Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật cơ khí hiện đại, cơ cấu đàn hồi (compliant mechanism) là một hướng nghiên cứu thu hút sự quan tâm nhờ khả năng truyền chuyển động, lực hoặc biến đổi năng lượng thông qua sự biến dạng đàn hồi của các khâu nguyên khối mà không cần các khớp động truyền thống. Nhờ loại bỏ được hiện tượng ma sát, mài mòn, khe hở tiếp xúc và giảm thiểu rung động, cơ cấu đàn hồi ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống đòi hỏi độ chính xác cao như cánh tay robot lắp ráp, thiết bị vi thao tác y sinh và máy gia công mài thủy tinh.

Tuy nhiên, tại Việt Nam thời điểm năm 2016, việc nghiên cứu và ứng dụng cơ cấu đàn hồi còn khá mới mẻ. Khâu kiểm tra, đánh giá thực nghiệm đường đặc tính lực – biến dạng của các cơ cấu này gặp nhiều khó khăn. Các phòng thí nghiệm và cơ sở sản xuất chủ yếu sử dụng các thiết bị đo lực kéo – nén thế hệ cũ với quy trình xử lý số liệu thủ công, tốn nhiều thời gian và độ chính xác hạn chế. Mặt khác, các thiết bị kiểm tra lực hiện đại trên thị trường chủ yếu là máy nhập khẩu nguyên chiếc từ nước ngoài với chi phí đầu tư rất cao, gây trở ngại lớn cho việc bảo trì, sửa chữa và thay thế linh kiện. Do đó, việc tự chủ thiết kế, chế tạo một thiết bị thử nghiệm chuyên dụng phục vụ công tác nghiên cứu trong phòng thí nghiệm là yêu cầu kỹ thuật cấp thiết.

Khóa luận tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi" được thực hiện bởi sinh viên Lê Trung Hậu và Võ Xuân Vũ (Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Huy Tuân, nhằm giải quyết các nhiệm vụ cụ thể sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi, nguyên lý hoạt động và các ưu nhược điểm kỹ thuật của cơ cấu.
  2. Tính toán, thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cơ khí, hệ thống điều khiển và truyền động cho máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi.
  3. Gia công cơ khí, lắp ráp hoàn thiện mô hình máy thí nghiệm thực tế và xây dựng hệ thống thu nhận dữ liệu ghép nối máy tính.
  4. Vận hành chạy thử và tiến hành kiểm nghiệm đo đặc tính lực đầu ra của một mẫu cơ cấu đàn hồi thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm: các thiết bị đo lực kéo nén hiện có trên thị trường; cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi dạng cấu tạo nguyên khối; các thiết bị đo lường (cảm biến lực Loadcell), mạch điều khiển ghép nối máy tính; phương pháp phân tích và xử lý tín hiệu dữ liệu thực nghiệm.

Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc thiết kế, tính toán và chế tạo mô hình máy thử nghiệm hoạt động trong không gian phòng thí nghiệm, kiểm tra đường đặc tính lực – biến dạng cho cơ cấu đàn hồi với lực tác dụng đo nén từ 0 đến 14,2 N (khả năng chịu lực tính toán của hệ thống khung đến 50 N). Các công cụ phần mềm kỹ thuật được sử dụng bao gồm AutoCAD, PTC Creo 3.0 dùng để thiết kế mô hình 3D và xuất bản vẽ chế tạo, phần mềm ANSYS 15 (Workbench) phục vụ mô phỏng kiểm nghiệm bền các chi tiết chịu lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án tập trung vào nguyên lý làm việc của cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi (constant-force compliant mechanism). Khác với cơ cấu cứng truyền thống liên kết bằng khớp bản lề hay khớp trượt, cơ cấu đàn hồi hoạt động dựa trên sự biến dạng tích trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi của các khâu vật liệu mỏng. Cơ cấu có lực đầu ra không đổi tạo ra phản lực không đổi tại đầu ra trong một khoảng chuyển vị làm việc nhất định ở đầu vào, giúp duy trì lực tiếp xúc ổn định khi thao tác trên các bề mặt không bằng phẳng.

Vật liệu được lựa chọn để chế tạo mẫu cơ cấu đàn hồi thử nghiệm trong đồ án là nhựa kỹ thuật Polyoxymethylene (POM). Mẫu cơ cấu được gia công tạo hình nguyên khối trên máy phay CNC với các thông số cơ tính đặc trưng:

  • Hệ số Poisson: 0,35
  • Mô đun đàn hồi: 2,8 GPa
  • Độ bền kéo: $76 \times 10^6 \text{ kPa}$ (76 MPa)

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết tính toán giải tích, mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng:

  • Nghiên cứu lý thuyết và giải tích cơ học: Áp dụng các nguyên lý cơ học máy và chi tiết máy để xác định lực dọc trục, tính toán công suất động cơ dẫn động, tính chọn và kiểm nghiệm bền tiếp xúc cho bộ truyền trục vít me – đai ốc bi theo công thức phân bố tải trọng của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển.
  • Phương pháp mô phỏng số (FEM): Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm ANSYS Workbench 15 nhằm thiết lập điều kiện biên, chia lưới mô hình hình học, mô phỏng ứng xử phi tuyến hình học của nửa cơ cấu đàn hồi khi chịu biến dạng để thu thập biểu đồ chuyển vị – phản lực lý thuyết.
  • Phương pháp thực nghiệm và đo lường: Chế tạo thiết bị thực tế, tích hợp cảm biến lực dạng thanh (Loadcell) cùng mạch đo điện tử vi điều khiển để thu thập tín hiệu chuyển vị – lực, truyền dữ liệu lên máy tính để so sánh đối chứng với kết quả tính toán mô phỏng.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi được phát triển theo mô hình cơ điện tử hoàn chỉnh, kết hợp giữa kết cấu cơ khí chính xác, hệ thống truyền động và mạch thu nhận tín hiệu số.

Lựa chọn phương án dẫn động và vật liệu

Tác giả đã tiến hành khảo sát và so sánh 3 phương án tạo lực tác dụng cho máy thí nghiệm:

Phương án Ưu điểm Nhược điểm Kết luận lựa chọn
Dẫn động bằng tay quay Kết cấu đơn giản, chi phí chế tạo thấp, dễ lắp ráp. Vận tốc và lực tác dụng không ổn định, độ chính xác kém, thao tác thủ công. Không chọn do sai số đo lớn.
Dẫn động thủy lực Khả năng tạo lực nén lớn, lực truyền ổn định, độ cứng vững cao. Kích thước cồng kềnh, chi phí cao, bảo trì phức tạp, thừa tải trọng so với yêu cầu phòng thí nghiệm. Không phù hợp quy mô tải nhỏ (50 N).
Dẫn động bằng động cơ điện Điều khiển vị trí và vận tốc chính xác, kết cấu nhỏ gọn, chi phí vừa phải, dễ tự động hóa. Kết cấu cơ khí phải gia công chính xác, chỉ đo lực trong mặt phẳng chuyển động thẳng. Được chọn kết hợp cùng trục vít me bi.

Vật liệu chế tạo thân máy được chọn là hợp kim nhôm định hình và nhôm tấm gia công cắt phay (khối lượng riêng $2,7 \text{ g/cm}^3$), giúp giảm khối lượng thiết bị xuống chỉ bằng khoảng 1/3 so với thép, đồng thời bảo đảm độ thẩm mỹ và khả năng chống ăn mòn. Các chi tiết gá kẹp không tiêu chuẩn được gia công bằng phương pháp tiện, phay CNC, khoan, taro ren và chấn định hình.

Thiết kế tính toán phần cơ khí

Hệ thống cơ khí bao gồm cụm dẫn động động cơ, bộ truyền vít me đai ốc bi, hệ thống ray trượt dẫn hướng và thân máy:

  • Động cơ dẫn động: Tác giả phân tích các dòng động cơ điện 1 chiều, xoay chiều, động cơ bước và động cơ servo. Để đảm bảo điều khiển hồi tiếp vòng kín và giữ tốc độ ổn định ở dải vòng quay thấp, hệ thống sử dụng động cơ Servo công suất 120 W, điện áp cấp 24 V, tốc độ cực đại 2640 vòng/phút, truyền động đồng trục với vít me thông qua khớp nối mềm với tỉ số truyền $i = 1$.
  • Bộ truyền trục vít me – đai ốc bi: Lựa chọn model BLK 1510, cấp chính xác C2, chiều dài ren làm việc 400 mm, vật liệu thép C45 có giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 360 \text{ MPa}$.
Thông số bộ truyền trục vít me – đai ốc bi Giá trị thiết kế / tính toán
Chiều dài đoạn ren làm việc 400 mm
Lực dọc trục tính toán ban đầu ($F_a$) 1000 N
Khả năng chịu lực dọc trục giới hạn ($F_{a\max}$) 11.322 N
Đường kính bi ($d_b$) 2 mm
Đường kính trung bình ren vít ($d_{tb}$) 14,5 mm
Đường kính danh nghĩa vít me ($d$) 17 mm
Số viên bi trên các vòng ren làm việc ($Z_b$) 28 viên
Khe hở hướng tâm 0,12 mm
Tải trọng riêng dọc trục ($q_a$) $11,16 \text{ N/mm}$
Ứng suất tiếp xúc lớn nhất tính toán ($\sigma_{\max}$) 2100 MPa
Giới hạn ứng suất tiếp xúc cho phép ($[\sigma_{\max}]$) 5000 MPa (độ cứng mặt lăn $\ge 53 \text{ HRC}$)
  • Hệ thống dẫn hướng và gối đỡ: Trục vít me được định vị bởi hai cụm gối đỡ tiêu chuẩn EK và EF (tương thích đường kính trục từ 10 đến 20 mm). Chuyển động tịnh tiến của bàn trượt mang đầu đo được dẫn hướng bằng cụm ray và thanh trượt bi, khử độ rơ góc và triệt tiêu tải trọng uốn ngang tác động lên trục vít.

Thiết kế hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu

Sơ đồ khối hệ thống đo bao gồm:

  1. Cảm biến tải trọng (Loadcell): Sử dụng loadcell dạng thanh trở kháng cầu Wheatstone, chuyển đổi biến dạng cơ học của thanh đo thành điện áp vi sai tỉ lệ thuận với lực nén tiếp xúc tác động lên đầu cơ cấu.
  2. Mạch công suất dẫn động: Sử dụng bo mạch cầu H linh kiện bán dẫn FET để điều khiển đảo chiều và điều chế độ rộng xung (PWM) kiểm soát vận tốc động cơ servo.
  3. Khối xử lý trung tâm: Sử dụng board mạch vi điều khiển 32-bit STM32F103RCT6 (lõi ARM Cortex-M3), thực hiện chức năng đọc tín hiệu điện áp từ cảm biến qua bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC), tính toán giá trị lực tức thời và điều khiển động cơ servo dịch chuyển bàn trượt.
  4. Ghép nối máy tính: Dữ liệu lực đo và vị trí chuyển vị được truyền thông qua cổng giao tiếp nối tiếp/USB lên phần mềm máy tính, vẽ trực tiếp đồ thị quan hệ lực – biến dạng trong thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Ý tưởng

Trình bày tính cấp thiết của việc phát triển thiết bị đo lực cho cơ cấu đàn hồi trong nước nhằm khắc phục nhược điểm thao tác thủ công của máy đo cũ và chi phí đắt đỏ của thiết bị nhập khẩu. Xác định mục tiêu nghiên cứu là tính toán, chế tạo một máy thí nghiệm nhỏ gọn, độ chính xác cao phục vụ đo lực nén trong phạm vi phòng thí nghiệm. Nêu rõ đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp kết hợp giữa lý thuyết cơ học, mô phỏng số và thực nghiệm.

Chương 2: Tổng quan

Cung cấp tổng quan về các thiết bị thử kéo nén vạn năng trên thế giới và tại Việt Nam:

  • Các máy thử nghiệm tiêu biểu: Máy kiểm tra kéo trượt vạn năng thủy lực HT-2101; dòng máy GOLIATH điều khiển bằng máy tính (đáp ứng tiêu chuẩn EN 10002, ASTM A370, ASTM E290, EN 12390); thiết bị kéo nén vạn năng Instron 3300 của Mỹ với sai số lặp lại nhỏ hơn 0,01%; máy thí nghiệm vạn năng thủy lực cấp tải 100 tấn PATHFINDER (model BK-UTM 100CH) do Công ty BKSG chế tạo và lắp đặt tại PTN Vật liệu Xây dựng, Đại học Bách Khoa TP.HCM.
  • Định nghĩa và phân loại cơ cấu cơ khí: So sánh cơ cấu cứng truyền thống (liên kết khớp động) và cơ cấu đàn hồi (compliant mechanism). Phân tích khái niệm và đặc tính của cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi khi nhận đầu vào là chuyển vị biến thiên.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Phân tích nguyên lý làm việc của cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi thông qua sự dịch chuyển lệch vị trí của các thanh đàn hồi khi chịu tác dụng lực $F$. Tổng hợp ưu điểm (kết cấu nguyên khối, loại bỏ ma sát, không rơ lỏng, trọng lượng nhẹ, độ chính xác cao) và nhược điểm (khoảng chuyển vị và độ lớn lực đầu ra cố định). Trình bày thông số vật liệu nhựa POM và phương pháp gia công CNC. Giới thiệu công cụ thiết kế PTC Creo 3.0 (nhóm lệnh Sketch 2D, 3D, Assembly, Drawing) và quy trình giải bài toán phần tử hữu hạn bằng phần mềm ANSYS 15 Workbench từ xác lập mô hình, gán điều kiện biên, tải trọng đến bước hậu xử lý xuất kết quả.

Chương 4: Thiết kế chế tạo máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi

Xác lập các yêu cầu kỹ thuật đối với máy thiết kế: chỉ tiêu sử dụng, khả năng làm việc ổn định, độ tin cậy, an toàn và tính công nghệ kinh tế. Đánh giá ưu nhược điểm của 3 phương án dẫn động (tay quay, thủy lực, động cơ điện) và quyết định chọn động cơ điện. Chọn vật liệu nhôm định hình làm khung thân máy. Tính toán công suất truyền động: với dải lực nén $0 \div 14,2 \text{ N}$, tốc độ quay trục vít $n = 60 \text{ vòng/phút}$, vận tốc tịnh tiến trục vít $v = 0,0471 \text{ m/s}$, công suất tính toán trên trục $P_t = 6,68 \times 10^{-4} \text{ kW}$. Lựa chọn động cơ Servo 120 W, tốc độ định mức $N_{\max} = 2640 \text{ vòng/phút}$, điện áp 24 V và sử dụng khớp nối trục mềm bù sai lệch đồng tâm.

Chương 5: Thiết kế phần cơ khí của máy

Trình bày toàn bộ quá trình tính toán chi tiết bộ truyền vít me – đai ốc bi: so sánh profil ren (dạng chữ nhật, hình thang, cung nhọn, nửa cung tròn), chọn profil nửa cung tròn góc tiếp xúc $45^\circ$. Với lực dọc trục tính toán 1000 N và hành trình 400 mm, tính toán sơ bộ đường kính trong ren vít $d_1 = 3,71 \text{ mm}$, sau đó chọn bộ truyền tiêu chuẩn BLK 1510 (kiểm nghiệm lực kéo cực đại $F_{a\max} = 11.322 \text{ N}$). Xác định các thông số hình học ren ($d_b = 2 \text{ mm}$, $d_{tb} = 14,5 \text{ mm}$, $D_{tb} = 16 \text{ mm}$, $D_1 = 19 \text{ mm}$, $h_1 = 1 \text{ mm}$, $Z_b = 28$). Kiểm nghiệm bền tiếp xúc mặt lăn đạt $\sigma_{\max} = 2100 \text{ MPa} < [\sigma_{\max}] = 5000 \text{ MPa}$. Thiết kế kết cấu thân máy nhôm, bàn trượt, gối trượt trên và chọn cụm gối đỡ EK/EF cùng thanh trượt bi.

Chương 6: Thiết kế hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu

Thuyết minh sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mạch thu thập dữ liệu: loadcell dạng thanh cảm nhận lực tiếp xúc, chuyển đổi qua mạch cầu Wheatstone thành tín hiệu điện áp mili-volt; mạch công suất cầu H FET nhận lệnh từ vi điều khiển để cấp dòng động cơ servo; board mạch vi điều khiển STM32F103RCT6 thực hiện thuật toán xử lý dữ liệu số, giao tiếp truyền thông với máy tính nhằm giám sát chuyển vị và ghi nhận lực đo.

