Thiết kế và chế tạo hoàn thiện mô hình kiểm tra độ bền mỏi sản phẩm nhựa

Nội dung và quá trình thực hiện: Thiết kế và hoàn thiện bản vẽ, gia công phần cơ khí, lắp ráp phần cơ khí, kiểm tra và hoàn thiện phần cơ khí, viết báo cáo.Máy dùng để đo số lần phá hủy

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: ThS TRẦN MAI VĂN SVTH: NGUYỄN THANH HÙNG MSSV: 11146045

SVTH: ĐỖ QUỐC NHÂN MSSV: 11146073

S K L 0 0 3 8 8 1

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HOÀN THIỆN MÔ HÌNH KIỂM TRA ĐỘ BỀN MỎI SẢN PHẨM NHỰA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Tên đề tài:

“Thiết kế và chế tạo mô hình kiểm tra độ bền mỏi của sản phẩm nhựa”

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

……….……… ……….………

……….……… ……….………

……….……… ……….………

3 Nội dung chính của đồ án: ……….……… ……….………

……….……… ……….………

……….……… ……….………

……….……… ……….………

4 Các sản phẩm dự kiến ……….……… ……….………

5 Ngày giao đồ án: 6 Ngày nộp đồ án:

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ ………

(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

Giảng viên hướng dẫn : ThS TRẦN MAI VĂN

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THANH HÙNG MSSV: 11146045

ĐỖ QUỐC NHÂN MSSV: 11146073

LỜI CAM KẾT

- Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo mô hình kiểm tra độ bền mỏi của sản phẩm

nhựa”

- Giảng viên hướng dẫn : ThS TRẦN MAI VĂN

- Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THANH HÙNG MSSV: 11146045

- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 27/7/2015

- Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công

trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện Tôi không sao chép từ bất kỳ một

bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ

một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”

Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 7 năm 2015

Ký tên

Nguyễn Thanh Hùng

Đỗ Quốc Nhân

Cuối cùng chú ng em xin đư ợc gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân, bạn bè đã chia sẻ, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để chúng em hoàn thành khóa luận này

Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi những thiếu sót, chúng em mong sự chỉ bảo thêm của thầy cô giúp chú ng em hoàn thành và đạt kết quả tốt hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện Nguyễn Thanh Hùng

Đỗ Quốc Nhân

Nội dung và quá trình thực hiện: Thiết kế và hoàn thiện bản vẽ, gia công phần

cơ khí, lắp ráp phần cơ khí, kiểm tra và hoàn thiện phần cơ khí, viết báo cáo.Máy dùng để đo số lần phá hủy mỏi của sản phẩm nhựa.Nguyên lý hoạt động của máy dựa trên cơ cấu tay quay-con trượt với số lần tác dụng lớn lên sản phẩm,làm phá hủy mỏi của sản phẩm.Sau khi hoàn thành quá trình phá hủy mỏi của sản phẩm,ta tìm được số lần phá hủy thông qua cảm biến và phần mềm đo

Nhóm đã thiết kế và chế tạo thành công máy dùng để đo độ bền mỏi của sản phẩm nhựa, sau khi chạy thử nghiệm nhóm đã rút ra một số đánh giá sau: tạo đước điều kiện tác động vào sản phẩm nhựa gần giống với thục tế, sai số trong việc đếm

số lần tác động nhỏ và nằm trong giới hạn cho phép, có khả năng giao tiếp máy tinh; tuy nhiên vẫn còn một số khuyết điểm như: chưa tự động hóa hoàn toàn, tính

đa dạng đối với sảm phẩm kiểm tra còn thấp(phụ thuộc vào đồ gá), việc điều khiển các trục còn có sai số cao,…Trong tương lai,máy có thể được phát triển để đo được nhiều sản phẩm bằng cách thay thế các loại đồ gá khác nhau cho từng loại sản phẩm khác nhau

Sinh viên thực hiện Nguyễn Thanh Hùng

Đỗ Quốc Nhân

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM KẾT ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC VIẾT TẮT x

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1

1.5 Phương pháp nghiên cứu 1

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận 1

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể 2

1.6 Kết cấu đồ án 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 3

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

3.1 Cơ sở lý thuyết độ bền mỏi 5

3.1.2 Quá trình phá hủy mỏi 6

3.1.3 Đường cong mỏi 6

3.2 Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID 7

3.2.1 Định nghĩa 7

3.2.2 Hạn chế của bộ PID 9

3.3 Phần mền Visual Studio C# 9

3.4 Sơ lược phần mềm Arduino: 10

3.5 Cảm biến 11

3.5.1 Khái niệm chung 11

3.5.2 Cảm biến quang 11

3.5.3 Sơ lược Vít me – đai ốc 13

CHƯƠNG 4 : PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP 15

TRONG THIẾT KẾ 15

4.1 Cơ khí 15

4.1.1 Quy trình thiết kế 15

4.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy 16

4.1.3 Các phương án đề ra 16

4.1.3 Lựa chọn phương án 19

4.1.4Trình tự công việc tiến hành thiết kế 19

5.1 Tính toán lựa chọn cơ cấu 25

5.2 Tính toán điều khiển 37

5.2.1 Sơ đồ khối và lưu đồ khối 37

5.2.2 Tính toán thông số PID cho động cơ 40

5.2.3 Tính toán bước dịch chuyển của các trục 42

CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ 44

6.1 Thực nghiệm 44

6.2 Đánh giá 46

6.3 Hướng phát triển 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 2.1: Máy Qualitest 3

Hình 2.2: Máy thử mỏi vật liệu 250KN 4

Hình 3.1: Trục chịu uốn thuần túy 5

Hình 3.2: Đường sin của ứng suất tại điểm M 5

Hình 3.3: Chi tiết bị phá hủy mỏi 5

Hình 3.4: Lưu đồ điều khiển bộ PID(3) 7

Hình 3.5: Đồ thị điều khiển PID trên Matlab(4) 8

Hình 3.6: Cửa sổ khởi động Visual Studio 9

Hình 3.7: Cửa sổ khởi động Arduino IDE 11

Hình 3.8: Đai ốc thường 13

Hình 3.9: Đai ốc bi 13

Hình 3.10: Cấu tạo của vit me bi(6) 13

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý cam 16

Hình 4.2: Cam mặt 17

Hình 4.3: Cam rãnh 17

Hình 4.4: Cam trụ 17

Hình 4.5: Cơ cấu cam 18

Hình 4.6: Nguyên lý tay quay con trượt 18

Hình 4.7: Đặc điểm của cơ cấu tay quay con trượt 19

Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý máy sử dụng tay quay-con trượt 20

Hình 4.9: Cơ cấu truc X 20

Hình 4.10: Cơ cấu tay quay con trượt 20

Hình 4.11: Cơ cấu truc Z 20

Hình 4.12: Sơ đồ chân board Arduino MEGA 2560(7) 21

Hình 4.13: Sơ đồ Board Arduino UNO(8) 22

Hình 5.1: Cơ cấu tay quay con trượt 25

Hình 5.2: Tách khâu tay quay-con trượt 26

Hình 5.3: Sơ đồ bàn máy X 26

Hình 5.4: Sơ đồ bàn máy Y 28

Hình 5.4 : Cách lắp thanh trượt bi 28

Hình 5.5: Sơ đồ phân bố momen 32

Hình 5.6: Sơ đồ nguyên lý trục Z 33

Hình 5.7: Động cơ NF5475E 36

Hình 5.8: Cách lắp thanh trượt bi 36

Hình 5.9: Thanh tròn trơn thép hợp kim lồng ổ bi 37

Hình 5.10: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển 37

Hình 5.11: Lưu đồ giải thuật điều khiển 38

Hình 5.12: Bộ điều khiển 38

Hình 5.13: Khối board điều khiển 40

Hình 5.13: Khối board công suất 40

Hình 5.13: Khối board điều khiển 40

Hình 5.14 : Cách xác định Tcrit dựa trên hàm quá độ của hệ thống(9) 41

Hình 6.1: Mẫu thử nghiệm 44

Hình 6.2: Mẫu thử Khóa nhựa PA66 + 30%GF 45

Hình 6.3: Mẫu thử Khóa nhựa 50%PP + 50%CaCO3 45

DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU

Trang

Sơ đồ 4.1: Quy trình thiết kế máy 15

Sơ đồ 5.1: Sơ đồ nối chân 39

Bảng 5.1: Thông số của bánh đai theo tiêu chuẩn 30

Bảng 5.2: Hệ số ảnh hưởng đến tỉ số truyền 31

Bảng 5.3: Hệ số ảnh hưởng đến chiều rộng dây đai 31

Bảng 5.4: Công thức tính thông số bộ điều khiển PID theo phương pháp Zeigler-Nichols(10) 41

Bảng 6.1: Kết quả thực nghiệm 45

DANH MỤC VIẾT TẮT

P Proportional

PID Proportional – Integral

PID Proportional – Integral – Derivative

PP Poly Propylene

PA Poly Amide

GF Glass Fiber

PC Personal Computer.

IDE Integrated Development Environment

PSD Position Sensing Device

PWM Pulse Width Modulation

Dir Direction

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong cuộc sống thường ngày có rất nhiều các dụng cụ bằng nhựa, khi sử dụng các sản phẩm này nhiều lúc ta phải tác động một lực để làm thay đổi trạng thái của dụng cụ này Việc thay đổi trạng thái này dường như không có ảnh hưởng hay tác động nào đến tính chất của dụng cụ ở trạng thái hiện tại Tuy nhiên, việc tác động trong một thời gian dài sẽ dẫn đến ở những nơi bị tác động của dụng cụ sẽ bị biến cứng và bị gãy vỡ, đều này dẫn đến dụng cụ không thể sử dụng được nửa nếu chi tiết gãy vỡ đóng vai trò quang trọng của dụng cụ Máy kiểm tra độ bền mỏi của sản phẩm nhựa mà nhóm đã nghiên cứu và chế tạo được ứng dụng để kiểm tra số lần tác động lực đến khi gãy lên dụng cụ đó là bao nhiêu nhằm mục đích kịp thời thay thế những chi tiết đã đạt đến giới hạn mỏi Sau thời gian mười lam tuần nghiên cứu thì nhóm em đã hoàn thành sản phẩm và tiến hành chạy thực nghiệm trên một

số mẫu sản phẩm có sẵn cho thấy máy hoạt động ổn định và sai số tương đối nhỏ 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển thì máy móc hiện đại cũng ra đời Máy thử độ bền mỏi của sản phẩm nhựa là máy dùng để thử các mẫu sản phẩm nhựa nhằm đánh giá độ bền mỏi của sản phẩm trong thực tế Đây là việc mà hầu hết các công ty sản xuất sản phẩm nhựa quan tâm ,và loại máy này chưa có mặt tại Việt Nam

Đây là máy chưa sản xuất ở Việt Nam cho nên đề tài “ Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí máy thử độ bền mỏi của sản phẩm nhựa” có tính cần thiết, bắt kịp

nhịp phát triển khoa học kĩ thuật trên thế giới

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Máy tạo điều kiện tác động vào sản phẩm như khi sản phẩm được sử dụng

ngoài thực tế

Có khả năng tự động hóa và giao tiếp máy tính

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Thử độ bền mỏi của các loại sản phẩm nhựa

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

Độ bền mỏi của các sản phẩm nhựa

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

Hoàn thiện phần cơ khí của máy

Thiết kế bộ điều khiển

Xây dựng giải thuật điều khiển

Hoàn thiện việc điều khiển

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

Dựa trên lý thuyết độ bền mỏi của vật liệu

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể

Tham khảo tài liệu: đây là phương pháp nghiên cứu cơ bản và đóng vai trò tiên quyết Nhóm thực hiện ngoài việc sử dụng sách báo, tài liệu, tư liệu (nhất là tài liệu chuyên ngành) còn tham khảo, tổng hợp và chắt lọc thông tin trên Internet

Xây dựng một quy trình thiết kế hệ thống

Tính toán thông số, thiết kế, mô phỏng trên máy tính

Tham khảo ý kiến đóng góp của giáo viên hướng dẫn và quý thầy cô có kinh nghiệm ở trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trong các lĩnh vực liên quan đến đề tài mà nhóm đang nghiên cứu

Tìm hiểu các tài liệu và thiết kế hiện có trong và ngoài nước

Quan sát tổng thể hệ thống sau đó đi sâu vào từng bộ phận để giải quyết vấn đề

Thí nghiệm và khắc phục nhược điểm hệ thống

1.6 Kết cấu đồ án

Đồ án gồm có 6 chương vói nội dung như sau:

Chương 1 nêu lên tính cấp thiết của đề tài, Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của

đề tài, Mục tiêu nghiên cứu của đề tài, Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Chương 2 giới thiệu chung về tinh hình nghiên cứu trong và ngoài nước về lĩnh vực nghiên cứu

Chương 3 Trình bày các cơ sở lý thuyết được dung trong đồ án như: lý thuyết

độ bền mỏi, lý thuyết về bộ điều khiển PID,

Chương 4 Trình bày các phương hướng và phương pháp trong thiết kế

Chương 5 Trình bày sơ lược về cơ khí và tính toán điều khiển

Chương 6 tiến hành thực nghiệm và nêu ra những đánh giá sơ bộ ưu, nhược điểm của đồ án

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Trên thế giới việc nghiên cứu tính toán lý thuyết cũng như tiến hành các thử nghiệm để thiết kế và thử nghiệm độ mỏi vật liệu đã được nhiều tác giả quan tâm Các thử nghiệm đo độ mỏi đối với vật liệu thường đòi hỏi chi phí rất lớn chỉ có thể tiến hành tại các nhà máy, các cơ sở nghiên cứu của các hãng sản xuất lớn trên thế giới Do vậy, gần đây các tác giả thường tập trung vào việc tìm kiếm các phương pháp, công cụ thiết lập và mô hình hoá kết cấu vật liệu để nghiên cứu đánh giá độ bền, độ bền mỏi, độ cứng của nó Gần đây, vấn đề trên đã được một số các nhà khoa học của các cơ quan như Đại học Bách khoa Hà Nội , Học viện Kỹ thuật quân sự, Đại học Giao thông vận tải và một số Viện khoa học kỹ thuật quan tâm, nghiên cứu Với những hạn chế về chủ quan cũng như khách quan, đề tài chỉ tập chung chủ yếu nghiên cứu về những cơ sở lý thuyết cho việc đánh giá độ bền mỏi, đồng thời thực hiện tính toán, kiểm nghiệm cho các loại vật liệu kim loại

Dưới đây là một số sản phẩm hiện có trên thị trường trong và ngoài nước:

Số lượng chu kỳ có thể được điều chỉnh bởi người sử dụng

Khoảng cách của kẹp (tối đa 100 mm), có thể điều hỉnh được để công cụ này cũng có thể được sử dụng với các mẫu không phải với hình dạng tiêu chuẩn

Lên đến 16 mẫu thử nghiệm có thể được gắn kết cùng một lúc

Ưu điểm: cả hai ngàm di chuyển theo hướng ngược nhau, do đó sẽ giúp giảm mức độ rung và tiếng ồn thường thấy so với các máy kiểm tra độ bền mỏi khác

Máy thử mỏi vật liệu 250KN (2)

Hình 2.2:Máy thử mỏi vật liệu 250KN

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 Cơ sở lý thuyết độ bền mỏi

3.1.1 Khái niệm

Trong nhiều chi tiết máy, dưới tác dụng của tải trọng, ứng suất trên mặt cắt biến đổi tuần hoàn theo thời gian Xét độ bền của một chi tiết hình trụ

Xét một điểm M trên mặt ngoài của trục chịu uốn thuần túy phẳng quay với vận tốc góc ω (rad/s)

Hình 3.1 : Trục chịu uốn thuần túy

Ta thấy ứng suất tại M biến thiên tuần hoàn theo thời gian với một hàm

số hình sin Như vậy với một vòng quay của trục, ứng suất tại M lại lần lượt qua các giá trị cực đại

và cực tiểu, hai giá trị này bằng nhau nhưng khác dấu

Hình 3.2 : Đường Sin của ứng suất tại điểm M

Người ta gọi hiện tượng vật liệu bị phá hoại do ứng suất thay đổi theo thời gian là hiện tượng mỏi của vật liệu

Nhận xét: khi chi tiết bị phá hũy mỏi ta thấy ở mặt cắt bị phá hoại có hai miền phân biệt, một miền nhẳn và một miền xù xì gợn

hạt giống như sự phá hũy của vật liệu giòn, mặc

dù vật liệu chế tạo là vật liệu dẽo Từ đó người ta

đưa ra giả thuyết về sự phá hoại do hiện tượng

mỏi như sau:

Hình 3.3 : Chi tiết bị phá hủy mỏi

Khi chịu tác dụng của ứng suất thay đổi, tuy giá trị của các ứng suất còn thấp hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu, nhưng những biến dạng dẽo rất nhỏ đã xuất hiện

Những biến dạng dẽo rất nhỏ này lúc đầu hình thành trên toàn bộ thể tích của vật thể, sau chỉ phát triển ở những nơi bị yếu nhất có sự tập trung của ứng suất Dần dần vùng biến dạng dẽo cục bộ này phát sinh thành những vết nứt rất bé Do ứng suất thay đổi, các vết nứt phát triển lên và hai mặt bên của vết nứt va đập vào nhau làm cho hai mặt đó dần dần nhẵn đi Do vết nứt phát triển, diện tích mặt cắt bị nhỏ dần

và cuối cùng khi mặt cắt không đủ để chịu lực nữa thì thanh bị phá hoại đột ngột mà không có biến dạng dư lớn

3.1.2 Quá trình phá hủy mỏi

Hiện tượng phá hủy mỏi được phát hiện ra từ giữa thế kỷ 19 và giới hạn mỏi dược coi là một trong những chỉ tiêu tính toán chủ yếu để xác tịnh kích thước chi tiết thực tiễn cho thấy khoảng 90% các tổn thất của chi tiết do các vết nứt mỏi gây

ra

Quá trình phá hủy mỏi xảy ra khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi quá trình phá hủy mỏi bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ sinh ra từ vùng chi chi tiết chịu ứng suất tương đối lớn Khi số chu trình làm việc của chi tiết tăng lên thì các vết nứt này cũng mở rộng dần, chi tiết ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy ra gãy hỏng

3.1.3 Đường cong mỏi

Đường cong mỏi thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất (ứng suất trung bình hoặc ứng suất lớn nhất) và số chu kỳ thay đổi ứng suất N của chi tiết máy tới khi hỏng hoàn toàn

mỏi (dài hạn) của chi tiết máy Ứng với σo là số chu kỳcơ sở No

Phương pháp xác định độ bền mỏi của chi tiết máy

Theo lý thuyết mỏi hiện nay, đô bền mỏi của chi tiết máy được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau :

Phương pháp thực nghiệm cơ học : bằng các máy đo thực tế, xác định độ bền mỏi của chi tiêt máy của mẫu chuẩn hoặc chi tiết máy cùng loại

Phương pháp tính hệ số an toàn mỏi

Phương pháp gần đúng : một số công thức kinh nghiệm đưa ra nhằm tính ứng xuất bền mỏi tỉ lệ theo độ bền tĩnh theo hệ số K<1

Phương pháp tính tuổi thọ mỏi theo thuyết tích lũy tổn thương tuyến tính và đường cong mỏi thực nghiệm(được trình bày ở trên)

Đối với đồ án này thì sử dụng phương pháp tính tuổi thọ mỏi theo thuyết tích lũy tổn thương tuyến tính và đường cong mỏi thực nghiệm để làm cơ sở lý thuyết để thiết kế và chế tạo

3.2 Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID

3.2.1Định nghĩa

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ - PID là một cơ chế phản hồivòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển

phản hồi

Hình 3.4:Lưu đồ điều khiển bộ PID(3)

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi

nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết

tắt là P,I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân

xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số

Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân đƣợc cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID Định nghĩa rằng là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là:

Độ lợi vi phânK d :

Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhƣng lại làm chậm đáp ứng quá độ và

có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số

Hình3.5: Đồ thị điều khiển PID trên Matlab(4)

3.2.2Hạn chế của bộ PID

Trong khi các bộ điều khiển PID có thể được dùng cho nhiều bài toán điều khiển, và thường đạt kết quả như ý mà không cần bất kỳ cải tiến hay thậm chí điều chỉnh nào, chúng có thể rất yếu trong vài ứng dụng, và thường không cho ta điều khiển tối ưu Khó khăn cơ bản của điều khiển PID là nó là một hệ thống phản hồi, với các thông số không đổi, và không có tin tức trực tiếp về quá trình, và do đó tất

cả kết quả là phản ứng và thỏa hiệp

Cải tiến quan trọng nhất là kết hợp điều khiển nuôi-tiến với kiến thức về hệ thống, và sử dụng PID chỉ để điều khiển sai số Thay vào đó, PID có thể được cải tiến bằng nhiều cách, như thay đổi các thông số (hoặc là lập chương trình độ lợi trong nhiều trường hợp sử dụng khác nhau hoặc cải tiến thích nghi chúng dựa trên kết quả), cải tiến đo lường (tốc độ lấy mẫu cao hơn, và chính xác, và lọc thông thấp nếu cần thiết) hoặc nối tầng nhiều bộ điều khiển PID với nhau

Các bộ điều khiển PID, khi sử dụng độc lập, có thể cho kết quả xấu khi độ lợi vòng PID buộc phải giảm vì thế hệ điều khiển không xảy ra vọt lố, dao động hoặc rung quanh giá trị điểm đặt điều khiển Chúng cũng khó khăn khi xuất hiện phi tuyến, có thể cân bằng sự điều tiết chống lại đáp ứng thời gian, không phản ứng lại việc thay đổi hành vi điều khiển (do đó, quá trình thay đổisau khi nó được hâm nóng), và bị trễ trong đáp ứng với các nhiễu lớn

3.3 Phần mền Visual Studio C#

Hình 3.6:Cửa sổ khởi động Visual Studio

Ngôn ngữ C# được phát triển bởi đội ngũ kỹ sư của Microsoft, trong đó người dẫn đầu là Anders Hejlsberg và Scott Wiltamuth Cả hai người này điều là những người nổi tiếng, trong đó Anders Hejlsberg được biết đến là tác giả của Turbo Pascal, một ngôn ngữ lập trình PC phổ biến Và ông đứng đầu nhóm thiết kế Borland Delphi, một trong những thành công đầu tiên của việc xây dựng môi trường phát triển tích hợp (IDE) cho lập trình client/server

Phần cốt lõi hay còn gọi là trái tim của bất cứ ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng là

sự hỗ trợ của nó cho việc định nghĩa và làm việc với những lớp Những lớp thì định nghĩa những kiểu dữ liệu mới, cho phép người phát triển mở rộng ngôn ngữ để tạo mô hình tốt hơn để giải quyết vấn đề Ngôn ngữ C# chứa những từ khóa cho việc khai báo những kiểu lớp đối tượng mới và những phương thức hay thuộc tính của lớp, và cho việc thực thi đóng gói, kế thừa, và đahình, ba thuộc tính

cơ bản của bất cứ ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng.Trong quá trình thực hiện đồ

án nhóm đã sử dụng C# để:Tạo giao diện liên kết với board arduino.Hiển thị số chu

kì dao động của vật liệu

3.4 Sơ lược phần mềm Arduino:

Phần mềm Arduino (Arduino IDE) là phần mềm nền tảng mã nguồn mở chạy trên nền tảng máy tính để xây dựng các ứng dụng điện tử, hỗ trợ người dung viết chương trình, biên dịch và nạp chương trình vào board Arduino

Một số đặc điểm của Arduino IDE:

Hỗ trợ Windows, Mac OSX, Linux

Giao diện đơn giản dễ sử dụng

Có thể chạy ngay không cần cài đặt

Mã nguồn mở

Hình 3.7: Cửa sổkhởi động Arduino IDE

3.5 Cảm biến

3.5.1 Khái niệm chung

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được Các đại lượng đo (M) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, trọng lượng…) tác động lên cảm biến cho ta đại lượng đặc trưng (S) mang tính chất điện như (như điện tích, điện áp, dòng điện hay trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đó

Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M)

S = F(M) (3.2) Người ta gọi (S) là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến (M) là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc (S) cho phép nhận biết giá trị (M)

3.5.2 Cảm biến quang

Nguyên lý hoạt động: Khi chiếu vào nguồn sáng thích hợp vào cảm biến, tính chất dẫn điện của cảm biến thay đổi, làm mạch tín hiệu cảm ứng thay đổi theo Như vậy

thông tin ánh sáng được chuyển thành thông tin của tín hiệu điện

Đầu phát của cảm biến phát ra một nguồn sáng về phía trước Nếu có vật thể che chắn, nguồn sáng này tác động lên vật thể và phản xạ ngược lại đầu thu, đầu thu nhận tín hiệu ánh sáng này và chuyển thành tín hiệu điện Tuỳ theo lượng ánh sáng

chuyển về, mà chuyển thành tín hiệu điện áp và dòng điện và khuyếch đại thành tín

hiệu ra

Nguyên tắc đo của cảm biến quang dịch chuyển:

Ánh sáng từ nguồn sáng được tập trung bởi thấu kính hội tụ và chiếu thẳng vào vật.Tia sáng phản xạ từ vật được tập trung lên dụng cụ cảm biến vị trí (PSD: position sensing device) bằng thấu kính thu Nếu vị trí vật ( khoảng cách đến thiết

bị đo) thay đổi, hình ảnh vị trí vật hình thành trênPSD sẽ khác đi và nếu ở trạng thái cân bằng của hai ngõ ra PSD thay đổi ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẽ khác đi

và trạng thái cân bằng của 2 PSD cũng thay đổi

Nếu 2 ngõ ra là A và B, tính A/(A+B) và sử dụng các giá trị thích hợp để tăng hệ số

“K” và Offset “C”

Khoảng dịch chuyển = 𝐴

𝐴+𝐵 K-C Giá trị đo lường của độ rọi (độ sáng) nhưng 2 ngõ dịch chuyển A và B, và chính vì vậy nếu cường độ ánh sáng nhận đươc vì khoảng cách đến vật thay đổi kết quả ngõ

ra tuyến tính tương ứng sự thay đổi khoảng cách và thay đổi vị trí

Phân loại

Cảm biến quang thu phát độc lập (Thought Beam):

Cảm biến quang phát thu chung (Retro Replective):

Cảm biến quang khuyếch đại ( Diffuse Replective) :

Cảm biến quang phản xạ giới hạn :

Ứng dụng

Sự đa dạng về chủng loại trong các sản phẩm cảm biến đáp ứng được

nhiều ứng dụng chuyên sâu trong lỉnh vực tự động hoá công nghiệp

Một vài ứng dụng điển hình:Phát hiện màn trong ; phát hiện dấu/vết trên nền; phát hiện dây bang; phát hiện băng niêm phong trên nắp lọ/hộp; phát hiện nhãn bằng plastic bóng trên giấy; phát hiện nắp nhôn trên chai nước; phát hiện chai

PET;…

3.5.3 Sơ lược Vi ́t me – đai ốc

Trong thực tế có 2 dạng vít me được sử dụng phổ biến: vít me - đai ốc tiếp xúc mặt và vít me - đai ốc bi

Vít me - đai ốc thường có cấu tạo gồm một trục có ren và đai ốc không có bi Đai ốc được cấu tạo sao cho ăn khớp với ren của trục vít để có thể truyền động, khi trục vít quay sẽ làm cho đai ốc chuyển động tịnh tiến dọc theo trục vít Vít me quay được một vòng thì đai ốc di chuyển được một khoảng đúng bằng khoảng cách bước ren

Hình 3.8: Đai ốc thườngHình 3.9: Đai ốc bi(5)

Vít me - đai ốc bi có cấu tạo gồm: trục vít me , đai ốc, bi và rãnh hồi bi Bề mặt ren của trục vít me đư ợc tôi cứng và hoạt động trên những viên bi đỡ Chính nhờ những viên bi này mà ma sát trượt trên vít me - đai ốc thường được thay thế bằng ma sát lăn trên vít me - đai ốc bi, ma sát nhỏ hơn và hiệu suất vít me - đai ốc

bi trên 90%

Hình 3.10: Cấu tạo của vit me bi (6)

Vít me - đai ốc bi được thiết kế để khử khe hở và điều chỉnh sức căng ban đầu Có 3 phương pháp được áp dụng:

Trên mỗi phần đai ốc thiết kế dạng mặt bích, liên kết hai phần này với nhau thông qua mối ghép ren, khử khe hở bằng cách đặt tấm đệm giữa hai phần đai ốc Cách này có kết cấu đơn giản nhƣng khó điều chỉnh

Cố định phần đai ốc trái, điều chỉnh lực lò xo tác dụng lên phần đai ốc phải thông qua các tấm đệm

Khử khe hở bằng vành răng, khi xoay hai phần đai ốc sẽ quay hai góc khác nhau, nhờ đó khe hở và sức căng đƣợc điều chỉnh

Ghi chú :

(3), (4) : Lý thuyết về thuật toán điều khiển PID, link http://www.itechco.vn(5), (6) : Hình ảnh Vít me-đai ốc, link https://www.google.com.vn/search?q=

CHƯƠNG 4 : PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP

TRONG THIẾT KẾ

4.1 Cơ khí

4.1.1 Quy tri ̀nh thiết kế

Thiết kế là công đoạn rất quan trọng trong chế tạo máy, nó định hình ý tưởng,

vị trí tương quan các chi tiết, đồng thời thông qua bản thiết kế có thể đánh giá được tính hợp lí và khả thi của toàn bộ dự án

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

Sơ đồ 4.1: Quy trình thiết kế máy

Sau khi đã có những hình dung ban đầu về mô hình, tiến hành vẽ phác các ý tưởng đó trên máy tính, chưa cần quan tâm đến kích thước chính xác, chủ yếu thể hiện vị trí tương quan các chi tiết, các cụm chi tiết của toàn bộ máy

Bước tiếp theo so sánh từng ý tưởng đề ra sau đó lựa chọn ý tưởng tối ưu Sau

đó thiết kế ý tưởng trên máy tính , cho phép điều chỉnh tùy ý giá trị kích thước, vì

mô hình là tổ hợp lắp ráp của nhiều chi tiết nên kích thước của các chi tiết có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, ảnh hưởng đến nhau Vì vậy, trong quá trình thiết kế từng chi tiết cần đối chiếu, so sánh với các chi tiết trước đó Đồng thời để thuận tiện

Nghiên cứu thị trường

Xây dựng ý tưởng Lựa chọn

phương án

Tính toán, thiết kế trên catia

Liệt kê vật tư

Gia công, lắp ráp Thử nghiệm

cho quá trình thiết kế, có thể vừa vẽ chi tiết vừa lắp ráp với chi tiết tương quan với

nó, sau đó lại quay lại chỉnh sửa kích thước, hình dạng chi tiết đó cho đến khi hoàn thiện Cách làm này giúp quá trình thiết kế dễ dàng hơn bởi tính trực quan, giảm thiểu thời gian, công sức tính toán, ước đoán

4.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy

Sau khi khảo sát thị trường và tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn Sản phẩm nhựa có 2 lọaị chuyển động cơ bản:

Tịnh tiến : tịnh tiến sang trái sang phái và tịnh tiến lên xuống

Xoay 1 góc

Nguyên lý của máy là trục chính chuyển động tịnh tiến lên xuống tác động vào sản phẩm (Sản phẩm có dạng nút nhấn) Đối với loại sản phẩm xoay 1 góc (các nắp chai, Các sản phẩm có khớp bản lề mềm) trên bàn máy sử dụng cơ cấu đòn bẩy để chuyển chuyển động tịnh tiến sang chuyển động quay thực hiện chuyển động lật

4.1.3Các phương án đề ra

4.1.3.1 Phương án dùng cơ cấu cam

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý cam

Cơ cấu cam là cơ cấu khớp loại cao, có khả năng thực hiện được những chuyển động có chu kỳ phức tạp của khâu bị dẫn có độ chính xác cao ( bằng cách sử dụng bề mặt hoặc một đường rãnh của một bộ phận, được gọi là cam (1), để điều khiển bộ phận thứ hai, được gọi là con đội (2)

Thời gian và kiểu chuyển động của con đội là cơ sở để thiết kế cam Chu trình chuyển động của con đội ứng với một vòng quay 3600 của cam và được gọi là chu trình chuyển vị

Trong các thiết bị cơ khí, cơ cấu cam được dùng để đóng mở các van hoặc điều chỉnh chuyển vị của pittong

Các loại cơ cấu cam

Cam măt: có dạng đĩa phẳng, hình dạng đường chu vi của cam điều khiển sự chuyển động của con đội

Hình 4.2: Cam mặtHình 4.3: Cam rãnh

Cam rãnh : là đĩa phẳng được tạo rãnh, hình dạng rãnh điều khiển sự chuyển động của con đội

Cam trụ: có dạng mặt trụ và có rãnh cắt trên mặt trụ để điều khiển sự

chuyển động của con đội

khó khăn trong việc chế tạo chính xác bề mặt làm việc của cam.Gia công phức tạp

Thiết kế sơ bộ cơ cấu chấp hành

Hình 4.5: Cơ cấu cam

4.1.3.2 Phương án dùng cơ cấu tay quay con trượt

Sơ đồ nguyên lý

Hình 4.6: Nguyên lý tay quay con trượt

Cơ cấu tay quay con trượt là cơ cấu nhiều thanh gồm 4 khâu:

Khâu 1: tay quay chuyển động quanh điểm A

Khâu 2: thanh truyền

Khâu 3: con trượt chuyển động tịnh tiến

Khâu 4: Giá

Các khâu này được nối với nhau bằng 4 khớp loại 5

Ưu, nhược điểm

Ưu điểm: lâu mòn, tuổi thọ cao, truyền lực lớn, có chế tạo đơn giản, dễ chế tạo và lắp ráp, dễ dàng thay đổi khích thước động,

Nhược điểm: khó thiết kế cơ cấu cho 1 quy luật chuyển động cho trước

Đặc điểm của cơ cấu tay quay con trượt:

Hình 4.7: Đặc điểm của cơ cấu tay quay con trượt

Đặc điểm cấu tạo: tâm quay D ở xa vô tận nên đường giá AD là đường thẳng đi qua A và vuông góc và vuông góc với phương trượt xx của khâu 3 Tâm vận tốc tức thời là P

Quan hệ động học: 𝑉𝑐 = 𝜔1 𝑙𝑃𝐴

Hệ số năng suất: 𝐻𝑐 = 2 𝑙𝐴𝐵 (chính tâm)

Điều kiện quay toàn vòng: 𝑙1 + 𝑒 ≤ 𝑙2

4.1.3 Lựa chọn phương án

Dựa vào yêu cầu của đề tài : thực hiện chuyển động tịnh tiến.Thay đổi dễ dàng kích thước động (chuyển vị), dễ gia công chế tạo và lắp ráp, lâu mòn

Lựa chọn phương án 2 tay quay con trượt là thích hợp nhất

4.1.4 Trình tự công việc tiến hành thiết kế

Bước 1: Thiết kế nguyên lý máy của hệ thống

Hình4.8: Sơ đồ nguyên lý máy sử dụng tay quay-con trượt

Bước 2 : Tính toán và thiết kế hệ thống máy trên phần mềm máy tính (catia)

Hình 4.9: Cơ cấu trục XHình 4.10: Cơ cấu tay quay con trượt

Hình 4.11: Cơ cấu truc Z

Bước 3: Kiểm nghiệm độ bền của hệ thống máy

Bước 4: Chuẩn bị bản vẽ và vật tư gia công

Bước 5: Gia công lắp ráp và thử nghiệm

4.2 Điều khiển

Sử dụng board Arduino mega và Arduino uno để khiều khiển vị trí 3 động cơ, đọc vị trí của động cơ chạy cơ cấu chấp hành

Hình 4.12:Sơ đồ chân board Arduino MEGA 2560(7)

Đối với board Mega các chân được sử dụng với chức năng sau:

Chân số 7, 9 lần lượt là chân output cấp xung PWM và chiều Dir cho động cơ dẫn động trục X

Chân số 2,4 lần lược là chân input dếm xung clock và nhận biết chiều từ encoder gắng trên đông cơ dẫn động trục X

Chân số 6 là chân input nhận tín hiệu từ cảm biến quang

Chân số 11 là chân output