(Đồ án hcmute) hoàn chỉnh thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm tra độ bền mỏi kiểu kéo nén cho vật liệu kim loại

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mẫu thí nghiệm

Theo TCVN 8185:2009 (ISO 1099:2008), kích thước mẫu tiêu chuẩn như bảng sau: [1]

Bảng 2.1: Kích thước mẫu theo TCVN 8185:2009 (ISO 1099:2008)[1]

Thông số Kích thước Đường kính của chiều dài đo hình trụ d ≥ 3mm

Bán kính chuyển tiếp (từ phần song song đến đầu để kẹp) r ≥ 2d Đường kính ngoài (đầu để kẹp) D ≥ 2d

Chiều dài của phần làm giảm Lc ≤ 8d

Có thể sử dụng mặt cắt ngang hình học và chiều dài đo khác Điều quan trọng là dung sai chung của mẫu tôn trọng ba tính chất sau:

Hình 2.1: Kích thước mẫu theo TCVN 8185:2009 (ISO 1099:2008) [1]

Bảng 2.2: Thông số kích thước mẫu thí nghiệm d(mm) R(mm) D(mm) L(mm)

Hình 2.2: Kích thước của mẫu sau tính toán theo TCVN 8185:2009(ISO1099:2008)

Trạng thái bề mặt của mẫu thử có ảnh hưởng đến kết quả thử Ảnh hưởng này thường được đi kèm với một hoặc nhiều yếu tố sau:

- Độ nhám bề mặt mẫu thử;

- Sự hiện hiện của ứng suất dư;

- Sự thay đổi tổ chức tế vi của vật liệu;

Các kiến nghị dưới đây cho phép làm giảm ảnh hưởng của các yếu tố này đến mức nhỏ nhất

Trạng thái bề mặt được xác định bởi độ nhám trung bình hoặc các chỉ số tương đương, như độ nhám 10 điểm hoặc chiều cao lớn nhất của nhấp nhô bề mặt Ảnh hưởng của sự thay đổi này đến kết quả thử nghiệm phụ thuộc vào điều kiện thử, và tác động của nó có thể giảm bớt nhờ vào quá trình ăn mòn bề mặt hoặc biến dạng dẻo Trong mọi điều kiện thử nghiệm, nên ưu tiên quy định độ nhám bề mặt trung bình Ra nhỏ hơn 0,2 mm (hoặc tương đương).

Độ nhám trung bình không phải là thông số quan trọng duy nhất, mà còn có sự hiện diện của các vết xước cục bộ do gia công Các quy trình cuối cùng trên mẫu tròn cần loại bỏ hoàn toàn các vết xước theo chu vi từ quá trình tiện, và nên thực hiện đánh bóng cơ học dọc theo trục sau khi mài lần cuối Kiểm tra với độ phóng đại khoảng 20 lần phải không thấy bất kỳ vết xước nào trong chiều dài đo Nếu nhiệt luyện được thực hiện sau khi gia công hoàn thiện thô, việc đánh bóng lần cuối sau nhiệt luyện sẽ là lựa chọn tối ưu Nếu không thể thực hiện điều này, nhiệt luyện cần được tiến hành trong môi trường chân không hoặc khí trơ để tránh oxy hóa mẫu thử, đồng thời không làm thay đổi các đặc tính tổ chức tế vi của vật liệu Các đặc trưng của nhiệt luyện và quy trình gia công cần được báo cáo cùng với kết quả thử nghiệm.

Giới thiệu động cơ điện

Động cơ điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ Ngược lại, máy phát điện hay dynamo là sản phẩm dùng để chuyển đổi năng lượng cơ thành năng lượng điện.

- Các động cơ điện thường gặp, được dùng trong nhà phổ biến như quạt điện, tủ lạnh, máy giặt, máy bơm nước

Động cơ điện bao gồm hai phần chính: phần đứng yên (stato) và phần chuyển động (roto) Phần đứng yên chứa các cuộn dây ba pha quấn trên lõi sắt, được sắp xếp trên một vành tròn để tạo ra từ trường quay Phần chuyển động là roto, được quấn nhiều vòng và hoạt động như một cuộn dây trên lõi thép.

Khi cuộn dây trên rotor và stator được kết nối với nguồn điện, từ trường sẽ được tạo ra xung quanh Sự tương tác giữa từ trường, rotor và stator dẫn đến chuyển động quay của rotor hoặc stator quanh trục hoặc một mô hình nhất định.

Hình 2.3: Cấu tạo động cơ điện [2]

Hầu hết các loại động cơ điện hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, nhưng cũng có những động cơ sử dụng nguyên lý khác như lực tĩnh điện và các hiệu ứng điện áp.

- Nguyên lý cơ bản mà những động cơ dựa vào là có một lực cơ học trên nguồn dây có dòng điện chạy qua nằm trong một từ trường

Động cơ điện xoay chiều được phân loại thành nhiều kiểu và công suất khác nhau Theo sơ đồ nối điện, động cơ điện được chia thành hai loại chính: động cơ 3 pha và động cơ 1 pha Ngoài ra, dựa trên tốc độ, động cơ điện còn được phân thành động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ.

- Động cơ điện 3 pha và động cơ điện 1 pha

Động cơ điện không đồng bộ một pha (KDB) là loại động cơ có cấu tạo với một cuộn dây pha, sử dụng nguồn cấp gồm một dây pha và một dây nguội, kèm theo tụ điện để tạo ra sự lệch pha Tuy nhiên, do chỉ có một cuộn dây pha, động cơ này không thể tự khởi động vì từ trường một pha chỉ là từ trường đập mạch Để khởi động động cơ một pha, có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau Loại động cơ này thường được sử dụng rộng rãi trong đời sống, phục vụ cho nhiều ứng dụng như máy bơm nước, máy nén khí, tời kéo và các dụng cụ cầm tay.

Phần tĩnh hay còn gọi là stato gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn

Phần quay hay còn gọi là rôto, gồm có lõi thép, dây quấn và trục máy

Để động cơ hoạt động, stato cần được cung cấp dòng điện xoay chiều Dòng điện này sẽ đi qua dây quấn stato, tạo ra từ trường quay với tốc độ n' = f/p (vòng/phút).

8 trong đó: f: là tần số của nguồn điện p: là số đôi cực của dây quấn stato

Trong quá trình quay, từ trường quét qua các thanh dẫn của rôto, gây ra sức điện động cảm ứng Sức điện động này tạo ra dòng điện trong các thanh dẫn của rôto, và khi dòng điện này nằm trong từ trường, nó tương tác với từ trường, tạo ra lực điện từ tác động lên các thanh dẫn.

Tổng hợp các lực này sẽ tạo ra mooment quay đối với trục rôto, làm cho rôto quay theo chiều của từ dường

Khi motor hoạt động, tốc độ của rôto (n) luôn thấp hơn tốc độ của từ trường (n1), dẫn đến việc rôto quay chậm hơn và động cơ được gọi là động cơ không đồng bộ Độ sai lệch giữa tốc độ rôto và tốc độ từ trường được gọi là hệ số trượt, ký hiệu là S, thường dao động từ 2% đến 10%.

Hình 2.4: Độ sai lệch giữa tốc độ rôto và tốc độ từ trường [2] Động cơ điện 3 pha:

Động cơ điện bao gồm hai phần chính: Stator (phần tĩnh) và Rotor (phần quay) Rotor nằm bên trong Stator, tạo thành một khe hở không khí giữa hai phần này, với giá trị khe hở dao động từ 0,5 đến 2mm.