Chương 7: Kết luận – Đề nghị

Tổng kết kết quả thực hiện đồ án về mặt cơ khí, kết quả mô phỏng kiểm tra ứng suất tập trung trên các chi tiết chịu lực bằng ANSYS Workbench, hoạt động của hệ thống điện và kết quả thực nghiệm đo kiểm lực nén trên mô hình nửa cơ cấu đàn hồi.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế và chế tạo sản phẩm thực nghiệm với các kết quả cụ thể:

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi: Khung máy bằng kết cấu nhôm gọn nhẹ, vững chắc; cơ cấu dịch chuyển bàn trượt dẫn động bằng động cơ Servo 120 W kết hợp trục vít me bi BLK 1510 cấp chính xác C2 và hệ thống thanh trượt dẫn hướng bi, loại bỏ độ rơ khớp ren và vận hành êm ái.
  • Tính toán và kiểm nghiệm độ bền chính xác: Trục vít me bi chịu được tải trọng dọc trục kiểm nghiệm lên tới 11.322 N, ứng suất tiếp xúc $\sigma_{\max} = 2100 \text{ MPa}$ nhỏ hơn nhiều so với giới hạn mỏi tiếp xúc cho phép 5000 MPa của thép tôi cứng ($HRC \ge 53$).
  • Mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng: Mô phỏng thành công trạng thái ứng suất và biến dạng của nửa cơ cấu đàn hồi bằng nhựa POM trên ANSYS Workbench 15. Hệ thống đo lực sử dụng cảm biến loadcell dạng thanh kết nối vi điều khiển STM32F103RCT6 ghi nhận và hiển thị thành công đường đặc tính lực nén thực tế của cơ cấu trong dải tải trọng làm việc từ 0 đến 14,2 N.
  • Đóng góp kỹ thuật: Đồ án đề xuất một giải pháp thiết kế máy đo lực quy mô phòng thí nghiệm tự chế tạo trong nước với chi phí thấp, kết cấu cơ khí chính xác, khả năng số hóa dữ liệu trực tiếp lên máy tính, phục vụ hiệu quả cho việc nghiên cứu kiểm chứng cơ cấu đàn hồi thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào máy nhập khẩu đắt tiền.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và các nội dung kỹ thuật được trình bày trong đồ án, hệ thống còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

  • Thiết bị chỉ đo được lực tác dụng dọc trục trong mặt phẳng chuyển động thẳng một chiều (2D), chưa đo được lực đa phương hoặc mômen xoắn phức hợp.
  • Dải đo lực thiết kế phục vụ mẫu thử nghiệm còn nhỏ ($0 \div 14,2 \text{ N}$ trong thí nghiệm thực tế, dải tải khung máy tối đa 50 N), chưa đáp ứng cho các cơ cấu đàn hồi kim loại có độ cứng vững và lực phản hồi lớn.
  • Quá trình thực nghiệm trong đồ án mới chỉ tiến hành đo kiểm trên mô hình tính cho $1/2$ cơ cấu đàn hồi đối xứng chứ chưa thử nghiệm toàn phần trên nhiều dạng cơ cấu đa dạng khác nhau.

Các hướng mở rộng được đề xuất:

  • Nâng cấp khung máy và cảm biến loadcell để mở rộng dải đo tải trọng lớn hơn phục vụ nhiều chủng loại cơ cấu và vật liệu khác nhau.
  • Hoàn thiện phần mềm giao diện điều khiển chuyên nghiệp trên máy tính, tích hợp thêm thuật toán lọc nhiễu tín hiệu và tự động xuất báo cáo thử nghiệm theo chuẩn đo lường.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn chuyên sâu cho:

  • Sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Chế tạo máy, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán, thiết kế hệ dẫn động cơ khí chính xác sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc bi khử khe hở và cơ cấu dẫn hướng thanh trượt bi.
  • Người làm nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi (Compliant Mechanisms): Cung cấp tài liệu tổng quan, thông số cơ tính vật liệu nhựa kỹ thuật POM, phương pháp mô phỏng số phi tuyến hình học trên ANSYS Workbench 15 và phương pháp bố trí thực nghiệm đo lực – biến dạng.
  • Kỹ sư thiết kế máy thử nghiệm chuyên dụng: Tham khảo giải pháp tích hợp phần cứng điều khiển vòng kín với động cơ servo, mạch cầu H FET, vi điều khiển ARM STM32F103RCT6 và cảm biến lực Loadcell.

Câu hỏi thường gặp

1. Khả năng chịu lực và dải đo của máy thí nghiệm được thiết kế ở mức nào?
Máy được thiết kế ban đầu để kiểm tra đường đặc tính lực – biến dạng của cơ cấu đàn hồi với lực tác dụng lên khung máy đến 50 N. Trong bài toán tính toán công suất động cơ và thực nghiệm đo kiểm mẫu cơ cấu POM cụ thể, dải lực nén tác dụng nằm trong khoảng từ 0 đến 14,2 N. Bộ truyền trục vít me – đai ốc bi BLK 1510 được tính toán bền với lực dọc trục cho phép lên tới 11.322 N.

2. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn phương án dẫn động bằng động cơ servo kết hợp khớp nối mềm?
Động cơ servo tích hợp hệ thống hồi tiếp vòng kín cho phép điều khiển vị trí và vận tốc dịch chuyển góc quay với độ chính xác cao, điều chỉnh lực tác dụng trực tiếp vào cơ cấu gần như tuyệt đối. Khớp nối mềm được sử dụng để liên kết trực tiếp giữa trục động cơ và trục vít me với tỉ số truyền 1:1, vừa đảm bảo hiệu suất truyền động cao, vừa khử được sai số độ không đồng trục phát sinh trong quá trình gia công cơ khí.

3. Bộ truyền trục vít me bi được sử dụng có những thông số kỹ thuật cơ bản nào?
Bộ truyền được lựa chọn là model BLK 1510 chế tạo từ thép C45, cấp chính xác C2, chiều dài ren 400 mm, đường kính danh nghĩa ren vít 17 mm, đường kính viên bi 2 mm (gồm 28 viên bi làm việc), góc tiếp xúc ren $45^\circ$, khe hở hướng tâm 0,12 mm và ứng suất tiếp xúc tính toán là 2100 MPa (thấp hơn giới hạn bền mỏi tiếp xúc cho phép 5000 MPa).

4. Mẫu cơ cấu đàn hồi dùng trong thử nghiệm được làm bằng vật liệu gì và chế tạo bằng phương pháp nào?
Mẫu cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi được chế tạo nguyên khối từ nhựa kỹ thuật POM (Polyoxymethylene) bằng phương pháp gia công trên máy phay CNC. Vật liệu này có hệ số Poisson 0,35, mô đun đàn hồi 2,8 GPa và độ bền kéo đạt $76 \times 10^6 \text{ kPa}$ (76 MPa).

5. Hệ thống điện tử và thu thập dữ liệu của máy sử dụng những linh kiện chính nào?
Hệ thống sử dụng cảm biến lực loadcell dạng thanh (mạch cầu điện trở Wheatstone), board mạch cầu H FET điều khiển động cơ servo, và board vi điều khiển trung tâm STM32F103RCT6 chịu trách nhiệm thu nhận, xử lý tín hiệu analog từ loadcell và truyền thông dữ liệu trực tiếp lên máy tính để vẽ đồ thị lực – chuyển vị.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi" của sinh viên Lê Trung Hậu và Võ Xuân Vũ đã giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật từ tính toán lý thuyết, thiết kế mô hình 3D, mô phỏng phần tử hữu hạn bằng ANSYS đến gia công chế tạo mô hình thực tế. Thiết bị hoàn thành đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về độ chính xác chuyển vị nhờ hệ thống dẫn động servo – vít me bi, kết cấu khung nhôm nhỏ gọn, kết hợp thu thập số liệu tự động qua cảm biến Loadcell và vi điều khiển STM32. Đây là một công trình ứng dụng cơ điện tử hoàn chỉnh, tạo tiền đề thực nghiệm quan trọng cho các nghiên cứu chuyên sâu về cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi trong nước.