Thiết kế thiết bị điều khiển máy thử kéo nhựa ở nhiệt độ cao

LỜI CAM KẾT

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

ABSTRACT

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

DANH MỤC TƢ̀ VIẾT TẮT

1. CHƢƠNG 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1. Đối tƣợng nghiên cứu

1.4.2. Phạm vi nghiên cứu

1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu

2. CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CƢ́U ĐỀ TÀI

2.1. Giới thiệu về tầm quan trọng của vật liệu nhựa

2.2. Sơ lƣợc về thiết bị thử kéo – uốn sản phẩm nhựa

2.3. Lợi ích về thiết bị thử kéo – uốn sản phẩm nhựa

2.4. Tình hình sử dụng thiết bị thử kéo và uốn trên thế giới và Việt Nam

2.4.1. Tình hình sử dụng thiết bị thử kéo và uốn trên thế giới

2.4.1.1. Thiết bị thử kéo

2.4.2. Tình hình sử dụng thiết bị thử kéo và uốn trên Việt Nam

2.4.2.1. Thiết bị thử kéo

3. CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1. Tổng quan về vật liệu

3.1.1. Vật liệu nhựa[18]

3.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình biến dạng[20]

3.2.1. Khái quát về quá trình biến dạng

3.2.2. Ví dụ minh chứng quá trình biến dạng

3.3. Các đặc trƣng cơ học của vật liệu

3.3.1. Các đặc trƣng cơ tính của vật liệu

3.3.2. Phƣơng pháp kiểm tra đặc trƣng cơ học của vật liệu

3.3.2.1. Thí nghiệm kéo

3.4. Kích thƣớc của mẫu thử chuẩn

3.5. Khái niệm độ giãn dài

3.5.1. Nhận xét về độ giãn dài vật liệu

3.6. lý thuyết tuning PI vận tốc và chi tiết sơ đồ khối hàm truyền bộ PI

3.7. Khái quát về những phần mềm hỗ trợ

3.7.1. Sơ lƣợc về phần mềm SolidWorks 2014[14]

3.7.2. Sơ lƣợc về phần mềm Visual Studio 2013

3.7.3. Sơ lƣợc về phần mềm KeilC

4. CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ, PHÁC THẢO Ý TƢỞNG VÀ THỰC HIỆN

4.1. Quy trình thiết kế và phác thảo ý tƣởng

4.2. Lên phƣơng án chế tạo – Nghiên cứu thiết bị đã có

4.2.1. Tính năng kỹ thuật của thiết bị cũ

4.2.2. Phân tích các phƣơng án dùng để tham khảo

4.3. Phƣơng án hoàn thiện cải tiến

4.3.1. Kiểu thiết bị

4.3.2. Phƣơng án kẹp

4.3.3. bộ phận cách nhiệt

4.3.4. tủ gia nhiệt

4.3.5. bộ điều khiển nhiệt

4.3.6. đánh giá khả thi của phƣơng án

4.4. Lựa chọn vật liệu và phƣơng pháp gia công cho những chi tiết không có sẵn

4.4.1. Lựa chọn vật liệu

4.4.2. Lựa chọn phƣơng pháp gia công cho các chi tiết không có sẵn

5. CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ – LẮP RÁP

5.1. Sơ đồ tổng thể của hệ thống

5.2. Lắp ráp phần hàm kẹp cơ khí

5.3. Tủ gia nhiệt

5.4. Tính toán công suất truyền động

5.4.1. Sơ đồ động và nguyên lý hoạt động của thiết bị kéo – uốn sản phẩm nhƣ theo phƣơng án thiết kế

5.4.2. Tính toán công suất động cơ khi hoạt động

5.5. Hồi tiếp vị trí[9]

5.5.1. Khái niệm Encoder

5.5.2. Cấu tạo cơ bản của một encoder quay quang

5.5.3. Ứng dụng của encoder quay quang

5.6. kiểm tra độ đáp ứng của động cơ

6. CHƢƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU NHẬN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU

6.1. Thiết bị đo lực loadcell[9]

6.1.1. Theo phƣơng lực tác dụng

6.1.2. Theo hình dạng

6.1.3. Theo tín hiệu mã hoá

6.1.4. Nguyên lí hoạt động

6.1.5. Thông số kỹ thuật cơ bản

6.1.5.1. Đặc tính kỹ thuật

6.1.5.2. Cách điều khiển

6.2. Board STM32F103RCT6[24].1 Giới thiệu chung

6.3. quy trình hoạt động của thiết bị kéo sản phẩm nhựa

6.4. Giao diện tƣơng tác với ngƣời sử dụng

6.4.1. Giao diện tƣơng tác

6.4.2. Thao tác với giao diện

7. CHƢƠNG 7: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ

7.1. Kết quả đạt đƣợc

7.1.1. Thiết kế cơ khí

7.1.2. Hệ thống điện

7.1.3. Hoàn thành thiết bị

7.1.3.1. Thực nghiệm sai số đo của loadcell qua các mức tốc độ của trục vít me

7.1.3.2. Kết quả thử nghiệm

8. CHƢƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN

8.1. Những mặt hạn chế

8.2. Hƣớng phát triển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC B

C1 Tốc độ trục vít me 5 mm/phút

C2 Tốc độ trục vít me 10 mm/phút

C3 Tốc độ trục vít me 15 mm/phút

C4 Tốc độ trục vít me 20 mm/phút

I. Thiết kế thiết bị thử kéo nhựa ở nhiệt độ cao

Đồ án tập trung vào thiết kế thiết bị điều khiển máy thử kéo nhựa ở nhiệt độ cao. Đây là một đề tài cấp thiết do nhu cầu kiểm tra chất lượng sản phẩm nhựa ngày càng tăng. Hiện nay, các doanh nghiệp Việt Nam thường phải nhập khẩu các thiết bị này với giá thành cao, gây tốn kém. Đồ án nhằm mục tiêu thiết kế và chế tạo một thiết bị thay thế, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian thử nghiệm. Thiết bị sẽ được tích hợp hệ thống điều khiển nhiệt độ, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình thử nghiệm kéo các mẫu nhựa ở nhiều nhiệt độ khác nhau. Máy thử kéo nhựa sẽ được thiết kế với khả năng đo lường và ghi nhận chính xác các thông số như lực kéo, độ giãn dài, giúp đánh giá tính chất cơ học của nhựa một cách hiệu quả. Thiết bị sử dụng loadcell để đo lực, encoder để đo vị trí, và STM32F103C8T6 làm vi điều khiển trung tâm. Phần mềm điều khiển được xây dựng trên nền tảng C#, cho phép người dùng tương tác trực quan và dễ dàng phân tích dữ liệu. Thiết kế cơ khí của máy được mô phỏng và tối ưu hóa bằng phần mềm CAD như SolidWorks, đảm bảo độ bền và khả năng vận hành ổn định. Nguyên lý hoạt động của máy dựa trên cơ chế truyền động chính xác, cho phép điều chỉnh tốc độ kéo và lực kéo một cách linh hoạt. Các tiêu chuẩn ASTM và ISO về thử nghiệm kéo vật liệu sẽ được tham khảo để đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

1.1. Phân tích yêu cầu và đặc điểm thiết kế

Thiết kế thiết bị thử kéo nhựa cần đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác, độ bền, và khả năng vận hành dễ dàng. Máy thử kéo nhựa nhiệt độ cao phải đảm bảo khả năng điều khiển nhiệt độ chính xác, duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình thử nghiệm. Điều khiển nhiệt độ máy thử kéo được thực hiện thông qua hệ thống điều khiển PID, kết hợp với các cảm biến nhiệt độ chính xác để giám sát và điều chỉnh nhiệt độ. Việc kiểm soát nhiệt độ trong thử nghiệm kéo là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Thiết kế cần tính đến các yếu tố an toàn, bao gồm việc bảo vệ người vận hành khỏi các nguy hiểm tiềm tàng như bỏng, điện giật, và các sự cố máy móc. An toàn máy thử kéo được đảm bảo bằng các biện pháp bảo vệ điện, cơ khí, và phần mềm. Giám sát quá trình thử nghiệm kéo được thực hiện thông qua phần mềm điều khiển, hiển thị trực quan các thông số đo lường và trạng thái hoạt động của máy. Phần mềm cũng cho phép người dùng lưu trữ và xử lý dữ liệu một cách hiệu quả. Phần mềm điều khiển máy thử kéo được thiết kế với giao diện thân thiện, dễ sử dụng, đáp ứng nhu cầu của người vận hành. Thiết kế phần mềm máy thử kéo cần đảm bảo tính linh hoạt và mở rộng, để có thể cập nhật và bổ sung các tính năng mới trong tương lai. Phân tích dữ liệu thử nghiệm kéo được thực hiện bằng các phương pháp thống kê và mô phỏng để đánh giá chính xác tính chất cơ học của vật liệu nhựa.

1.2. Giải pháp kỹ thuật và công nghệ

Đồ án áp dụng các công nghệ hiện đại để thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển máy thử kéo nhựa ở nhiệt độ cao. Mạch điều khiển máy thử kéo sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6, một vi điều khiển hiệu suất cao, tích hợp nhiều tính năng, giúp xử lý tín hiệu và điều khiển các bộ phận của máy một cách chính xác và hiệu quả. Hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ điều khiển PID, cho phép duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình thử nghiệm. Cảm biến nhiệt độ chính xác được sử dụng để giám sát và điều chỉnh nhiệt độ. Hệ thống thu nhận dữ liệu sử dụng loadcell để đo lực và encoder để đo vị trí. Dữ liệu được truyền về vi điều khiển và xử lý để hiển thị trên giao diện người dùng. Thiết kế hệ thống điều khiển được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng, cho phép mô phỏng và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Thiết kế phần cứng máy thử kéo được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ bền và khả năng vận hành ổn định. Lựa chọn linh kiện điện tử được thực hiện dựa trên các tiêu chuẩn chất lượng và hiệu suất. Gia công cơ khí được thực hiện bằng các phương pháp hiện đại, đảm bảo độ chính xác cao của các chi tiết máy. Tự động hóa quá trình thử nghiệm được tích hợp vào hệ thống, giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người và tăng độ chính xác của kết quả. Nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa trên việc kết hợp giữa các tín hiệu từ các cảm biến và thuật toán điều khiển, đảm bảo sự vận hành trơn tru và chính xác của máy.

1.3. Đánh giá hiệu quả và ứng dụng

Thiết bị thử kéo nhựa nhiệt độ cao này mang lại nhiều lợi ích thực tiễn. Nó giúp các nhà sản xuất kiểm soát chất lượng sản phẩm một cách chính xác và hiệu quả. Ứng dụng máy thử kéo nhựa rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất bao bì, sản phẩm tiêu dùng đến ngành công nghiệp ô tô và hàng không. Phát triển công nghệ máy thử kéo giúp nâng cao năng lực cạnh tranh của các doanh nghiệp Việt Nam trên thị trường quốc tế. Phân tích hiệu quả kinh tế cho thấy thiết bị này giúp giảm chi phí sản xuất do giảm thiểu lỗi và tăng năng suất. Thử nghiệm kéo vật liệu nhựa với thiết bị này cũng giúp tiết kiệm thời gian và nguồn lực. Kết quả thử nghiệm kéo chính xác và tin cậy giúp cải tiến quy trình sản xuất và phát triển sản phẩm mới. Thiết bị cũng đóng góp vào việc nâng cao trình độ kỹ thuật và đào tạo nhân lực trong lĩnh vực thử nghiệm vật liệu. Việc huấn luyện vận hành máy thử kéo sẽ dễ dàng hơn nhờ giao diện người dùng thân thiện. Bảo trì và sửa chữa máy thử kéo cũng đơn giản hơn nhờ thiết kế module hóa. Giá thành thiết bị thấp hơn so với các sản phẩm nhập khẩu, mang lại hiệu quả kinh tế cao cho người sử dụng. Tích hợp với các hệ thống quản lý chất lượng sẽ giúp doanh nghiệp tối ưu hóa quá trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Đồ án HCMUTE: Thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử kéo vật liệu nhựa ở nhiệt độ cao