Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hoạt động khai thác thủy sản và bộ môn câu cá giải trí, dây câu đóng vai trò quyết định đến hiệu quả kéo giữ và độ an toàn khi vận hành. Các thông số kỹ thuật in trên bao bì của nhà sản xuất như tải trọng chịu đứt (breaking strength), độ giãn dài đàn hồi và khả năng chịu tải tức thời cần phải được kiểm định chính xác trước khi lưu thông trên thị trường. Việc dây câu bị đứt gãy ngoài dự tính do sai lệch thông số kỹ thuật không chỉ gây thiệt hại kinh tế mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến người sử dụng. Tuy nhiên, các thiết bị kiểm tra lực kéo chuyên dụng trên thị trường hiện nay phần lớn là các dòng máy thử nghiệm vật liệu đa năng có kích thước cồng kềnh, giá thành cao và quy trình gá đặt mẫu thử chưa được tối ưu hóa riêng cho các loại dây sợi mềm, mảnh.

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế cơ cấu test lực dây câu cá (50kg)” (Mã số đề tài: 22223DT111) được thực hiện tại Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của ThS. Dương Thế Phong và nhóm sinh viên Trần Quang Trung, Lê Đức Thắng, Phạm Ngọc Thái.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định trong đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, vật liệu, kích thước các loại dây câu phổ biến trên thị trường và tiêu chuẩn kiểm tra cơ lý tính đối với vật liệu dẻo.
  2. Đề xuất, phân tích và lựa chọn phương án bố trí cơ cấu đo lực dây câu tối ưu hóa về mặt không gian và độ ổn định.
  3. Thiết kế mô hình 3D hoàn chỉnh của cơ cấu bằng phần mềm Autodesk Inventor; tính toán sức bền trục và kiểm nghiệm ứng suất kết cấu khung máy.
  4. Lựa chọn thiết bị, tính toán công suất động cơ dẫn động, thiết kế hệ thống tủ điện và lập trình điều khiển tự động hóa trên nền tảng PLC kết hợp màn hình giám sát HMI.
  5. Chế tạo mô hình thực tế, hiệu chuẩn cảm biến lực và thực hiện đo kiểm thực nghiệm trên các mẫu dây câu thương mại để đánh giá sai số và độ ổn định của hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các chủng loại dây câu thông dụng (dây cước đơn sợi Monofilament chất liệu Nylon/Fluorocarbon, dây bện đa sợi Braid/PE); cảm biến lực (Loadcell); cơ cấu cơ khí cuốn và kẹp giữ dây; thuật toán điều khiển và truyền thông công nghiệp trên PLC Mitsubishi.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn tải trọng kéo tối đa của hệ thống là 50 kg; kích thước bao tổng thể không vượt quá 600 x 400 x 350 mm; hiển thị trực tiếp dữ liệu thử nghiệm trên màn hình HMI và hỗ trợ trích xuất dữ liệu thông qua giao tiếp cổng USB; nghiên cứu hoàn thành trong học kỳ 2 năm học 2022–2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết chuyên ngành cơ điện tử, sức bền vật liệu và tiêu chuẩn đo lường kỹ thuật:

  • Cơ sở phân loại và cơ lý tính dây câu: Phân tích đặc tính cơ học của dây Monofilament (gồm Nylon xuất hiện từ năm 1938 bởi DuPont có giá thành rẻ, độ đàn hồi tương đối và Fluorocarbon có độ bền cao, khúc xạ ánh sáng thấp) và dây Braid (dây PE bện từ 4, 8, 12 hoặc 16 bó sợi thành phần với đường kính từ 0,12 đến 0,45 mm). Khảo sát thông số thực tế của các dòng sản phẩm: Daiwa Justron (Nhật Bản, sợi Carbon, đường kính 0,16–0,40 mm, tải trọng tới 12 kg), Strong (Đài Loan, đường kính 0,16–0,37 mm), và PE Toman (dây bện chuyên dụng câu lure, đường kính 0,16–0,28 mm).
  • Cơ sở đo lường lực kéo: Nguyên lý chuyển đổi cơ điện của cảm biến lực Loadcell thông qua cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Khi biến dạng kéo xuất hiện trên thân cảm biến kim loại, điện trở của lá điện trở Strain gage thay đổi làm mất cân bằng cầu Wheatstone, tạo ra tín hiệu điện áp vi sai tỷ lệ tuyến tính với lực kéo tác dụng.
  • Tiêu chuẩn kiểm nghiệm: Áp dụng tiêu chuẩn quốc gia TCVN 4501 về phương pháp kiểm tra độ bền kéo của vật liệu dẻo. Tốc độ thử nghiệm kéo được duy trì ổn định không đổi; tần số thu thập dữ liệu đo tối thiểu ($f_{min}$) từ cảm biến lực đến bộ hiển thị được xác định theo biểu thức: $$f_{min} = \frac{v}{60 \cdot r} \cdot \frac{L_0}{L}$$ Trong đó: $v$ là tốc độ thử (mm/phút); $L_0/L$ là tỷ số giữa chiều dài đo và khoảng cách ban đầu giữa hai dụng cụ kẹp; $r$ là độ phân giải tối thiểu của tín hiệu biến dạng cần thiết (mm). Yêu cầu mỗi điều kiện đo cần thực hiện tối thiểu 5 mẫu thử độc lập.
  • Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết (tính toán động học, mô men xoắn, sức bền vật liệu, mô phỏng phần tử hữu hạn ứng suất kết cấu bằng Inventor) và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm (gia công cơ khí, đấu nối mạch phần cứng, hiệu chuẩn cảm biến bằng tải chuẩn và thu thập dữ liệu kéo đứt mẫu thực tế).

Thiết kế và triển khai

Cơ cấu kiểm tra lực kéo dây câu được triển khai đồng bộ qua ba phân hệ chính: cơ khí kết cấu, hệ thống điện - cảm biến, và chương trình điều khiển.

Phân hệ cơ khí và kết cấu chịu lực

  • Khung máy và vỏ tủ: Toàn bộ cơ cấu được đặt trong khung thép tấm dày 1,2 mm, phủ sơn tĩnh điện hai lớp với kích thước chiều dài 600 mm, chiều rộng 400 mm và chiều cao 280 mm. Bên trong bố trí một tấm panel thép kích thước 500 x 356 mm liên kết qua ray trượt bi ba tầng, cho phép kéo đẩy linh hoạt phục vụ lắp đặt và bảo dưỡng thiết bị điện.
  • Kiểm nghiệm bền khung máy: Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn trên phần mềm Autodesk Inventor cho thấy ứng suất tập trung lớn nhất tại các điểm liên kết giá đỡ Loadcell và trụ cuốn dây đạt 66,64 MPa. So với giới hạn bền uốn của vật liệu thép kết cấu C45 là 360 MPa, khung máy hoàn toàn thỏa mãn điều kiện bền chịu lực.
  • Tính toán động học và động cơ dẫn động: Với yêu cầu lực kéo $F = 500\text{ N}$ (tương đương 50 kg) và vận tốc cuốn tối đa $v = 1\text{ m/s}$ tại đường kính cuộn cước $d = 80\text{ mm}$, công suất làm việc yêu cầu là $P_{lv} = 0,5\text{ kW}$. Xét hiệu suất truyền động $\eta = 0,9$, công suất yêu cầu trên trục động cơ là $P_{ct} = 0,556\text{ kW}$. Hệ thống sử dụng động cơ bước VEXTA PK269JDA kết hợp hộp giảm tốc bánh răng hành tinh PX57N010S0 (tỉ số truyền 1:10, hiệu suất 90%, mô-men xoắn đầu ra cực đại 30 N.m).
  • Tính toán bền mỏi trục cuốn: Vật liệu trục cuốn được chọn là thép hợp kim 40Cr ($\sigma_b = 550\text{ MPa}$, $\sigma_{ch} = 385\text{ MPa}$). Đường kính trục sơ bộ tính toán $d = 15,48\text{ mm}$, nhóm thiết kế chọn đường kính thực tế $d = 16\text{ mm}$. Kiểm nghiệm mỏi theo chu kỳ đối xứng xác định hệ số an toàn bền mỏi tổng hợp đạt $s_j = 5,64$, vượt mức hệ số an toàn cho phép $[s]$, đảm bảo trục không bị phá hủy mỏi trong quá trình vận hành lâu dài.
Cụm kết cấu Quy cách kỹ thuật Chức năng kỹ thuật
Khung máy & Panel Thép tấm dày 1,2 mm sơn tĩnh điện 2 lớp; Ray bi 3 tầng Chịu lực khung vỏ, bảo vệ linh kiện, trượt kéo phục vụ bảo trì
Động cơ bước VEXTA PK269JDA, mô-men 3,1 N.m, dòng 2,8 A/pha Tạo chuyển động quay cuốn dây chính xác
Hộp giảm tốc PX57N010S0, tỉ số truyền 1:10, mô-men cực đại 30 N.m Giảm tốc độ quay, tăng mô-men kéo dây
Trục cuốn Thép 40Cr, đường kính danh định $\varnothing 16\text{ mm}$ Gá lắp cuộn cước trực tiếp, truyền lực kéo
Cụm kẹp & Loadcell Loadcell PST 100kg kết hợp đầu kẹp chuyên dụng Cố định đầu dây và đo lường lực căng kéo

