ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ –VÍTME BI VÀ ĐỘNG CƠ BƯỚC THIẾT KẾ MÁY KIỂM TRA SỨC BỀN VẬT LIỆU

TÓM TẮT ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ–VÍTME BI VÀ ĐỘNG CƠ BƯỚC THIẾT KẾ MÁY KIỂM TRA SỨC BỀN VẬT LIỆU Để đánh giá được cơ tính của vật liệu thì phải biết được tính chịu lực và tính biến dạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ –VÍTME BI VÀ ĐỘNG CƠ BƯỚC THIẾT KẾ MÁY KIỂM TRA SỨC BỀN VẬT LIỆU

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN MẠNH THI Ngành: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Niên khóa: 2008 – 2012

Tháng 06 năm 2012

ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ – VITME BI VÀ ĐỘNG CƠ BƯỚC THIẾT KẾ MÁY KIỂM TRA SỨC BỀN VẬT LIỆU

Tác giả

NGUYỄN MẠNH THI

Khóa luận được trình để đáp ứng yêu cầu

cấp bằng kỹ sư ngành ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Giáo viên hướng dẫn:

Ths TRƯƠNG QUANG TRƯỜNG

Ths LÊ VĂN BẠN

Tháng 06 năm 2012

LỜI CẢM ƠN!

Trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ ân cần của thầy Ths TRƯƠNG QUANG TRƯỜNG và thầy Ths LÊ VĂN BẠN cùng lời

động viên, nhắc nhỡ của quý thầy cô trong khoa Cơ khí & Công nghệ trường Đại Học

Nông Lâm TPHCM và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, cùng trường Với những tấm

lòng quí báu đó đã giúp tôi có được niềm tin, nghị lực để hoàn thành tốt đề tài

Trước tiên em xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, cảm ơn quý thầy cô Trường Đại Học Nông Lâm, đặc biệt là qúy thầy cô khoa Cơ khí & Công nghệ đã dạy

và truyền đạt kiến thức cho em trong suốt thời gian học tập tại trường

Em trân trọng gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô bộ môn Điền khiển tự động, đã nhắc

nhỡ và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài

Em gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy: Ths TRƯƠNG QUANG TRƯỜNG và Ths

LÊ VĂN BẠN là những người đã nhiệt tình giúp đỡ em trong việc hướng dẫn thực

hiện đề tài này

Tôi rất cảm ơn các bạn trong lớp, trong khoa và trường đã giúp đỡ tôi và đã động

viên tinh thần cho tôi để tôi đạt được kết quả như ngày hôm nay

TÓM TẮT

ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ–VÍTME BI VÀ ĐỘNG CƠ BƯỚC THIẾT KẾ

MÁY KIỂM TRA SỨC BỀN VẬT LIỆU

Để đánh giá được cơ tính của vật liệu thì phải biết được tính chịu lực và tính biến dạng của vật liệu Trong thực tế có rất nhiều loại thiết bị để đo lực và biến dạng của vật liệu, các thiết bị này hầu hết phải nhập ngoại rất đắc tiền Đa số các thiết bị này là những dụng cụ hiển thị dạng cơ, quang, thủy lực…

Trong nền kinh tế hội nhập ngày nay, sự xuất hiện của các máy móc hiện đại ngày càng nhiều trong đó có các máy đo Ngày nay các thiết bị đo lường bằng kỹ thuật số, kết nối máy tính, bằng kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển với tốc độ phát triển nhanh đã

và đang mang đến những thay đổi to lớn trong khoa học và công nghệ cũng như trong đời sống hàng ngày, càng trở nên thông dụng và nhiều tính ưu việt của nó như: dể đọc, chính xác, các giá trị đo mọi thời điểm có thể lưu lại…

Trong khuôn khổ luận văn này đề tài thực hiện công việc tính toán thiết kế chọn vitme bi và chế tạo ngàm kẹp dạng côn máy thử sức bền kéo nén của vật liệu, kết nối với máy tính nhằm mục đích vừa nghiên cứu vấn đề mới vừa ứng dụng thực tế để làm dụng cụ thực tập đo lường sức bền vật liệu sau này

Những vấn đề trong đề tài giải quyết là tính toán – thiết kế – chế tạo máy thử sức bền vật liệu bao gồm:

1 Tính toán chọn vitme bi và ngàm kẹp và các chi tiết cơ khí

2 Chọn cảm biến lực

3 Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại tín hiệu

4 Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số

5 Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch công suất điều khiển động cơ bước

6 Chọn – thiết kế - chế tạo bộ mạch giao tiếp với máy tính

7 Thực hiện viết chương trình phần mềm kết nối bộ giao tiếp và máy tính

8 Kết nối thiết bị và thử nghiệm toàn bộ hệ thống máy

Các kết quả đạt được:

- Máy thử sức bền vật liệu đã đưa vào hoạt động với lực đo lớn nhất là 10kN

- Bộ phận cảm biến lực hoạt động tốt, độ chính xác của cảm biến lực khoảng

0.02%

- Bộ phận khuếch đại tín hiệu hoạt động tốt, độ chính xác khoảng 1% tùy vào

giá trị điện áp đầu vào

- Bộ phận điều khiển chuyển đổi ADC và điều khiển Động Cơ Bước hoạt động

tốt, mức nhiễu thấp (khoảng15 Vp-p), dòng ngõ vào thấp không làm sụt áp

bộ phận cảm biến và khuếch đại

- Bộ phận giao tiếp với máy tính tốt, có khả năng chống nhiễu cao, tốc độ cao

đáp ứng yêu cầu lấy số liệu

- Phần mềm hoạt động ổn định

Do thời gian thực hiện đề tài ngắn cho nên mới chỉ thực hiện được cho trường

hợp thử kéo vật liệu Nếu muốn thử nén, uốn, xoắn, cắt thì phải chế tạo thêm đồ gá

MỤC LỤC

Trang

Trang tựa i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Mục lục v

Danh sách các hình vii

Danh sách các bảng ix

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tầm quan trọng của đề tài 2

1.3 Mục đích 2

1.3.1 Mục đích chung 2

1.3.2 Mục đích cụ thể 2

1.3.3 Giới hạn 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN - TRA CỨU TÀI TIỆU 3

2.1 MỘT SỐ MẪU MÁY THỬ SỨC BỀN VẬT LIỆU 3

2.2 Tra cứu các phương pháp đo lực và biến dạng 4

2.2.1 Đo biến dạng nhỏ bằng tấm điện trở (strain-gage) 4

2.2.2 Xác định lực bằng cảm biến lực loại áp điện 6

2.2.3 Xác định lực bằng cảm biến lực loại áp điện 6

2.3 Tra cứu lý thuyết sức bền vật liệu 6

2.3.1 Mẫu thí nghiệm 6

2.3.2 Đồ thị thí nghiệm và đặc trưng cơ học khi kéo của vật liệu 7

2.3.3 Lý thuyết tính toán thiết kế mẫu thử sức bền vật liệu 8

2.4 Tra cứu lý thuyết vítme bi 9

2.5 Tra cứu tài liệu về động cơ bước 12

2.6 Tra cứu hộp giảm tốc 14

2.7 Tra cứu các phương pháp giao tiếp giữa máy tính và máy đo 14

2.7.1 Các phương pháp giao tiếp giữa máy tính và máy đo 14

2.7.2 Giao tiếp qua cổng RS-232 (cổng COM) 14

2.8 Tra cứu linh kiện điện tử 15

2.8.1 Vi xử lý (ATMega 16) 15

2.8.2 Chip khuếch đại tín hiệu 18

2.8.3 Mạch khuếch đại tín hiệu dùng LM358 hoặc OP07 19

2.8.4 IC công suất L298 20

2.9 Tra cứu ngôn ngữ viết phần mềm 20

2.9.1 Tìm hiểu phần mềm BASCOM – AVR lập trình cho vi điều khiển 21

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 22

3.1 Phương pháp thực hiện đề tài 22

3.1.1 Phương pháp thực hiện phần cơ khí 22

3.1.2 Phương pháp thực hiện phần điện tử 22

3.2 Địa điểm và thời gian thực hiện 23

3.2.1 Địa điểm 23

3.2.2 Thời gian thực hiện 23

CHƯƠNG 4 THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 24

4.1 Tính toán thiết kế phần cơ khí 24

4.1.1 Mô hình máy 24

4.1.2 Tính toán chọn chi tiết máy 26

4.2 Tính toán thiết kế phần cứng điện tử 30

4.2.1 Chọn sơ đồ khối hệ thống máy đo 30

4.2.2 Thiết kế mạch nguồn cung cấp cho mạch 31

4.2.3 Mạch xử lý tín hiệu 32

4.2.4 Mạch công suất động cơ có cách ly 32

4.2.5 Mạch khuếch đại dùng chip tích hợp INA-128 33

4.2.6 LCD hiển thị 34

4.2.7 Mạch giao tiếp máy tính 34

4.2.8 Kết nối thành mạch chính 34

4.3 Thực hiện phần mềm 36

4.3.1 Lưu đồ khối của phần mềm 36

4.3.2 Lưu đồ xử lý trên máy tính thông báo kết quả ra màn hình, xuất dữ liệu sang các phần mềm khác 37

4.3.3 Viết chương trình 37

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 39

5.1 Kiểm tra, chạy thử và hoàn thiện hệ thống 39

5.2 Thử nghiệm máy 39

5.3 Kết quả - thảo luận 39

5.3.1 Giao diện hiển thị 39

5.3.2 Kết quả mạch điều khiển sau khi hoàn thành 43

5.3.3 Mô hình máy sau khi hoàn thành 44

5.3.4 Khảo nghiệm mô hình khi không tải 45

5.3.5 Bảng số liệu ghi nhận kết quả đo lực và biến dạng của mẫu thử 45

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 50

6.1 Kết luận 50

6.2 Đề nghị 50 

  Danh sách các hình: vii

Hình 2.1: Máy WE-600B 3

Hình 2.2: Máy RGM-4300 4

Hình 2.3: Cầu Wheatstone 5

Hình 2.4: Cầu Wheatstone khi 3 điện trở giống nhau 5

Hình 2.5: Hộp đo lực (loadcell) 6

Hình 2.6: Cấu tạo mẫu thử kéo 7

Hình 2.7: Biểu đồ khi kéo vật liệu dẻo 7

Hình 2.8: Biểu đồ khi kéo vật liệu dòn 8

Hình 2.9: Mặt cắt ngang hình chữ nhật 9

Hình 2.10: Cấu tạo vitme bi 9

Hình 2.11: Cấu tạo mặt cắt ngang vitme bi 9

Hình 2.12: Một số kích thước cơ bản của vitme bi 10

Hình 2.13: Sơ đồ xác định và l 12

Hình 2.14: Động cơ bước 12

Hình 2.15: Cấu tạo động cơ bước 13

Hình 2.16: Sơ đồ dây quấn động cơ bước đơn cực 13

Hình 2.17: Hộp giảm tốc trục vít bánh vít một cấp 14

Hình 2.18: Cổng RS – 232 (COM) 15

Hình 2.19: ATMega 16 16

Hình 2.20: Sơ đồ chân của ATMega 16 16

Hình 2.21: Cấu tạo ATMega 16 16

Hình 2.22: Chip INA-128 18

Hình 2.23: Sơ đồ chân INA-128 18

Hình 2.24: Cấu tạo INA-128 18

Hình 2.25: Mạch khuếch đại dùng LM 358 19

Hình 2.26: : Mạch khuếch đại dùng OP07 19

Hình 2.27: IC công suất L-298 20

Hình 2.28: Sơ đồ chân L-298 20

Hình 2.29: Cấu tạo L-298 20

Hình 2.30: Giao diện Bascom-ARM 21

Hình 4.1: Cấu tạo máy thử sức bền vật liệu 24

Hình 4.2: Cấu tạo sơ bộ mẫu thử kéo 26

Hình 4.3: Ngàm kẹp dạng nêm 27

Hình 4.4: Ngàm kẹp dùng cho vải sợi 27

Hình 4.5: Ngàm kẹp dạng vít 27

Hình 4.6: Ngàm kẹp sử dụng trong mô hình 28

Hình 4.7: Vitme bi 28

Hình 4.8: Cấu tạo hộp giảm tốc sử dụng trong đề tài 29

Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ thống máy đo 30

Hình 4.10: Cấu tạo nguyên lý phần mạch cung cấp điện áp 31

Hình 4.11: Mạch xử lý tín hiệu và hiển thị 32

Hình 4.12: Mạch công suất động cơ 32

Hình 4.14: Lcd hiển thị và sơ đồ đấu dây với vi điều khiển 34

Hình 4.15: Mạch giao tiếp máy tính 34

Hình 4.16: Cấu tạo nguyên lý board mạch điều khiển máy đo sức bền vật liệu 35

Hình 4.17: Chương trình cho vi điều khiển 38

Hình 4.18: Chương trình cho máy vi tính 38

Hình 4.19: Giao diện hiển thị ban đầu của hệ thống qua lcd 39-40 Hình 4.20: Giao diện hiển thị trên máy tính 40

Hình 4.21: Hộp thoại thông báo lưu dữ liệu xuất 41

Hình 4.22: Hộp thoại thông báo đường dẫn đến vị trí lưu dữ liệu 41

Hình 4.23: Hộp thoại mở tập tin Excel 42

Hình 4.24: Hộp thoại thông báo thoát chương trình 42

Hình 4.25: Mạch điều khiển sau khi hoàn tất 43

Hình 4.26: Mô hình máy sau khi hoàn tất 44

Hình 4.27: Biểu đồ kéo của vật liệu dùng làm mẫu 01 (vẽ bằng phần mềm Excel) 46 Hình 4.28: Biểu đồ kéo của vật liệu dùng làm mẫu 02 (vẽ bằng phần mềm Excel) 47 Hình 4.29: Biểu đồ kéo của vật liệu dùng làm mẫu 03(vẽ bằng phần mềm Excel) 48

Danh sách các bảng: ix

Bảng 1: Thông số kỹ thật máy WE-600B 3

Bảng 2: Thông số kỹ thuật máy RGM-4300 4

Bảng 3: Kích thước cơ bản của vitme bi 10

Bảng 4: Bảng chi tiết chân cổng giao tiếp RS – 232 15

Bảng 5: Bảng hệ số khuếch đại (Gain) và điện trở (R ) tương ứng 18

Bảng 6: Thông số mô hình máy 25

Bảng 7: Thông số kỹ thuật ngàm kẹp dùng trong mô hình máy 28

Bảng 8: Thông số kỹ thuật hộp giảm tốc 30

Bảng 9: Bảng kết quả đo 42

Bảng 10: Bảng kết quả đo mẫu 01 46

Những lý thuyết tính toán sức bền vật liệu còn dự trên những giả thuyết gần đúng

về sự biến dạng của vật thể dẫn đến kết quả tính toán cũng gần đúng Để đánh mức độ đáng tin cậy của lý thuyết, người ta dựa vào kết quả đo lường trên các vật thể ở trạng thái chịu lực rồi đem so sánh với kết quả lý thuyết Nếu sự chênh lệch không quá giới hạn cho phép thì kết quả đo và lý thuyết tính toán có thể được chấp nhận

Ngày nay, có rất nhiều loại máy đo thí nghiệm sức bền vật liệu thuộc các trung tâm, viện nghiên cứu, trường học…Và cũng có nhiều mẫu máy khác nhau Hầu như các máy có cơ cấu chỉ thị lực tác dụng ở dạng cơ, quang, số Nên khi đọc số liệu phải quang sát bằng mắt thường, khi gặp các vật liệu có biến dạng nhỏ thì gặp khó khăn trong việc lấy kết quả vì sai số lớn, một số máy đo có hệ thống ghi kết nối với máy vi tính nhưng giá thành quá đắt và kết quả đo đôi khi còn chưa chính xác lắm

Ưu điểm của vitme bi:

- Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần 0,9

- Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như không phụ thuộc vào tốc

độ

- Có thể loại trừ khe hở và sức căng ban đầu nên đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao

- Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài

Do đó, được sự chấp nhận của ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Công Nghệ hôm nay tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Ứng dụng vi xử lý - vitme bi và động cơ bước thiết

kế máy đo sức bền vật liệu”

1.2 Tầm quan trọng của đề tài

Việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật đo lường và điều khiển nói chung, đo lực

và biến dạng nói riêng, đẫ đem lại những kết quả đầy tính ưu việt Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu nhận số liệu ngắn, tự động tính toán xử lý số liệu Máy có thể thử kéo và nén một số vật liệu với độ chính xác cao, giá thành thấp Do đó phù hợp với thị trường trong nước Thử sức bền của vật liệu mà không cần nhập các máy thử sức bền của nước ngoài có giá thành khá đắt mà vẫn có thể đo chính xác cơ tính của vật liệu

1.3 Mục đích

1.3.1 Mục đích chung

Tính toán – thiết kế - chế tạo lại máy thử sức bền vật liệu ứng dụng vít me bi và động cơ bước, bộ phận cảm biến lực, phần cứng giao tiếp giữa thiết bị đo và máy tính, phần mềm đọc và hiển thị kết quả đo

1.3.2 Mục đích cụ thể

 Tính toán, thiết kế, chế tạo lại máy thử sức bền (chỉ chế tạo phần thử kéo)

 Chọn bộ phận cảm biến lực

 Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại tín hiệu điện

 Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch nguồn cung cấp

 Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch công suất điều khiển động cơ

 Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch chuyển đổi AD

 Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch giao tiếp với máy tính

 Thiết kế và viết phần mềm có thể đọc được số liệu vào, xử lý tín hiệu, hiển thị kết quả đo, xuất kết quả đo sang phần mềm Excel,

vẽ đồ thị

1.3.3 Giới hạn

Bước đầu cho đo lực và biến dạng ở tấm thép chịu kéo

Lực tác dụng lên mẫu thử tối đa: 10 kN

Chương 2 TỔNG QUAN - TRA CỨU TÀI TIỆU

2.1 MỘT SỐ MẪU MÁY THỬ SỨC BỀN VẬT LIỆU

Hình 2.1: Máy WE-600B

Thông số kỹ thật máy WE-600B Khả năng tải lớn nhất 1000kN Khoảng cách thử kéo lớn nhất 620mm Khoảng cách thử nén lớn nhất 580mm Đường kính mẫu thép tròn tối đa ∅ 6 - ∅ 45 mm

Khoảng cách gối thử uốn tối đa 600mm Khoảng cách giữa hai trụ 600mm

Chiều dày mẫu thép dẹt 0 - 40mm Bảng 1: Thông số kỹ thật máy WE-600B

Hình 2.2: Máy RGM-4300

Kiểm tra tải trọng tối đa 300kN

Chiều rộng vật kiểm tra 600 mm

Kích thước máy : (DxRxC) 1100 × 650 × 2185 mm

Bảng 2: Thông số kỹ thuật máy RGM - 4300

2.2 Tra cứu các phương pháp đo lực và biến dạng

2.2.1 Đo biến dạng nhỏ bằng tấm điện trở (strain-gage)

Miếng đo biến dạng (strain-gage) là một cấu kiện điện trở, có một nền bằng giấy cách điện hoặc bằng chất dẻo, trên nền dáng dây điện trở, hai đầu dây được hàn với hai đoạn dây dẩn Vật liệu của dây điện trở thường dùng là dây Cr-Niken, Cu-Niken… Khi đo biến dạng thì dáng tấm strain-gage lên một bộ phận biến dạng, sao cho phương của chuẩn đo trùng với phương của chuẩn đo biến dạng Mức biến dạng của

bộ phận thông qua lớp keo được truyền sang miếng đo Miếng đo như vậy phải chịu sự biến động điện trở tỷ lệ với biến động chiều dài của nó

- Hệ số miếng đo (Gage factor)

Nếu bỏ qua sự thay đổi của điện trở suất ta sẽ có sự thay đổi tương đối của điện trở là: 

dR

R 1 2μ ε k ε Trong đó k = (1+2 ) là hằng số đối với mỗi loại vật liệu làm điện trở và gọi là hệ số nhạy của dây điện trở

Một miếng đo lý tưởng phải có một điện trở rất lớn, một hệ số đo cực đạivà một mức giới hạn đàn hồi cao, đồng thời không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao tác động Thêm vào đó, hệ số miếng đo luôn luôn bất biến cho dù mức biến dạng có lớn đến đâu

đi chăng nữa

Để miếng đo có thể hoạt động một cách thích hợp theo sức căng cũng như sức nén, sợi điện trở phải càng mỏng để cho lớp keo có thể truyền hoàn toàn mức biến dạng của bộ phận sang miếng đo

- Nguyên lý đo bằng Strain gage:

Nguyên lý chính của đo biến dạng bằng strain gage là dùng cầu điện trở Wheatstone

Đối cầu Wheatstone của hình sau:

Hình 2.3: Cầu Wheatstone Hình 2.4: Cầu Wheatstone khi3 điện trở

giống nhau

Khi cho giá trị các điện trở R1, R2, R3 = R và cảm biến Rx là biến trở như hình vẽ, giá trị ban đầu cảm biến là Rx = R

Hiệu điện thế đầu ra của cầu là:

Với giá trị mẫu thức lớn hơn rất nhiều tử thức nên ta có thể lấy gần đúng

V

2.2.2 Xác định lực bằng cảm biến lực loại áp điện

Là một cảm biến lực làm bằng một phiến thạch anh được cắt theo một hướng nhất định Mặt trên và mặt dưới được phủ kim loại hình thành hai điện cực Dưới tác dụng của một lực F trên phiến thạch anh điện tích tự do Q được sinh ra: Q = k.F , trong đó

k = 2.3.10 As/N

2.2.3 Xác định lực bằng cảm biến lực loại áp điện

Nguyên tắc của màng sọc co giãn (tấm điện trở, strain gage) như mục 2.2.1 đã trình bày Một ứng dụng của nó là dùng để đo lực trong các hộp đo lực Các màng sọc

co giãn được dán lên trên ống rỗng hình trụ có tính đàn hồi Dưới tác dụng của lực điện trở của các màng sọc nằm ngang lớn lên và các màng nằm dọc bé lại Do điện thế

ra của cầu Wheatstone tỉ lệ trực tiếp với lực tác dụng, khoảng đo thay đổi từ 50N đến 5.10 N Sai số trong khoảng 0.05%

Mẫu thử được gia công theo tiêu chuẩn TCVN 197:2002, mẫu thử gia công phải

có góc lượn chuyển tiếp giữa phần đầu để kẹp vào ngàm và phần song song nếu chúng

có kích thước khác nhau Mẫu thử có chiều dày theo tiêu chuẩn là từ 0,1 mm đến 3

mm

Hình 2.6: Cấu tạo mẫu thử

2.3.2 Đồ thị thí nghiệm và đặc trưng cơ học khi kéo của vật liệu

Đồ thị quan hệ lực - biến dạng của mẫu gồm có 3 giai đoạn

Hình 2.7: Biểu đồ khi kéo vật liệu dẻo

 Giai đoạn tỉ lệ OA:

Đồ thị là đường thẳng, quan hệ P-∆ thuần nhất bậc nhất tuân theo định luật Hooke Giai đoạn này kết thúc tại điểm A, tương ứng với giá trị lực kéo là Tỉ số giữa lực kéo tỉ lệ và diện tích ban đầu của tiết diện được gọi là giới hạn tỉ lệ

Biến dạng của thanh trong giai đoạn này nói chung là rất nhỏ

 Giai đoạn chảy CD:

Sau một đoạn cong chuyển AC rất ngắn và có dạng khác nhau đối với các mẫu thí

dạng vẫn tăng, ở giai đoạn này vật liệu không có khả năng tiếp nhận tải trọng, và tỉ số giữa và diện tích là giới hạn chảy Biến dạng trong giai đoạn này thường lớn hơn biến dạng trong giai đoạn tỉ lệ

 Giai đoạn cũng cố DBG:

Quan hệ P-∆ là đường cong có độ dốc giảm dần, lực tăng thanh dài thêm, các tiết diện thanh nhỏ dần lại Khi lực đạt tới trị số , tương ứng với điểm B trên đồ thị, xuất hiện một (đôi khi hai) tiết diện giảm yếu nhất bị thắt nhỏ lại đột ngột Ứng suất tại tiết diện giảm nhỏ lại hay còn gọi là “ cổ thắt ” tiếp tục tăng, đồ thị đi xuống và mẫu đứt

Tỉ số giữa và là giới hạn bền σ

Hình 2.8: Biểu đồ khi kéo vật liệu dòn Vật liệu dòn không có giới hạn chảy mà chỉ có giới hạn bền, biểu đồ là một đường cong liên tục

2.3.3 Lý thuyết tính toán thiết kế mẫu thử sức bền vật liệu

 Tính toán chọn tấm chịu kéo đúng tâm

Thanh có tiết diện hình chữ nhật:

Trong đó:

: Ứng suất pháp lớn nhất trên diện tích mặt cắt ngang nguy hiểm của thanh, N/ ;

: Tải trọng tác dụng dọc trục trên thanh, N;

:Chiều cao tiết diện nguy hiểm nhất ngoài của thanh theo trục Y, mm;

: Chiều rộng tiết diện nguy hiểm nhất ngoài của thanh theo trục

X , mm;

Hình 2.9: Mặt cắt ngang hình chữ nhật

2.4 Tra cứu lý thuyết vitme bi

Hình 2.10: Cấu tạo vitme bi Hình 2.11: Cấu tạo mặt cắt ngang vitme bi

Như hình 2.10 cấu tạo của vitme bi gồm: 1 – Đai ốc, 2 – Các viên bi, 3 – Trục vít, 4 – Vòng chắn bi, 5 – Đường hồi bi vể của đai ốc

Vitme thường là loại vitme và đai ốc có tiếp xúc mặt, vitme bi là loại vitme và đai ốc là tiếp xúc lăn.Mối ghép vít me bi và đai ốc có một đường được lắp đầy bởi những viên bi thép Khi trục vít xoay, những viên bi cuộn tròn trong mối ren của trục vít và đai ốc Điều này nhằm giảm ma sát của chúng Bởi vì các viên bi cuối cùng sẻ rơi ra ngoài, nên đai ốc có một đường ống dẫn về để vét những viên bi khỏi rãnh của trục vít và đưa chúng trở lại phần đầu của đường bi ở phía cuối của đai ốc Lực đẩy của đai ốc thì không nặng nề nhờ những viên bi cuộn tròn, hơn là trược

Lý thuyết tính toán:

Hình 2.12: Một số kích thước cơ bản của vitme bi

Đường kính trong trục vít

d Đường kính mặt trụ chia trung bình

Góc tiếp xúc giữa bi với trục vít và giữa bi với đai ốc Bảng 3: Kích thước cơ bản của vitme bi

Các số liệu cần thiết thường dùng để tính toán thiết kế như sau :

(N) hay T (Nmm), với là lực dọc trục tác dụng lên đai ốc, T là mô men xoắn tác dụng lên trục vitme

l (mm): Chiều dài làm việc của bộ truyền động vitme-bi

v (m/s) hoặc n (vòng/phú t),với v là vận tốc di chuyển của đai ốc, n là số vòng quay của trục vitme

(h): Thời hạn làm việc tính theo giờ Thường khi cho biết thì sẽ kèm theo với v, còn khi cho T sẽ kèm theo với n

- Xác định đường kính trong :

  .. hoặc

,

Với ứng suất kéo cho phép, 3

- Tính đường kính mặt trụ chia trung bình d 1 k d

: Hệ số quan hệ giữa đường kính bi và đường kính mặt trụ qua đáy ren vít, có: = 0,08 0,2

- Khả năng tải động của bộ truyền

: Khả năng tải trọng động tính toán của trục vitme, kN Q: Tải trọng tương đương được tính theo lực dọc trục, kN

: Tuổi thọ của trục vitme tính bằng triệu chu kỳ chịu tải

: Bậc đường cong mỏi tính theo tải trọng tương đương, về lý thuyết tiếp xúc giữa trục vitme và bi là tiếp xúc điểm nên q=3

- Tải trọng tương đương Q được tính theo công thức:

.: Hệ số tải trọng, =1,0 – 1,2 với tải trọng không có sự va chạm

- Tính ổn định của bộ truyền

: Hệ số an toàn tính toán về ổn định

: Tải trọng tới hạn (N), xác định dựa vào độ mềm của vít λ

µ - Hệ số phụ thuộc phương pháp cố định các đầu trục vítme theo hình 6.3

l - Chiều dài tính toán của trục vítme theo hình

i - Bán kính quán tính của tiết diện trục vítme 

Hình 2.13: Sơ đồ xác định µ và l

2.5 Tra cứu tài liệu về động cơ bước

Hình 2.14 : Động cơ bước Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với

đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng

để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rotor có khả năng cố định rotor vào các vị trí cần thiết

Động cơ bước quay theo từng bước nên có độ chính xác cao về mặt điều khiển Chúng làm việc nhờ vào các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số làn chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cữu và biến từ trở (cũng

có loại động cơ hỗn hợp nhưng không khác mấy so với động cơ nam châm vĩnh cữu)

Hình 2.15: Cấu tạo động cơ bước

Hình 2.16: Sơ đồ dây quấn động cơ bước đơn cực Động cơ bước đơn cực với 5, 6 dây hoặc 8 dây đầu ra thường được quấn như hình trên Khi dùng các đầu nối trung tâm thường được nối với cực dương của nguồn cung cấp, hai đầu còn lại nối với cực âm để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó

Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng Trong

đó động cơ nam châm vĩnh cữu 1.8 độ mổi bước là thông dụng nhất, vì độ chính xác cao và động cơ được thiết kế nhỏ gọn tùy theo công suất, còn động cơ 15 độ và 7,5

độ là khá lớn, ngoài ra người ta còn chế tạo ra động cơ nam châm vĩnh cữu có số bước là 1,8 độ đến 0,72 độ

Hai nửa của một cuộn không được kích cùng một lúc

2.6 Tra cứu hộp giảm tốc

Ngày nay có rất nhiều loại hộp giảm tốc sử dụng các bộ truyền như: Trục vít bánh vít, bánh răng thẳng, bánh răng nghiêng, bánh răng nón…dưới đây là ảnh về hộp giảm tốc sử dụng trục vít bánh vít trên thị trường hiện nay

Hình 2.17: Hộp giảm tốc trục vít bánh vít một cấp TE-U Chức năng của hộp giảm tốc: Dùng để giảm tốc độ của động cơ khi truyền qua hộp giảm tốc, tăng tỷ số truyền

2.7 Tra cứu các phương pháp giao tiếp giữa máy tính và máy đo

2.7.1 Các phương pháp giao tiếp giữa máy tính và máy đo

 Giao tiếp qua cổng RS-232 (cổng COM)

 Giao tiếp qua cổng song song (cổng máy in LPT)

 Giao tiếp qua cổng USB

2.7.2 Giao tiếp qua cổng RS-232 (cổng COM)

Cổng nối tiếp được sử dụng truyền tải dữ liệu hai chiều giữa máy tính

và thiết bị ngoại vi, có các ưu điểm sau:

- Khoảng các truyền xa hơn truyền song song

- Số dây kết nối ít hơn

- Có thể truyền không dây dùng hồng ngoại

- Có thể ghép nối với vi điều khiển hay PLC Đầu cắm có 9 chân và còn gọi là DB9 như hình 2.18:

Hình 2.18: Cổng RS 232 (COM) Cổng song song RS-232 có: thanh ghi dữ liệu, thanh ghi trạng thái, thanh ghi điều khiển

Bảng 4: Bảng chi tiết chân cổng giao tiếp

2.8 Tra cứu linh kiện điện tử

2.8.1 Vi xử lý (ATMega 16)

Hình 2.19: ATMega 16 Hình 2.20: Sơ đồ chân của ATMega 16

Sơ đồ cấu trúc bên trong của ATMega 16

Hình 2.21: Cấu tạo ATMega16

ATMega 16 gồm 40 chân:

- Chân 1 đến 8: là cổng nhập xuất dữ liệu song song B (PORT B) nó có thể được sử dụng các chức năng đặc biệt khác

- Chân 9: RESET đưa chip về trạng thái ban đầu

- Chân 10: VCC cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển

- Chân 30: cấp điện áp so sánh cho bộ ADC

- Chân 32: AREF điện áp so sánh tín hiệu vào ADC

- Chân 33 đến 40: cổng nhập xuất dữ liệu song song A (PORT A) nó còn được tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC (analog

to digital converter)

Chức năng:

- Được chế tạo theo kiến trúc RISC hiệu suất cao mà điện năng tiêu thụ thấp

- 32 thanh ghi hoạt động đa năng

- Hoạt động tĩnh

- 16 MIPS với thông lượng 16MHz

- 8KB flash ROM

- Bộ EEPROM 512 byte, cho phép 100.000 lần ghi/xóa

- 16 Kbyte bộ nhớ chương trình in – system Self – programmable flash

- Tốc độ xử lý lệnh 8 MIPS ở 8MHz nghĩa là 8 triệu lệnh trên giây

- Bộ định thời gian thực (RTC) với bộ giao động và chế độ đếm tách biệt

- 2 bộ Timer 8bit và 1 bộ Timer 16bit vời chế độ so sánh và chia tần số tách biệt và chế độ bắt mẫu

- 2 kênh điều chế độ xung PWM

- Cố đến 13 interrupt ngoài và trong

- Bộ so sánh Analog

- Bộ lập trình Watch dog Timer

- Giao tiếp nối tiếp Master/Slave SPI

- Bộ nhớ SRAM 512 byte

- Bộ chuyển đổi ADC 8 kênh 10 bit

- Bộ truyền nối tiếp bất đồng bộ vạn năng UART

2.8.2 Chip khuếch đại tín hiệu

Hình 2.22: Chip INA-128 Hình 2.23: Sơ đồ chân của INA-128 Mạch khuếch đại dụng cụ dùng INA-128 có sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 2.24: Cấu tạo của INA-128 Bảng 5: Bảng hệ số khuếch đại (Gain) và điện

 Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào trị số của điện trở

1 50 ΩBảng điện trở và hệ số khuếch đại:

Chức năng:

- Điện áp đầu ra khi có hệ số khuếch đại :

- Khả năng chống nhiểu cao

2.8.3 Mạch khuếch đại tín hiệu dùng LM358 hoặc OP07

Thông thường ta sử dụng các mạch khuếch đại tín hiệu rời rạc, mạch khuếch đại dùng các IC khuếch đại như: OP07, LM358,… Sau đây là sơ đồ mạch khuếch đại dùng OP07 và LM358

Hình 2.25: Mạch khuếch đại tín hiệu dùng LM358

Hình 2.26: Mạch khuếch tín hiệu dùng OP07

R19 100k

R22

100k

C10 104uF

-5V

+ U16A

-LM358

3 2 1

+ U17A

-LM358

3 2 1

-+ U18A

LM358

3 2 1

+5V

-5V +5V

R28 1k

+ U19

-OP-07

3 2 6

10k

R39 1k

R36 10k

C14 C

+ U20

-OP-07

3 2 6

R38 10k

C15 C

-2.8.4 IC công suất L298

IC công suất L298 là một IC công suất tích hợp, có hai mạch cầu H và các cổng logic và được cách ly giữa nguồn công suất và nguồn nuôi IC Do đó độ an toàn cho mạch cao tránh dòng ngược làm hư hỏng hệ thống

Hình 2.27: IC công suất L-298 Hình 2.28: Sơ đồ chân của IC L-298

Hình 2.29: Cấu tạo của IC L-298

2.9 Tra cứu ngôn ngữ viết phần mềm

Ngôn ngữ viết phần mềm: hợp ngữ hay các ngôn ngữ chạy trong môi trường DOS như Qbasic, pascal, C Và các ngôn ngữ chạy trong môi trường Windows như Visual Basic, Delphi, Visual C, mikro C, Mbelap…

Ngôn ngữ sử dụng trong đề tài là: Bascom – AVR để lập trình cho vi điều khiển và ngôn ngữ Visual Basic để lập trình cho giao tiếp trên máy tính

2.9.1 Tìm hiểu phần mềm BASCOM – AVR lập trình cho vi điều khiển

Đây là ngôn ngữ lập trình cao cấp được sử dụng để thay thế cho chương trình hợp ngữ vì nó có tính năng tương tự, dễ lập trình hơn và hỗ trợ nhiều cho người sử dụng

 Giao diện chính của BASCOM–AVR gồm:

 Thanh menu bar

 Thanh toolbar

 Vùng viết chương trình

 Vùng tra cứu chân của vi xử lý

  Hình 2.30: Giao diện BASCOM - AVR

Thanh Menu

Thanh Toolbar Vùng viết chương trình

Vùng tra cứu chân của vi xử lý

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

3.1 Phương pháp thực hiện đề tài

3.1.1 Phương pháp thực hiện phần cơ khí

 từ mẫu máy có sẵn tính toán thiết kế các chi tiết của máy

 Từ yêu cầu về công suất máy và những bộ phận có sẵn (không chế tạo)

 Căn cứ vào thị trường nội địa chọn vật liệu chế tạo máy

 Tra cơ tính lý thuyết vật liệu chế tạo bộ phận của máy

 Phân tích lực tác dụng lên bộ phận chi tiết máy

 Chọn lại kích thước của chi tiết

 Thành lập bản vẽ chi tiết và lắp ráp

 Chế tạo các chi tiết còn lại

 Chạy thử và sửa chữa

3.1.2 Phương pháp thực hiện phần điện tử

 Thiết kế và thử nghiệm mạch xử lý tín hiệu bằng ATMega 16

 Khảo sát chọn cổng giao tiếp giữa thiết bị và máy tính

 Chọn mạch giao tiếp có cách ly

 Chọn giao tiếp giữa phần mềm và phần cứng

 Lắp ráp toàn bộ mạch trên board mạch và chạy thử

 Thiết kế chế tạo mạch giao tiếp với máy tính

 Chạy thử mạch giao tiếp với máy tính và hiệu chỉnh

 Khảo sát và chọn mạch cảm biến lực

 Thiết kế chế tạo lắp ráp mạch khuếch đại

 Viết chương trình giao tiếp thử nghiệm

 Hoàn thiện chương trình phần mềm

 Hiệu chỉnh mạch

 Chạy thử nghiệm và kiểm tra

3.2 Địa điểm và thời gian thực hiện

3.2.1 Địa điểm

Quá trình thực hiện đề tài bao gồm:

- Phần chế tạo được thực hiện tại trung tâm năng lượng trường đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh và các xưởng gia công khác

- Phần khảo nghiệm kết quả được thực hiện tại phòng thực tập bộ môn Điều Khiển Tự Động trường đại học Nông Lâm

3.2.2 Thời gian thực hiện

Đề tài đã tiến hành từ 19 tháng 03 năm 2012 đến 15 tháng 06 năm 2012

- Quá trình thực hiện nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống máy từ ngày 19 tháng 03năm 2012 đến ngày 01 tháng 06 năm 2012

- Thời gian còn lại là quá trình khảo nghiệm lấy kếtquả, sửa và hoàn thành bài luận văn. 

Chương 4 THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

4.1 Tính toán thiết kế phần cơ khí

4.1.1 Mô hình máy

Từ mô hình máy đã có sẵn khung máy, đế máy và hộp cảm biến lực Tiến hành tính toán và chọn các chi tiết khác của máy phù hợp với yêu cầu đặt ra của để tài

Chọn mô hình máy như hình 4.1

Hình 4.1: Cấu tạo máy thử sức bền vật liệu

1 - ngàm kẹp; 2 - cảm biến lực (load cell); 3 – thanh đỡ; 4 – ổ bi trượt; 5 – vít me bi; 6 – bộ bánh đai; 7 – động cơ bước; 8 – hộp số

Thông số kỹ thuật của mô hình

Khoảng cách hai trụ khung máy 170 mm

Để thử sức bền, ta dùng chuột lick hoặc dùng nút nhấn ở board mạch, nhấn nút nhấn “chạy” động cơ hoạt truyền động qua hộp giảm tốc bằng dây đai, hộp giảm tốc truyền động cho trục vitme bi làm cho đai ốc của vitme bi chuyển động tịnh tiến đi lên Đẩy cảm biến lực và khung thử đặt mẫu thử đi lên theo khi đó cảm biến lực có tín hiệu

do bị tác dụng lực của mẫu thử biến dạng gây ra Tín hiệu biến dạng của cảm biến lực được khuếch đại và gữi lên cho vi điều khiển ATMega 16 xử lý và cho hiển thị ra LCD 2x16, màn hình máy vi tính Trên màn hình máy vi tính các số liệu hiển thị của lực và biến dạng được lưu vào một bảng Các giá trị được hiển thị cho tới khi mẫu thử kéo bị đứt thì quá trình đo kết thúc động cơ ngừng hoạt động Trên bảng giá trị lực và biến dạng của màn hình máy vi tính ta nhấn nút xuất dữ liệu sang file Excel để lưu lại kết quả và vẽ đồ thị quan hệ giữa lực và biến dạng

4.1.2 Tính toán chọn chi tiết máy

 Chọn mẫu thử

- Mẫu thử chọn cho mô hình máy là mẫu dài hoặc ngắn theo tiêu chuẩn

TCVN 197:2002

- Dạng mẫu thử là dạng tấm mỏng có kích thước như hình4.2

- Chiều dài phần song song được nối với hai đầu góc lượn chuyển tiếp có bán kính nhỏ nhất là 20 mm Chiều rộng của hai đầu này nhỏ nhất là 20 mm và không lớn hơn 40 mm Có chiều dày trong khoảng 0,1 mm đến 3 mm

- Vật liệu của mẫu thử là thép ngoài thị trường nội địa

- Cấu tạo mẫu thử:

Hình 4.2: Cấu tạo sơ bộ của mẫu thử kéo

 Thiết kế ngàm kẹp

- Các mẫu ngàm kẹp:

Ngàm kẹp dạng nêm và dạng vít Ngàm kẹp thuỷ lực và khí nén Ngàm kẹp tự xiết dùng cho vật liệu đàn hồi Ngàm kẹp dùng cho sợi và vải

Bộ gá thử nén và uốn…

- Một số hình ảnh các ngàm kẹp trong thực tế

Hình 4.3: Ngàm kẹp dạng nêm

Hình 4.4: Ngàm kẹp dùng cho vải sợi Hình 4.5: Ngàm kẹp dạng vít

Từ các loại ngàm kẹp đã tìm hiểu như trên và tiêu chuẩn của mẫu thử kéo dạng tấm mỏng đã chọn như phần chọn mẫu thử, ta thấy ngàm kẹp dạng nêm thích hợp nhất đối với mô hình máy thử sức bền vật liệu mà ta đã chọn Vì ngàm kẹp dạng nêm đơn giản dể chế tạo khả năng kẹp giữ mẫu thử chắc chắn, lực giữ mẫu thử của ngàm kẹp dạng nêm lớn hơn các loại ngàm kẹp đơn giản khác

- Theo mô hình máy ta chọn ngàm kẹp dạng nêm như hình 4.6

Bảng7: Thông số kỹ thuật ngàm kẹp dùng trong mô hình máy

 Chọn bộ truyền vítme bi

Hình 4.7: Vitme bi

Từ mô hình máy có sẵn khung và hộp đo lực cực đại là 10kN, chọn vitme bi có các thông số kỹ thuật như sau: