Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại, ngành công nghiệp vật liệu và tự động hóa sản xuất đóng vai trò trọng tâm. Các vật liệu polymer và nhựa kỹ thuật ngày càng được nghiên cứu, hoàn thiện để thay thế các vật liệu truyền thống như kim loại, gỗ, gốm nhờ các ưu điểm vượt trội: khối lượng nhẹ, độ bền cao, khả năng cách điện, cách nhiệt tốt, chống ăn mòn hóa học và tiết kiệm chi phí tài nguyên. Do đó, việc kiểm định chính xác các chỉ tiêu cơ tính như độ bền kéo, độ uốn và đặc biệt là độ giãn dài của sản phẩm nhựa là yêu cầu bắt buộc nhằm bảo đảm chất lượng trước khi lưu thông trên thị trường.

Tại các cơ sở đào tạo, viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất tại Việt Nam, nhu cầu thử nghiệm cơ tính vật liệu rất lớn. Tuy nhiên, phần lớn các thiết bị kiểm tra đang sử dụng thuộc thế hệ cũ, khâu thu thập số liệu và xử lý kết quả còn thực hiện thủ công, dẫn đến độ chính xác thấp và tốn nhiều thời gian. Trong khi đó, các thiết bị thử nghiệm vạn năng tiên tiến (như hệ thống của Tinius Olsen hay Instron) đều phải nhập khẩu với chi phí rất cao, tạo rào cản tài chính lớn. Các cơ sở sản xuất thường phải gửi mẫu kiểm tra tại các đơn vị bên ngoài, gây phát sinh chi phí và kéo dài chu kỳ thử nghiệm. Ở quy mô trong nước, các thiết bị tự chế tạo chủ yếu là dòng máy cỡ lớn phục vụ ngành xây dựng (như hệ thống thí nghiệm vạn năng 100 tấn PATHFINDER BK-UTM 100CH tại Đại học Bách khoa TP.HCM), thiếu vắng các thiết bị thử kéo quy mô nhỏ, chuyên dụng cho vật liệu nhựa có tích hợp buồng gia nhiệt.

Từ đòi hỏi thực tiễn trên, đề tài "Thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử lực kéo vật liệu nhựa ở nhiệt độ cao" được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về độ giãn dài và hành vi biến dạng của vật liệu nhựa ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao.
  2. Khảo sát nguyên lý hoạt động của các phương pháp thử kéo, phân tích ưu nhược điểm của các dòng máy thử kéo vạn năng trên thị trường.
  3. Thiết kế mô hình 3D tổng thể và chi tiết cơ khí của thiết bị bằng phần mềm SolidWorks 2014.
  4. Lựa chọn vật liệu, tính toán động lực học, gia công và lắp ráp hoàn chỉnh kết cấu cơ khí kèm tủ gia nhiệt.
  5. Thiết kế phần cứng điều khiển sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6, mạch công suất cầu H MC33883, mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến lực HDL-Vamp và bộ điều khiển nhiệt Omron E5CN.
  6. Xây dựng giải thuật điều khiển vị trí/vận tốc PI cho động cơ, xử lý tín hiệu cảm biến lực và lập trình giao diện tương tác trên máy tính bằng ngôn ngữ C# (Visual Studio 2013).
  7. Chạy thực nghiệm, thu thập số liệu thử kéo mẫu nhựa thực tế (dây quai nón bảo hộ) và đánh giá sai số của hệ thống.
  • Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị đo lực kéo (loadcell dạng chữ S), vi điều khiển STM32F103C8T6, tủ gia nhiệt và cơ cấu cách nhiệt Teflon, giải thuật điều khiển vận tốc PI, chương trình truyền nhận - xử lý số liệu và đối tượng mẫu thử là sản phẩm nhựa (cụ thể là chi tiết dây quai trong nón bảo hộ).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị thử kéo tải trọng nhỏ (0 - 1000 N) trong phạm vi phòng thí nghiệm; dải tốc độ trục vít me từ 5 - 50 mm/phút; khảo sát kiểm tra mẫu ở nhiệt độ thường và nhiệt độ gia nhiệt từ 50°C đến 60°C.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên các nền tảng lý thuyết cơ học vật liệu và lý thuyết điều khiển tự động:

  • Lý thuyết biến dạng vật liệu polymer: Quá trình biến dạng kéo của chất dẻo được chia làm ba giai đoạn đặc trưng: biến dạng đàn hồi, biến dạng đàn hồi dẻo và biến dạng phá hủy (đứt mẫu). Ứng suất ($\sigma$) và biến dạng tỉ đối / độ giãn dài ($\varepsilon$) được xác định theo các công thức: $$\sigma = \frac{F}{A_0}$$ $$\varepsilon = \frac{l - l_0}{l_0}$$ (Trong đó: $F$ là lực kéo tác dụng, $A_0$ là diện tích tiết diện ban đầu của mẫu, $l_0$ là chiều dài cự ly ban đầu, $l$ là chiều dài đo được trong quá trình kéo).
  • Phân loại vật liệu nhựa: Nghiên cứu phân biệt tính chất giữa nhựa nhiệt dẻo (PE, PP, PS, PVC, PET, ABS, PMMA...) có liên kết yếu, nóng chảy mềm khi gia nhiệt và tái sinh được, với nhựa nhiệt rắn (UF, Epoxy, PF, Melamin...) có cấu trúc không gian 3 chiều không nóng chảy lại, cùng nhóm vật liệu đàn hồi (Elastomer).
  • Lý thuyết điều khiển vận tốc PI cho động cơ DC: Mô hình hàm truyền đối tượng động cơ gắn tải quy về trục động cơ có dạng: $$G(s) = \frac{1}{J \cdot s + B}$$ Bộ điều khiển PI có hàm truyền: $$C(s) = K_p + \frac{K_i}{s}$$ Phương trình đặc trưng hệ kín bậc hai tương ứng: $$s^2 + \frac{B + K_p}{J}s + \frac{K_i}{J} = s^2 + 2\xi\omega_n s + \omega_n^2$$ Từ đó, công thức xác định các hệ số điều khiển theo thông số quán tính $J$, hệ số ma sát $B$, tần số tự nhiên $\omega_n$ và hệ số tắt dần $\xi$: $$K_p = 2\xi\omega_n J - B$$ $$K_i = J\omega_n^2$$ Quá trình nhận dạng thông số $J, B$ được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm: cấp tín hiệu băm xung PWM = 80% cho động cơ, ghi nhận thời gian đáp ứng để vận tốc góc đạt 63,2% vận tốc xác lập $\omega_1$.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tính toán công suất truyền động $P_{ct} = P_t / \eta$ (với hiệu suất bộ truyền vít me - đai ốc bi $\eta = 1$), phân tích ứng suất cơ học, xây dựng sơ đồ khối hàm truyền hệ thống điều khiển kín có phản hồi hồi tiếp tốc độ từ encoder.
  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống cơ - điện, thực hiện đo kiểm thực tế sai số đo lực của cảm biến Loadcell và vận tốc kéo tại các mức đặt tốc độ vít me (5, 10, 15, 20 mm/phút) và các mức nhiệt độ (nhiệt độ thường, 50°C, 55°C, 60°C) theo các mốc thời gian kéo ($t = 5s, 8s, 10s, 15s, 20s$).
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thông số kỹ thuật xuất xưởng của các thiết bị linh kiện (động cơ Tre Series TS1980 E6, chip STM32F103C8T6, loadcell VLC-110, bộ điều khiển Omron E5CN); dữ liệu thực nghiệm đo đạc chuyển vị và lực kéo thu thập trực tiếp qua cổng giao tiếp nối tiếp máy tính.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cơ điện tử thử kéo vật liệu nhựa được thiết kế tích hợp liên ngành giữa kết cấu cơ khí, phần cứng điện tử và phần mềm điều khiển.

+-------------------------------------------------------------------+
|                        MÁY TÍNH (PC)                              |
|   - Giao diện điều khiển C# (Visual Studio 2013)                  |
|   - Đặt thông số tốc độ, hiển thị lực kéo, vẽ đồ thị F-t, l-t     |
+---------------------------------+---------------------------------+
                                  | Giao tiếp UART / USB
                                  v
+-------------------------------------------------------------------+
|                     VI ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM                       |
|   - STM32F103C8T6 (ARM Cortex-M3, lập trình trên KeilC)           |
|   - Thực thi giải thuật điều khiển PI vận tốc, đọc ADC, xuất PWM  |
+-------------------+-----------------------------+-----------------+
                    | Xung PWM / DIR              ^ Tín hiệu ADC
                    v                             |
+--------------------------------+   +------------+-----------------+
|      MẠCH CÔNG SUẤT CẦU H      |   |   MẠCH KHUẾCH ĐẠI HDL-VAMP   |
|         IC MC33883             |   +------------+-----------------+
+---------------+----------------+                ^ Tín hiệu điện áp
                | Điện áp 24VDC                   |
                v                                 |
+--------------------------------+   +------------+-----------------+
|   ĐỘNG CƠ DC SERVO TS1980 E6   |   |    CẢM BIẾN LỰC LOADCELL     |
|   - 24VDC, 3550 rpm, 200W      |   |    - VLC-110 "S type" (100kg)|
|   - Encoder quang 250 C/T      |   +------------+-----------------+
+---------------+----------------+                ^ Lực kéo
                | Khớp nối chuyển trục            |
                v                                 |
+-------------------------------------------------+-----------------+
|                     CƠ CẤU CƠ KHÍ & GIA NHIỆT                     |
|   - Khung máy hợp kim nhôm 6061 (Kích thước: 510 x 285 x 900 mm)  |
|   - Trục dẫn hướng vít me - đai ốc bi (Vận tốc: 5 - 50 mm/phút)   |
|   - Ngàm kẹp mẫu chữ U siết vít-đai ốc, trục dẫn bọc Teflon       |
|   - Tủ nhiệt 3 lớp (Inox 304 + sợi thủy tinh cách nhiệt, dày 15mm)|
|   - Gia nhiệt: Bóng Halogen + Bộ điều khiển nhiệt Omron E5CN      |
+-------------------------------------------------------------------+

1. Kết cấu cơ khí và cơ cấu gia nhiệt

  • Khung máy: Chế tạo bằng hợp kim nhôm 6061 với khối lượng riêng $2{,}7 \text{ g/cm}^3$, kích thước tổng thể đạt $510 \times 285 \times 900 \text{ mm}$, bảo đảm độ cứng vững, chống ăn mòn và thẩm mỹ.
  • Hàm kẹp mẫu: Thiết kế ngàm kẹp dạng chữ U, sử dụng cơ cấu xiết chặt bằng vít - đai ốc nhằm tăng diện tích ma sát tiếp xúc, khắc phục triệt để hiện tượng tuột mẫu hoặc làm nứt gãy bề mặt mẫu thử trước khi biến dạng (nhược điểm của hàm kẹp cơ cấu chữ X cũ).
  • Buồng tủ gia nhiệt: Cấu tạo 3 lớp với tổng chiều dày $15 \text{ mm}$. Hai lớp vách trong và ngoài bằng vật liệu inox 304 dày $1 \text{ mm}$ chịu nhiệt và chống biến dạng; lớp không gian ở giữa được nhồi sợi thủy tinh cách nhiệt.
  • Chi tiết cách nhiệt: Các trục dẫn hướng gắn với hàm kẹp động bên trong buồng nhiệt được bọc ống lót bằng vật liệu polymer Teflon (PTFE) có hệ số ma sát nhỏ, cách điện, bền nhiệt cao, ngăn nhiệt lượng truyền dọc trục ra cảm biến lực và các cụm chấp hành.
  • Hệ thống cấp nhiệt: Sử dụng bóng đèn Halogen vỏ thủy tinh thạch anh làm nguồn phát xạ nhiệt, kết hợp cùng bộ điều khiển kỹ thuật số Omron E5CN (chu kỳ quét 60 ms, hiển thị LED độ phân giải $0{,}01^\circ\text{C}$, hỗ trợ thuật toán ON/OFF hoặc PID) để duy trì nhiệt độ buồng thử ổn định.
Thông số / Thành phần Chi tiết thông số kỹ thuật
Kích thước khung máy $510 \times 285 \times 900 \text{ mm}$
Vật liệu thân máy Hợp kim nhôm 6061
Vật liệu buồng nhiệt 2 lớp Inox 304 (dày 1 mm) + lớp giữa đệm sợi thủy tinh (tổng dày 15 mm)
Trục cách nhiệt Nhựa chịu nhiệt Teflon (PTFE)
Bộ nguồn gia nhiệt Bóng nhiệt Halogen buồng khí quartz
Bộ điều khiển nhiệt Omron E5CN (Dải nhiệt $10 - 550^\circ\text{C}$, thời gian lấy mẫu 60 ms)
Tải trọng thử kéo tối đa $100 \text{ kg}$ ($\approx 1000 \text{ N}$)
Tốc độ trục vít me $5 - 50 \text{ mm/phút}$
Sai số cho phép $\le 3%$

2. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3 trên bo mạch STM32F103C8T6, chịu trách nhiệm nhận lệnh từ máy tính, đọc tín hiệu điện áp analog từ bộ khuếch đại cảm biến lực, đếm xung encoder hồi tiếp vị trí, tính toán sai số vòng kín và phát xung PWM/DIR điều khiển động cơ.
  • Cảm biến đo lực: Sử dụng Loadcell dạng chữ S model VLC-110, giới hạn đo tải trọng tối đa $100 \text{ kg}$ ($\approx 1000 \text{ N}$). Tín hiệu cầu điện trở biến dạng (strain gauge) từ loadcell được đưa qua mạch khuếch đại điện áp HDL-Vamp trước khi đưa vào bộ chuyển đổi ADC của STM32.
  • Động cơ và mạch công suất: Động cơ truyền động kéo là động cơ DC Servo Tre Series TS1980 E6 (nguồn cấp 24VDC, tốc độ định mức 3550 vòng/phút, công suất 200W), tích hợp Encoder quang 250 xung/vòng (250 C/T, nguồn 5VDC). Khối điều khiển công suất sử dụng mạch cầu H MOSFET chuyên dụng MC33883 cho phép đóng cắt dòng tải lớn và đảo chiều quay êm ái.

3. Giao diện phần mềm giám sát

  • Phần mềm điều khiển được lập trình bằng C# trên nền tảng .NET (Visual Studio 2013). Giao diện cho phép người vận hành thiết lập các chế độ kéo, tốc độ dịch chuyển của trục vít me, hiển thị đồ thị quan sát thời gian thực của lực kéo ($F$) và độ giãn dài ($\Delta l$), tự động tính toán ứng suất, biến dạng và hỗ trợ lưu trữ số liệu, xuất báo cáo thử nghiệm phục vụ đánh giá chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa và xu hướng ứng dụng vật liệu nhựa; phân tích ý nghĩa khoa học và thực tiễn của việc chế tạo thiết bị đo cơ tính nội địa; xác định rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu thử nghiệm kéo mẫu nhựa trong phòng thí nghiệm cùng phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Tổng thuật vị trí, vai trò của vật liệu chất dẻo trong các ngành giao thông vận tải, hàng hải, hàng không, quốc phòng, hóa chất và dân dụng. Trình bày tổng quan về thiết bị thử kéo - uốn trên thế giới thông qua các dòng máy tiêu biểu:

  • Máy kéo vạn năng Tinius Olsen: Khung tải thủy lực 4 trụ, cơ chế trục ren bánh răng, đáp ứng tiêu chuẩn ISO 75001, ASTM E4, ISO6892, ASTM A370...
  • Máy kéo vạn năng Instron 3300 (Mỹ): Khung thép cứng vững, trượt êm, cảm biến loadcell độ chính xác cao với sai số lặp lại $< 0{,}01%$.
  • Tình hình tại Việt Nam: Phân tích thực trạng phụ thuộc thiết bị nhập khẩu và giới thiệu thiết bị thí nghiệm vạn năng thủy lực 100 tấn PATHFINDER model BK-UTM 100CH do Đại học Bách khoa TP.HCM chế tạo.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Hệ thống hóa kiến thức chuyên môn về vật liệu nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn (so sánh mô-đun đàn hồi, độ bền kéo, độ bền va đập, nhiệt độ sử dụng); bản chất vật lý của quá trình biến dạng đàn hồi, dẻo và phá hủy. Định nghĩa công thức tính ứng suất và độ giãn dài $\varepsilon$. Trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết điều khiển PI vận tốc, sơ đồ khối hàm truyền hệ thống kín và phương pháp xác định tham số bộ điều khiển. Giới thiệu tổng quan về các bộ công cụ phần mềm hỗ trợ gồm SolidWorks 2014, Visual Studio 2013 và KeilC cho ARM.

Chương 4: Thiết kế, phác thảo ý tưởng và thực hiện

Mô tả quy trình thiết kế cơ khí từ khảo sát máy cũ, phác thảo ý tưởng đến mô hình hóa 3D trên SolidWorks. Phân tích các nhược điểm của thiết bị gá kẹp cũ và đưa ra phương án cải tiến: thiết kế cụm ngàm kẹp chữ U siết đai ốc, buồng tủ gia nhiệt 3 lớp Inox 304 đệm sợi thủy tinh, trục dẫn hướng cách nhiệt Teflon và mạch điều khiển nhiệt Omron E5CN dùng đèn Halogen. Lựa chọn vật liệu hợp kim nhôm 6061 làm thân máy cùng các phương pháp gia công cơ khí (phay, tiện, hàn, khoan, taro, gia công CNC).

Chương 5: Tính toán – Thiết kế – Lắp ráp

Trình bày sơ đồ tổng thể hệ thống; bản vẽ lắp ráp cụm hàm kẹp cơ khí, tủ nhiệt và các trục dẫn Teflon. Tính toán công suất truyền động trục vít me đai ốc bi khi chịu lực kéo $0 - 1000 \text{ N}$ ở tốc độ trục $n = 60 \text{ vòng/phút}$. So sánh đặc tính kỹ thuật giữa động cơ bước và động cơ DC Servo, phân tích nguyên lý encoder quang hồi tiếp vị trí. Kiểm tra độ đáp ứng PI vận tốc của động cơ DC Servo với các giá trị đặt setpoint $10 \text{ xung/ms}$ và $60 \text{ xung/ms}$.

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

Phân tích nguyên lý hoạt động cầu điện trở và thông số kỹ thuật của cảm biến lực Loadcell VLC-110 dạng chữ S (tải trọng $100 \text{ kg}$); mạch khuếch đại điện áp HDL-Vamp; cấu tạo bo mạch vi điều khiển STM32F103C8T6 và mạch công suất cầu H MC33883. Trình bày lưu đồ thuật toán đọc ADC, thuật toán truyền nhận dữ liệu qua UART/USB giữa vi điều khiển và máy tính; thiết kế giao diện người dùng C# (Visual Studio 2013) hiển thị đồ thị và điều khiển thử nghiệm kéo.

Chương 7: Thực nghiệm - Đánh giá

Trình bày hình ảnh mô hình lắp ráp hoàn chỉnh và tủ điện thực tế. Ghi nhận kết quả thực nghiệm kiểm tra sai số đo của Loadcell theo các mức tốc độ của trục vít me ($5, 10, 15, 20 \text{ mm/phút}$) và các mức nhiệt độ môi trường ($50^\circ\text{C}, 55^\circ\text{C}, 60^\circ\text{C}$ và nhiệt độ thường) trên mẫu nhựa dây quai nón bảo hộ qua các mốc thời gian $5\text{s}, 8\text{s}, 10\text{s}, 15\text{s}, 20\text{s}$.

Chương 8: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra về mặt thiết kế cơ khí, mạch điện tử và phần mềm; tổng hợp các hạn chế còn tồn tại và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm phát triển hoàn thiện thiết bị trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả chính đạt được

  • Hoàn thiện thiết bị cơ điện tử: Chế tạo thành công thiết bị thử kéo vật liệu nhựa hoàn chỉnh với kích thước bao $510 \times 285 \times 900 \text{ mm}$, khung nhôm 6061 chắc chắn, thẩm mỹ.
  • Tải trọng và dải tốc độ: Thiết bị hoạt động ổn định trong dải đo lực $0 - 1000 \text{ N}$ (sử dụng loadcell $100 \text{ kg}$), tốc độ trục vít me điều chỉnh trơn tru trong dải $5 - 50 \text{ mm/phút}$, bảo đảm sai số kỹ thuật toàn hệ thống dưới mức cho phép $\le 3%$.
  • Hệ thống gia nhiệt và cách nhiệt: Tủ nhiệt 3 lớp kết hợp bóng Halogen và bộ điều khiển Omron E5CN duy trì chính xác các mức nhiệt độ thử nghiệm ($50^\circ\text{C}, 55^\circ\text{C}, 60^\circ\text{C}$). Trục dẫn hướng Teflon và lớp sợi thủy tinh ngăn chặn hiệu quả sự truyền nhiệt ra cảm biến lực và cụm truyền động.
  • Điều khiển và phần mềm: Thuật toán PI trên vi điều khiển STM32F103C8T6 đáp ứng tốt vận tốc đặt của động cơ servo; phần mềm C# giao tiếp liên tục với phần cứng, thu nhận tín hiệu lực - chuyển vị, vẽ biểu đồ thời gian thực và tự động xuất dữ liệu.

2. Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật đề xuất

  • Cải tiến cơ cấu kẹp mẫu dạng chữ U siết vít-đai ốc thay cho cơ cấu kẹp chữ X cũ, giúp phân bố đều lực kẹp, không làm tổn hại bề mặt mẫu nhựa mỏng/ngắn và loại trừ hiện tượng trượt mẫu.
  • Ứng dụng kết cấu cách nhiệt đa lớp (Inox 304 - sợi thủy tinh - ống lót Teflon) bảo vệ cảm biến lực Loadcell khỏi ảnh hưởng giãn nở nhiệt và sai lệch trôi điểm không khi buồng thử làm việc ở nhiệt độ cao.

3. Đóng góp khoa học và thực tiễn

  • Làm chủ quy trình tính toán, thiết kế, gia công chế tạo và lập trình hoàn chỉnh một thiết bị đo cơ tính vật liệu nhựa tích hợp gia nhiệt quy mô phòng thí nghiệm.
  • Đưa ra giải pháp thiết bị chi phí thấp, linh kiện sẵn có trong nước, giúp các cơ sở đào tạo và doanh nghiệp vừa và nhỏ chủ động kiểm định chất lượng sản phẩm mẫu, rút ngắn thời gian thử nghiệm và giảm sự phụ thuộc vào các dịch vụ kiểm định bên ngoài.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Các mặt hạn chế

  • Giới hạn lực kéo: Tải trọng tối đa của loadcell giới hạn ở mức $100 \text{ kg}$ ($1000 \text{ N}$), chỉ phù hợp cho các mẫu nhựa mỏng, kích thước nhỏ (như dây quai nón bảo hộ), chưa thử nghiệm được các mẫu nhựa kỹ thuật cỡ lớn hoặc vật liệu composite có độ bền kéo cao.
  • Dải nhiệt độ khảo sát thực tế: Quá trình thực nghiệm trong đồ án chủ yếu tập trung khảo sát ở các dải nhiệt độ từ $50^\circ\text{C}$ đến $60^\circ\text{C}$; chưa mở rộng đánh giá ở các ngưỡng nhiệt độ cao hơn gần nhiệt độ nóng chảy mềm của nhiều loại nhựa kỹ thuật.
  • Chức năng thử nghiệm: Thiết bị mới chỉ hoàn thiện chức năng thử kéo đơn trục, chưa tích hợp mô-đun gá đặt thử uốn 3 điểm như định hướng khảo sát ban đầu.

2. Hướng phát triển tiếp theo

  • Nâng công suất động cơ và thay thế cảm biến Loadcell có dải đo lực lớn hơn để mở rộng khả năng kiểm tra cho nhiều chủng loại vật liệu nhựa công nghiệp.
  • Thiết kế bổ sung cụm đồ gá thử uốn 3 điểm tiêu chuẩn lắp ghép linh hoạt trên khung máy.
  • Bổ sung thuật toán bù nhiệt độ tự động cho cảm biến lực Loadcell nhằm triệt tiêu hoàn toàn sai số trôi tín hiệu analog khi buồng nhiệt duy trì lâu ở nhiệt độ cao.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa: Tham khảo phương pháp tiếp cận thiết kế hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh, từ tính toán công suất động cơ, thiết kế 3D trên SolidWorks đến lập trình vi điều khiển ARM Cortex-M (STM32) và xử lý giao diện máy tính C#.
  • Các nhóm nghiên cứu thiết bị thí nghiệm cơ tính: Tham khảo thiết kế buồng gia nhiệt, giải pháp cách nhiệt bằng Teflon/sợi thủy tinh cho cảm biến lực, cũng như phương pháp nhận dạng và tuning tham số PI cho động cơ DC Servo kéo tải trục vít me.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến lực và mạch khuếch đại tín hiệu nào được sử dụng trong thiết bị?
Hệ thống sử dụng cảm biến lực Loadcell VLC-110 dạng chữ S (S-type) với tải trọng đo tối đa $100 \text{ kg}$ ($\approx 1000 \text{ N}$). Tín hiệu điện áp vi sai từ cầu điện trở của loadcell được khuếch đại thông qua mạch HDL-Vamp trước khi truyền về bộ chuyển đổi ADC của vi điều khiển STM32F103C8T6.

2. Giải pháp cách nhiệt và gia nhiệt cho buồng thử nghiệm được thực hiện như thế nào?
Nguồn nhiệt sử dụng bóng đèn Halogen vỏ thủy tinh thạch anh điều khiển bởi bộ điều khiển nhiệt kỹ thuật số Omron E5CN. Buồng nhiệt có kết cấu 3 lớp dày $15 \text{ mm}$ (2 vách Inox 304 dày $1 \text{ mm}$, ở giữa đệm sợi thủy tinh). Các trục dẫn hướng gắn với hàm kẹp động được bọc ống lót Teflon (PTFE) chịu nhiệt cao để ngăn nhiệt lượng truyền ra ngoài khung máy và cảm biến.

3. Động cơ truyền động và phương pháp điều khiển vận tốc kéo của hệ thống là gì?
Thiết bị sử dụng động cơ DC Servo Tre Series TS1980 E6 (24VDC, tốc độ định mức 3550 vòng/phút, công suất 200W), tích hợp Encoder quang 250 xung/vòng. Mạch công suất cầu H MC33883 nhận tín hiệu PWM/DIR từ vi điều khiển STM32F103C8T6 thực thi giải thuật PI vận tốc để duy trì tốc độ kéo trục vít me ổn định từ $5 - 50 \text{ mm/phút}$.

4. Mẫu thử nghiệm thực tế trong đồ án là sản phẩm gì và các chế độ thực nghiệm được thiết lập ra sao?
Mẫu thử nghiệm thực tế là dây quai trong nón bảo hộ làm từ vật liệu nhựa. Các thực nghiệm đo lực và biến dạng được tiến hành ở 4 mức tốc độ vít me ($5, 10, 15, 20 \text{ mm/phút}$) tại nhiệt độ thường và 3 mức nhiệt độ gia nhiệt ($50^\circ\text{C}, 55^\circ\text{C}, 60^\circ\text{C}$) theo các khoảng thời gian kéo ($5\text{s}, 8\text{s}, 10\text{s}, 15\text{s}, 20\text{s}$).

Kết luận

Đồ án đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị cơ điện tử thử lực kéo vật liệu nhựa có tích hợp buồng gia nhiệt, đạt dải lực đo $0 - 1000 \text{ N}$ với sai số dưới 3%. Hệ thống tích hợp hoàn chỉnh từ kết cấu khung nhôm 6061, hàm kẹp chữ U, buồng nhiệt Inox bọc sợi thủy tinh và Teflon đến phần cứng điều khiển STM32F103C8T6, động cơ DC Servo điều khiển PI và phần mềm giám sát C#. Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi cao trong việc làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị kiểm định cơ tính vật liệu quy mô phòng thí nghiệm với chi phí hợp lý.