Stator được chế tạo từ các tấm thép kỹ thuật điện mỏng, có thể được ghép lại với nhau hoặc sử dụng khối thép đúc Cách thức gắn các lá thép vào khung được minh họa trong hình dưới đây, với chỉ một số lá thép được hiển thị Dây quấn được đi qua các khe (rãnh) của stato.

Rotor là phần quay gồm có lõi thép, dây quấn và trục máy

Khi dòng điện xoay chiều 3 pha đi qua dây quấn stator, một hiện tượng thú vị xảy ra là tạo ra từ trường quay (Rotating Magnetic Field - RMF) Hình ảnh dưới đây minh họa sự hình thành của từ trường quay trong stator khi dòng điện 3 pha hoạt động RMF là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực máy điện, và chúng ta sẽ tìm hiểu cách thức tạo ra nó trong phần tiếp theo.

Từ trường quay RMF (Rotating Magnetic Field) được hiểu qua việc xem xét dây quấn 3 pha với 3 cuộn dây Khi một dây dẫn mang dòng điện, nó tạo ra từ trường xung quanh Với cấu trúc đặc biệt của dây quấn 3 pha, từ trường do dòng điện 3 pha tạo ra sẽ có hình dạng khác nhau tại các thời điểm khác nhau Dòng điện AC thay đổi theo thời gian, dẫn đến sự thay đổi của từ trường Mặc dù mỗi từ trường có hướng khác nhau tại mỗi thời điểm, nhưng độ lớn của chúng lại giống nhau.

Ba thời điểm trong quá trình này tương tự như một từ trường quay đều, với tốc độ quay được gọi là tốc độ đồng bộ Khi một vòng dây dẫn kín được đặt trong từ trường quay, sự biến thiên của từ trường tạo ra một điện áp cảm ứng E.M.F theo định luật Faraday E.M.F này sinh ra dòng điện trong vòng dây kín, dẫn đến việc vòng dây trở thành một trường hợp có dòng điện đi qua trong từ trường, từ đó tạo ra lực điện từ.

10 trong dây dẫn kín theo định luật Lorentz, vì vậy vòng dây kín sẽ bắt đầu quay dưới tác dụng của lực điện từ

- Hoạt động của 1 động cơ:

Trong động cơ điện, rotor lồng sóc được sử dụng thay vì một vòng dây kín đơn giản Rotor này gồm các thanh dẫn ngắn mạch hai đầu bởi hai vòng ngắn mạch, và dòng điện 3 pha trong dây quấn stator tạo ra từ trường quay Dòng điện cảm ứng trong các thanh dẫn của rotor lồng sóc làm cho rotor quay, với dòng điện thay đổi theo thời gian do từ thông cắt qua các thanh dẫn khác nhau Đây là lý do động cơ này được gọi là động cơ điện cảm ứng, vì dòng điện trong rotor được sinh ra do cảm ứng chứ không phải cấp trực tiếp Để hỗ trợ hiện tượng cảm ứng, các lá thép điện từ được gắn bên trong và được dát mỏng để giảm thiểu dòng điện xoáy Một lợi thế lớn của động cơ điện 3 pha là khả năng tự khởi động Các thanh dẫn trong rotor được đặt xiên so với trục quay để tránh dao động của momen quay, đảm bảo rằng khi momen quay của một cặp thanh dẫn hết đi, cặp thanh dẫn khác sẽ hoạt động ngay lập tức.

Cơ cấu dẫn hướng cho con trượt

Để đảm bảo con trượt hoạt động một cách trơn tru và ổn định trong cơ cấu tay quay, người ta sử dụng ray trượt để dẫn hướng, giúp chuyển đổi chuyển động tròn thành chuyển động tịnh tiến hiệu quả.

Ray trượt, còn được biết đến với nhiều tên gọi như thanh trượt ray hay ray dẫn hướng, là thiết bị dẫn hướng bao gồm con trượt, thanh trượt và gối đỡ Các ray dẫn hướng cơ khí này hoạt động theo cơ chế chuyển động tịnh tiến nhờ sự kết hợp giữa thanh trượt rail và block con trượt.

Trên thực tế, dòng thanh trượt này có ở nhiều máy móc khác nhau, đó là:

- Máy gia công cơ khí CNC

- Máy đóng gói bao bì

- Và nhiều loại máy CNC gia công cơ khí khác Điểm nổi bật của ray dẫn hướng:

Các loại ray dẫn hướng có khả năng chịu trọng tải lớn, lên đến 1,5 lần, giúp tăng cường hiệu quả ứng dụng.

Các loại ray trượt và con trượt có khả năng dẫn hướng chính xác, mang lại chuyển động tuyến tính êm ái với lực ma sát tối thiểu.

Thanh trượt dẫn hướng có độ bền cao và khả năng hoạt động liên tục, mang lại hiệu suất ổn định Sản phẩm này đặc biệt nổi bật với độ chính xác cao trong thời gian dài và khả năng vận hành ở tốc độ lớn.

- Thiết kế nhỏ gọn, đơn giản nên ray dẫn hướng dễ sử dụng, lắ p đặt, bảo trì, bảo dưỡng theo định kỳ

- Làm việc với tuổi thọ cao cùng khả năng hoa ̣t đô ̣ng tại nhiều nhiệt độ, môi trường khắc nhiệt khác nhau

- Thông số và mẫu mã thanh ray khá đa dạng giúp người dùng có thể lựa chọn phù hợp từng thiết bị, máy móc

- Chấ t liệu làm từ thép hợp kim và thép cacbon mang tới đô ̣ cứng bền bỉ, chắc chắ n

Trong kỹ thuật nói chung và cơ khí nói riêng người ta thường sử dụng hai loại ray trượt, đó là:

Ray trượt dạng tròn là thiết bị quan trọng trong việc dẫn hướng các chi tiết máy, thường được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp Thiết bị này giúp tăng cường tự động hóa và thực hiện các thao tác có chu kỳ một cách hiệu quả và lặp lại, góp phần nâng cao năng suất trong sản xuất.

Cấu tạo của hệ thống bao gồm con trượt, ray trượt và gối đỡ, mỗi thành phần đảm nhận chức năng riêng biệt, mang lại tiện ích cho cấu trúc ray dẫn chuyển dạng trượt tròn Ray dẫn hướng được cố định tại vị trí thiết bị nhằm tạo ra khung chuyển động tịnh tiến hiệu quả.

Con trượt có nhiệm vụ hướng dẫn chuyển động dựa trên thanh trượt, với thiết kế bên trong tích hợp hệ thống bi thép giúp giảm lực ma sát Bạc trượt bên trong tiếp xúc trực tiếp với thanh ray, đảm bảo sự di chuyển mượt mà và hiệu quả.

Gối đỡ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng đỡ hệ thống con trượt và cố định vị trí, giúp giảm ma sát và chịu tải cho máy móc Chúng hỗ trợ chuyển động, từ đó góp phần vào việc tự động hóa các thiết bị công nghiệp hiện đại.

Loại thanh trượt này ứng dụng khá rộng rãi trong mảng máy móc, điện tử, công nghệ hóa Sau đây là một vài ưu điểm của thanh trượt tròn:

- Hỗ trợ chuyển động dẫn hướng

Giá cả hợp lý và sản xuất hàng loạt giúp linh kiện này dễ dàng ứng dụng trong nhiều loại máy móc Người dùng có thể lựa chọn kích thước phù hợp với nhu cầu sử dụng Chất liệu chủ yếu là thép mạ Chrome hoặc hợp kim sáng bóng, đảm bảo khả năng chống han rỉ tốt và độ bền cao.

- Cấu tạo kèm bộ phận giảm ma sát nên chuyển động của máy khá êm, mượt mà Khi di chuyển không có tiếng ồn

Máy có khả năng chịu lực và độ chính xác cao, nhờ vào các gối đỡ giúp tăng cường khả năng chịu tải, đặc biệt trong việc thực hiện các công việc yêu cầu tải trọng lớn.

- Ứng dụng vào chi tiết máy khá rộng rãi như máy cắt CNC, chế tạo máy Plasma CNC, cắt Laser, máy ép nhựa…

- Tốc độ di chuyển cao, bảo trì một cách dễ dàng

Hình 2.6: Thanh ray trượt tròn có đế SBR [3]

Ray dẫn hướng hiện nay là một trong những loại phổ biến nhất nhờ vào độ cứng vững và chính xác cao, cùng khả năng chịu trọng tải lớn Những ưu điểm nổi bật của ray dẫn hướng bao gồm khả năng hoạt động ổn định và độ bền cao, đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.

- Dẫn hướng và công suất hoạt động trong thời gian dài, không phát sinh về nhiệt cao

- Khả năng dẫn hướng cùng lực ma sát thấp, độ chính xác cao

- Khả năng chịu trọng tải cao, lực ít nhất, dẫn hướng tốt cả bốn hướng hỗ trợ cân bằng lực

- Dễ dàng tháo gỡ, sửa chữa, lắp đặt, dễ bảo trì, thay thế

- Thanh trượt vuông có độ cứng và độ bền cao

- Chống tiếng ồn, mang tới thiết bị chuyển động thẳng mượt, trơn tru, êm ái

- Tuổi thọ và tốc độ cao

Thị trường thanh ray dẫn hướng trong cơ khí không thể thiếu dạng vuông, hiện đang có một số loại phổ biến.

Hình 2.7: Ray dẫn hướng dạng vuông THK Nhật Bản [4]

Hình 2.8: Ray dẫn hướng dạng vuông CPC Đài Loan [5]

Cảm biến lực (Loadcell)

Loadcell là cảm biến chuyển đổi lực và trọng lượng thành tín hiệu điện, với giá trị tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở trong cầu điện trở Loadcell điện trở hoạt động dựa trên nguyên lý áp lực và trở kháng, khi tải trọng tác động lên cảm biến, dẫn đến sự thay đổi trở kháng.

Sự thay đổi trở kháng này dẫn đến dự thay đổi điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào được cấp

Loadcell được cấu tạo từ hai thành phần chính: strain gage và thân loadcell Thân loadcell là khối kim loại đàn hồi, thường được thiết kế với nhiều hình dạng và vật liệu khác nhau như nhôm hợp kim hoặc thép không gỉ, tùy thuộc vào loại loadcell và mục đích sử dụng Các strain gage được dán vào bề mặt của thân loadcell để thực hiện chức năng đo lường.

- Strain gage là một điện trở đặc biệt, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn ổn định

- Load là một thanh kim loại có tính đàn hồi

L: Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)

A: Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m 2 ) r: Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge

Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở

Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống

Khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở sẽ tăng lên Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động

Hình 2.9: Sự thay đổi điện trở dưới tác dụng lực của loadcell []

 Thông số kĩ thuật cơ bản:

- Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp

- Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được

Dải bù nhiệt độ là khoảng nhiệt độ mà đầu ra của Loadcell được điều chỉnh Nếu nhiệt độ nằm ngoài khoảng này, đầu ra sẽ không đảm bảo tuân thủ các thông số kỹ thuật đã được quy định.

- Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống được độ ẩm và bụi)

- Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 – 15 V)

- Độ trễ: hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng

- Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải

- Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện

- Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng

- Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị: mV)

Trở kháng đầu ra được xác định bằng cách đo trở kháng giữa Ex+ và Ex- khi load cell chưa được kết nối hoặc đang hoạt động ở chế độ không tải.

- Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá (ví dụ: 125% công suất)

Hệ số tác động của nhiệt độ là đại lượng được đo khi Loadcell hoạt động dưới tải, phản ánh sự thay đổi công suất của Loadcell khi nhiệt độ thay đổi Chẳng hạn, nếu hệ số tác động là 0,01%/10°C, điều này có nghĩa là khi nhiệt độ tăng thêm 10°C, công suất đầy tải của Loadcell sẽ tăng thêm 0,01%.

- Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ không tải

Hình 2.10: Nguyên lý hoạt động của loadcell [6]

Một điện áp được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác

Tại trạng thái cân bằng, điện áp tín hiệu ra của loadcell gần bằng không khi bốn điện trở được gắn đúng giá trị Khi có tải trọng tác động lên loadcell, thân loadcell sẽ bị biến dạng, dẫn đến sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại trong điện trở strain gage.

→ thay đổi giá trị điện trở → thay đổi điện áp đầu ra

 Một số loại loadcell dựa trên phương hướng lực tác dụng

Mạch chuyển đổi ADC Hx711

Module ADC Hx711 là một thiết bị chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số với độ phân giải 24 bit Nó giao tiếp với vi điều khiển thông qua 2 chân SCK (Clock) và có cấu trúc 2 dây.

- Tốc độ lấy mẫu: 10 - 80 SPS (có thể tùy chỉnh)

- Độ phân giải điện áp: 40mV

Tổng quan về mạch Arduino

Arduino là bo mạch vi điều khiển đa năng, cho phép cảm nhận và điều khiển các thiết bị như cảm biến, đèn, động cơ và loadcell Nó cũng hỗ trợ kết nối với nhiều module khác nhau, bao gồm module đọc thẻ từ, ethernet shield và sim900A, giúp mở rộng khả năng ứng dụng trong các hệ thống điều khiển phức tạp.

…để tăng khả ứng dụng của mạch

Phần cứng của Arduino bao gồm một board mạch nguồn mở, được thiết kế dựa trên vi xử lý AVR Atmel 8bit hoặc ARM Atmel 32-bit, mang lại sự linh hoạt và khả năng phát triển cho các dự án điện tử.

6 phiên bản, Tuy nhiên phiên bản thường được sử dụng nhiều nhất là Arduino Uno và Arduino Mega

Arduino Uno là board vi điều khiển đơn giản nhất, lý tưởng cho người mới bắt đầu Nó có 14 chân dữ liệu số và 6 chân đầu vào 5V, với khả năng phân giải 1024 mức Board hoạt động ở tốc độ 16MHz và hỗ trợ điện áp từ 7V đến 12V, kích thước là 5,5x7cm.

- Arduino Micro: Bao gồm có đến 20 chân, trong đó có 7 chân có thể phát PWM Loại này có thiết kế khá nhỏ gọn, kích thước chỉ 5x2cm

- Arduino Nano: Có thể nói đây chính là loại board có kích thước nhỏ nhất chỉ 2x4cm, việc lắp đặt được thực hiện dễ dàng

Arduino Pro là một thiết kế sáng tạo với tính năng không có chân số cố định, cho phép người dùng tùy chỉnh số chân kết nối để tiết kiệm không gian Thiết bị này thường hỗ trợ hai mức điện áp là 3.3V và 5V.

- Arduino Mega: Chân số lên đến 64, 14 chân có thể phát PWM, 4 cổng truyền tiếp cùng kích thước khá lớn 5x10cm

Arduino Leonardo là một board mạch không sử dụng cổng USB để lập trình, mà được thiết kế với một chip điều khiển nhỏ gọn Board này kết nối qua COM ảo và có khả năng kết nối với chuột và bàn phím, mang lại sự linh hoạt cho các ứng dụng lập trình.

Board mạch LilyPad Arduino, phát triển bởi Leah Sang Buechley và thiết kế bởi dòng Lea Leah và SparkFun, là một công nghệ dệt điện tử có thể đeo được Mỗi board được thiết kế độc đáo với các miếng kết nối lớn và mặt sau mịn để dễ dàng khâu vào quần áo bằng chỉ Arduino này tích hợp các cổng I/O, nguồn và các board cảm biến đặc biệt cho ứng dụng trong hàng dệt may điện tử.

- Arduino RedBoard: Board mạch RedBoard Arduino có thể được lập trình bằng cáp

USB Mini-B với Arduino IDE hoạt động trên Windows 8 mà không cần thay đổi cài đặt bảo mật Thiết bị này không thay đổi do chip USB hoặc FTDI sử dụng và có thiết kế hoàn toàn phẳng ở mặt sau Việc tạo ra sản phẩm rất đơn giản, chỉ cần cắm board, chọn tùy chọn menu cho Arduino UNO và bạn đã sẵn sàng tải lên chương trình Bạn có thể điều khiển RedBoard qua cáp USB thông qua giắc cắm thùng.

Ngoài ra, còn có thể kể đến: Arduino Diecimila, Arduino Duemilanove, Arduino Due, v.v

Hình 2.14: Cấu tạo của mạch Arduino phổ biến [8]

2.6.4 Phần mềm lập trình Arduino IDE [8]

Arduino cung cấp một môi trường lập trình mã nguồn mở đa nền tảng, cho phép người dùng viết và tải mã lên bo mạch Arduino Giao diện của ứng dụng được thiết kế hợp lý, phù hợp với cả người dùng chuyên nghiệp lẫn không chuyên, đồng thời hỗ trợ nhiều bo mạch và tính năng độc đáo.

Các tính năng chính của Arduino IDE:

 Viết code cho bo mạch Arduino

 Hỗ trợ nhiều loại bo mạch Arduino

 Giao diện được sắp xếp hợp lý

 Bộ sưu tập các ví dụ mẫu

 Mảng thư viện hỗ trợ phong phú

Cấu trúc một chương trình trong phần mềm IDE

Phần 1: Khai báo biến Đây là phần khai báo kiểu biến, tên các biến, định nghĩa các chân trên board một số kiểu khai báo biến thông dụng: #define

Từ "define" có nghĩa là định nghĩa, trong khi hàm #define có chức năng gán một chân hoặc ngõ ra nào đó với một cái tên cụ thể.

Phần 2: Thiết lập (void setup())

Phần này dùng để thiết lập chương trình, cần nhớ rõ cấu trúc của nó

Cấu trúc của nó có dấu ngoặc nhọn ở đầu và ở cuối, nếu thiếu phần này khi kiểm tra chương trình thì chương trình sẽ báo lỗi

Phần này dùng để thiết lập các tốc độ truyền dữ liệu, kiểu chân là chân ra hay chân vào Trong đó:

Serial.begin(9600); Dùng để truyền dữ liệu từ board Arduino lên máy tính pinMode(biến, kiểu và hoặc ra)

Dùng để xác định kiểu chân là đầu vào hay đầu ra

Dùng để viết các lệnh trong chương trình để mạch Arduino thực hiện các nhiệm vụ mà chúng ta mong muốn, thường bắt đầu bằng:

Một số ký hiệu và câu lệnh thường gặp

Ký hiệu, câu lệnh Ý nghĩa

Dấu "//" được sử dụng để giải thích nội dung, và phần giải thích này chỉ nằm trên một dòng Khi chương trình được kiểm tra, các phần giải thích này sẽ không được xem xét.

Ký hiệu này cũng dùng để giải thích, nhưng giải thích dành cho 1 đoạn, tức có thể xuống dòng được

#define biến chân Define nghĩa là định nghĩa, xác định Câu lệnh này nhằm gán tên 1 biến vào 1 chân nào đó Ví dụ #define led 13 digitalWrite(chân, trạng thái);

Hàm digitalWrite được sử dụng để bật hoặc tắt một chân, với cú pháp là digitalWrite(chân, trạng thái chân), trong đó trạng thái chân có thể là HIGH hoặc LOW Ví dụ: digital(led, HIGH) để bật đèn LED, hoặc digital(led, LOW) để tắt Lưu ý rằng cần có dấu chấm phẩy ở cuối câu lệnh Ngoài ra, hàm analogWrite(chân, giá trị) cũng được sử dụng để điều chỉnh độ sáng hoặc tín hiệu analog.

PWM (Pulse Width Modulation) được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ và độ sáng LED Lệnh digitalRead(chân) cho phép đọc giá trị số tại chân cụ thể, trong khi lệnh analogRead(chân) dùng để đọc giá trị analog tại chân mong muốn Lệnh delay(thời gian) giúp trì hoãn quá trình thực hiện trong một khoảng thời gian nhất định, với thời gian được tính bằng mili giây (1 giây = 1000 mili giây).

Câu lệnh "if" trong lập trình có nghĩa là "nếu", theo sau là dấu ngoặc đơn () chứa biểu thức so sánh Ví dụ, trong bài viết về cảm biến độ ẩm đất, câu lệnh "if (giatriAnalog>500)" có nghĩa là nếu giá trị đọc được của biến giatriAnalog lớn hơn 500, thì lệnh "digitalWrite(Led,HIGH)" sẽ được thực thi để làm cho đèn LED sáng, sau đó sẽ chờ 1 giây với lệnh "delay(1000)" Ngược lại, lệnh "else" sẽ được sử dụng để xử lý tình huống khác Ngoài ra, lệnh "Serial.print()" được dùng để in ra màn hình máy tính mà không xuống dòng.

Serial.println() In ra màn hình máy tính, in xong xuống dòng, giá trị tiếp theo sẽ được in ở dòng kế tiếp

Yêu cầu sơ lược về thiết kế máy

Trong quá trình thiết kế máy, không tồn tại một quy trình cố định nào cho các bộ phận mới, và nhiều tùy chọn cần được xem xét Việc áp dụng các quy tắc cứng nhắc không đảm bảo sẽ tạo ra thiết kế tối ưu với chi phí thấp nhất.

Người thiết kế cần phát triển thói quen theo một quy trình cố định để tạo ra các yếu tố máy móc hiệu quả Tuy nhiên, trong quá trình phát triển sản phẩm mới, các vấn đề thường phát sinh ở giai đoạn thiết kế Để giải quyết những vấn đề này, cần có một cách tiếp cận linh hoạt và xem xét nhiều phương án khác nhau.

Các bước đầu tiên của thiết kế máy:

Để thiết kế máy hiệu quả, cần viết một bản mô tả rõ ràng và chi tiết về vấn đề cần giải quyết Tuyên bố này không chỉ xác định chính xác yêu cầu thiết kế mà còn liệt kê các mục tiêu cụ thể cần đạt được Nếu bạn đang phát triển sản phẩm mới, hãy ghi lại tất cả các chi tiết liên quan đến dự án Việc này sẽ giúp đảm bảo rằng thiết kế máy đáp ứng đầy đủ các yêu cầu và mục tiêu đã đề ra.

Khi thiết kế máy, hãy xem xét tất cả các cơ cấu có thể giúp tạo ra chuyển động mong muốn hoặc nhóm chuyển động trong máy của bạn Từ những tùy chọn khác nhau, hãy chọn lựa phương án tốt nhất và phù hợp nhất cho dự án của bạn.

Máy được cấu thành từ nhiều thành phần khác nhau, trên đó có các lực tác động khác nhau Việc tính toán các lực ảnh hưởng đến từng nguyên tố là cần thiết để hiểu rõ cách năng lượng được truyền qua chúng.

Khi lựa chọn vật liệu cho các thành phần của máy, cần đảm bảo rằng chúng không chỉ đáp ứng yêu cầu chịu lực mà còn có chi phí hợp lý nhất.

Tìm hiểu về ứng suất tới hạn là rất quan trọng, vì mọi chi tiết máy đều phải chịu ứng suất, dù là nhỏ hay lớn Cần xem xét các lực tác động lên chi tiết máy, cùng với vật liệu và các yếu tố khác ảnh hưởng đến cường độ, để tính toán ứng suất cho phép hoặc thiết kế cho các chi tiết máy một cách chính xác.

Kích thước của các chi tiết máy rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của bộ phận Việc xác định kích thước thích hợp cần xem xét các lực tác dụng, loại vật liệu sử dụng và ứng suất thiết kế để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả trong quá trình hoạt động.

25 của các phần tử máy phải sao cho chúng không bị biến dạng hoặc hỏng khi tải được áp dụng

Xem xét kinh nghiệm quá khứ là điều quan trọng trong thiết kế phần tử máy Nếu bạn đã có kinh nghiệm hoặc các bản ghi trước đó từ công ty, hãy phân tích chúng và thực hiện các điều chỉnh cần thiết Ngoài ra, việc tham khảo bản ghi chú cá nhân cũng giúp nhà thiết kế thuận lợi hơn trong quá trình sản xuất các bộ phận máy và máy móc.

Sau khi thiết kế các phần tử máy, bước tiếp theo là tạo bản vẽ lắp ráp toàn bộ máy và bản vẽ chi tiết cho từng thành phần Trong các bản vẽ này, cần ghi rõ kích thước, số lượng yêu cầu, vật liệu và phương pháp sản xuất của các bộ phận Nhà thiết kế cũng cần chỉ định độ chính xác, bề mặt hoàn thiện và các thông số kỹ thuật liên quan Quy trình thiết kế máy hoàn tất khi các bản vẽ được hoàn thành và chuyển giao cho bộ phận sản xuất hoặc đơn vị gia công bên ngoài.

Còn những công cụ hỗ trợ thiết kế máy gọi là phần mềm 3D, từ lúc vẽ 2d, 3d và tính toán bền, xuất bản vẽ

Các phần mềm thông dụng trong thiết kế máy:

- Phần mề thiết kế 2D: Auto Cad Phần mềm sử dụng để phác họa chi tiết và xuất bản vẽ chi tiết một cách nhanh chóng và tiện lợi

Phần mềm thiết kế 3D Solidworks cho phép người dùng mô phỏng các chi tiết phức tạp dưới định dạng 3D, giúp hiểu rõ hình dáng và kích thước của từng loại chi tiết cần thiết.

Hình 2.16: Logo phần mềm vẽ 3D Solidworks

Phần mềm Ansys là công cụ mạnh mẽ dùng để phân tích lực tác dụng lên các chi tiết, cho phép tính toán chính xác các ngoại lực như lực kéo, lực nén và áp suất dòng chảy Ansys hỗ trợ quá trình phân tích biểu đồ lực, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau trong thiết kế và kiểm tra kỹ thuật.

Hình 2.17: Phân tích lực kéo trên thanh kim loại.

Cơ cấu cam

2.8.1 Khái niệm cơ cấu cam

Cơ cấu cam là một loại cơ cấu khớp cao, cho phép khâu bị dẫn thực hiện chuyển động qua lại nhờ vào đặc tính hình học của các thành phần khớp.

Cam là khâu dẫn còn cần là khâu bị dẫn

2.8.2 Phân loại cơ cấu cam

Gồm 2 loại: cơ cấu cam phẳng và cơ cấu cam không gian

Cơ cấu cam phẳng: có các khâu chuyển động trong một mặt phẳng hay trong các mặt phẳng song song nhau

+ Theo chuyển động của cam: cam quay, cam tịnh tiến

+ Thểo chuyển động của cần: cam cần lắc, tịnh tiến, chuyển động song phẳng

+ Theo hình dáng đầu của cần: cam cần đầu nhọn, con lăn, biên dạng bất kỳ

Hình 2.19: Một số cơ cấu cam phẳng

Cơ cấu cam không gian: các khâu chuyển động trong cái mặt phẳng không song song nhau

Hình 2.20: Cơ cấu cam không gian

PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ KHẮC PHỤC THIẾU SÓT TỪ ĐỀ TÀI TRƯỚC

Cơ khí

Thiết kế đóng vai trò quan trọng trong quy trình chế tạo máy, vì nó không chỉ định hình ý tưởng và vị trí tương quan giữa các chi tiết mà còn giúp đánh giá tính hợp lý và khả thi của toàn bộ dự án thông qua bản thiết kế.

Quy trình thiết kế phần cơ khí được tiến hành như sau:

Hình 3.1: Sơ đồ quy trình thiết kế máy

Sau khi hình dung mô hình ban đầu, tiến hành phác thảo các ý tưởng trên máy tính mà không cần chú trọng đến kích thước chính xác Mục tiêu chủ yếu là thể hiện vị trí tương quan giữa các chi tiết và cụm chi tiết của toàn bộ máy.

Bước tiếp theo là so sánh và lựa chọn ý tưởng tối ưu, sau đó thiết kế trên máy tính để điều chỉnh kích thước linh hoạt Mô hình lắp ráp gồm nhiều chi tiết có mối quan hệ chặt chẽ, do đó cần đối chiếu từng chi tiết với các chi tiết trước đó Để thuận tiện, có thể vừa vẽ chi tiết vừa lắp ráp với các chi tiết tương quan, sau đó chỉnh sửa kích thước và hình dạng cho đến khi hoàn thiện Cách làm này giúp quá trình thiết kế trở nên dễ dàng hơn nhờ tính trực quan, giảm thiểu thời gian và công sức tính toán.

3.1.2 Nhận định thiếu sót của đề tài kì trước

Sau khi nghiên cứu và xem xét đề tài của nhóm trước, nhóm chúng em quyết định tập trung vào việc phát triển các vấn đề sau để nâng cao hiệu suất và đảm bảo máy hoạt động ổn định hơn.

Cơ cấu tay quay con trượt trong cơ khí – kết cấu máy đạt hiệu suất cao ngay khi lắp đặt, tập trung lực kéo nén từ motor vào mẫu thử Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, biên độ trượt lớn và lực cao gây ra mài mòn nhanh chóng và tiếng ồn đáng kể, dẫn đến hiện tượng kẹt và giảm hiệu suất của cơ cấu.

Khung máy hiện tại khá lớn và không tối ưu cho không gian thiết bị, vì vậy nhóm đã quyết định tham khảo các cơ cấu máy test phiên bản thương mại để phát triển một cụm rung lắc mới, giúp kéo nén liên tục, gọn gàng và êm ái mà không làm giảm hiệu suất Điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm tra mẫu và vận chuyển máy, đồng thời khắc phục tình trạng máy quá lớn và cồng kềnh trong thực tiễn Giải pháp này cũng có thể được áp dụng trong mô hình phòng thí nghiệm.

Nhóm đã cải tiến hệ thống điều khiển để đo lực và chu kỳ kéo nén, nhằm tối ưu hóa kết quả cho thí nghiệm Để đạt được hiệu quả cao nhất cho đề tài, nhóm đã lựa chọn thiết bị chuyên dụng để đo kiểm lực tác động.

Các phương án đề ra

3.2.1 Phương án dùng cơ cấu tay quay-con trượt có sử dụng lò xo

 Sơ đồ nguyên lý: Đây là phương án mà nhóm trước đã chọn để tiến hành thiết kế và chế tạo máy đo độ bền mỏi dạng kéo nén

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu tay quay-con trượt có sử dụng lò xo

Sử dụng cơ cấu tay quay-con trượt có lò xo giúp máy hoạt động êm ái

Tính toán lò xo phức tạp

.Hoạt động nhiều gây bánh dạng thanh truyền và mòn ổ bi

 Sơ lược về lò xo

Lò xo là một bộ phận cơ khí có khả năng đàn hồi cao, cho phép tích lũy năng lượng khi bị biến dạng và giải phóng năng lượng một cách từ từ.

Lò xo được dùng trong các máy, thiết bị với những chức năng sau:

- Tạo lực kéo, nén, hoặc momen xoắn Ví dụ, tạo lực ép trong khớp nối, trong phanh, trong bộ truyền bánh ma sát

- Giảm chấn động, rung động

- Tích lũy năng lượng, sau đó giải phóng dần, làm việc như một động cơ Ví dụ, như dây cót trong đồng hồ

 Các thông số chính của lò xo:

- Kích thước tiết diện tròn của lò xo được xác định bởi đường kính d, mm

- Đường kính trung bình của lò xo D, mm

- Đường kính ngoài của lò xo Dng = D + d

- Đường kính trong của lò xo Dtr = D – d

- Số vòng làm việc của lò xo n

- Chiều dài của lò xo H, mm Chiều dài khi chịu tải là Ht

- Chiều dài của dây thép làm lò xo L, mm

- Bước của lò xo pl, mm Bước của lò xo khi chịu tải là plt

- Góc nâng của ló xo γ, độ hoặc rad

- Tỷ số đường kính của lò xo c, c = D/d

- Chuyển vị của lò xo λ, mm

- Độ mềm của lò xo λn, là chuyển vị của lo xo dưới tác dụng của một đơn vị lực

- Độ mềm của một vòng lò xo λb chuyển vị của một vòng lò xo dưới tác dụng của một đơn vị lực

- Độ cứng của lò xo C, N, là giá trị lực làm cho lò xo biến dạng một đơn vị

- Lực căng ban đầu giữa các vòng của lò xo kéo F0, N

- Lực giới hạn Flim, N, là già trị lớn nhất của lực kéo, lò xo chưa bị biến dạng dư

- Hệ số đường kính c được lấy theo kích thước của dây lò xo:

- Để tránh mất ổn định, kích thước của lò xo nén phải thoả mãn điều kiện:

- H/D < (2,5 ÷ 3) Nếu không thoả mãn điều kiện trên, thì phải làm cốt tựa cho lò xo

- Lực căng ban đầu của lò xo kéo có thể lấy như sau: F 0 = (0,25 ÷ 0,3)F lim

Khi chọn bước của lò xo nén, cần tuân thủ điều kiện P1 = d + (1,1 ÷ 1,2) λ max n Điều này đảm bảo rằng các vòng lò xo không bị xát vào nhau khi hoạt động với chuyển vị cực đại.

- Chiều dài của dây lò xo

L = πD cosγn + 2l k với lk là chiều dài của đoạn dây dùng để liên kết với chi tiết máy khác

3.2.2 Sử dụng cơ cấu rung lắc bánh lệch tâm tạo chuyển động kéo-nén

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu rung lắc bánh lệch tâm tạo chuyển động kéo-nén Ưu điểm Nhược điểm

Cơ cấu ổn định, có dẫn hướng bằng con trượt nên hoạt động không gây tiếng ồn lớn

Lực rung và biên động dao động phụ thuộc nhiều vào bánh lệch tâm và tốc độ vòng quay motor

3.2.3 1Phương án dùng xây dựng mô hình máy bằng xilanh đẩy

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý sử dụng xilanh đẩy Ưu điểm Nhược điểm

Ít tiếng ồn, xy lanh đặc thù sinh ra để thực hiện dao động tịnh tiến nên độ bền cao

Cơ cấu đơn giản, dễ thao tác và theo dõi

Tần số dao động không cao, thời gian đợi lấy số liệu lâu

Xy lanh khó biến thiên được lực tác dụng.

Phân tích một số điểm hạn chế của phương án cũ

Phân tích một số hạn chế:

Hình 3.6: Cơ cấu tay quay con trượt

-Sử dụng cơ cấu tay quay con trượt: Gồm có bốn khâu chính:

Các khâu này được nối với nhau bằng bốn khớp loại 5

Khi cơ cấu hoạt động lâu ngày lượt tác động lên thanh truyền và khớp nối lớn sẽ dễ dẫn tới việc bị phá hủy

Khó thiết kế cơ cấu cho một chuyển động cho trước

-Sử dụng bộ truyền xích nhưng ko có cơ cấu tăng chỉnh xích

Gây khó khăn cho việc tính toán mắt xích và lắp ghép bộ truyền

Hoạt động một thời gian dài sẽ dẫn đến xích bị mài mòn, làm giảm hệ số truyền động và gây ra tiếng ồn

Hình 3.8: Bộ truyền xích ứng dụng thực tế

Hình 3.9: Chi tiết để căng xích và đai

Lắp đặt motor chưa hợp lý

Hình 3.10: Vị trí lắp đặt motor

-Kích thước máy chưa phù hợp

Với kích thước máy 1500x400x20 là quá lớn dẫn đến việc khó vận chuyển và lắp ráp

-Một số chi tiết của máy khó gia công:

Ví dụ điển hình là chi tiết máng trượt

 Hình dạng chi tiết quá phức tạp

 Muốn gia công phải sử dụng phương pháp hàn các mối nối khá phức tạp, ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết

Sử dụng phương án gia công chi tiết kim loại tấm, giảm bớt thời gian thiết kế và gia công chính xác hơn.

Kết luận lựa chọn phương án

Dựa trên những thiếu sót và điểm chưa hợp lý trong thiết kế cơ khí của đề tài trước, nhóm đã quyết định thay đổi phương án thiết kế Với sự hướng dẫn của giảng viên và tham khảo từ một số tài liệu, nhóm chọn sử dụng cơ cấu rung lắc bánh lệch tâm để tạo ra chuyển động kéo nén.

Phương án trên đáp ứng được yêu cầu cơ bản của một thiết bị kiểm tra độ bền mỏi kiểu kéo-nén cho kim loại:

-Biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến

-Giao động theo một tần số nhất định

-Cơ cấu đơn giản, phù hợp cho việc nghiên cứu và phát triển sau này

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC CỤM CHI TIẾT THEO PHƯƠNG ÁN ĐÃ ĐỀ XUẤT

Mẫu thử

Giả sử ta tiến hành thí nghiệm với mẫu thử bằng thép EN S235JR

Lực tác dụng ban đầu vào mẫu thử:

Trong đó: σ: ứng suất kéo và nén tác dụng vào mẫu thử

A: diện tích tiết diện mặt cắt ngang của thanh chịu lực

Trong thí nghiệm kiểm tra độ bền mỏi của chi tiết, lực kéo và nén ban đầu tác dụng vào mẫu thử là rất quan trọng Ứng suất sử dụng trong thí nghiệm này nằm trong khoảng 40% đến 60% giới hạn bền của chi tiết, được tính theo công thức σ kt = (40% − 60%)σ b Đường kính tiêu chuẩn của mẫu thử là 6mm.

Tiết diện chịu lực kéo và nén của mẫu thử là:

Mẫu thử thép EN S235JR có: σ b = 457,4(MPa) = 457,4(N/mm 2 )

Vậy theo (5.2) thì lực tác dụng lên tiết diện chịu lực chính của mẫu thử:

Vì giá trị: 0,6σ b = 0,6.457,4 = 274,2(MPa) > σ đh = 198(MPa)

Nên ta tiến hành thử mẫu với ứng suất thử mỏi lớn nhất là: σ max = 0,43σ b = 0,43.457,4 = 196,68(MPa) Ứng suất thử mỏi nhỏ nhất là: σ max = 0,4σ b = 0,4.457,4 = 182,96(MPa) (có thể thấp hơn)

Ta có bảng thông số các giá trị ban đầu khi tính đối với mẫu thử là thép EN S235JR:

Bảng 4.1: Thông số các giá trị ban đầu khi tính đối với mẫu thử là thép EN S235JR

Kí hiệu Đơn vị EN S235JR

Giới hạn bền kéo sb MPa 457,4

Giới hạn chảy sch MPa 235

Giới hạn đàn hồi sdh MPa 198

Giới hạn thử mỏi lớn nhất σmax MPa 196,68

Lực thử mỏi lớn nhất Fkt = P kN 6

Nên ta chọn giá trị lớn nhất có thể thử là trong khoảng:

Để tăng tính chính xác và loại bỏ ma sát của con trượt trong thí nghiệm, ta tính toán lực Fkt = P = Fbd + Fmst Theo đó, Fkt được xác định bằng 1,1Fbd, với Fbd là 5,6 kN, dẫn đến Fkt ≈ 6 kN khi giả sử hệ số an toàn là 1,1.

Trong đó: Fkt = P là lực kéo nén lớn nhất có thể tiến hành với mẫu thử.

Tính toán chọn lò xo

Dựa trên bảng 5.1 về cơ tính của thép EN S235JR và nhằm mở rộng phạm vi thử mỏi cho nhiều loại thép khác nhau, phạm vi lực mà lò xo chịu nén có thể hoạt động bình thường được xác định là từ Fmin = 4000N đến Fmax = 8000N.

Bảng 4.2: Thông số của lò xo

Ký hiệu Độ lớn Đơn vị Chú thích Lực tác dụng lớn nhất Fmax 8000 N

Lực tác dụng nhỏ nhất Fmin 4000 N

Giới hạn bền cho phép [σ] 465 MPa 0,3ob Độ chuyển vị x 20 mm

4c − 4+0,615 c Đường kính dây d 18 mm d = 1,6√KF max c

[τ] Đường kính trung bình D 109 mm D = c d

Số vòng làm việc n 4 vòng n = xGd

Chuyển vị lớn nhất Δmax 40 mm λ max 3

Số vòng đầu dây ns 2 vòng

Số vòng toàn bộ n0 6 vòng

Chiều cao của lò xo H0 157 mm

Chiều cao khi xít nhau Hs 113 mm

Tỉ số H0/D 1,43 1,43 < 3 không cần lõi

Biên độ tải trọng Fa 2000 N

Biên độ ứng suất τ a 115,6947 MPa τ a a K φ D πd 3 Ứng suất trung bình τ m 347,084 MPa τ m m K φ D πd 3

Hệ số an toàn chảy Sch 1,94 s ch = τ ch τ max Độ cứng của lò xo: k = G d 4

8 116 3 4 = 200(N/mm) với G là modun đàn hồi trượt: G =8.10 4 Pa [6]

Chiều dài lò xo tại F max :

L F max = H 0 − F max ⁄ = 157 − 8000 200k ⁄ = 117 (mm) Chiều dài lò xo tại F min :

Bảng 4.3: Tương quan giữa lực tác dụng và chiều dài lò xo

Lực (N) Chiều dài lò xo

Bảng 4.4: Thông số lò xo [10] Độ cứng, k 200730 N/mm

Lực tác dụng max Fmax 7,746190 N

Tải trọng tối đa xét đến chiều cao rắn, chiều cao rắn Fma

Chuyển vị lớn nhất có thể lmax 38590 mm

Chuyển vị lớn nhất lmax 38590 mm

Chiều dài tối đa khi chịu tải của lò xo là 118410 mm, với đường kính dây lò xo là 18000 mm Đường kính ngoài của vòng dây đạt 127000 mm, trong khi đường kính trong là 91000 mm Đường kính trung bình của lò xo được xác định là 106000 mm.

Chiều dài không tải của lò xo, Lfree 157000 mm

Số vòng làm việc, na 4000

Lò xo xít nhau, Lsolid 108000 mm

Kiểu lò xo closed & ground

Bước lò xo, Coilpitch 30250 mm

Góc tăng của cuộn dây 5,05 Degrees

Material type Music Wire ASTM A228

Trọng lượng của một lò xo, M 4,1121 Kgs

Trọng lượng trên một nghìn lò xo, M 4,1120077 Kgs

Chiều dài của dây cần thiết để tạo ra một lò xo, Lwire

Maximum shear stress possible, σmax 460932

Hệ số hiệu chỉnh Wahl, W 1250

Hình 4 2: Kích thước lò xo [10]

Hình 4.3: Biểu đồ thử mỏi cho lò xo [10]

Tính toán cơ cấu rung lắc bánh lệch tâm tạo chuyển động kéo - nén

Xác định số vòng quay

Theo TCVN 197:2014, tốc độ cho phép khi thử mẫu là:

S: là tốc độ kéo mẫu ứng với đơn vị (MPa/s)

V: là tốc độ nén mẫu ứng với đơn vị (mm/phút)

Bảng 4.5: Tốc độ cho phép khi thử mẫu thép EN S235JR

Trước khi chảy Sau khi chảy

Do mẫu thử và tiến hành thí nghiệm ứng với giai đoạn đàn hồi của vật liệu nên ta sử dụng thông số S = 15 (MPa/s)

Mà tốc độ thử mẫu bằng với tốc độ biến dạng trong phạm vi đàn hồi của lò xo nên ta có:

Vậy để lò xo F tạo ra một lực kéo hoặc nén mẫu thì tốc độ biến dạng của lò xo sẽ là: v lx =F k B3,9

Tốc độ trung bình của con trượt trong khoảng trượt được xác định là 2,12 mm/s Thời gian để con trượt chuyển vị từ X1 đến X2, tương ứng với việc bánh lệch tâm quay được một nửa vòng, là t1 G.5.

2.12 = 22.4(s) Nên thời gian để bánh lệch tâm quay hết một vòng là: t = 2t 1 = 2.22,4 44,8(s)

Vậy số vòng quay của bánh lệch tâm là: Nm = 1,34 (vòng/ phút)

Vậy công suất của bánh lệch tâm là:

Do các mẫu thử thường có số chu kì bền từ 10 3 đến 10 6 chu kì nên ta giả sử số vòng quay khi thử mẫu là: Nm = 3000 (vòng/phút)

Vậy công suất của bánh lệch tâm là:

❖ Phân tích lực học cơ cấu rung lắc bánh lệnh tâm tạo chuyển động kéo-nén

Hình 4.4: Biểu đồ thể hiện dao động của bánh quay lệch tâm

Khi khối quay lệch tâm hoạt động, nó sẽ sinh ra lực ly tâm do sự mất cân bằng, dẫn đến việc tạo ra lực theo hướng trục X và trục Y cho mỗi khối quay.

Hình 4.5: Hai bánh răng lệch tâm ăn khớp

Việc bố trí 2 bánh lệch tâm ăn khớp sẽ triệt tiêu đi chuyển theo hướng Y tạo ra chuyển động kéo-nén theo mong muốn

Công thức tính lực ly tâm tạo ra do quay bánh răng lệch tâm:

Trong đó: m: khối lượng của khối quay lệch tâm (kg) r: độ lệch (m) w: tốc độ của động cơ (rad/s)

Lực ly tâm được tính theo công thức cụ thể, cho thấy rằng khối lượng lớn của một vật quay lệch tâm sẽ tạo ra lực rung mạnh Hơn nữa, việc tăng tần số vòng quay của động cơ cũng sẽ làm gia tăng lực rung.

Khoảng chạy của con trượt là 300mm

Tính toán khoảng chuyển vị trong phạm vi đàn hồi của lò xo ứng với khi chịu tác dụng lực thử mẫu là lực kéo EN S235JR lớn nhất:

Theo định luật Hooke đối với lực đàn hồi của lò xo, ta có:

F dh = k ∆l (tại vị trí lò xo chưa chịu lực) Dựa vào bảng tương quan lực tác dụng và chiều dài lò xo, ta có:

Với giá trị F kt = 6(kN) ta lấy độ lệch tâm R = 100mm

Vậy khoảng trượt của con trượt trong cơ cấu là:

❖ Xác định momen xoắn lớn nhất của trong cơ cấu bánh lệch tâm

Hình 4.6: Đo thể tích bánh lệch tâm bằng phần mềm Solidworks

Bánh lệch tâm được chế tạo bằng vật liệu C45 nên có khối lượng riêng: 7,85g/cm 3

Dựa vào công thức xác định lực do bánh lệch tâm gây ra:

Bảng 4.6: Thông số thử mẫu thép EN S235JR

Kí hiệu Đơn vị EN S235JR

Giới hạn bền kéo sb MPa 457,4

Giới hạn chảy sch MPa 235

Giới hạn đàn hồi sdh MPa 198

Giới hạn thử mỏi lớn nhất σmax MPa 196,68

Lực thử mỏi lớn nhất Fkt = P kN 6

Khoảng chuyển vị của con trượt X1X2 mm 16

Chọn động cơ điện

Công suất trục công tác: 3 (kW)

Số vòng quay của trục chính: 300 (vòng/phút)

Công suất trên trục động cơ điện: t ct

(5.3) Hiệu suất truyền động: η = η ol η X = 0,99.0,97 = 0,96

Hiệu suất của một cặp ổ lăn là: η ol = 0,99

Hiệu suất của bộ truyền bánh răng là: η br = 0,97

Thay vào (5.3) ta có: P ct = P t η = 5,05

Số vòng quay sơ bộ của động cơ:

Để thuận tiện trong việc lựa chọn hộp số và đạt được số vòng quay gần với giá trị nct = 300 vòng/phút, ta chọn hệ số tỉ số truyền ux = 5 Động cơ Toàn Phát 4HP – 1450rpm cùng với hộp số tỉ số truyền 1/5 sẽ phù hợp Từ đó, ta tính lại số vòng quay trên tay quay là n tq 50.

5 ≈ 290(vòng/phút) Tính lại momen xoắn của bánh lệch tâm:

Chọn vòng bi trượt dẫn hướng cho trục

Hình 4.8: Vòng bi trượt LMH

Hình 4.9: Bảng thông số vòng bi trượt LMH

Tính toán điều khiển

4.6.1 Sơ đồ khối và lưu đồ khối

Hình 4.10: Lưu đồ giải thuật điều khiển

4.6.2 Nguyên lý hoạt động của máy

Khi motor quay tạo ra chuyển động lắc cho bánh lệch tâm, hệ thống ray trượt và ti dẫn hướng giúp duy trì chuyển động lắc theo một phương Đế gắn motor lắc truyền lực và dao động đến đế trượt, trong đó mẫu thử được gá vào một đầu và đầu còn lại cố định vào loadcell Người dùng sử dụng máy tính để cài đặt chế độ thử nghiệm và gửi lệnh đến cơ cấu chấp hành, trong khi loadcell đọc lực tác động lên sản phẩm và hiển thị tín hiệu lên giao diện điều khiển Quá trình truyền nhận tín hiệu diễn ra liên tục trong suốt thử nghiệm mỏi Khi mẫu thử bị kéo đứt, cảm biến quang phát tín hiệu cho bộ điều khiển, ngừng động cơ và kết thúc quá trình kiểm tra mỏi.

Nguyên lý hoạt động mạch điều khiển:

Để thiết lập hệ thống, trước tiên cần đóng CB nguồn và dẫn nguồn 220V vào cho nguồn tổ ong và motor rung Sau đó, dẫn đầu ra 24V từ nguồn tổ ong để cấp nguồn cho các thiết bị như nút nhấn, relay và cảm biến quang.

Khi nhấn nút Start, relay K1 sẽ kích hoạt tiếp điểm thường hở, tạo mạch duy trì và làm cho động cơ rung hoạt động Cảm biến quang sẽ xác định xem vật đã gãy hay chưa; khi có tín hiệu từ cảm biến, nó phát ra điện áp 24V để kích relay K2 Tiếp điểm thường đóng của K2 sẽ nhả ra, khiến K1 mất điện và dừng motor Nếu gặp sự cố trong quá trình chạy, nhấn nút Stop để dừng máy ngay lập tức.

Hình 4.11: Sơ đồ mạch điện điều khiển

Hình 4.12: Bo mạch Arduino Uno

Hình 4.13: Sơ đồ kết nối chân

Về bo mạch Arduino Uno:

Chân 4 và 5 lần lượt là chân output xuất tín hiệu điều hướng Direct và xuất xung step điều khiển động cơ step motor thông qua driver A4988

Chân 6 là chân output enable dùng để bật tắt động cơ step thông qua driver A4988

Chân 2 và 3 lần lượt là chân output clock và data thông qua mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 được sử dụng để đọc giá trị điện trở thay đổi từ cảm biến Loadcell (thường rất nhỏ không thể đọc trực tiếp bằng vi điều khiển) với độ phân giải ADC 24bit và chuyển sang giao tiếp 2 dây (Clock và Data) để gửi dữ liệu về vi điều khiển

Chân A0 nối với dây analog của biến trở để điều khiển động cơ

Hình 4.14: Giao diện và cấu trúc của một chương trình arduino

Bảng 4.7: Danh mục thiết bị dùng cho phần điều khiển

STT TÊN THIẾT BỊ HÌNH ẢNH CHỨC NĂNG

1 BOARD UNO MainBoard điều khiển chính

Chuyên dùng trong đo kiểm lực

Hiển thị kết quả đo

QUY TRÌNH GIA CÔNG

SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI