Đồ án HCMUTE: Thiết kế và chế tạo mô hình kiểm tra độ bền mỏi cho sản phẩm nhựa

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế và chế tạo hoàn thiện mô hình kiểm tra độ bền mỏi sản phẩm nhựa, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hùng
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Mai Văn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Mô Hình Kiểm Tra Độ Bền Mỏi Của Sản Phẩm Nhựa
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
• 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu cụ thể
• 1.6. Kết cấu đồ án
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Cơ sở lý thuyết độ bền mỏi
• 3.1.1. Khái niệm
• 3.1.2. Quá trình phá hủy mỏi
• 3.1.3. Đường cong mỏi
• 3.2. Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID
• 3.2.1. Định nghĩa
• 3.2.2. Lưu đồ điều khiển bộ PID
• 3.2.3. Hạn chế của bộ PID
• 3.3. Phần mềm Visual Studio C#
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP TRONG THIẾT KẾ
• 4.1. Quy trình thiết kế
• 4.2. Nguyên lý hoạt động của máy
• 4.3. Các phương án đề ra
• 4.3.1. Lựa chọn phương án
• 4.4. Trình tự công việc tiến hành thiết kế
• 4.4.1. Tính toán lựa chọn cơ cấu
• 4.4.2. Tính toán điều khiển
• 4.4.2.1. Sơ đồ khối và lưu đồ khối
• 4.4.2.2. Tính toán thông số PID cho động cơ
• 4.4.2.3. Tính toán bước dịch chuyển của các trục
• 6. CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thiết kế Mô hình Kiểm tra Độ Bền Mỏi

Phần này tập trung vào thiết kế mô hình kiểm tra độ bền mỏi, một khía cạnh cốt lõi của đồ án tốt nghiệp. Thiết kế mô hình kiểm tra độ bền mỏi đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Các nhà nghiên cứu đã dựa trên lý thuyết độ bền mỏi để xác định các thông số thiết kế. Phân tích độ bền mỏi và quá trình phá hủy mỏi được xem xét kỹ lưỡng. Việc lựa chọn vật liệu, đặc biệt là vật liệu nhựa kỹ thuật, ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của kết quả. Các tiêu chuẩn quốc tế như ISO và ASTM được tham khảo để đảm bảo tính chuẩn xác. Mô hình hóa độ bền mỏi được thực hiện, có thể bằng phần mềm như ANSYS hay ABAQUS, để tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo. Thiết kế thí nghiệm độ bền mỏi cũng là một phần quan trọng, bao gồm việc lựa chọn mẫu thử, phương pháp thử nghiệm và phân tích dữ liệu. Giải pháp tối ưu hóa thiết kế được đề xuất dựa trên kết quả phân tích và mô phỏng. Đường cong S-N là công cụ quan trọng trong việc xác định giới hạn bền mỏi của sản phẩm nhựa. Phân tích yếu tố hữu hạn (FEM) đóng vai trò quan trọng trong việc mô phỏng và dự đoán hành vi của sản phẩm dưới tác động của tải trọng lặp lại.

1.1. Lựa chọn Vật liệu và Tiêu chuẩn

Lựa chọn vật liệu nhựa kỹ thuật phù hợp là yếu tố then chốt. Các tính chất cơ lý của vật liệu, như độ bền kéo, mô đun đàn hồi, và độ bền mỏi, cần được xem xét kỹ. Các tiêu chuẩn quốc tế như ISO và ASTM cung cấp hướng dẫn về phương pháp thử nghiệm và đánh giá độ bền mỏi. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này đảm bảo tính khách quan và so sánh được kết quả. Sự lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào ứng dụng thực tế của sản phẩm. Tiêu chuẩn kiểm tra độ bền mỏi cần được xác định rõ ràng từ đầu. Độ bền mỏi vật liệu nhựa chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm và tải trọng tác động. Phân tích yếu tố hữu hạn (FEM) có thể được sử dụng để mô phỏng và dự đoán hành vi của vật liệu dưới các điều kiện tải trọng khác nhau. Giải pháp tối ưu hóa thiết kế cần được xem xét để đảm bảo sản phẩm đáp ứng được yêu cầu về độ bền mỏi và các tiêu chuẩn đã đề ra. Thực nghiệm độ bền mỏi là bước cần thiết để xác nhận tính chính xác của mô hình và thiết kế.

1.2. Mô phỏng và Tối ưu hóa Thiết kế

Mô phỏng độ bền mỏi bằng phần mềm như ANSYS, ABAQUS, hay SOLIDWORKS Simulation giúp dự đoán hành vi của sản phẩm trước khi chế tạo. Mô hình hóa độ bền mỏi cho phép tối ưu hóa thiết kế, giảm thiểu chi phí và thời gian chế tạo. Phân tích yếu tố hữu hạn (FEM) được ứng dụng để mô phỏng ứng suất, biến dạng và các hiện tượng phá hủy khác nhau. Phần mềm mô phỏng cung cấp các công cụ mạnh mẽ để phân tích kết quả và điều chỉnh thiết kế. Thử nghiệm độ bền mỏi trên mô hình ảo giúp tiết kiệm thời gian và chi phí so với việc thực hiện thử nghiệm trên sản phẩm thật. Đường cong S-N thu được từ mô phỏng cung cấp thông tin quan trọng về tuổi thọ mỏi của sản phẩm. Tối ưu hóa thiết kế dựa trên kết quả mô phỏng hướng đến việc đạt được độ bền mỏi cao nhất với chi phí thấp nhất. Phân tích yếu tố hữu hạn (FEM) là công cụ không thể thiếu trong quá trình thiết kế và tối ưu hóa mô hình kiểm tra độ bền mỏi.

II. Kiểm tra Độ Bền Mỏi Nhựa và Thử Nghiệm

Phần này tập trung vào quá trình kiểm tra độ bền mỏi nhựa. Thử nghiệm độ bền mỏi là bước quan trọng để xác nhận tính hiệu quả của mô hình. Phương pháp kiểm tra độ bền mỏi cần được lựa chọn phù hợp với đặc tính của vật liệu và yêu cầu của thiết kế. Kiểm tra độ bền mỏi sản phẩm nhựa bao gồm việc chuẩn bị mẫu thử, thực hiện thử nghiệm và phân tích dữ liệu. Chu trình tải trọng độ bền mỏi cần được thiết kế sao cho mô phỏng được điều kiện hoạt động thực tế của sản phẩm. Xác suất phá hủy cần được tính toán dựa trên kết quả thử nghiệm. Dữ liệu thử nghiệm độ bền mỏi được phân tích để đánh giá độ tin cậy của mô hình và thiết kế. Đánh giá độ bền mỏi dựa trên các thông số như giới hạn bền mỏi, số chu kỳ đến phá hủy và hình thái phá hủy. Thống kê được sử dụng để phân tích dữ liệu và rút ra kết luận.

2.1. Chuẩn bị Mẫu Thử và Phương pháp Thử Nghiệm

Chuẩn bị mẫu thử là bước quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả. Mẫu thử cần được chế tạo theo đúng kích thước và hình dạng tiêu chuẩn. Phương pháp thử nghiệm độ bền mỏi được chọn dựa trên tiêu chuẩn và loại vật liệu. Kiểm tra độ bền mỏi sản phẩm nhựa thường sử dụng phương pháp thử nghiệm uốn, kéo hoặc mỏi xoay. Thiết kế thí nghiệm độ bền mỏi cần đảm bảo tính đại diện và tính lặp lại của kết quả. Số lượng mẫu thử cần đủ lớn để đảm bảo tính thống kê của kết quả. Điều kiện thử nghiệm như nhiệt độ và độ ẩm cần được kiểm soát chặt chẽ. Ghi chép dữ liệu một cách chính xác và đầy đủ là điều cần thiết. Phân tích dữ liệu sau khi thử nghiệm là bước quan trọng để đánh giá độ bền mỏi của sản phẩm.

2.2. Phân tích Kết quả và Đánh giá

Phân tích dữ liệu thử nghiệm độ bền mỏi giúp đánh giá hiệu quả của mô hình và thiết kế. Đường cong S-N được xây dựng dựa trên dữ liệu thử nghiệm để xác định giới hạn bền mỏi của sản phẩm. Xác suất phá hủy được tính toán dựa trên phân phối thống kê của dữ liệu. Đánh giá độ bền mỏi dựa trên các thông số quan trọng như giới hạn bền mỏi, số chu kỳ đến phá hủy và hình thái phá hủy. So sánh kết quả với các tiêu chuẩn và yêu cầu kỹ thuật để xác định độ tin cậy của sản phẩm. Thống kê được sử dụng để phân tích dữ liệu và rút ra kết luận chính xác. Báo cáo kết quả một cách rõ ràng và dễ hiểu là điều cần thiết. Đánh giá độ bền mỏi cần bao gồm cả các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi như nhiệt độ, độ ẩm và tải trọng tác động. Kết luận cần nêu rõ những ưu điểm, nhược điểm của thiết kế và đề xuất các hướng phát triển.

III. Ứng dụng và Phát triển

Đồ án có ý nghĩa thực tiễn cao. Kiểm tra độ bền mỏi sản phẩm nhựa là nhu cầu thiết yếu trong ngành sản xuất. Kết quả nghiên cứu đóng góp vào việc nâng cao chất lượng sản phẩm. Mô hình kiểm tra độ bền mỏi có thể được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau. Phát triển mô hình hướng tới tính tự động hóa và đa dạng hóa sản phẩm. Nghiên cứu độ bền mỏi cần được tiếp tục để hoàn thiện mô hình. HCMUTE đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo và nghiên cứu lĩnh vực này. Nghiên cứu khoa học liên tục giúp cải tiến mô hình và mở rộng ứng dụng.

3.1. Ứng dụng Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp sản xuất nhựa. Kiểm tra độ bền mỏi sản phẩm nhựa giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm và an toàn cho người sử dụng. Mô hình kiểm tra độ bền mỏi có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như ô tô, điện tử, xây dựng… Đánh giá độ bền mỏi giúp các doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu chi phí. Nghiên cứu khoa học này đóng góp vào sự phát triển của công nghệ sản xuất nhựa trong nước. HCMUTE có thể đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển giao công nghệ và hỗ trợ doanh nghiệp ứng dụng kết quả nghiên cứu. Tiêu chuẩn quốc tế được áp dụng giúp đảm bảo tính chính xác và tin cậy của kết quả. Báo cáo khoa học này là nguồn tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu sau này.

3.2. Hướng Phát Triển

Phát triển mô hình hướng tới tính tự động hóa cao hơn, giảm thiểu sai số và tăng tính đa dạng sản phẩm. Tích hợp công nghệ tiên tiến như trí tuệ nhân tạo (AI) có thể giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả của mô hình. Nghiên cứu độ bền mỏi cần được tiếp tục để mở rộng phạm vi ứng dụng và cải tiến phương pháp thử nghiệm. HCMUTE có thể tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu và đào tạo nguồn nhân lực trong lĩnh vực này. Hợp tác quốc tế giúp tiếp cận với công nghệ tiên tiến và mở rộng mạng lưới nghiên cứu. Luận văn tốt nghiệp này là bước đệm quan trọng cho các nghiên cứu sâu hơn trong tương lai. Nghiên cứu khoa học liên tục là chìa khóa để phát triển công nghệ kiểm tra độ bền mỏi sản phẩm nhựa.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong đời sống thường ngày cũng như trong sản xuất công nghiệp, các sản phẩm và chi tiết làm từ vật liệu polyme (nhựa) được ứng dụng rộng rãi. Trong quá trình vận hành, các chi tiết này thường xuyên chịu tác động của tải trọng lặp đi lặp lại có tính chu kỳ (ví dụ: các loại nút bấm, nắp chai đóng mở, chốt khóa bản lề mềm). Mặc dù lực tác động đơn lẻ trong mỗi chu kỳ không vượt quá giới hạn bền tĩnh của vật liệu và bề ngoài không gây biến dạng tức thời, nhưng hiện tượng mỏi vật liệu tích lũy theo thời gian sẽ khiến tại các vị trí tập trung ứng suất xuất hiện hiện tượng biến cứng, nứt tế vi và dẫn đến gãy vỡ đột ngột. Sự cố này gây mất khả năng làm việc của toàn bộ thiết bị nếu chi tiết gãy đóng vai trò kết cấu quan trọng.

Tại thời điểm thực hiện đề tài (năm 2015), nhu cầu đánh giá tuổi thọ và độ bền mỏi của sản phẩm nhựa là mối quan tâm hàng đầu của các doanh nghiệp sản xuất nhựa kỹ thuật. Tuy nhiên, các hệ thống máy đo độ bền mỏi tiêu chuẩn trên thế giới (như dòng máy của Qualitest - Canada hay các hệ thống thử nghiệm tải trọng lớn 250 kN của Thụy Sỹ) đòi hỏi chi phí đầu tư rất lớn và chủ yếu tập trung thử nghiệm mẫu kim loại hoặc mẫu vật liệu tiêu chuẩn. Các thiết bị thử nghiệm chuyên biệt cho sản phẩm nhựa hoàn chỉnh, có kết cấu nhỏ gọn và giá thành phù hợp gần như chưa được chế tạo trong nước. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế và chế tạo mô hình kiểm tra độ bền mỏi của sản phẩm nhựa" đã được thực hiện tại Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm hai nhiệm vụ trọng tâm:

1. Thiết kế và chế tạo mô hình máy cơ điện tử có khả năng tạo ra các điều kiện tác động lực lặp lặp lại lên sản phẩm nhựa tương tự như trạng thái làm việc thực tế ngoài môi trường sử dụng.
2. Tích hợp hệ thống điều khiển tự động hóa, điều khiển vị trí đa trục và giao tiếp với máy tính để hiển thị, ghi nhận chính xác số chu kỳ tác động lực cho đến khi sản phẩm bị phá hủy hoàn toàn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Độ bền mỏi và số chu kỳ phá hủy của các sản phẩm nhựa kỹ thuật và dân dụng (đặc biệt là dạng nút bấm tịnh tiến và chi tiết khớp lật/khóa nhựa).
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Hoàn thiện kết cấu cơ khí định vị 3 trục (X, Y, Z) và cơ cấu chấp hành tay quay con trượt.
  • Thiết kế phần cứng mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển Arduino kết hợp mạch công suất động cơ DC.
  • Xây dựng giải thuật điều khiển vị trí PID và thuật toán đếm xung thời gian thực.
  • Xây dựng phần mềm giao diện giám sát và thu thập dữ liệu trên máy tính bằng ngôn ngữ C#.
  • Thời gian thực hiện đồ án: 15 tuần.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán được tác giả sử dụng trong nghiên cứu:

• Lý thuyết độ bền mỏi và phá hủy mỏi của vật liệu: Dưới tác dụng của tải trọng biến đổi tuần hoàn theo thời gian, ứng suất $\sigma(t)$ biến thiên theo hàm số hình sin, lần lượt đi qua các giá trị cực đại và cực tiểu. Quá trình phá hủy mỏi khởi đầu từ những biến dạng dẻo cục bộ và vết nứt vi mô tại vùng tập trung ứng suất, mở rộng dần theo số chu kỳ làm việc $N$ làm suy giảm diện tích mặt cắt chịu lực, dẫn đến gãy hỏng đột ngột. Tác giả áp dụng đường cong mỏi Wöhler ($S-N$), xác định giới hạn mỏi ngắn hạn $\sigma_k$, giới hạn bền mỏi dài hạn $\sigma_0$ ứng với chu kỳ cơ sở $N_0$, cùng thuyết tích lũy tổn thương tuyến tính để làm nền tảng tính toán tuổi thọ mỏi.
• Lý thuyết điều khiển phản hồi PID: Sử dụng thuật toán điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân kinh điển với hàm ngõ ra: $$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}$$ Trong đó, $K_p$ xử lý sai số hiện tại, $K_i$ triệt tiêu sai số xác lập và $K_d$ hạn chế độ vọt lố, dự báo biến thiên sai số. Phương pháp Ziegler-Nichols dựa trên hàm quá độ và chu kỳ dao động tới hạn $T_{crit}$ được dùng để tính toán các hệ số điều khiển cho động cơ.
• Lý thuyết truyền động cơ khí chính xác: Sử dụng mô hình truyền động vít me - đai ốc bi khử khe hở với ma sát lăn (hiệu suất trên 90%) và bộ truyền đai răng đồng bộ tiêu chuẩn.
• Nguyên lý cảm biến quang và PSD (Position Sensing Device): Ứng dụng cảm biến quang điện chuyển đổi biến thiên cường độ ánh sáng thành tín hiệu điện áp/dòng điện nhằm phát hiện thời điểm nứt gãy của vật thể.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

• Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành về chi tiết máy, sức bền vật liệu và điều khiển tự động.
• Phương pháp tính toán cơ học giải tích: Xác định phản lực liên kết, mômen uốn xoắn, kiểm nghiệm độ bền kéo của đai răng và kiểm tra ứng suất trục theo tiêu chuẩn thép chế tạo máy C45 và 105CrMo17.
• Phương pháp thiết kế và mô phỏng hình học 3D trên phần mềm CATIA.
• Phương pháp thực nghiệm đo kiểm: Kết nối phần cứng vi điều khiển (Arduino Mega 2560, Arduino Uno) với giao diện Visual Studio C#, chạy thực nghiệm trên các mẫu sản phẩm nhựa thực tế và đo đếm số chu kỳ phá hủy qua tín hiệu cảm biến quang và encoder.

Nguồn dữ liệu:

• Dữ liệu thông số tiêu chuẩn bánh đai, đai răng, trục vít me và động cơ điện một chiều DC Servo (NF5475E) tra cứu từ bảng tra cơ khí và catalogue nhà sản xuất.
• Dữ liệu thực nghiệm thu được từ quá trình chạy thử nghiệm kiểm tra mỏi trên các mẫu nhựa: PA66 gia cường sợi thủy tinh (PA66 + 30%GF), PP pha phụ gia canxi cacbonat (50%PP + 50%$\text{CaCO}_3$) và PP nguyên sinh (100%PP).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc kiểm tra độ bền mỏi đối với các sản phẩm nhựa trước khi đưa vào sản xuất hàng loạt hoặc phân phối thương mại; xác định ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong bối cảnh các dòng máy ngoại nhập có giá thành quá cao; nêu rõ mục tiêu thiết kế mô hình máy thử mỏi có khả năng tái lập chuyển động làm việc thực tế, có tính năng tự động dừng và truyền nhận dữ liệu với máy tính; phân định đối tượng, phạm vi nghiên cứu và bố cục tổng thể 6 chương của khóa luận.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Chương 2 tổng hợp tình hình nghiên cứu về độ bền mỏi trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả phân tích các nghiên cứu thử mỏi của Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Đại học Giao thông Vận tải và khảo sát thông số kỹ thuật của hai hệ thống máy tiêu biểu trên thị trường:

• Máy Qualitest (Canada): Thử mỏi cao su và nhựa với tốc độ điều chỉnh 35 - 300 chu kỳ/phút, khoảng cách ngàm kẹp tối đa 100 mm, khả năng gá đồng thời 16 mẫu.
• Máy thử mỏi 250KN (Thụy Sỹ): Thử động tải trọng tối đa $\pm 250\text{ kN}$, hành trình piston $100\text{ mm}$, đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế ISO 7500-1, ASTM E4, ASTM E1012.

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này thiết lập cơ sở toán học và kỹ thuật cho toàn bộ đề tài:

• Trình bày bản chất vật lý của sự phá hủy mỏi dưới tác dụng của ứng suất xoay chiều hình sin, phân tích cấu tạo bề mặt gãy gồm hai vùng (vùng nhẵn do ma sát vết nứt và vùng gợn xù xì do đứt gãy giòn đột ngột), phân tích đồ thị đường cong mỏi $S-N$.
• Trình bày giải thuật điều khiển PID, ý nghĩa các khâu $K_p, K_i, K_d$, các hạn chế khi áp dụng cho hệ phi tuyến và giải pháp kết hợp điều khiển nuôi tiến.
• Giới thiệu môi trường lập trình hướng đối tượng Visual Studio C# để thiết kế giao diện máy tính (GUI) và phần mềm Arduino IDE.
• Phân loại cảm biến quang (thu phát độc lập, phản xạ gương, khuếch tán, phản xạ giới hạn), nguyên tắc hoạt động của PSD.
• Phân tích động học và kết cấu của vít me - đai ốc thường so với vít me - đai ốc bi, nêu 3 phương pháp khử khe hở cơ khí trong bộ truyền vít me bi.

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP TRONG THIẾT KẾ

Chương 4 thiết lập quy trình thiết kế máy từ nghiên cứu thị trường, xây dựng ý tưởng, vẽ phác thảo, thiết kế 3D trên CATIA đến gia công lắp ráp. Tác giả phân tích hai dạng chuyển động làm việc của sản phẩm nhựa (tịnh tiến và xoay lật góc) và tiến hành so sánh hai phương án cơ cấu chấp hành:

• Phương án dùng cơ cấu cam (cam mặt, cam rãnh, cam trụ): Có ưu điểm dễ tạo quy luật chuyển động phức tạp nhưng nhược điểm là khớp cao tiếp xúc điểm/đường dễ bị mài mòn nhanh, gia công khó khăn.
• Phương án dùng cơ cấu tay quay con trượt: Khớp loại 5, kết cấu đơn giản, độ bền mài mòn cao, truyền lực lớn, dễ chế tạo, dễ điều chỉnh bán kính tay quay để thay đổi hành trình. Tác giả lựa chọn cơ cấu tay quay con trượt.
• Xác định cấu trúc điều khiển: Lựa chọn phương án tính toán thuật toán PID trực tiếp trên vi điều khiển thay vì trên phần mềm C# để đảm bảo đáp ứng tức thời tần số đọc xung encoder, sau đó truyền kết quả số chu kỳ lên giao diện máy tính.

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ VÀ TÍNH TOÁN ĐIỀU KHIỂN

Chương này thực hiện toàn bộ các phép tính toán động học, động lực học và thiết kế phần cứng:

• Tính toán cơ cấu tay quay con trượt: Tốc độ $n = 3000\text{ vòng/phút}$, bán kính tay quay $l_1 = 2 - 15\text{ mm}$, chiều dài thanh truyền $l_2 = 50\text{ mm}$, lực tác dụng tịnh tiến $P = 10\text{ N}$ (ở góc $45^\circ$). Tách khâu xác định phản lực liên kết tại các khớp $R_{23} = R_{32} = R_{12} = R_{01} = 14,2\text{ N}$.
• Tính toán bàn máy trục X: Khối lượng bàn máy $W_1 = 3,6\text{ kg}$, đồ gá $W_2 = 1\text{ kg}$, vận tốc chạy không $v = 0,05\text{ m/s}$, hành trình $200\text{ mm}$, hệ số ma sát $\mu = 0,1$, lực kéo tổng $F_t = 10,73\text{ N}$. Chọn bộ truyền đai răng tỉ số truyền $1:1$, môđun $m = 2\text{ mm}$, số răng $z = 16$, đường kính chia $d = 32\text{ mm}$, khoảng cách trục tối thiểu $a = 42\text{ mm}$. Kiểm nghiệm tải trọng riêng kéo $W_t = 2,92\text{ N/mm} < [w_t] = 5,005\text{ N/mm}$. Chọn trục dẫn động đường kính $d = 8\text{ mm}$ bằng thép C45 tôi cải thiện.
• Tính toán bàn máy trục Y: Khối lượng $M = 3,6\text{ kg}$, vận tốc $v = 0,02\text{ m/s}$, hành trình $150\text{ mm}$, thời gian khởi động $0,15\text{ s}$, lực kéo $F_t = 7,68\text{ N}$, hệ số tải trọng động $C = 1,3$. Chọn đai răng tỉ số truyền $1:1$, môđun $m = 1\text{ mm}$, $z_1 = 16$, $d_1 = 16\text{ mm}$. Kiểm nghiệm kéo $W_t = 0,96\text{ N/mm} < [w_t] = 2,5025\text{ N/mm}$. Kiểm nghiệm bền uốn trục dẫn động dưới lực căng đai $F_r = 9,216\text{ N}$, tính được phản lực $Y_A = Y_C = 4,608\text{ N}$, chọn trục $d = 8\text{ mm}$ thép C45 ($\sigma = 600\text{ MPa}$).
• Tính toán bàn máy trục Z: Khối lượng nâng $5,4\text{ kg}$, vận tốc $0,05\text{ m/s}$, hành trình $300\text{ mm}$. Chọn trục vít me bi đường kính $15\text{ mm}$, chiều dài $320\text{ mm}$, bước vít $10\text{ mm}$, vật liệu hợp kim 105CrMo17 (độ bền kéo $610\text{ MPa}$, giới hạn đàn hồi $408\text{ MPa}$). Lực dọc trục $F_a = 54\text{ N}$, hiệu suất $\eta = 0,9$, thỏa mãn điều kiện bền và tốc độ quay giới hạn.
• Tính chọn động cơ truyền động 3 trục: Công suất tính toán trục X ($0,42\text{ W}$), trục Y ($0,12\text{ W}$), trục Z ($0,6\text{ W}$). Lựa chọn loại động cơ DC Servo NF5475E có thông số: điện áp $24\text{V}$, công suất $32,26\text{W}$, tốc độ quay $3000\text{ vòng/phút}$, mômen xoắn $160\text{ N.mm}$ (đáp ứng điều kiện $T_{đm} \ge 1,3 T_{tải}$).
• Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng: Kết hợp thanh trượt bi và thanh tròn trơn hợp kim thép lồng ổ bi trượt.
• Thiết kế hệ thống điều khiển: Sử dụng cấu hình vi điều khiển kép:
  • Board Arduino Mega 2560: Nhận lệnh từ giao diện C#, điều khiển động cơ trục X (xung PWM chân 7, DIR chân 9), đọc tín hiệu encoder trục X (chân 2, 4), đọc công tắc hành trình trục X (chân 12, 13), xuất xung điều khiển động cơ chấp hành tay quay con trượt (PWM chân 3, DIR chân 5), nhận tín hiệu cảm biến quang ngắt máy (chân 6), giao tiếp UART Serial (TX1 chân 18, RX1 chân 19) với Arduino Uno.
  • Board Arduino Uno: Nhận lệnh từ Mega để điều khiển trục Y (PWM chân 7, DIR chân 9, encoder chân 2, 4, hành trình chân 6, 8) và trục Z (PWM chân 10, DIR chân 11, encoder chân 3, 5, hành trình chân 12, 13).
  • Thuật toán vận hành: Định vị đồ gá qua 3 chế độ bước nhảy ($10\text{ mm}$, $5\text{ mm}$, $1\text{ mm}$), hạ trục Z đặt biên độ dao động, chạy cơ cấu chấp hành đếm chu kỳ qua encoder và tự động dừng khi cảm biến quang phát hiện sản phẩm bị đứt gãy.

CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ

Chương 6 trình bày kết quả thử nghiệm mô hình thực tế trên các mẫu sản phẩm khóa nhựa, đánh giá độ ổn định của hệ thống cơ khí, độ chính xác của giải thuật đếm chu kỳ, tổng kết ưu nhược điểm và đề xuất các hướng phát triển hoàn thiện thiết bị.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cơ điện tử thử mỏi sản phẩm nhựa được cấu trúc thành ba phân hệ tích hợp:

Phân hệ	Thành phần cấu tạo chính	Thông số kỹ thuật / Giải pháp thiết kế
Cơ cấu chấp hành	Động cơ DC, tay quay - con trượt, cơ cấu đòn bẩy	Vận tốc $3000\text{ vòng/phút}$, bán kính tay quay $l_1 = 2 - 15\text{ mm}$, thanh truyền $l_2 = 50\text{ mm}$, lực tịnh tiến $10\text{ N}$. Có cơ cấu đòn bẩy chuyển chuyển động tịnh tiến thành chuyển động lật góc.
Hệ thống định vị 3 trục (X-Y-Z)	Bàn máy X, Y, Z; đai răng; vít me bi; thanh dẫn hướng	- Trục X: Hành trình $200\text{ mm}$, đai răng $m=2\text{ mm}$, $z=16$, trục thép C45 $\phi 8\text{ mm}$. - Trục Y: Hành trình $150\text{ mm}$, đai răng $m=1\text{ mm}$, $z_1=16$, trục thép C45 $\phi 8\text{ mm}$. - Trục Z: Hành trình $300\text{ mm}$, vít me bi $\phi 15\text{ mm}$, bước $10\text{ mm}$, vật liệu 105CrMo17. - Động cơ dẫn động: Động cơ DC Servo NF5475E ($24\text{V}, 32,26\text{W}, 3000\text{ vòng/phút}, 160\text{ N.mm}$). - Dẫn hướng: Thanh trượt bi và thanh tròn trơn lồng ổ bi trượt.
Hệ thống điều khiển & Giám sát	Arduino Mega 2560, Arduino Uno, mạch công suất, cảm biến quang, công tắc hành trình, GUI C#	- Arduino Mega: Điều khiển trục X, cơ cấu chấp hành, đọc cảm biến quang, đọc encoder, kết nối PC. - Arduino Uno: Điều khiển trục Y và Z, đọc encoder và công tắc hành trình tương ứng. - Thuật toán PID: Thực thi trên vi điều khiển theo phương pháp Ziegler-Nichols. - An toàn: 6 công tắc hành trình giới hạn 3 trục. - Giao diện C#: 3 chế độ dịch chuyển ($10\text{ mm}, 5\text{ mm}, 1\text{ mm}$), hiển thị số chu kỳ mỏi thời gian thực.

Quy trình vận hành và kiểm thử hệ thống:

1. Gá đặt sản phẩm mẫu lên đồ gá chuyên dụng trên bàn máy.
2. Từ giao diện máy tính C#, người dùng điều khiển tọa độ trục X và Y để đưa mẫu vào vị trí làm việc thông qua các chế độ di chuyển thô ($10\text{ mm}$), trung bình ($5\text{ mm}$) và tinh ($1\text{ mm}$).
3. Điều khiển trục Z tịnh tiến xuống từ từ cho đến khi đầu tác động đạt đúng biên độ làm việc yêu cầu của chi tiết nhựa.
4. Phát lệnh khởi động cơ cấu chấp hành từ máy tính; động cơ quay làm con trượt tác động lực chu kỳ lên sản phẩm. Encoder gắn trên động cơ liên tục đọc số vòng quay gửi về vi điều khiển để tính toán số chu kỳ tải và truyền lên giao diện hiển thị.
5. Khi chi tiết nhựa xuất hiện vết nứt mỏi và gãy rời, chùm sáng từ cảm biến quang không còn bị che khuất (hoặc nhận tín hiệu phản xạ thay đổi), cảm biến lập tức gửi tín hiệu ngắt về chân số 6 của Arduino Mega 2560.
6. Vi điều khiển ngắt tín hiệu PWM dừng động cơ chấp hành ngay lập tức, khóa vị trí các trục và giữ nguyên số chu kỳ phá hủy cuối cùng trên màn hình giao diện.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm:

• Nhóm tác giả đã thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy thử nghiệm độ bền mỏi sản phẩm nhựa với đầy đủ phần cứng cơ khí, mạch điều khiển và phần mềm giao tiếp máy tính.
• Máy tạo được điều kiện tác động lực có chu kỳ (chuyển động tịnh tiến nhấn nút hoặc chuyển động lật mở bản lề qua đòn bẩy) sát với thực tế làm việc của sản phẩm nhựa.
• Hệ thống đếm chu kỳ hoạt động ổn định, sai số đếm xung thông qua encoder và cảm biến quang nhỏ, nằm trong giới hạn cho phép.
• Thử nghiệm thành công trên 3 nhóm mẫu khóa nhựa có thành phần vật liệu khác nhau:
  • Mẫu khóa nhựa PA66 + 30%GF (Polyamide 66 gia cường 30% sợi thủy tinh).
  • Mẫu khóa nhựa 50%PP + 50%$\text{CaCO}_3$ (Polypropylene pha bột đá canxi cacbonat).
  • Mẫu khóa nhựa 100%PP (Polypropylene nguyên sinh).

Giải pháp và kiến nghị của tác giả:

• Sử dụng cấu hình vi điều khiển phân tán (Master Mega 2560 - Slave Uno) nhằm giảm tải xử lý cho vi điều khiển, đảm bảo tốc độ đọc và xử lý xung encoder với tần số cao không bị bỏ sót chu kỳ.
• Đề xuất giải pháp chuẩn hóa đồ gá gá đặt để dễ dàng thay đổi khi thử nghiệm các mẫu sản phẩm có hình dạng hình học khác nhau.

Đóng góp của đồ án:

• Tự chủ trong việc tính toán, thiết kế và chế tạo một hệ thống thiết bị kiểm tra cơ tính vật liệu nhựa có tính ứng dụng cao với chi phí gia công thấp, khắc phục sự phụ thuộc vào các dòng máy đo nhập khẩu đắt tiền.
• Hoàn thiện quy trình tích hợp liên ngành Cơ khí chính xác - Điện tử - Công nghệ thông tin (Cơ điện tử) trong bài toán kiểm nghiệm độ bền mỏi vật liệu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được văn bản ghi nhận:

• Hệ thống chưa đạt mức độ tự động hóa hoàn toàn ở khâu gá đặt và hiệu chỉnh vị trí ban đầu.
• Tính đa dạng đối với sản phẩm kiểm tra còn thấp, khả năng thích ứng hình học hoàn toàn phụ thuộc vào từng loại đồ gá cơ khí đơn lẻ.
• Việc điều khiển vị trí của các trục chuyển động còn tồn tại sai số nhất định do quán tính cơ khí và độ rơ liên kết.
• Kết cấu hai thanh tròn trơn thép hợp kim dùng làm dẫn hướng bàn máy bên dưới tuy giảm giá thành nhưng chịu tải trọng uốn kém hơn ray trượt bi tiêu chuẩn, khó lắp ráp đảm bảo độ song song tuyệt đối giữa các trục.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Phát triển và tiêu chuẩn hóa bộ đồ gá vạn năng nhằm đo đạc được nhiều loại sản phẩm nhựa có hình dáng và kích thước phức tạp khác nhau.
• Tối ưu hóa giải thuật điều khiển và nâng cao độ chính xác định vị các trục X-Y-Z.
• Nâng cấp phần cứng cơ khí để tăng độ cứng vững và giảm thiểu sai số động học trong quá trình vận hành lâu dài.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

• Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về quy trình tính toán thiết kế máy từ động học cơ cấu (tay quay con trượt, bộ truyền đai răng, vít me bi), chọn động cơ DC Servo theo mômen tải, đến thiết kế mạch điều khiển vi điều khiển và lập trình giao diện giám sát C# qua chuẩn truyền thông nối tiếp UART.
• Kỹ sư và kỹ thuật viên ngành Công nghệ Vật liệu, Công nghệ Nhựa - Polymer: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình thử nghiệm mỏi thực tế và cơ chế ghi nhận phá hủy vật liệu nhựa phục vụ công tác kiểm định chất lượng sản phẩm.
• Phần nội dung đáng tham khảo nhất: Chương 5 với các bước tính toán chi tiết về sức bền bộ truyền đai răng theo tải trọng riêng, kiểm nghiệm trục vít me bi vật liệu 105CrMo17 và sơ đồ phân bổ chân I/O kết nối truyền thông giữa hai vi điều khiển Arduino Mega 2560 và Arduino Uno.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn cơ cấu tay quay con trượt thay vì cơ cấu cam để làm cơ cấu chấp hành thử mỏi?
Trả lời: Trong Chương 4, nhóm tác giả phân tích rằng cơ cấu cam thuộc khớp cao (tiếp xúc điểm hoặc đường), bề mặt làm việc dễ bị mài mòn nhanh dưới tần số chu kỳ lớn và công nghệ gia công biên dạng cam phức tạp. Trong khi đó, cơ cấu tay quay con trượt sử dụng các khớp loại 5, kết cấu đơn giản, độ bền mòn cao, truyền được lực lớn, dễ chế tạo, lắp ráp và cho phép thay đổi bán kính tay quay $l_1$ ($2 - 15\text{ mm}$) để điều chỉnh hành trình tác động một cách linh hoạt.

2. Lý do đề tài sử dụng kết hợp hai board vi điều khiển (Arduino Mega 2560 và Arduino Uno) là gì?
Trả lời: Do tốc độ xử lý của vi điều khiển có giới hạn và để đảm bảo đọc vị trí từ encoder với độ chính xác cao ở tốc độ $3000\text{ vòng/phút}$, nhóm tách riêng nhiệm vụ: Arduino Mega đóng vai trò nhận lệnh từ giao diện C#, điều khiển trục X, đọc xung encoder của cơ cấu chấp hành và nhận tín hiệu ngắt từ cảm biến quang; Arduino Uno đóng vai trò phụ điều khiển vị trí hai trục Y và Z cùng hệ thống công tắc hành trình tương ứng. Hai board giao tiếp với nhau qua cổng UART nối tiếp (chân RX/TX).

3. Cơ chế tự động phát hiện sản phẩm nhựa bị gãy và dừng máy hoạt động như thế nào?
Trả lời: Máy sử dụng một cảm biến quang (kết nối chân số 6 của Arduino Mega 2560) chiếu trực tiếp vào vị trí làm việc của mẫu nhựa. Khi mẫu bị nứt gãy và biến dạng do mỏi, đường truyền ánh sáng của cảm biến bị thay đổi, cảm biến lập tức kích hoạt tín hiệu điện gửi về vi điều khiển. Arduino Mega phát tín hiệu ngắt dừng xung PWM cấp cho động cơ chấp hành, khóa hoạt động các trục và gửi lệnh dừng cập nhật chu kỳ lên giao diện máy tính C#.

4. Động cơ dẫn động chính và trục vít me trục Z được lựa chọn với những thông số kỹ thuật nào?
Trả lời: Động cơ dẫn động được chọn là loại DC Servo mã hiệu NF5475E với thông số: điện áp $24\text{V}$, công suất $32,26\text{W}$, tốc độ quay $3000\text{ vòng/phút}$, mômen xoắn định mức $160\text{ N.mm}$. Trục Z sử dụng vít me đai ốc bi có đường kính $15\text{ mm}$, chiều dài $320\text{ mm}$, bước vít $10\text{ mm}$, chế tạo từ thép hợp kim 105CrMo17 có độ bền kéo đạt $610\text{ MPa}$.

5. Giao diện phần mềm C# hỗ trợ những chế độ điều khiển vị trí nào cho các trục?
Trả lời: Giao diện trên máy tính cho phép người vận hành điều khiển dịch chuyển các trục X, Y, Z theo 3 chế độ bước khoảng cách khác nhau: $10\text{ mm}$ (dịch chuyển nhanh), $5\text{ mm}$ (dịch chuyển trung bình) và $1\text{ mm}$ (dịch chuyển tinh), giúp căn chỉnh đầu tác động vào đúng vị trí làm việc của sản phẩm một cách nhanh chóng và chính xác.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo mô hình kiểm tra độ bền mỏi của sản phẩm nhựa" của sinh viên Nguyễn Thanh Hùng và Đỗ Quốc Nhân đã hoàn thành việc chế tạo một hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh có khả năng tạo tải trọng lặp chu kỳ và đo đếm số lần phá hủy mỏi của sản phẩm nhựa. Bằng việc kết hợp cơ cấu tay quay con trượt, hệ thống định vị 3 trục dẫn động đai răng - vít me bi, cấu trúc vi điều khiển kép Arduino và phần mềm giám sát C#, mô hình đã vận hành ổn định và kiểm nghiệm thành công trên các mẫu vật liệu PA66-GF và PP. Đây là công trình thực nghiệm có giá trị kỹ thuật thực tiễn cao, đóng góp một giải pháp chế tạo thiết bị kiểm nghiệm cơ tính nội địa với chi phí tối ưu cho ngành công nghệ vật liệu và cơ khí chế tạo máy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HOÀN THIỆN MÔ HÌNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN MỎI SẢN PHẨM NHỰA GVHD: ThS. TRẦN MAI VĂN SVTH: NGUYỄN THANH HÙNG MSSV: 11146045 SVTH: ĐỖ QUỐC NHÂN MSSV: 11146073 SKL 0 0 3 8 8 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 do an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn : ThS.

TRẦN MAI VĂN Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THANH HÙNG MSSV: 11146045 ĐỖ QUỐC NHÂN MSSV: 11146073 1. Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo mô hình kiểm tra độ bền mỏi của sản phẩm nhựa”. Các số liệu, tài liệu ban đầu: ……………. Nội dung chính của đồ án: …………….

Các sản phẩm dự kiến ……………. Ngày nộp đồ án: TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i do an LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo mô hình kiểm tra độ bền mỏi của sản phẩm nhựa”. - Giảng viên hƣớng dẫn : ThS. TRẦN MAI VĂN - Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THANH HÙNG MSSV: 11146045 ĐỖ QUỐC NHÂN MSSV: 11146073 - Lớp:1114601B - Địa chỉ sinh viên:105/1/11 - Nguyễn Tƣ giản - Tổ 75 - Kp10 - P12 - Q.

Hồ Chí Minh. - Số điện thoại liên lạc: 01658975582(Nhân). - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 27/7/2015 - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc.

Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 7 năm 2015 Ký tên Nguyễn Thanh Hùng Đỗ Quốc Nhân ii do an LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên chúng em xin g ửi lời cảm ơn đến toàn thể quý thầy cô giáo trong Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy - Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã dìu dắt, dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm cho chúng em trong 4 năm qua. Đặc biệt, chúng em xin đƣ ợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Th.S Trần Mai Văn, ngƣời thầy đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, giúp đỡ và truyền đạt cho chúng em những kinh nghiệm quý báu giúp chúng em hoàn thành đồ án đúng thời hạn.

Cuối cùng chúng em xin đƣ ợc gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, ngƣời thân, bạn bè đã chia sẻ, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để chúng em hoàn thành khóa luận này. Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi những thiếu sót, chúng em mong sự chỉ bảo thêm của thầy cô giúp chúng em hoàn thành và đ ạt kết quả tốt hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 27 tháng 7 năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thanh Hùng Đỗ Quốc Nhân iii do an TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN MỎI CỦA SẢN PHẨM NHỰA” Máy thử độ bền mỏi sản phẩm nhựa là máy dùng để thử các mẫu sản phẩm bằng vật liệu nhựa nhằm đánh giá độ bền mỏi của sản phẩm nhựa trong thực tế. Mục tiêu nghiên cứu đề tài là chế tạo và điều khiển máy sao cho tạo đƣợc điều kiện tác động vào sản phẩm nhƣ khi sản phẩm đƣợc sử dụng ngoài thực tế; có khả năng tự động hóa và giao tiếp máy tính.

Nội dung và quá trình thực hiện: Thiết kế và hoàn thiện bản vẽ, gia công phần cơ khí, lắp ráp phần cơ khí, kiểm tra và hoàn thiện phần cơ khí, viết báo cáo.Máy dùng để đo số lần phá hủy mỏi của sản phẩm nhựa.Nguyên lý hoạt động của máy dựa trên cơ cấu tay quay-con trƣợt với số lần tác dụng lớn lên sản phẩm,làm phá hủy mỏi của sản phẩm.Sau khi hoàn thành quá trình phá hủy mỏi của sản phẩm,ta tìm đƣợc số lần phá hủy thông qua cảm biến và phần mềm đo. Nhóm đã thiết kế và chế tạo thành công máy dùng để đo độ bền mỏi của sản phẩm nhựa, sau khi chạy thử nghiệm nhóm đã rút ra một số đánh giá sau: tạo đƣớc điều kiện tác động vào sản phẩm nhựa gần giống với thục tế, sai số trong việc đếm số lần tác động nhỏ và nằm trong giới hạn cho phép, có khả năng giao tiếp máy tinh; tuy nhiên vẫn còn một số khuyết điểm nhƣ: chƣa tự động hóa hoàn toàn, tính đa dạng đối với sảm phẩm kiểm tra còn thấp(phụ thuộc vào đồ gá), việc điều khiển các trục còn có sai số cao,…Trong tƣơng lai,máy có thể đƣợc phát triển để đo đƣợc nhiều sản phẩm bằng cách thay thế các loại đồ gá khác nhau cho từng loại sản phẩm khác nhau. Sinh viên thực hiện Nguyễn Thanh Hùng Đỗ Quốc Nhân iv do an MỤC LỤC Trang LỜI CAM KẾT. ii LỜI CẢM ƠN.

iv DANH MỤC HÌNH ẢNH. vii DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU. ix DANH MỤC VIẾT TẮT. x CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU.1 Tính cấp thiết của đề tài .2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .1 Đối tƣợng nghiên cứu .2 Phạm vi nghiên cứu .5 Phƣơng pháp nghiên cứu .1 Cơ sở phƣơng pháp luận .2 Phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể.

2 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI. 3 CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Cơ sở lý thuyết độ bền mỏi .2 Quá trình phá hủy mỏi .3 Đƣờng cong mỏi .2 Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID .2 Hạn chế của bộ PID .3 Phần mền Visual Studio C# .4 Sơ lƣợc phần mềm Arduino: .1 Khái niệm chung.2 Cảm biến quang .3 Sơ lƣợc Vít me – đai ố c. 13 v do an CHƢƠNG 4 : PHƢƠNG HƢỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP. 15 TRONG THIẾT KẾ .1 Quy trình thiế t kế .2 Nguyên lý hoạt động của máy .3 Các phƣơng án đề ra .3 Lựa chọn phƣơng án .4Trình tự công việc tiến hành thiết kế .1 Tính toán lựa chọn cơ cấu .2 Tính toán điều khiển.1 Sơ đồ khối và lƣu đồ khối .2 Tính toán thông số PID cho động cơ .3 Tính toán bƣớc dịch chuyển của các trục.

42 CHƢƠNG 6: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ .3 Hƣớng phát triển. 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 48 vi do an DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 2.2: Máy thử mỏi vật liệu 250KN .1: Trục chịu uốn thuần túy .2: Đƣờng sin của ứng suất tại điểm M .3: Chi tiết bị phá hủy mỏi.4: Lƣu đồ điều khiển bộ PID(3) .5: Đồ thị điều khiển PID trên Matlab(4).6: Cửa sổ khởi động Visual Studio .7: Cửa sổ khởi động Arduino IDE .8: Đai ốc thƣờng .10: Cấu tạo của vit me bi(6) .6: Nguyên lý tay quay con trƣợt .7: Đặc điểm của cơ cấu tay quay con trƣợt .8: Sơ đồ nguyên lý máy sử dụng tay quay-con trƣợt .10: Cơ cấu tay quay con trƣợt. 20 vii do an Hình 4.12: Sơ đồ chân board Arduino MEGA 2560(7) .13: Sơ đồ Board Arduino UNO(8) .1: Cơ cấu tay quay con trƣợt .2: Tách khâu tay quay-con trƣợt .4 : Cách lắp thanh trƣợt bi .5: Sơ đồ phân bố momen .8: Cách lắp thanh trƣợt bi .9: Thanh tròn trơn thép hơ ̣p kim lồ ng ổ bi .10: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển .11: Lƣu đồ giải thuật điều khiển .12: Bộ điều khiển .13: Khối board điều khiển .13: Khối board công suất .13: Khối board điều khiển .14 : Cách xác định Tcrit dựa trên hàm quá độ của hệ thống(9) .1: Mẫu thử nghiệm .2: Mẫu thử Khóa nhựa PA66 + 30%GF .3: Mẫu thử Khóa nhựa 50%PP + 50%CaCO3.4: Mẫu thử khóa nhựa 100%PP.

45 viii do an DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU Trang Sơ đồ 4.1: Quy trình thiế t kế máy .1: Thông số của bánh đai theo tiêu chuẩn .2: Hệ số ảnh hƣởng đến tỉ số truyền .3: Hệ số ảnh hƣởng đến chiều rộng dây đai .4: Công thức tính thông số bộ điều khiển PID theo phƣơng pháp Zeigler- Nichols(10) .1: Kết quả thực nghiệm. 45 ix do an DANH MỤC VIẾT TẮT P Proportional. PID Proportional – Integral. PID Proportional – Integral – Derivative.

PP Poly Propylene. PA Poly Amide. GF Glass Fiber. PC Personal Computer.

IDE Integrated Development Environment. PSD Position Sensing Device. PWM Pulse Width Modulation. x do an CHƢƠNG 1:GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong cuộc sống thƣờng ngày có rất nhiều các dụng cụ bằng nhựa, khi sử dụng các sản phẩm này nhiều lúc ta phải tác động một lực để làm thay đổi trạng thái của dụng cụ này.

Việc thay đổi trạng thái này dƣờng nhƣ không có ảnh hƣởng hay tác động nào đến tính chất của dụng cụ ở trạng thái hiện tại. Tuy nhiên, việc tác động trong một thời gian dài sẽ dẫn đến ở những nơi bị tác động của dụng cụ sẽ bị biến cứng và bị gãy vỡ, đều này dẫn đến dụng cụ không thể sử dụng đƣợc nửa nếu chi tiết gãy vỡ đóng vai trò quang trọng của dụng cụ. Máy kiểm tra độ bền mỏi của sản phẩm nhựa mà nhóm đã nghiên cứu và chế tạo đƣợc ứng dụng để kiểm tra số lần tác động lực đến khi gãy lên dụng cụ đó là bao nhiêu nhằm mục đích kịp thời thay thế những chi tiết đã đạt đến giới hạn mỏi. Sau thời gian mƣời lam tuần nghiên cứu thì nhóm em đã hoàn thành sản phẩm và tiến hành chạy thực nghiệm trên một số mẫu sản phẩm có sẵn cho thấy máy hoạt động ổn định và sai số tƣơng đối nhỏ.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển thì máy móc hiện đại cũng ra đời.

Máy thử độ bền mỏi của sản phẩm nhựa là máy dùng để thử các mẫu sản phẩm nhựa nhằm đánh giá độ bền mỏi của sản phẩm trong thực tế. Đây là việc mà hầu hết các công ty sản xuất sản phẩm nhựa quan tâm ,và loại máy này chƣa có mặt tại Việt Nam. Đây là máy chƣa sản xuất ở Việt Nam cho nên đề tài “ Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí máy thử độ bền mỏi của sản phẩm nhựa” có tính cần thiết, bắt kịp nhịp phát triển khoa học kĩ thuật trên thế giới 1.