Giới thiệu dự án

Trong xu hướng tự động hóa và cơ điện tử chính xác hiện nay, cơ cấu đàn hồi (Compliant Mechanism) đang trở thành giải pháp đột phá thay thế cho các cơ cấu khớp cứng truyền thống. Theo các báo cáo kỹ thuật ngành cơ khí chính xác, việc chuyển đổi sang cơ cấu đàn hồi nguyên khối giúp giảm tới 40% chi phí lắp ráp, loại bỏ hoàn toàn ma sát trượt và khe hở cơ học (backlash), đồng thời không cần bôi trơn định kỳ. Trong số đó, Cơ cấu đàn hồi ổn định momen (Compliant Constant-Torque Mechanism - CCTM) là phân nhánh công nghệ then chốt, cho phép duy trì ngõ ra momen xoắn không đổi khi góc quay biến thiên vượt ngưỡng tải ban đầu, ứng dụng rộng rãi trong thiết bị y tế, kìm phẫu thuật nội soi, hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và cơ cấu cân bằng tải trọng.

Tuy nhiên, thách thức lớn nhất trong quy trình chế tạo CCTM là việc kiểm chứng thực nghiệm đặc tuyến momen xoắn thực tế so với mô phỏng giải tích (FEA). Hiện trạng đo kiểm tại các xưởng nghiên cứu cơ khí chủ yếu dựa vào đầu phân độ cơ khí quay tay truyền thống kết hợp mâm cặp 3 chấu. Phương pháp thủ công này bộc lộ nhiều hạn chế: hệ thống cồng kềnh, chi phí đầu tư đầu phân độ cao, thao tác quay tay gây rung động cưỡng bức và sai số góc quay lớn (tích lũy sai lệch $\pm 2^\circ - 3^\circ$), khiến việc thu thập dữ liệu momen ở các góc vi sai không chuẩn xác.

[Động cơ bước NEMA24] ──(Khớp nối mềm)──> [Bộ truyền Trục vít - Bánh vít (i=30)] ──> [Đồ gá CCTM + Tua vít đo điện tử]
                                                                                               │
[Arduino Uno R3 + Driver M542] <───────────── (Giao diện điều khiển xung vi bước) ─────────────┘

Đề tài "Thiết kế, chế tạo bàn gá đo momen cho chi tiết đàn hồi ổn định momen" được thực hiện nhằm giải quyết dứt điểm điểm nghẽn đo kiểm nói trên, chuyển đổi từ phương pháp quay tay thủ công sang hệ thống đo bán tự động điều khiển số chính xác cao.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể

  1. Nghiên cứu tổng quan về nguyên lý biến dạng phi tuyến và đặc tính cơ học của cơ cấu đàn hồi ổn định momen (CCTM).
  2. Phân tích, đánh giá và lựa chọn cấu trúc bàn gá tối ưu, loại bỏ mâm cặp 3 chấu để giảm kích thước và chi phí.
  3. Tính toán, thiết kế hệ thống truyền động cơ khí trục vít - bánh vít tự hãm và trục đỡ theo tiêu chuẩn bền mỏi.
  4. Xây dựng hệ thống điều khiển vị trí góc quay chính xác sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3, động cơ bước NEMA24 và driver vi bước chuyên dụng.
  5. Gia công, lắp ráp, hiệu chuẩn và mở rộng sơ đồ nguyên lý sang mô hình kiểm nghiệm độ bền mỏi đa chu kỳ tích hợp cảm biến momen xoắn xoay (Rotary Torque Sensor).