Phân hệ điện và điều khiển tự động

  • Bộ điều khiển trung tâm: Sử dụng PLC Mitsubishi dòng FX3U-24MT-6AD-2DA, tích hợp sẵn các kênh đọc tín hiệu tương tự (Analog-to-Digital) và ngõ ra phát xung tốc độ cao điều khiển góc bước.
  • Mạch đo lường cảm biến: Cảm biến lực Loadcell PST dải đo 100 kg truyền tín hiệu vi sai milivolt về mạch khuếch đại chuyên dụng JY-S60 để chuẩn hóa sang dải tín hiệu tương tự tương thích với ngõ vào analog của PLC.
  • Điều khiển động cơ: Sử dụng Microstep Driver TB6600 nhận tín hiệu xung (PUL) và hướng (DIR) từ PLC, điều chỉnh dòng điện cấp cho các pha của động cơ bước.
  • Giao diện người - máy (HMI): Màn hình cảm ứng Delta DOP-B03S11 kết nối truyền thông công nghiệp với PLC thông qua chuẩn vật lý RS485. Giao diện cho phép người vận hành cài đặt thông số đường kính cuộn dây, tốc độ kéo, quan sát đồ thị lực căng thời gian thực và xuất dữ liệu lịch sử đo ra cổng USB.
  • Thuật toán tính độ giãn dài: Thay vì sử dụng cảm biến dịch chuyển chuyên biệt, thuật toán đếm số xung phát ra từ PLC tới động cơ bước kể từ thời điểm Loadcell bắt đầu ghi nhận lực căng tăng dần cho đến thời điểm lực giảm đột ngột về 0 (dây đứt). Độ giãn dây được tính trực tiếp từ số vòng quay cuộn cước (tổng số xung chia cho số xung/vòng) nhân với chu vi danh định của cuộn cước do người dùng nhập vào.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này làm rõ tính cấp thiết của việc kiểm tra chất lượng dây câu trước khi thương mại hóa; tổng kết mục tiêu, đối tượng, phương pháp và giới hạn phạm vi nghiên cứu của đề tài. Đồng thời, tác giả tiến hành khảo sát và đánh giá 3 dòng thiết bị kiểm tra lực kéo thương mại trên thế giới:

Dòng máy khảo sát Thông số tải trọng Kích thước máy (mm) Đặc điểm kỹ thuật chính
Qiantong (Trung Quốc) Tối đa 2.000 N (2 kN) 480 x 430 x 1.500 Dạng 1 cột, tốc độ 15–500 mm/phút, hành trình kéo 900 mm, sai số $\pm 1%$
HZ-1007E (Trung Quốc) Tối đa 1 kN 350 x 400 x 1.000 Đo lực kéo/nén đa vật liệu, dải đo hiệu quả 0,4–100%, sai số $\pm 1%$
TMI 84-01 (Hoa Kỳ) Tối đa 5 kN 415 x 380 x 1.130 Khung hợp kim nhôm, phần mềm WinTest Lite, chịu quá tải cảm biến 800%

Qua so sánh, nhóm nghiên cứu xác định thiết kế một cơ cấu chuyên biệt cho dây câu cá tải trọng 50 kg với kích thước nhỏ gọn và chi phí chế tạo thấp.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu

Tập trung hệ thống hóa kiến thức về cấu trúc dây câu, cảm biến tải trọng và phương pháp đo kiểm lực:

  • Phân biệt rõ ưu nhược điểm giữa dây Monofilament (sợi đơn Nylon/Fluorocarbon) và dây Braid (dây PE bện từ 4, 8, 12, 16 sợi; cấu trúc 4 sợi cho khả năng chống mài mòn tốt hơn cấu trúc 8–16 sợi do đường kính từng bó sợi lớn hơn).
  • Phân tích nguyên lý mạch cầu Wheatstone và cấu tạo của cảm biến lực Loadcell (gồm phần tử nhạy biến Strain gage dán trên khối đàn hồi kim loại Load); tổng hợp phân loại cảm biến theo hướng lực (kéo, nén, uốn) và hình dáng kết cấu (trụ, cầu bi, thanh, chữ Z, xoắn).
  • Trình bày yêu cầu kỹ thuật thử kéo theo TCVN 4501, bao gồm bảng khuyến nghị dải tốc độ kéo (từ 0,125 mm/phút đến 500 mm/phút với dung sai $\pm 10%$ đến $\pm 20%$) và công thức xác định tần số lấy mẫu tín hiệu đo $f_{min}$.

Chương 3: Giải pháp cơ cấu test lực dây câu cá

Phân tích yêu cầu kỹ thuật tổng thể và xây dựng hai phương án bố trí không gian:

  • Phương án 1 (Bố trí dạng đứng): Sử dụng cơ cấu dẫn động trục vít me - đai ốc đặt thẳng đứng, hai đầu kẹp kéo dãn mẫu thử. Phương án này đo lực chính xác, triệt tiêu ma sát trượt và tiết kiệm diện tích mặt sàn, nhưng hạn chế hành trình kéo đối với vật liệu dẻo, chi phí chế tạo cơ khí cao và kết cấu cồng kềnh về chiều cao.
  • Phương án 2 (Bố trí dạng nằm ngang): Cuộn dây câu được gá đặt trực tiếp lên trục cuốn nối với động cơ bước qua khớp nối mềm và hộp giảm tốc; đầu dây còn lại kẹp chặt tại giá đỡ cảm biến Loadcell.
Tiêu chí đánh giá Phương án 1 (Trục vít me đứng) Phương án 2 (Trục cuốn nằm ngang)
Hành trình kéo dài Bị giới hạn bởi chiều dài vít me Không giới hạn hành trình (cuốn liên tục)
Thời gian gá đặt mẫu Thao tác kẹp 2 đầu phức tạp Gá trực tiếp cuộn cước, thao tác nhanh
Độ phức tạp cơ khí Chế tạo gối đỡ, thanh dẫn hướng, vít me Trục cuốn đơn giản, kết hợp trực tiếp hộp số
Tính tiện dụng di chuyển Chiều cao máy lớn (>1 m), khó mang xách Khung nằm ngang dạng hộp gọn gàng (cao 280 mm)

Nhóm nghiên cứu quyết định lựa chọn Phương án 2 (Đặt nằm ngang) để tối ưu hóa không gian, không bị giới hạn hành trình kéo và đơn giản hóa thao tác chuẩn bị mẫu thử.

Chương 4: Tính toán – Thiết kế cơ cấu test lực dây câu cá

Chương này thực hiện toàn bộ nội dung tính toán cơ học lý thuyết và mô hình hóa hình học:

  • Tính toán công suất kéo cần thiết ($P_{lv} = 0,5\text{ kW}$, $P_{ct} = 0,556\text{ kW}$) và lựa chọn động cơ bước VEXTA PK269JDA (mô-men 3,1 N.m) đi kèm hộp giảm tốc PX57N010S0 (tỉ số truyền 1:10).
  • Thiết kế trục cuốn dây từ vật liệu thép 40Cr với đường kính ngõng trục $d = 16\text{ mm}$; kiểm tra hệ số an toàn mỏi uốn và xoắn đạt $s_j = 5,64 > [s]$.
  • Thiết lập phương trình giải tích xác định độ giãn dài của dây thông qua số xung điều khiển góc bước động cơ và đường kính cuộn cước ban đầu.
  • Thiết kế chi tiết cụm cơ khí: cụm cuốn dây (bạc đồng, trục cuốn, cuộn cước, vít lục giác M5x8, vòng đệm chặn), cụm kẹp cố định đầu dây liên kết với cảm biến lực Loadcell và giá đỡ chịu lực.
  • Phân tích ứng suất tập trung bằng công cụ FEA trên Autodesk Inventor cho kết cấu khung máy thép C45, khẳng định độ bền kết cấu khi ứng suất cực đại (66,64 MPa) thấp hơn nhiều so với giới hạn bền uốn cho phép (360 MPa).

Chương 5: Hệ thống điện – Điều khiển thiết bị

Trình bày thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện, cấu trúc phần cứng và giải thuật điều khiển:

  • Bố trí lắp đặt tủ điện bên trong khung máy với tấm panel trượt; sử dụng bộ nguồn công nghiệp chuyển đổi từ lưới điện 220 VAC sang 24 VDC cung cấp cho hệ thống điều khiển.
  • Cấu hình phần cứng gồm PLC Mitsubishi FX3U-24MT-6AD-2DA, bộ điều khiển động cơ bước Microstep Driver TB6600, cảm biến lực Loadcell PST 100kg, mạch khuếch đại tín hiệu JY-S60 và màn hình hiển thị cảm ứng HMI Delta DOP-B03S11.
  • Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể và lưu đồ logic quét vòng của PLC: khởi tạo hệ thống, thiết lập điểm 0 (Zero Calib), nhận dữ liệu cài đặt từ HMI, kích hoạt động cơ quay cuốn dây theo tốc độ yêu cầu, liên tục đọc giá trị chuyển đổi ADC từ Loadcell, phát hiện thời điểm đứt gãy để dừng động cơ, lưu trữ giá trị lực căng cực đại và tính toán độ giãn đứt.
  • Thiết lập giao thức truyền thông nối tiếp RS485 giữa PLC và HMI Delta, cấu hình bản đồ địa chỉ thanh ghi nhớ và thiết kế giao diện vận hành trực quan, tích hợp chức năng ghi nhật ký dữ liệu vào USB.

Chương 6: Thực nghiệm – Đánh giá

Trình bày quy trình hiệu chuẩn cảm biến lực (Calib Loadcell) bằng các cấp quả cân chuẩn và triển khai thực nghiệm đo kéo đứt thực tế trên 3 chủng loại cuộn dây câu thương mại tại các cấp tốc độ quay trục cuốn khác nhau:

  1. Mẫu dây KIZUNA 1.5 (tải trọng danh định theo nhà sản xuất: 9,2 kg) thử nghiệm ở tốc độ 1,5 vòng/phút và 3 vòng/phút.
  2. Mẫu dây TOMAN STRONGEST X8 1.5 (tải trọng danh định: 14,1 kg) thử nghiệm ở tốc độ 3 vòng/phút và 6 vòng/phút.
  3. Mẫu dây LURE RALEIGH 4.0 (tải trọng danh định: 34,5 kg) thử nghiệm ở tốc độ 1,5 vòng/phút và 6 vòng/phút. Kết quả đo thực nghiệm được hiển thị dưới dạng đồ thị lực căng theo thời gian và bảng lịch sử lưu trữ trên màn hình HMI, xuất file dữ liệu phục vụ xử lý thống kê.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công một thiết bị đo lực dây câu hoàn chỉnh với các thông số kỹ thuật và kết quả đo thực tế:

  • Thông số kỹ thuật của thiết bị chế tạo:
    • Tải trọng đo kiểm nghiệm lớn nhất: 50 kg.
    • Kích thước tổng thể: 600 x 400 x 350 mm; khối lượng cơ cấu khoảng 30 kg.
    • Tốc độ cuốn tối đa: 1 m/s; vận hành ổn định trên nguồn điện dân dụng 220 VAC thông qua bộ chuyển đổi nguồn nội bộ 24 VDC.
    • Giao diện vận hành: Màn hình cảm ứng HMI Delta hiển thị trực tiếp đồ thị lực kéo, độ giãn dài và hỗ trợ xuất dữ liệu ra USB.
Tên mẫu dây câu thử nghiệm Tải trọng danh định Tốc độ thử nghiệm Kết quả thực nghiệm đo được
KIZUNA 1.5 9,2 kg 1,5 vòng/phút & 3 vòng/phút Xác định chính xác điểm đứt; đồ thị lực kéo tăng tuyến tính theo độ giãn dài
TOMAN STRONGEST X8 1.5 14,1 kg 3 vòng/phút & 6 vòng/phút Ghi nhận lực kéo đứt tức thời, phản ánh đúng đặc tính chống giãn của dòng dây PE bện 8 bó
LURE RALEIGH 4.0 34,5 kg 1,5 vòng/phút & 6 vòng/phút Cơ cấu chịu tải lớn ổn định, không xuất hiện trượt đầu dây kẹp hay biến dạng khung
  • Giải pháp và kiến nghị đề xuất:
    • Tác giả đề xuất tích hợp giải pháp cuộn dây trực tiếp thay vì kẹp dãn hai đầu, giúp loại bỏ việc cắt ngắn từng đoạn mẫu thử và không giới hạn hành trình kéo của dây có độ giãn dài lớn.
    • Đề xuất ứng dụng cấu trúc ray trượt bi ba tầng cho bảng gá linh kiện điện tử bên trong khung máy nằm ngang, giúp quá trình bảo dưỡng, hiệu chuẩn hoặc thay thế driver, PLC diễn ra độc lập mà không cần tháo dỡ cụm cơ khí phía trên.
  • Đóng góp của đồ án:
    • Hoàn thiện trọn vẹn một quy trình khép kín từ nghiên cứu lý thuyết, tính toán sức bền, thiết kế 3D, gia công cơ khí đến tích hợp hệ thống điều khiển tự động PLC - HMI chuyên biệt cho kiểm tra dây câu.
    • Cung cấp một giải pháp thiết bị kiểm nghiệm nội địa hóa có giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn so với các dòng máy thử nghiệm vật liệu nhập khẩu như Qiantong, HZ-1007E hay TMI 84-01.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài:
    • Tải trọng đo giới hạn ở mức 50 kg, chưa đáp ứng kiểm tra các loại dây câu biển cỡ lớn hoặc dây cáp siêu tải trọng vượt trên ngưỡng này.
    • Phương pháp xác định độ giãn dài dựa vào số xung phát từ động cơ bước và chu vi danh định của cuộn cước; sai số có thể phát sinh nếu dây bị lún vào các lớp dây bên dưới trong cuộn cước khi lực căng tăng cao.
    • Chưa tích hợp cơ cấu tự động cắt dây hoặc kẹp ngàm thủy lực/khí nén tự động để tăng tốc độ vận hành trong dây chuyền sản xuất công nghiệp hàng loạt.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Nâng cấp dải đo của cảm biến lực Loadcell và công suất động cơ để mở rộng phạm vi kiểm tra lên các cấp tải trọng cao hơn.
    • Nghiên cứu cơ cấu kẹp mẫu độc lập có trang bị cảm biến đo dịch chuyển quang học (Optical Linear Encoder) nhằm đo độ giãn dài tuyệt đối của đoạn dây thử nghiệm, triệt tiêu sai số do sự biến thiên bán kính cuộn cước.
    • Bổ sung thuật toán hiệu chỉnh bù sai số nhiệt độ cho mạch khuếch đại Loadcell JY-S60 và mở rộng giao thức truyền thông không dây (IoT/Industrial Ethernet) để quản lý chất lượng dữ liệu tập trung trên máy chủ xưởng sản xuất.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho sinh viên và kỹ sư các chuyên ngành:

  • Kỹ thuật Cơ điện tử và Cơ khí chế tạo máy: Nguồn tham khảo cụ thể về quy trình tính toán chọn công suất động cơ bước kết hợp hộp giảm tốc hành tinh, thiết kế kiểm nghiệm bền mỏi trục quay theo tiêu chuẩn sức bền vật liệu, và kỹ thuật mô phỏng ứng suất phần tử hữu hạn (FEA) khung vỏ máy trên Autodesk Inventor.
  • Tự động hóa công nghiệp: Cung cấp cấu trúc chương trình điều khiển PLC Mitsubishi FX3U xử lý tín hiệu analog từ cảm biến lực, kỹ thuật phát xung điều khiển Microstep Driver TB6600, giải thuật hiệu chuẩn điểm 0 của Loadcell và phương thức thiết lập truyền thông mạng RS485 với màn hình HMI Delta.
  • Doanh nghiệp và cơ sở sản xuất dụng cụ câu cá: Cung cấp bản vẽ nguyên lý và giải pháp công nghệ để chế tạo thiết bị kiểm định chất lượng nội bộ cho các lô dây câu cước và dây bện PE trước khi đóng gói và xuất xưởng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm nghiên cứu lại lựa chọn cơ cấu kéo nằm ngang thay vì cơ cấu trục vít me đặt thẳng đứng như các dòng máy thương mại?
Phương án đặt nằm ngang với cơ cấu trục cuốn trực tiếp giúp hệ thống không bị giới hạn hành trình kéo dãn (đặc biệt quan trọng với dây câu dẻo có độ giãn dài lớn), rút ngắn đáng kể thời gian chuẩn bị và gá đặt mẫu thử từ cuộn cước, đồng thời giảm chiều cao tổng thể của thiết bị xuống còn 280 mm giúp máy nhỏ gọn và thuận tiện di chuyển trong xưởng hoặc phòng thí nghiệm.

2. Độ giãn dài của dây câu được tính toán dựa trên nguyên lý nào khi không sử dụng cảm biến dịch chuyển chuyên dụng?
Hệ thống sử dụng giải thuật đếm xung điều khiển động cơ bước: PLC ghi nhận số lượng xung phát ra từ thời điểm cảm biến Loadcell bắt đầu nhận lực kéo cho đến khi lực đột ngột giảm về 0 (thời điểm dây đứt). Số vòng quay của cuộn cước được xác định bằng cách lấy tổng số xung này chia cho số xung tương ứng với một vòng quay, sau đó nhân với chu vi cuộn cước (tính từ thông số đường kính do người dùng nhập trên màn hình HMI).

3. Khung vỏ máy bằng thép tấm dày 1,2 mm có đảm bảo an toàn khi chịu lực kéo cực đại 50 kg không?
Kết quả phân tích ứng suất trên phần mềm Autodesk Inventor cho thấy tại lực kéo cực đại, ứng suất tập trung lớn nhất xuất hiện tại các vị trí liên kết giá đỡ Loadcell và trụ cuốn chỉ đạt 66,64 MPa. Giá trị này nhỏ hơn nhiều so với giới hạn bền uốn của thép kết cấu C45 (360 MPa), do đó khung máy hoàn toàn đảm bảo độ cứng vững và độ bền trong suốt quá trình làm việc.

4. Thiết bị sử dụng những linh kiện chính nào trong hệ thống điện và đo lường lực kéo?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3U-24MT-6AD-2DA, màn hình cảm ứng HMI Delta DOP-B03S11, cảm biến lực kéo Loadcell PST dải đo 100 kg, mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến JY-S60, bộ điều khiển động cơ bước Microstep Driver TB6600, và động cơ bước VEXTA PK269JDA đi kèm hộp giảm tốc hành tinh PX57N010S0 tỉ số truyền 1:10.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế cơ cấu test lực dây câu cá (50kg)” của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một thiết bị kiểm tra cơ tính chuyên dụng cho ngành sản xuất ngư cụ. Hệ thống kết hợp cơ cấu trục cuốn nằm ngang dẫn động bởi động cơ bước qua hộp số hành tinh và module đo lực Loadcell kết hợp PLC FX3U - HMI Delta, đạt độ cứng vững kết cấu cao với ứng suất cực đại 66,64 MPa. Toàn bộ các kết quả thực nghiệm trên các mẫu dây thương mại KIZUNA, TOMAN STRONGEST X8 và LURE RALEIGH đã chứng minh thiết bị vận hành ổn định trong giới hạn tải trọng 50 kg, đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật về kiểm định chất lượng dây câu trước khi lưu thông ra thị trường.