phương án 2 (bộ truyền trục vít bánh vít, tua vít thẳng đứng, gá trực tiếp không mâm cặp); Phương án 3 (bộ truyền trục vít bánh vít, tua vít nằm ngang, gá trực tiếp chi tiết bên trong đế). So sánh ưu nhược điểm kỹ thuật và chi phí gia công, từ đó quyết định chọn Phương án 3 để chế tạo mô hình thực tế.

Chương 4: Tính toán hệ thống cơ khí

Thực hiện toàn bộ quá trình tính toán thiết kế động học và động lực học:

  • Chọn vật liệu thép C45 cho toàn bộ trục và bánh răng.
  • Tính toán bộ thông số hình học trục vít bánh vít ($m=2, z_1=1, z_2=30, a_w=44 \text{ mm}$).
  • Phân tích lực ăn khớp không gian: $F_{t2} = F_{a1} = 11{,}67 \text{ N}$; $F_{t1} = F_{a2} = 1{,}11 \text{ N}$; $F_{r1} = F_{r2} = 4{,}25 \text{ N}$.
  • Tính toán đường kính sơ bộ và lập biểu đồ nội lực cho trục bánh vít ($d_2 = 15 \text{ mm}$) và trục của trục vít ($d_1 = 12 \text{ mm}$).
  • Kiểm nghiệm độ bền mỏi: hệ số an toàn tại tiết diện nguy hiểm lần lượt đạt $s_j = 30{,}54$ (trục bánh vít) và $s_j = 490{,}475$ (trục vít), vượt xa mức cho phép ($[s] = 1{,}5 - 2{,}5$).
  • Lựa chọn gối đỡ vòng bi công nghiệp KP001 và KP002.

Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển

Lựa chọn các thiết bị phần cứng điện tử điều khiển bàn gá:

  • Động cơ bước AM24HS5401-10N (NEMA 24, momen giữ $3{,}2 \text{ N}\cdot\text{mm}$, $4 \text{ A}$).
  • Driver điều khiển Leadshine M542 (cấp dòng, chia vi bước mịn, tần số $300 \text{ kHz}$).
  • Bộ nguồn tổ ong một chiều Meanwell NES-100-24 ($24 \text{ VDC}, 100 \text{ W}$).
  • Vi điều khiển Arduino Uno R3 điều khiển phát xung định lượng góc quay.

Chương 6: Phát triển mô hình thử mỏi

Nghiên cứu mở rộng tính năng của bàn gá sang kiểm tra độ bền mỏi. Phân tích nhược điểm của máy thử mỏi cơ cấu CCTM hiện tại trong phòng thí nghiệm. Đề xuất sơ đồ nguyên lý mô hình thử mỏi tích hợp trên nền tảng bàn gá đã thiết kế: thay thế tua vít điện tử bằng cảm biến momen xoắn (torque sensor) và card thu thập dữ liệu DAQ để ghi nhận tự động chu kỳ suy giảm momen dưới tác động xoay đảo chiều liên tục của động cơ bước.

Chương 7: Chế tạo và thực nghiệm

Mô tả quá trình chế tạo cơ khí, gia công các chi tiết đế bàn gá, gá đỡ CCTM, khớp nối động cơ, bệ đỡ vòng bi. Tiến hành lắp ráp hoàn chỉnh bàn gá: lắp đặt bộ truyền trục vít bánh vít, động cơ bước, driver, nguồn Meanwell, Arduino, gá đặt tua vít điện tử và chi tiết đàn hồi CCTM. Vận hành thử nghiệm hệ thống, điều khiển góc quay qua giao diện máy tính và ghi nhận kết quả đo momen thực tế của chi tiết đàn hồi.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu trong văn bản

  • Thiết kế và chế tạo thành công bàn gá đo momen hoàn chỉnh hoạt động kết hợp cơ khí chính xác và điều khiển điện tử, kiểm nghiệm tốt cho cơ cấu đàn hồi CCTM có momen tác dụng đến $350 \text{ N}\cdot\text{mm}$ và kích thước đường kính ngoài đến $150 \text{ mm}$.
  • Hệ thống cơ khí được tính toán tối ưu với bộ truyền trục vít bánh vít $m = 2$, khoảng cách trục $a_w = 44 \text{ mm}$, tỷ số truyền $u = 30$, vận hành êm và tự hãm chống phản lực momen ngược. Hệ số an toàn bền mỏi của hệ trục đạt giá trị rất cao ($s_j = 30{,}54$ trên trục bánh vít $\varnothing 15 \text{ mm}$ và $s_j = 490{,}475$ trên trục vít $\varnothing 12 \text{ mm}$ so với ngưỡng yêu cầu $[s] = 1{,}5 - 2{,}5$).
  • Hệ thống điều khiển với động cơ bước NEMA 24 và driver Leadshine M542 cho phép điều khiển chính xác bước góc quay tối thiểu $1{,}8^\circ$ (hoặc nhỏ hơn khi dùng chế độ vi bước), đáp ứng dải vận tốc quay tối thiểu $6 \text{ vòng/phút}$.

Giải pháp và kiến nghị đề xuất

  • Thay thế hoàn toàn cụm đầu phân độ quay tay bằng tổ hợp động cơ bước - vi điều khiển Arduino, cho phép người dùng chỉ cần nhập số liệu góc quay trực tiếp từ máy tính để cơ cấu quay tự động.
  • Loại bỏ mâm cặp 3 chấu tự định tâm, chuyển sang phương án gá trực tiếp chi tiết CCTM định vị 5 bậc tự do vào đồ gá tích hợp trên đế bàn gá, giúp thu nhỏ kích thước máy và giảm chi phí sản xuất.
  • Đề xuất phương án thử mỏi tích hợp cảm biến momen xoắn và hệ thống thu nhận dữ liệu DAQ, tạo giải pháp đo kiểm động hai trong một trên cùng một thân bàn gá.

Đóng góp tác giả tự nêu

  • Tạo ra một thiết bị đo kiểm chuyên dụng cho cơ cấu đàn hồi ổn định momen với kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, dễ vận chuyển và giá thành thấp hơn đáng kể so với việc mua sắm đầu phân độ công nghiệp hoặc bàn đo chuyên dụng.
  • Nâng cao độ chính xác và tính tiện lợi của phép đo kiểm momen nhờ khả năng điều khiển góc quay tự động qua máy tính, loại bỏ hoàn toàn sai số do thao tác vặn tay.
  • Xây dựng hoàn chỉnh phương án phát triển thử mỏi trên cùng nền tảng bàn gá, mở rộng khả năng ứng dụng nghiên cứu mà không phải chế tạo thêm máy kiểm tra mỏi riêng biệt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế theo văn bản:
    • Việc bố trí tua vít điện tử nằm ngang theo Phương án 3 khiến màn hình kỹ thuật số hiển thị giá trị momen có xu hướng quay xuống dưới, gây khó khăn cho việc quan sát trực tiếp số liệu của người thao tác trong một số góc đo nhất định.
    • Bàn gá mới dừng lại ở phạm vi đo kiểm tĩnh theo từng góc độ với thiết bị đo hiển thị số rời rạc (tua vít điện tử); chưa tự động hóa hoàn toàn khâu xuất dữ liệu đồ thị momen - góc quay theo thời gian thực về máy tính.
    • Phạm vi đo bị giới hạn ở tải trọng momen tối đa $350 \text{ N}\cdot\text{mm}$ và kích thước đường kính cơ cấu không vượt quá $150 \text{ mm}$.
    • Phương án thử nghiệm mỏi ở Chương 6 mới dừng lại ở mức độ nghiên cứu thiết kế nguyên lý và đề xuất cấu hình thiết bị (torque sensor, DAQ), chưa được chế tạo và chạy thực nghiệm chu kỳ dài trong đồ án này.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Cải tiến cơ cấu gá đặt hiển thị hoặc bổ sung gương phản chiếu/màn hình phụ để khắc phục nhược điểm góc nhìn của tua vít điện tử nằm ngang.
    • Gia công chế tạo và tích hợp hoàn chỉnh cảm biến momen xoắn (torque sensor) cùng bộ thu thập dữ liệu DAQ theo thiết kế ở Chương 6 để tự động hóa hoàn toàn quy trình thử mỏi và vẽ biểu đồ suy giảm đàn hồi theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Chế tạo máy và các nhóm nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi (compliant mechanisms).

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Trình tự giải tích chi tiết thiết kế bộ truyền trục vít bánh vít cỡ nhỏ và phương pháp kiểm nghiệm độ bền mỏi trục chịu tải trọng đổi dấu theo giáo trình chi tiết máy chuẩn.
  • Sơ đồ nguyên lý và mạch kết nối điều khiển động cơ bước công nghiệp (NEMA 24, driver Leadshine M542) giao tiếp với vi điều khiển Arduino phục vụ phân độ góc quay chính xác.
  • Giải pháp thiết kế đồ gá định vị 5 bậc tự do cho các chi tiết dạng đĩa đàn hồi có kết cấu mềm phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

1. Bàn gá đo momen được thiết kế để làm việc với các giới hạn kỹ thuật nào của cơ cấu đàn hồi?

Theo Chương 1 và Chương 4 của đồ án, bàn gá được tính toán thiết kế chuyên dụng cho các cơ cấu đàn hồi ổn định momen (CCTM) có giá trị momen tác dụng cực đại là $350 \text{ N}\cdot\text{mm}$, đường kính ngoài lớn nhất của chi tiết là $150 \text{ mm}$, và tốc độ quay nhỏ nhất đạt $6 \text{ vòng/phút}$.

2. Vì sao tác giả thay thế đầu phân độ quay tay bằng động cơ bước kết hợp bộ truyền trục vít bánh vít?

Việc sử dụng đầu phân độ quay tay truyền thống khiến hệ thống đo rất cồng kềnh, nặng nề, giá thành đắt và đặc biệt việc vặn góc đo bằng tay dẫn đến sai số góc quay lớn. Động cơ bước (góc bước $1{,}8^\circ$) kết hợp bộ truyền trục vít bánh vít (tỉ số truyền $u = 30$) cho phép chia độ góc quay mịn, chính xác thông qua nhập số liệu trên máy tính, đồng thời bộ truyền trục vít có khả năng tự hãm, giữ vững góc xoay không bị biến dạng đàn hồi kéo ngược lại.

3. Trục của bánh vít và trục vít được tính toán với kích thước bao nhiêu và có đảm bảo điều kiện bền mỏi không?

Trục mang bánh vít được chọn đường kính $d_2 = 15 \text{ mm}$ (vật liệu thép C45 tôi thường hóa), chịu momen uốn lớn nhất $M_B = 323{,}83 \text{ N}\cdot\text{mm}$, momen tương đương $M_{tđB} = 443{,}55 \text{ N}\cdot\text{mm}$, có hệ số an toàn bền mỏi $s_j = 30{,}54$. Trục cho trục vít chọn đường kính $d_1 = 12 \text{ mm}$, chịu momen tương đương $M_{tđB} = 97{,}1 \text{ N}\cdot\text{mm}$, có hệ số an toàn bền mỏi $s_j = 490{,}475$. Cả hai trục đều vượt xa hệ số an toàn cho phép $[s] = 1{,}5 - 2{,}5$, đảm bảo độ bền mỏi tuyệt đối trong quá trình vận hành.

4. Hệ thống điều khiển bàn gá sử dụng những thiết bị phần cứng cụ thể nào?

Hệ thống điều khiển bao gồm: động cơ bước lưỡng cực 2 pha AM24HS5401-10N (kích thước NEMA 24, momen giữ $3{,}2 \text{ N}\cdot\text{mm}$, dòng định mức $4 \text{ A}$); bộ điều khiển xung driver Leadshine M542 (điện áp $20 - 50 \text{ VDC}$, tần số xung tối đa $300 \text{ kHz}$); bộ nguồn tổ ong Meanwell NES-100-24 ($24 \text{ VDC}, 100 \text{ W}$); và bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3.

5. Ý tưởng phát triển mô hình thử mỏi ở Chương 6 có điểm gì khác biệt so với cụm đo momen tĩnh hiện tại?

Ở cụm đo momen tĩnh hiện tại, việc đo giá trị được thực hiện qua tua vít điện tử hiển thị số. Trong mô hình thử mỏi đề xuất tại Chương 6, tua vít điện tử được thay thế bằng cảm biến đo momen xoắn (torque sensor) kết hợp card thu thập dữ liệu DAQ. Động cơ bước được lập trình xoay đảo chiều liên tục theo chu kỳ để làm biến dạng mỏi cơ cấu CCTM, trong khi cảm biến ghi nhận tự động sự biến thiên và suy giảm momen theo thời gian thực về máy tính.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo bàn gá đo momen cho chi tiết đàn hồi ổn định momen" của sinh viên Nguyễn Gia Khanh (GVHD: ThS. Phan Thanh Vũ) đã giải quyết trọn vẹn bài toán đo kiểm thực nghiệm cơ cấu đàn hồi CCTM có momen đến $350 \text{ N}\cdot\text{mm}$. Tác giả đã tính toán chính xác hệ thống cơ khí bộ truyền trục vít - bánh vít tự hãm, chế tạo thành công bàn gá nhỏ gọn, tích hợp mạch điều khiển động cơ bước qua Arduino giúp tự động hóa việc chia góc quay với độ chính xác cao. Đồng thời, đề tài đã phát triển thành công giải pháp mở rộng thử nghiệm mỏi tích hợp cảm biến xoắn, tạo tiền đề hoàn thiện chu trình nghiên cứu, mô phỏng và kiểm định các cơ cấu đàn hồi tiên tiến.