Phạm vi và giới hạn đề tài

  • Đối tượng đo: Cơ cấu đàn hồi ổn định momen (CCTM) chế tạo từ vật liệu kỹ thuật polyme/kim loại đàn hồi.
  • Dải đo momen danh định: Momen xoắn tác dụng cực đại $T_{\max} = 350\text{ N}\cdot\text{mm}$ ($0.35\text{ N}\cdot\text{m}$).
  • Kích thước mẫu CCTM: Đường kính ngoài tối đa $D_{\max} = 150\text{ mm}$.
  • Vận tốc góc tối thiểu: $n_{\min} = 6\text{ vòng/phút}$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi thiết kế, các giải pháp đo kiểm momen hiện hành đã được phân tích toàn diện để xác định khoảng trống công nghệ:

Tiêu chí so sánh Phương án 1: Đầu phân độ cơ khí Phương án 2: Máy đo công nghiệp tích hợp Torque Sensor Phương án đề xuất: Bàn gá trục vít tự động hóa
Cơ cấu tạo chuyển động Tay quay đầu phân độ thủ công Động cơ servo + Hộp giảm tốc điều khiển kín Động cơ bước NEMA24 + Bộ truyền Trục vít bánh vít
Độ chính xác góc quay Kém (sai số góc do mắt đọc vạch chia) Cực cao ($< 0.05^\circ$) Cao ($0.06^\circ$ ở chế độ vi bước $1/16$)
Độ ổn định vị trí Kém, phụ thuộc lực tay người vận hành Rất cao nhờ hệ thống phanh servo Rất cao nhờ tính năng tự hãm trục vít
Kích thước & Khối lượng Cồng kềnh ($> 25\text{ kg}$), chiếm diện tích Hệ thống lớn dạng module cố định Nhỏ gọn bàn thao tác ($< 8\text{ kg}$)
Chi phí chế tạo Trung bình - Cao (giá đầu phân độ cao) Rất cao ($> 50.000.000\text{ VNĐ}$) Thấp - Tối ưu ($< 5.000.000\text{ VNĐ}$)

Yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have (Bắt buộc): Khả năng định vị 5 bậc tự do cho chi tiết CCTM; tỷ số truyền giảm tốc đủ lớn đảm bảo vận tốc quay mịn; kiểm soát góc quay chính xác qua giao diện máy tính; khả năng tự hãm chống xoay ngược khi dừng cấp điện.
  • Should have (Nên có): Cơ cấu gá kẹp module tháo lắp nhanh; chuyển đổi linh hoạt giữa tua vít điện tử hiển thị số và cảm biến torque sensor dạng dynamic.
  • Could have (Có thể có): Tích hợp mạch ghi nhận dữ liệu tự động (DAQ) xuất đồ thị góc quay - momen thời gian thực.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Bộ gia nhiệt môi trường để thử nghiệm cơ tính CCTM ở nhiệt độ cao.

Thiết kế hệ thống

graph TD
    subgraph Controller["Khối Xử Lý & Điều Khiển"]
        PC["Máy tính điều khiển / Serial Monitor"] -->|Gửi lệnh góc quay| MCU["Vi điều khiển ATmega328P (Arduino Uno R3)"]
        MCU -->|Tín hiệu PUL/DIR 5V TTL| Driver["Driver Leadshine M542"]
        PSU["Nguồn tổ ong Meanwell NES-100-24 (24VDC/4.5A)"] -->|Cấp nguồn động lực| Driver
    end

    subgraph Actuator["Khối Dẫn Động & Truyền Động"]
        Driver -->|Dòng pha xung điều khiển| Stepper["Động cơ bước AM24HS5401-10N (NEMA24)"]
        Stepper -->|Khớp nối mềm D25L30| Worm["Trục vít Thép C45 (m=2, z1=1, q=14)"]
        Worm -->|Ăn khớp truyền động i=30| WormWheel["Bánh vít Thép C45 (z2=30, d2=60mm)"]
    end

    subgraph Mechanical["Khối Gá Đặt & Đo Lường"]
        WormWheel -->|Trục bánh vít d=15mm| Fixture["Đồ gá chi tiết CCTM (Định vị 5 bậc tự do)"]
        Fixture -->|Truyền momen biến dạng| CCTM["Mẫu thử đàn hồi CCTM (Dmax=150mm)"]
        CCTM -->|Đầu cốt kết nối| Sensor["Tua vít đo momen điện tử / Torque Sensor"]
        Sensor -->|Đọc giá trị momen thực tế| Display["Màn hình hiển thị số liệu / DAQ"]
    end

Bảng thông số kỹ thuật phần cứng & Công nghệ tích hợp

Thành phần Model / Tiêu chuẩn Thông số kỹ thuật chi tiết
Vi điều khiển Arduino Uno R3 (ATmega328P) Xung nhịp $16\text{ MHz}$, điện áp logic $5\text{V}$, giao tiếp UART/USB
Driver điều khiển Leadshine M542 Điện áp $20 - 50\text{VDC}$, dòng ra tối đa $4.2\text{A}$, tần số xung cực đại $300\text{ kHz}$
Động cơ bước AM24HS5401-10N (NEMA 24) 2 pha, góc bước $1.8^\circ$, dòng danh định $4.0\text{A}$, momen giữ $3.2\text{ N}\cdot\text{m}$
Bộ nguồn công nghiệp Meanwell NES-100-24 Điện áp ngõ vào $85-264\text{VAC}$, ngõ ra $24\text{VDC} - 4.5\text{A}$, công suất $108\text{W}$
Gối đỡ ổ lăn KP001 & KP002 Vỏ hợp kim kẽm, ổ bi tự lựa đường kính trong $12\text{ mm}$ và $15\text{ mm}$
Vật liệu trục/bánh răng Thép C45 tôi thường hóa Giới hạn bền $\sigma_b = 600\text{ MPa}$, giới hạn chảy $\sigma_c = 300\text{ MPa}$

Methodology

Dự án áp dụng mô hình phát triển kỹ thuật chữ V (V-Model Engineering Framework) kết hợp phương pháp luận tính toán chi tiết máy theo giáo trình tiêu chuẩn thiết kế cơ khí Việt Nam:

  1. Khảo sát & Lập bảng đặc tính: Thu thập dữ liệu giải tích CCTM ($T_{\max} = 350\text{ N}\cdot\text{mm}$, góc xoay làm việc $0 - 90^\circ$).
  2. Thiết kế tính toán cơ học (Chương 4): Thiết kế bộ truyền trục vít bánh vít $i = z_2/z_1 = 30$, tính toán phản lực liên kết, vẽ biểu đồ momen uốn/xoắn không gian ($M_x, M_y, T$), kiểm nghiệm độ bền mỏi trục theo tiêu chuẩn sức bền vật liệu.
  3. Mô hình hóa 3D CAD & Phân tích cấu trúc: Tối ưu hóa kích thước đế gá, bố trí cụm đỡ trục đảm bảo tính đồng tâm giữa trục bánh vít và đầu đo.
  4. Chế tạo & Lập trình điều khiển: Gia công tiện/phay CNC các chi tiết cơ khí, hàn khung đế, đấu nối hệ thống điện động lực và viết firmware điều khiển góc quay.
  5. Đánh giá thực nghiệm & Hiệu chuẩn: Đo kiểm sai số góc quay, đo kiểm đặc tuyến ổn định momen trên mẫu CCTM chế tạo thực tế.

Implementation và kết quả

Development process & Tính toán thiết kế

1. Tính toán động học và hình học bộ truyền trục vít - bánh vít

Với momen xoắn yêu cầu trên trục bánh vít $T_2 = 350\text{ N}\cdot\text{mm}$, chọn số mối ren trục vít $z_1 = 1$, số răng bánh vít $z_2 = 30 \Rightarrow$ tỷ số truyền $u = 30$.

  • Mô-đun dọc: $m = 2\text{ mm}$. Hệ số đường kính trục vít: $q = 14$.
  • Đường kính vòng chia trục vít: $d_1 = q \cdot m = 14 \cdot 2 = 28\text{ mm}$.
  • Đường kính vòng chia bánh vít: $d_2 = z_2 \cdot m = 30 \cdot 2 = 60\text{ mm}$.
  • Khoảng cách trục: $a_w = \frac{d_1 + d_2}{2} = \frac{28 + 60}{2} = 44\text{ mm}$.
  • Góc xoắn ốc vít: $\tan \gamma = \frac{z_1}{q} = \frac{1}{14} \Rightarrow \gamma \approx 4.085^\circ$.
  • Vì $\gamma < \varphi$ (góc ma sát thay thế $\approx 5^\circ - 6^\circ$), bộ truyền đạt điều kiện tự hãm hoàn toàn, ngăn chi tiết CCTM đàn hồi làm quay ngược trục động cơ khi dừng.

2. Tính toán phân tích lực tác động lên hệ trục

  • Hiệu suất bộ truyền: $\eta = 0.75$. Momen xoắn tác dụng lên trục vít: $$T_1 = \frac{T_2}{u \cdot \eta} = \frac{350}{30 \cdot 0.75} = 15.56\text{ N}\cdot\text{mm}$$
  • Lực vòng trên bánh vít (bằng lực dọc trục vít): $$F_{t2} = F_{a1} = \frac{2 T_2}{d_2} = \frac{2 \cdot 350}{60} = 11.67\text{ N}$$
  • Lực vòng trên trục vít (bằng lực dọc bánh vít): $$F_{t1} = F_{a2} = \frac{2 T_1}{d_1} = \frac{2 \cdot 15.56}{28} = 1.11\text{ N}$$
  • Lực hướng tâm tác dụng lên hai trục: $$F_{r1} = F_{r2} = F_{t2} \cdot \tan(20^\circ) = 11.67 \cdot \tan(20^\circ) = 4.25\text{ N}$$

3. Kiểm nghiệm độ bền mỏi của trục theo hệ số an toàn $s_j$

Momen tương đương tại tiết diện nguy hiểm nhất trên trục bánh vít ($d_2 = 15\text{ mm}$): $$M_{tđB} = \sqrt{M_B^2 + 0.75 T_2^2} = \sqrt{323.83^2 + 0.75 \cdot 350^2} = 443.55\text{ N}\cdot\text{mm}$$ Hệ số an toàn bền mỏi tổng hợp $s_j$: $$s_j = \frac{s_{\sigma j} \cdot s_{\tau j}}{\sqrt{s_{\sigma j}^2 + s_{\tau j}^2}} = \frac{31.72 \cdot 113.12}{\sqrt{31.72^2 + 113.12^2}} = 30.54$$ Do $s_j = 30.54 \gg [s] = 1.5 - 2.5$, kết cấu trục và bộ truyền hoàn toàn thỏa mãn điều kiện bền mỏi dưới tải trọng làm việc liên tục.

4. Thuật toán điều khiển vi bước động cơ trên Arduino Uno R3

/**
 * @file CCTM_Torque_Controller.ino
 * @brief Điều khiển góc quay bàn gá đo momen CCTM qua Arduino Uno R3 & Driver M542
 * @details Động cơ bước 1.8 deg (200 step/vong), Vi bước 1/16 (3200 microstep/vong), Tỷ số truyền i=30
 */

const int PIN_PUL = 9;   // Chân phát xung Step
const int PIN_DIR = 8;   // Chân hướng quay Direction
const int PIN_ENA = 7;   // Chân kích hoạt Enable Driver

// Cấu hình tỷ số động học
const float GEAR_RATIO = 30.0;           // Tỷ số truyền trục vít - bánh vít
const int MICROSTEPS = 16;               // Cài đặt Switch trên Driver M542
const int STEPS_PER_REV = 200;           // Động cơ bước 1.8 độ
const float STEPS_PER_OUTPUT_DEG = (STEPS_PER_REV * MICROSTEPS * GEAR_RATIO) / 360.0; 
// = (200 * 16 * 30) / 360 = 266.667 xung / 1 độ trục ra

void setup() {
  pinMode(PIN_PUL, OUTPUT);
  pinMode(PIN_DIR, OUTPUT);
  pinMode(PIN_ENA, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_ENA, LOW); // Kích hoạt driver (Active Low)
  Serial.begin(115200);
  Serial.println(F("SYSTEM READY: Nhap goc quay (do): "));
}

void rotateOutputDegrees(float targetDeg, bool dir, unsigned int stepDelayUs = 150) {
  digitalWrite(PIN_DIR, dir ? HIGH : LOW);
  unsigned long totalPulses = (unsigned long)(abs(targetDeg) * STEPS_PER_OUTPUT_DEG);
  
  for (unsigned long i = 0; i < totalPulses; i++) {
    digitalWrite(PIN_PUL, HIGH);
    delayMicroseconds(stepDelayUs);
    digitalWrite(PIN_PUL, LOW);
    delayMicroseconds(stepDelayUs);
  }
}

void loop() {
  if (Serial.available() > 0) {
    float angle = Serial.parseFloat();
    if (angle != 0.0) {
      Serial.print(F("Dang xoay truc ra CCTM: "));
      Serial.print(angle);
      Serial.println(F(" do..."));
      rotateOutputDegrees(angle, angle > 0);
      Serial.println(F("DA HOAN THANH GOC QUAY. Doc gia tri tren tua vit dien tu."));
    }
  }
}

Testing và validation

Hệ thống đã trải qua quá trình kiểm tra thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy:

 Đặc tuyến Momen (N.mm)
  400 ┼                                        
  350 ┼                   ╭──────────────────── Vùng ổn định momen danh định (345-350 N.mm)
  300 ┼                  ╭╯                    
  200 ┼                ╭─╯                     
  100 ┼              ╭─╯                       
    0 ┼──────────────┴────┬────┬────┬────┬────┬─> Góc biến dạng (độ)
      0             10   20   30   40   50   60
  • Độ chính xác định vị góc quay: Thử nghiệm quay từ $0^\circ \to 90^\circ$ với bước tăng $1^\circ$. Sai số góc quay đo bằng thước quang học $\Delta \theta \le \pm 0.08^\circ$.
  • Độ đồng tâm hệ trục: Sử dụng đồng hồ so kiểm tra độ đảo mặt đầu và độ đảo hướng tâm đồ gá CCTM đạt $< 0.02\text{ mm}$.
  • Hiệu chuẩn tải trọng momen: Đo đối chứng trên mẫu CCTM đàn hồi tiêu chuẩn, kết quả giá trị momen đo đạt trạng thái ổn định ở dải biến dạng từ $25^\circ \to 60^\circ$ với độ dao động momen trong dải bình ổn chỉ $\pm 1.8%$.

Đổi mới và đóng góp

  1. Cải tiến kết cấu tinh gọn (Compact Monolithic Fixture): Loại bỏ hoàn toàn đầu phân độ cơ khí công nghiệp nặng $20\text{ kg}$ và mâm cặp 3 chấu phức tạp; thay thế bằng cụm truyền động trục vít - bánh vít tự chế tạo bằng thép C45 tích hợp trực tiếp trên gối đỡ KP001/KP002, giảm $68%$ khối lượng tổng thể bàn gá.
  2. Khả năng tự hãm tuyệt đối (Self-locking Feature): Thiết kế góc nâng ren $\gamma = 4.085^\circ$ nhỏ hơn góc ma sát giúp bàn gá cố định vị trí góc biến dạng của CCTM mà không cần duy trì dòng giữ (holding current) cưỡng bức từ động cơ, triệt tiêu hiện tượng nóng động cơ và rung lắc gây sai số cảm biến.
  3. Module hóa cho thử nghiệm độ bền mỏi đa chu kỳ: Đề xuất mở rộng sơ đồ sang mô hình kiểm tra độ bền mỏi (Fatigue Life Cycle Testing) bằng cách thay thế tua vít điện tử tĩnh bằng cảm biến momen xoắn xoay liên tục (Dynamic Rotary Torque Sensor) kết hợp card thu thập dữ liệu DAQ, tạo cơ sở nghiên cứu tuổi thọ mỏi của vật liệu đàn hồi.
Chỉ số kỹ thuật / Kinh tế Thiết bị cũ (Đầu phân độ tay) Bàn gá CCTM đề tài Mức độ cải thiện (%)
Khối lượng toàn bộ $25.0\text{ kg}$ $7.8\text{ kg}$ Giảm 68.8%
Độ phân giải góc điều khiển $\approx 1.0^\circ$ (quay tay) $0.00375^\circ$ ($1/16$ vi bước) Tăng ~266 lần
Thời gian thiết lập 1 chu kỳ đo $12\text{ phút}$ $3.5\text{ phút}$ Tiết kiệm 70.8%
Chi phí chế tạo phần cứng $\approx 14.500.000\text{ VNĐ}$ $\approx 4.200.000\text{ VNĐ}$ Tiết kiệm 71.0%

Ứng dụng thực tế và triển khai

Trường hợp sử dụng thực tế (Use cases)

  • Nghiên cứu & Đào tạo tại Đại học: Bàn gá phục vụ trực tiếp cho các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về cơ cấu đàn hồi (Compliant Mechanisms), cơ học vật liệu biến dạng lớn tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và các trường kỹ thuật.
  • Kiểm định chất lượng sản phẩm CCTM công nghiệp: Đánh giá xuất xưởng cho các cơ cấu giới hạn lực siết trong tua vít cân lực y tế, khớp bảo vệ quá tải cho robot phẫu thuật, và hệ thống cân bằng trọng lực thụ động.
       [Giai đoạn 1: Q1/2024]            [Giai đoạn 2: Q2/2024]           [Giai đoạn 3: Q3-Q4/2024]
  Hoàn thiện bàn gá cơ sở ───────> Tích hợp DAQ + Dynamic ───────> Đóng gói phần mềm GUI
  (Tua vít điện tử + Arduino)      Torque Sensor (Thử mỏi)        tự động vẽ đường cong đặc tính

Đánh giá Chi phí - Hiệu quả (Cost-Benefit & ROI)

Tổng chi phí chế tạo bàn gá mẫu thực nghiệm chỉ khoảng 4.200.000 VNĐ (bao gồm động cơ bước, driver M542, nguồn Meanwell, phôi thép C45, gia công cơ khí và vi điều khiển). So với việc đầu tư một máy thử momen xoắn nhập khẩu có dải đo tương đương ($350\text{ N}\cdot\text{mm}$) với giá thị trường không dưới $60.000.000\text{ VNĐ}$, giải pháp nội địa hóa này giúp tiết kiệm hơn 90% ngân sách, đạt điểm hoàn vốn (ROI) ngay trong chu kỳ nghiên cứu đầu tiên.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Màn hình hiển thị của tua vít điện tử đặt ngang có thể bị khuất tầm nhìn trực tiếp ở một số góc xoay đặc thù, người thao tác cần ghi chép thủ công từng điểm nếu chưa gắn cổng xuất dữ liệu số.
  • Khe hở ăn khớp cơ học giữa trục vít và bánh vít gia công đơn chiếc chưa được khử hoàn toàn bằng lò xo căng đệm, tạo ra độ trễ nhỏ khi đảo chiều quay liên tục.

Định hướng nâng cấp

  1. Thay thế tua vít hiển thị bằng cảm biến momen xoắn xoay (Rotary Torque Sensor 5V Analog) kết hợp bộ chuyển đổi ADC 24-bit (HX711/ADS1256) và Arduino để tự động hóa $100%$ việc thu thập dữ liệu lên máy tính.
  2. Xây dựng phần mềm giao diện đồ họa người dùng (GUI) trên máy tính bằng Python/C# (WPF) với tính năng tự động vẽ đường cong $T - \theta$, xác định tự động điểm bắt đầu ổn định momen và dải góc làm việc hữu ích.
  3. Thiết kế cụm điều chỉnh khoảng cách trục linh hoạt để kiểm tra được nhiều dải kích thước chi tiết đàn hồi khác nhau ($D > 150\text{ mm}$).

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Cơ khí, Cơ điện tử: Tiếp cận tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ lý thuyết tính toán sức bền máy, phân tích biểu đồ momen uốn xoắn không gian đến kỹ thuật điều khiển động cơ bước thực tế.
  • Kỹ sư R&D & Nhà phát triển sản phẩm: Cung cấp giải pháp đo kiểm momen giá thành thấp, dễ dàng sao chép và tùy biến cho các ứng dụng đo lường lực siết chính xác trong dây chuyền lắp ráp.
  • Các nhóm nghiên cứu học thuật: Cung cấp phương pháp thực nghiệm tin cậy để xác minh các mô hình giải tích phần tử hữu hạn (FEA) về vật liệu mềm, khớp đàn hồi phi tuyến.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai và vận hành bàn gá là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới $220\text{VAC}/50\text{Hz}$ cấp cho bộ nguồn Meanwell NES-100-24 ($24\text{VDC}$), máy tính cá nhân cài đặt Arduino IDE hoặc phần mềm Terminal giao tiếp cổng COM tốc độ baud $115200\text{ bps}$, và tua vít đo momen có dải đo bao phủ $0 - 500\text{ N}\cdot\text{mm}$.

2. Tại sao lại chọn bộ truyền trục vít bánh vít thay vì đai răng hay hộp số hành tinh?

Bộ truyền trục vít bánh vít có tỷ số truyền lớn ($i=30$) trong kích thước cực kỳ nhỏ gọn và quan trọng nhất là tính chất tự hãm. Khi dừng cấp xung, lực đàn hồi của CCTM không thể làm xoay ngược trục động cơ, giữ góc đo cố định tuyệt đối mà không cần dùng phanh điện từ.

3. Làm thế nào để mở rộng bàn gá sang chức năng kiểm tra độ bền mỏi?

Để thử mỏi, cần thay tua vít tĩnh bằng Cảm biến momen xoắn dạng quay (Rotary Torque Sensor) gắn đồng trục, kết nối với mạch khuếch đại tín hiệu và card thu thập dữ liệu (DAQ). Lập trình Arduino đảo chiều liên tục $\pm \theta$ với tần số định trước cho đến khi chi tiết CCTM xuất hiện vết nứt mỏi hoặc suy giảm momen.

4. Cách bảo dưỡng bàn gá định kỳ như thế nào?

Cần tra mỡ bôi trơn chuyên dụng (mỡ lithium) vào vùng ăn khớp trục vít - bánh vít và vòng bi KP định kỳ 6 tháng/lần, kiểm tra độ đồng tâm của khớp nối mềm và độ căng chặt của các bu lông định vị đế.

5. Chi phí chế tạo trọn gói và thời gian hoàn thành là bao lâu?

Tổng chi phí linh kiện và gia công dao động từ $4.000.000 - 5.000.000\text{ VNĐ}$. Thời gian gia công chi tiết cơ khí và lắp ráp mạch điều khiển hoàn thiện trong vòng $2 - 3\text{ tuần}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo bàn gá đo momen cho chi tiết đàn hồi ổn định momen" của tác giả Nguyễn Gia Khanh (GVHD: ThS. Phan Thanh Vũ - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã giải quyết trọn vẹn bài toán thực nghiệm trong nghiên cứu cơ cấu mềm CCTM. Bằng sự kết hợp chặt chẽ giữa tính toán cơ học truyền thống (bộ truyền trục vít bánh vít tự hãm thép C45, kiểm nghiệm hệ số an toàn mỏi $s_j = 30.54$) và công nghệ điều khiển vi bước số hóa (Arduino Uno R3 + Driver Leadshine M542 + Stepper NEMA24), đề tài đã tạo ra một thiết bị đo kiểm nhỏ gọn ($< 8\text{ kg}$), chính xác cao ($\Delta \theta \le \pm 0.08^\circ$), tiết kiệm $71%$ chi phí so với phương pháp truyền thống. Đây là đóng góp thiết thực, mở ra khả năng thương mại hóa thiết bị đo kiểm cơ khí nội địa và thúc đẩy sự phát triển của các ứng dụng cơ cấu đàn hồi tiên tiến tại Việt Nam.