Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0 và tự động hóa chính xác, nghiên cứu cơ cấu đàn hồi (Compliant Mechanism) đang trở thành xu hướng mũi nhọn trong cơ điện tử và robot học. Khác với các cơ cấu truyền động khớp động truyền thống, cơ cấu đàn hồi truyền chuyển động và lực dựa trên sự biến dạng đàn hồi của các phần tử mềm nguyên khối, giúp loại bỏ hoàn toàn ma sát trượt, hiện tượng mài mòn, khe hở cơ khí (backlash) và không cần bôi trơn. Đặc biệt, cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi (Constant-Force Compliant Mechanism) giữ vai trò then chốt trong các cơ cấu kẹp robot vi mô, máy mài/đánh bóng kính quang học, cơ cấu gắp nông sản và thiết bị y tế tinh vi.

Tuy nhiên, rào cản lớn nhất tại Việt Nam là việc kiểm nghiệm thực nghiệm đường đặc tính lực – biến dạng ($F-\delta$) của các cơ cấu này phụ thuộc phần lớn vào các hệ thống đo kiểm vạn năng nhập khẩu đắt đỏ (như Instron 3300, GOLIATH), vốn cồng kềnh, chi phí bảo trì cao và không tối ưu cho các phép thử lực chính xác dải nhỏ. Đồ án "Thiết kế, chế tạo máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi" do nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện nhằm giải quyết trực tiếp bài toán này.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                            HỆ THỐNG MÁY THÍ NGHIỆM ĐO LỰC                         |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|  [Động cơ Servo 120W] --> [Khớp nối mềm] --> [Trục vít me bi BLK 1510 (C2)]        |
|                                                     |                             |
|                                            [Gối trượt / Bàn trượt]                |
|                                                     |                             |
|  [Máy tính / GUI] <-- [STM32F103RCT6 + ADC] <-- [Cảm biến Loadcell] --> [Mẫu thử] |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Nghiên cứu & Thiết kế: Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu cơ khí máy đo lực cơ cấu đàn hồi với dải đo tải trọng từ $0 \div 50\text{ N}$ (tối ưu hóa dải thử nghiệm $0 \div 14.2\text{ N}$), dịch chuyển tịnh tiến chính xác.
  2. Mô phỏng & Đánh giá: Phân tích ứng suất, biến dạng của khung vỏ và mẫu đàn hồi POM bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm ANSYS 15.0 Workbench và PTC Creo 3.0.
  3. Chế tạo & Tích hợp: Gia công thực tế khung máy nhôm định hình kết hợp thép C45, tích hợp trục vít me bi cấp chính xác C2, động cơ servo 120W, cảm biến Loadcell và bộ xử lý STM32F103RCT6.
  4. Xác thực thực nghiệm: Đo kiểm đường đặc tính lực – chuyển vị của mẫu cơ cấu đàn hồi ổn định lực, đối chiếu sai số giữa lý thuyết, mô phỏng FEM và thực nghiệm.

Phạm vi và giới hạn

  • Phạm vi: Kiểm tra độ biến dạng và đo lực tác dụng phẳng (1D/2D planar) trong môi trường phòng thí nghiệm.
  • Giới hạn: Tải trọng tối đa $50\text{ N}$, hành trình thử nghiệm $150\text{ mm}$, sử dụng nguồn cấp 24VDC/220VAC dân dụng.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trên thế giới và tại Việt Nam, các phương án đo kiểm độ bền kéo - nén và đặc tính lực hiện hữu được so sánh qua bảng dưới đây:

Giải pháp Nguyên lý hoạt động Ưu điểm Nhược điểm Chi phí & Ứng dụng
Máy đo thủy lực vạn năng (HT-2101, BK-UTM 100CH) Xylanh thủy lực công suất lớn, khung 4 cột thép Tải trọng siêu lớn ($100\text{ kN} \div 1000\text{ kN}$), độ cứng vững cực cao Cồng kềnh, quán tính dầu cao, không nhạy ở dải lực siêu nhỏ ($<50\text{ N}$) Rất đắt ($>500$ triệu VNĐ), chỉ dùng thử nghiệm kết cấu xây dựng
Máy kéo nén vạn năng trục vít (Instron 3300 Series) Động cơ điện + Trục vít me bi kép, điều khiển số Độ chính xác cao, sai số lặp lại $<0.01%$, phần mềm hoàn chỉnh Giá thành nhập khẩu đắt đỏ, chi phí bảo trì/hiệu chuẩn cao Đắt ($>300$ triệu VNĐ), phòng thí nghiệm cao cấp
Máy thử nghiệm thủ công Cơ cấu trục ren tay quay + lực kế kim Cấu tạo đơn giản, giá rẻ, dễ bảo trì Lực tác dụng không đều, vận tốc không đổi thất thường, sai số lớn Rẻ ($<5$ triệu VNĐ), kiểm tra sơ bộ
Hệ thống đề xuất Động cơ Servo + Vít me bi BLK 1510 + STM32 + Loadcell Kích thước nhỏ gọn, dải lực $0 \div 50\text{ N}$, tự động vẽ đồ thị thời gian thực, giá rẻ Giới hạn tải trọng ở mức trung bình và nhỏ Thấp ($<15$ triệu VNĐ), tối ưu cho cơ cấu đàn hồi

Ma trận yêu cầu kỹ thuật (MoSCoW)

  • Must have: Hệ thống truyền động vít me bi khử khe hở, Loadcell độ chính xác cao, bộ vi điều khiển thu thập dữ liệu thời gian thực, khung máy chịu lực biến dạng cực tiểu.
  • Should have: Giao diện truyền thông qua cổng USB/Virtual COM lên máy tính, khả năng xuất biểu đồ quan hệ lực - chuyển vị ($F-\delta$).
  • Could have: Chế độ tinh chỉnh vận tốc tịnh tiến linh hoạt qua phần mềm điều khiển.
  • Won't have: Hệ thống thủy lực tải nặng hoặc buồng thử nghiệm nhiệt độ môi trường khắc nghiệt.
+---------------------------------------------------------------------------+
|                          SƠ ĐỒ KHỐI PHẦN CỨNG & ĐIỀU KHIỂN                |
+---------------------------------------------------------------------------+
|                                                                           |
|   +--------------------+          UART / USB        +-----------------+   |
|   |  Host PC / GUI     | <========================> |  STM32F103RCT6  |   |
|   |  (Thu nhận đồ thị) |                            |  (Vi điều khiển)|   |
|   +--------------------+                            +--------+--------+   |
|                                                              |            |
|               +----------------------+                       | PWM / DIR  |
|               | Cảm biến Loadcell    |                       V            |
|               | (Cầu Wheatstone)     |              +-----------------+   |
|               +----------+-----------+              | Driver công suất|   |
|                          |                          | Cầu H MOSFET    |   |
|                          V                          +--------+--------+   |
|               +----------------------+                       |            |
|               | Mạch khuếch đại      |                       V            |
|               | & Bộ lọc tín hiệu    |              +-----------------+   |
|               +----------+-----------+              | Động cơ Servo   |   |
|                          | (ADC 12-bit)             | 120W - 24VDC    |   |
|                          +------------------------> +-----------------+   |
|                                                                           |
+---------------------------------------------------------------------------+

Thiết kế hệ thống

  • Công nghệ CAD/CAM: Sử dụng PTC Creo 3.0 thiết kế toàn bộ chi tiết 3D (bàn trượt, gối đỡ, khớp nối, khung máy) và xuất bản vẽ 2D phục vụ gia công CNC.
  • Phần mềm tính toán FEM: Sử dụng ANSYS 15.0 Workbench (Static Structural Module) chia lưới phần tử hữu hạn để mô phỏng trạng thái ứng suất Von-Mises và biến dạng của mẫu POM cũng như khung gá chịu lực.
  • Phần cứng điều khiển: Vi điều khiển trung tâm STM32F103RCT6 (ARM Cortex-M3 32-bit, tần số hoạt động $72\text{ MHz}$, tích hợp bộ chuyển đổi ADC 12-bit đa kênh), kết hợp mạch cầu H MOSFET công suất điều khiển Servo và đọc tín hiệu cảm biến lực Loadcell dạng thanh.

Phương pháp nghiên cứu và quản lý dự án

Áp dụng mô hình phát triển kỹ thuật tuần tự kết hợp kiểm thử vòng lặp (V-Model):

  1. Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 4): Nghiên cứu lý thuyết cơ cấu đàn hồi, tính toán động lực học, tính công suất tải trọng và chọn vật liệu.
  2. Giai đoạn 2 (Tuần 5 - 9): Thiết kế 3D trên PTC Creo 3.0, tính toán bền bằng giải tích và mô phỏng trên ANSYS 15.0.
  3. Giai đoạn 3 (Tuần 10 - 13): Gia công cơ khí chính xác (phay CNC, tiện, khoan, taro), lắp ráp hệ thống dẫn động và căn chỉnh đồng trục.
  4. Giai đoạn 4 (Tuần 14 - 16): Lập trình vi điều khiển STM32, hiệu chuẩn Loadcell, chạy thử nghiệm tải và xử lý số liệu đường đặc tính lực.

Implementation và kết quả

Quá trình tính toán và thiết kế cơ khí

1. Tính toán công suất động cơ dẫn động

Với yêu cầu máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi đo lực nén $F_a = 0 \div 14.2\text{ N}$ (tính toán an toàn với $F_{a,\text{max}} = 50\text{ N}$), số vòng quay trục vít chọn $n = 60\text{ vòng/phút}$, bước ren vít me $p = 10\text{ mm}$.

  • Vận tốc tịnh tiến của trục vít: $$v = \frac{n \cdot p}{60 \cdot 1000} = \frac{60 \cdot 10}{60 \cdot 1000} = 0.01\text{ m/s} \quad (\text{với vận tốc cực đại } v_{\text{max}} = 0.0471\text{ m/s})$$
  • Công suất tính toán trên trục công tác: $$P_t = F_a \cdot v = 14.2 \cdot 0.0471 = 0.668\text{ W} = 6.68 \cdot 10^{-4}\text{ kW}$$
  • Với hiệu suất bộ truyền trục vít me bi $\eta_{\text{vitme}} \approx 0.9 \div 0.99$ và hiệu suất khớp nối $\eta_{\text{kn}} \approx 1$, nhóm lựa chọn động cơ Servo 120W (24VDC, tốc độ định mức $2640\text{ vòng/phút}$) đảm bảo hệ số an toàn vượt trội, triệt tiêu quán tính và đáp ứng hoàn hảo khả năng điều khiển vị trí hồi tiếp vòng kín.

2. Tính toán trục vít me - đai ốc bi

  • Đường kính trong tối thiểu $d_1$ theo độ bền kéo/nén với vật liệu thép C45 ($\sigma_{ch} = 360\text{ MPa}$, hệ số an toàn $n=3$, ứng suất cho phép $[\sigma] = 120\text{ MPa}$, tải dọc trục cực đại tính toán $F_a = 1000\text{ N}$): $$d_1 \ge \sqrt{\frac{4 \cdot K \cdot F_a}{\pi \cdot [\sigma]}} = \sqrt{\frac{4 \cdot 1.3 \cdot 1000}{3.14 \cdot 120}} \approx 3.71\text{ mm}$$
  • Lựa chọn trục tiêu chuẩn công nghiệp: Model BLK 1510 (đường kính danh nghĩa $d = 15\text{ mm}$, bước ren $p = 10\text{ mm}$, đường kính bi $d_b = 2\text{ mm}$, cấp chính xác C2, chiều dài làm việc $400\text{ mm}$).
  • Kiểm nghiệm ứng suất tiếp xúc bề mặt: $\sigma_{\text{max}} = 2100\text{ MPa} \le [\sigma]_{\text{max}} = 5000\text{ MPa}$ (thỏa mãn điều kiện bền mỏi tiếp xúc với bề mặt nhiệt luyện đạt $\text{HRC} \ge 53$, bi $\text{HRC} \ge 63$).
/**
 * Thuật toán thu thập dữ liệu Loadcell và điều khiển Servo trên STM32F103RCT6
 * Đọc ADC 12-bit lọc trung bình động (Moving Average Filter) và truyền qua UART
 */
#include "stm32f10x.h"

#define ADC_SAMPLE_SIZE 16
#define CALIBRATION_FACTOR 0.012255f // Hệ số chuyển đổi ADC sang Newton (N)

uint16_t adc_buffer[ADC_SAMPLE_SIZE];

float Read_Filtered_Force(void) {
    uint32_t adc_sum = 0;
    for (int i = 0; i < ADC_SAMPLE_SIZE; i++) {
        ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
        while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));
        adc_buffer[i] = ADC_GetConversionValue(ADC1);
        adc_sum += adc_buffer[i];
    }
    float avg_raw = (float)adc_sum / ADC_SAMPLE_SIZE;
    float force_N = (avg_raw - 2048.0f) * CALIBRATION_FACTOR; // Bù zero offset
    return force_N;
}

void Step_Servo_Motor(uint32_t step_count, uint8_t direction) {
    GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_0, (direction) ? Bit_SET : Bit_RESET);
    for (uint32_t i = 0; i < step_count; i++) {
        GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);
        // Delay tạo xung PWM điều khiển tốc độ
        for (volatile int d = 0; d < 500; d++);
        GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);
        for (volatile int d = 0; d < 500; d++);
    }
}

# Script xử lý dữ liệu và vẽ đường đặc tính F - delta trên máy tính
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

def plot_characteristic_curve(data_file):
    df = pd.read_csv(data_file)
    plt.figure(figsize=(9, 5))
    plt.plot(df['Displacement_mm'], df['Force_Simulated_N'], 'r--', label='Mô phỏng ANSYS FEM')
    plt.plot(df['Displacement_mm'], df['Force_Experimental_N'], 'b-', linewidth=2, label='Thực nghiệm máy đo')
    plt.title('ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH LỰC - BIẾN DẠNG CỦA CƠ CẤU ĐÀN HỒI POM')
    plt.xlabel('Chuyển vị nén delta (mm)')
    plt.ylabel('Lực đầu ra F (N)')
    plt.grid(True, linestyle=':')
    plt.legend()
    plt.tight_layout()
    plt.show()

Kết quả đo kiểm và xác thực thực nghiệm

  1. Thông số vật liệu mẫu cơ cấu đàn hồi: Gia công trên nhựa POM (Polyoxymethylene) với hệ số Poisson $\nu = 0.35$, mô đun đàn hồi $E = 2.8\text{ GPa}$, độ bền kéo $\sigma_b = 76\text{ MPa}$ bằng máy phay CNC.
  2. Đối chiếu kết quả:
    • Mô phỏng ANSYS 15.0 Workbench: Lực đầu ra trong vùng ổn định đạt $14.2\text{ N}$ ở dải chuyển vị $4.0\text{ mm} \div 12.5\text{ mm}$.
    • Thực nghiệm trên máy thí nghiệm: Lực duy trì thực tế dao động từ $13.8\text{ N} \div 14.5\text{ N}$ trong cùng khoảng chuyển vị.
    • Sai số tương đối: Sai số trung bình giữa thực nghiệm và mô phỏng lý thuyết chỉ đạt $\pm 3.5%$, sai số lặp lại phép đo nhỏ hơn $0.8%$, khẳng định độ tin cậy cơ khí và độ chính xác của cảm biến thu thập.

Đổi mới và đóng góp

  1. Tối ưu hóa kết cấu chuyên biệt cho cơ cấu đàn hồi: Khác với các máy thử kéo nén vạn năng cồng kềnh, thiết bị được thiết kế tối giản, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng rung lắc nhờ bộ dẫn hướng thanh trượt bi kép kết hợp gối đỡ chặn trục EK10 / EF10, triệt tiêu độ rơ dọc trục.
  2. Ứng dụng vật liệu POM và kiểm chứng FEM toàn diện: Kết hợp quy trình thiết kế CAD (Creo 3.0) $\rightarrow$ Mô phỏng phi tuyến hình học (ANSYS 15.0) $\rightarrow$ Gia công CNC chi tiết nguyên khối $\rightarrow$ Đo kiểm thực nghiệm, thiết lập quy trình chuẩn cho nghiên cứu cơ cấu đàn hồi tại Việt Nam.
  3. Hiệu quả kinh tế vượt trội: Tiết kiệm hơn $90%$ chi phí đầu tư so với việc mua sắm máy nhập ngoại (như Instron hoặc GOLIATH), trong khi vẫn đáp ứng độ chính xác dải đo nhỏ ($<50\text{ N}$) phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu khoa học và phát triển sản phẩm.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Các tình huống ứng dụng thực tế

  • Cánh tay kẹp Robot vi mô (Micro-grippers): Kiểm định lực kẹp không đổi khi gắp các vật thể dễ vỡ như vi mạch bán dẫn, tế bào sinh học trong y học hoặc thu hoạch nông sản (trứng, quả chín).
  • Đầu mài quang học & gia công kính: Đảm bảo lực đè ép không đổi của đá mài lên bề mặt thấu kính, giảm tỉ lệ nứt vỡ và tăng độ bóng bề mặt lên $25%$.
  • Cơ cấu định vị chính xác cao (Precision Positioning Stages): Đánh giá độ dịch chuyển micro/nano mét trong các thiết bị căn chỉnh quang học.
+-------------------------------------------------------------------------+
|                  LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI VÀ THƯƠNG MẠI HÓA                  |
+-------------------------------------------------------------------------+
| [Giai đoạn 1: Chuẩn hóa]                                                |
| - Hiệu chuẩn cảm biến theo tiêu chuẩn đo lường ISO/IEC 17025.            |
| - Nâng cấp vỏ hộp bảo vệ mica trong suốt chống bụi chuẩn IP54.          |
|                                |                                        |
|                                V                                        |
| [Giai đoạn 2: Tích hợp Lab]                                             |
| - Triển khai vào các phòng thí nghiệm Cơ Điện Tử / Robot học tại ĐH.    |
| - Xây dựng bộ bài giảng thực hành kiểm nghiệm cơ cấu đàn hồi.           |
|                                |                                        |
|                                V                                        |
| [Giai đoạn 3: Thương mại hóa quy mô nhỏ]                                |
| - Tối ưu bo mạch điều khiển thành dạng đóng gói công nghiệp (PLC/STM32).|
| - Cung cấp cho các doanh nghiệp gia công chi tiết cơ khí chính xác.     |
+-------------------------------------------------------------------------+

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế hiện tại

  • Mặt phẳng đo lực: Hệ thống hiện tại chỉ đo lực đơn trục theo một phương tịnh tiến phẳng ($1\text{D}$ dọc trục vít me), chưa tích hợp cảm biến đo lực đa trục ($3\text{D}$ Force/Torque sensor).
  • Giao diện phần mềm: Giao tiếp máy tính hiện đang ở dạng thu thập dữ liệu cơ bản qua chuỗi UART, chưa hoàn thiện phần mềm chuyên dụng độc lập với các thuật toán phân tích đường cong tự động.

Hướng phát triển

  1. Nâng cấp Loadcell đa chiều và bổ sung cảm biến quang học (Laser Displacement Sensor) để đo biến dạng phi tiếp xúc với độ phân giải micromet.
  2. Thiết kế module buồng nhiệt độ môi trường để khảo sát sự phụ thuộc nhiệt của mô đun đàn hồi vật liệu POM.
  3. Phát triển phần mềm điều khiển trên nền tảng C#/Python với giao diện trực quan, tự động xuất báo cáo chuẩn PDF/Excel.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên cao học: Tiếp cận tài liệu thực tế, mã nguồn điều khiển vi điều khiển STM32 và bài tập tính toán thiết kế máy công cụ chính xác.
  • Kỹ sư R&D Cơ điện tử: Cung cấp mô hình tham chiếu về việc tích hợp cơ cấu truyền động vít me bi khử khe hở với cảm biến lực phục vụ tự động hóa.
  • Phòng thí nghiệm & Viện nghiên cứu: Sở hữu thiết bị đo kiểm lực chuyên dụng giá thành rẻ, khả năng tùy biến cao, thúc đẩy nghiên cứu sâu về cơ cấu đàn hồi tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai và lắp đặt hệ thống máy này là gì?

Hệ thống yêu cầu nguồn điện lưới $220\text{VAC}/50\text{Hz}$ (được hạ áp thành $24\text{VDC}$ cho Servo và $5\text{VDC}$ cho vi điều khiển), bàn thao tác cố định không rung lắc, kết nối máy tính qua cổng USB 2.0 chuẩn để truyền nhận dữ liệu.

2. Giới hạn dải đo và độ chính xác của máy đạt được là bao nhiêu?

Máy được tối ưu cho dải lực tác dụng từ $0 \div 50\text{ N}$ (vùng làm việc tối ưu nhất là $0 \div 14.2\text{ N}$), độ phân giải hành trình tịnh tiến đạt $10\text{ }\mu\text{m}$, sai số phép đo lực tổng thể $< \pm 1%$.

3. Hệ thống có thể tích hợp với các bộ điều khiển công nghiệp khác không?

Có. Nhờ thiết kế driver điều khiển qua xung PWM/Direction tiêu chuẩn và giao thức truyền thông nối tiếp UART, máy có thể dễ dàng ghép nối với PLC Siemens S7-1200, bo mạch Arduino hoặc máy tính nhúng Raspberry Pi.

4. Quy trình bảo dưỡng cơ khí định kỳ bao gồm những bước nào?

Cần vệ sinh sạch phôi/bụi trên rãnh trục vít me bi và ray trượt sau mỗi lần làm việc; tra mỡ chuyên dụng (Lithium-based grease) cho vít me bi và ổ trượt sau mỗi $300$ giờ vận hành; định kỳ hiệu chuẩn lại điểm Zero của Loadcell.

5. Chi phí chế tạo và thời gian thu hồi vốn (ROI) ước tính?

Tổng chi phí linh kiện gia công và thiết bị điện tử dao động khoảng $10 \div 15$ triệu VNĐ. So với việc thuê ngoài hoặc mua máy nhập ngoại ($>300$ triệu VNĐ), thời gian hoàn vốn cho một phòng thí nghiệm hoặc xưởng nghiên cứu chỉ từ $1 \div 2$ tháng sau khi đưa vào vận hành.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế, chế tạo máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi" đã hoàn thành xuất sắc toàn bộ mục tiêu đề ra: từ việc giải quyết bài toán động học, tính toán cơ học kết cấu bền bỉ, mô phỏng phi tuyến FEM trên ANSYS 15.0 đến gia công hoàn thiện mô hình thực tế. Thiết bị chứng minh tính khả thi cao, vận hành êm ái, đo đạc chính xác đường đặc tính lực của cơ cấu đàn hồi POM với sai số chỉ $\pm 3.5%$. Đây là bước tiến quan trọng, đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc làm chủ công nghệ đo kiểm cơ cấu đàn hồi và mở rộng ứng dụng trong ngành chế tạo máy chính xác và robot học tại Việt Nam.