Đồ án Thiết kế, chế tạo máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế, chế tạo máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY THÍ NGHIỆM CƠ CẤU ĐÀN HỒI GVHD: TS. PHẠM HUY TUÂN SVTH: LÊ TRUNG HẬU MSSV: 11143048 SVTH: VÕ XUÂN VŨ MSSV: 11143201 S K L 0 0 4 2 3 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
2. Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc  Bộ môn CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS. PHẠM HUY TUÂN Sinh viên thực hiện: Lê Trung Hậu MSSV : 11143048 Lớp : 111431B Võ Xuân Vũ MSSV : 11143201 Lớp : 111431B Ngành đào tạo: Cơ Khí Chế Tạo Máy Hệ: Đại Học Chính Quy Khóa học : 2011 – 2015 1. Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: — Khả năng máy: Kiểm tra đường đặc tính lực – biến dạng cho cơ cấu đàn hồi với lực tác dụng đến 50N 3. Nội dung chính của đồ án: — Giới thiệu đề tài. — Thiết kế cơ cấu gá chi tiết và tác dụng lực dùng cảm biến lực. — Tính toán công suất động cơ yêu cầu. — Hồ sơ bản vẽ:  Tổng thể hệ thống máy thí nghiệm  Các cụm chi tiết.  Chi tiết — Chế tạo mô hình máy thử nghiệm lực. — Thiết kế phần điều khiển và thu thập dữ liệu trên máy tính. 4. Các sản phẩm dự kiến — Mô hình máy thí nghiệm. 5. Ngày giao đồ án: 6. Ngày nộp đồ án: TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) i
3. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY THÍ NGHIỆM CƠ CẤU ĐÀN HỒI - Giáo viên hướng dẫn: TS. PHẠM HUY TUÂN - Họ tên sinh viên: LÊ TRUNG HẬU  MSSV: 1114048 Lớp: 111431B  Số điện thoại liên lạc: 01692743873  Email: hautrung93@gmail.com - Họ tên sinh viên: VÕ XUÂN VŨ  MSSV:11143201 Lớp: 111431B  Số điện thoại liên lạc: 01648360496  Email: xuanvuute93@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): - 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 . tháng . năm 2016 Ký tên ii
4. LỜI CÁM ƠN  Trong thời gian thực hiện đồ án:“Thiết kế chế tạo máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi”.Tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ của quý thầy, cô, gia đình và bạn bè. Vậy nay tôi: Xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến thầy TS. PHẠM HUY TUÂNđã hết lòng giúp đỡ và hướng dẫn tận tình cho chúng tôi những kiến thức thực tế quan trọng và dẫn hướng cho quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp của mình. Đồng thời đã cung cấp cho tôi những tài liệu rất cần thiết liên quan đến đề tài. Thầy đã dành nhiều thời gian qúy báu của mình để hướng dẫn chúng tôi. Tôi cũng không quên cám ơn đến quý thầy cô trong Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt cho chúng tôi những kiến thức nền tảng và cơ bản trong thời gian qua để chúng tôi có những kiến thức quan trọng, vững chắc cho những lập luận của mình trong đồ án tốt nghiệp này. Chính những sự hỗ trợ giúp đỡ trên đã tạo động lực, hỗ trợ cho nhóm chúng em thực hiện tốt đồ án tốt nghiệp này. Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết sức mình, song chắc chắn đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em kính mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý Thầy Cô. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Sinh viên thực hiện Lê Trung Hậu Võ Xuân Vũ iii
5. TÓM TẮT ĐỒ ÁN “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY THÍ NGHIỆM CƠ CẤU ĐÀN HỒI” Ngày nay, lĩnh vực nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi đang ngày càng phát triển, ngày càng có nhiều người theo đuổi. Ở nước ngoài, lĩnh vực này đã được mở rộng và đã được áp dụng nhiều vào thực tế nhưng trong nước nó vẫn rất mới mẻ và chưa được nhiều người quan tâm. Cơ cấu đàn hồi được sử dụng nhiều trong các cánh tay robot, các máy mài thủy tinh, Nhưng quá trình kiểm tra đánh giá kết quả thực nghiệm của những cơ cấu này còn gặp nhiều khó khăn và phần lớn thiết bị kiểm tra lực được nhập từ nước ngoài về dẫn đến chi phí cao và khâu sửa chữa bảo trì sau này còn gặp nhiều vướng mắc. Máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi ra đời sẽ góp phần kiểm tra đánh giá kết quả và đo lực đầu ra của cơ cấu đàn hồi một cách chính xác nhất. Từ đó đẩy mạnh lĩnh vực nghiên cứu này trong nước và mang lại rất nhiều ứng dụng thực tế. iv
6. MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN i LỜI CAM KẾT ii LỜI CÁM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv MỤC LỤC v DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ xi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiv CHƯƠNG 1: Ý TƯỞNG 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 2 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 2 1.5 Phương pháp nghiên cứu 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 4 2.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 4 2.1.1 Các nghiên cứu trên thế giới 4 2.1.2 Các nghiên cứu trong nước 7 2.2 Sơ lược về cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi 9 2.2.1 Định nghĩa cơ cấu, cơ cấu đàn hồi 9 2.2.2 Cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi 10 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 3.1 Cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi 12 3.1.1 Nguyên lý làm việc của cơ cấu có lực đầu ra không đổi 13 3.1.2 Ưu nhược diểm của cơ cấu đàn hồi 14 3.1.3 Chế tạo 14 3.1.4 Ứng dụng 15 3.2 Khái quát về những phần mềm hỗ trợ 16 3.2.1 Giới thiệu phần mềm CreO 3.0 16 3.2.2 Giới thiệu phần mềm ANSYS 16 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY THÍ NGHIỆM CƠ CẤU ĐÀN HỒI 20 4.1 Yêu cầu đối với máy cần thiết kế 20 4.1.1 Các chỉ tiêu về hiệu quả sử dụng 20 v
7. 4.1.2 Khả năng làm việc 20 4.1.3 Độ tin cậy 21 4.1.4 An toàn trong sử dụng 21 4.1.5 Tính công nghệ và tính kinh tế 21 4.2 Các phương án thiết kế 21 4.2.1 Máy thí nghiệm tác dụng lực bằng tay quay 21 4.2.2 Máy thí nghiệm tác dụng lực bằng hệ thống thủy lực 22 4.2.3 Máy thí nghiệm tác dụng lực sử dụng động cơ 23 4.3 Lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công cho chi tiết không tiêu chuẩn 23 4.3.1 Lựa chọn vật liệu 23 4.3.2 Lựa chọn phương pháp gia công cho những chi tiết không tiêu chuẩn 24 4.4 Tính toán công suất truyền động 24 4.4.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của máy thí nghiệm theo thiết kế 24 4.4.2 Tính toán công suất động cơ khi hoạt động 25 4.5 Chọn động cơ 25 4.5.1 Động cơ điện một chiều 25 4.5.2 Động cơ điện xoay chiều 26 4.5.3 Động cơ bước 26 4.5.4 Động cơ servo 27 4.6 Chọn khớp nối trục 28 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ CỦA MÁY 30 5.1 Tính toán bộ truyền trục vít me đai ốc bi 30 5.1.1 Giới thiệu 30 5.1.2 Yêu cầu kỹ thuật của vít me đai ốc bi 31 5.1.3 Các dạng frofil ren của vít me và đai ốc 32 5.1.4 Lựa chọn sơ bộ bộ truyền trục vít me đai ốc bi 33 5.1.5 Tính toán bộ truyền trục vít me đai ốc bi theo độ bền kéo (hoặc nén) 34 5.1.6 Chọn các thông số của bộ truyền 34 5.1.7 Tính kiểm nghiệm về độ bền 35 5.1.8 Lựa chọn đai ốc 39 5.1.9 Cách lắp đặt trục vít me bi 40 5.2 Thiết kế ổ đỡ và chặn bi 41 5.3 Lựa chọn, tính toán cơ cấu dẫn hướng 45 5.3.1 Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng 45 5.3.2 Các kiểu lắp đặt thanh trượt bi 46 5.3.3 Tính toán khả năng chịu tải 49 5.3.4 Cơ sở tính toán 51 5.4 Thiết kế phần thân máy 55 5.4.1 Yêu cầu của thân máy 55 5.4.2 Kết cấu thân máy 56 vi
8. 5.4.3 Vật liệu chế tạo thân 56 5.5 Thiết kế bàn trượt 57 5.6 Thiết kế gối trượt trên 58 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU NHẬN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 59 6.1 Thiết bị đo lực loadcell 60 6.1.1 Khái niệm 60 6.1.2 Phân loại 60 6.1.3 Cấu tạo 60 6.1.4 Nguyên lý hoạt động 61 6.1.5 Thông số kỹ thuật cơ bản 62 6.2 Board cầu H 63 6.3 Board STM32F103RCT6 64 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 65 7.1 Kết quả đạt được 65 7.1.1 Thiết kế cơ khí 65 7.1.2 Kiểm tra những chi tiết chịu lực trực tiếp bằng ANSYS 66 7.1.3 Hệ thống điện 67 7.1.4 Kết quả thực nghiệm 68 7.1.5 Nhận xét 69 7.2 Đề xuất 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 vii
9. DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1: Một số thông số chính của máy 9 Bảng4.1:Các loại động cơ servo 28 Bảng5.1: Cấp chính xác của trục vít me theo chiều dài trục 33 Bảng5.2: Tiêu chuẩn lựa chọn các đường kính của trục vít me 36 Bảng5.3: Giới hạn chiều dài của trục vít ứng với cấp chính xác 38 Bảng5.4: Tiêu chuẩn trục vít me đai ốc bi models BLK 39 Bảng5.5: Các kiểu ổ đỡ dựa theo đường kính trong của ổ và đường kính ngoài của ren 43 Báng 5.6: Các thông số của models EK 44 Báng 5.7: Các thông số của models EF 45 Báng 5.8: Hệ số fw 53 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 2.1: Máy kiểm tra kéo trượt vạn năng bằng động cơ thủy lực điều khiển bằng máy tính HT21-01 4 Hình 2.2: Máy kiểm tra kéo trượt vạn năng điều khiển bằng máy tính dòng GOLIATH 6 Hình2.3: Thiết bị kéo vạn năng của Mỹ Instron 3300 7 Hình2.4: Máy thí nghiệm vạn năng PATHFINDER 8 Hình2.5: Một số cơ cấu truyền thống 10 Hình2.6: Kìm cộng lực dùng cơ cấu đàn hồi 10 Hình2.7: Cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi 11 Hình2.8: Mô hình cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi có cấu tạo nguyên khối 11 Hình3.1: Mô hình cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi có cấu tạo nguyên khối 12 Hình3.2: Mô hình cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi có cấu tạo nguyên khối 12 Hình3.3: Vị trí làm việc của cơ cấu 13 Hình3.4: Biểu đồ lực, ứng suất và chuyển vị 14 Hình3.5: Tay gắp sử dụng cơ cấu ổn định lực 15 Hình3.6: Cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi được lắp vào máy mài thủy tinh 15 Hình3.7: Giao diện làm việc của ANSYS Workbench 18 Hình3.8: Trình tự để giải một bài toán trong ANSYS 19 Hình4.1: Máy đo lực bằng tay quay 22 Hình4.2: Máy đo lực sử dụng hệ thống thủy lực 22 Hình4.3: Máy thí nghiệm sử dụng động cơ 23 viii
10. Hình4.4: Nhôm khối 24 Hình 4.5: Sơ đồ động của máy 25 Hình 4.6: Động cơ điện một chiều 25 Hình4.7: Động cơ điện xoay chiều 26 Hình 4.8: Động cơ bước 27 Hình4.9: Động cơ servo 27 Hình4.10: Khớp nối trục 29 Hình5.1: Bộ truyền vít me đai ốc bi 30 Hình5.2: Kết cấu sơ bộ của vít me đai ốc bi 31 Hình5.3: So sánh giữa vít me thường và vít me bi 32 Hình5.4: Các dạng profil ren vít me và ổ bi 33 Hình 5.5: Các đường kính tiêu chuẩn của trục vít me đai ốc 37 Hình 5.6: Cấu tạo trục vít me đai ốc 39 Hình5.7: Các kiểu lắp trục vít me bi 40 Hình5.8: Cấu trúc của gối đỡ 41 Hình5.9: Các loại models của gối đỡ 42 Hình5.10: Các thông số gối đỡ của EK 10 đến 20 44 Hình5.11: Các thông số gối đỡ của EF 10 đến 20 45 Hình 5.12: Thanh trượt bi 46 Hình 5.13: Cấu tạo ổ trượt ( góc cắt ¼ ) 47 Hình5.14: Cấu tạo ổ trượt ( góc cắt ½ ) 47 Hình 5.15: Các phương pháp lắp thanh trượt bi 48 Hình5.16: Cách lắp thanh trượt bi 48 Hình 5.17: Số lượng thanh trượt được lắp 49 Hình5.18: Quy trình tính toán ray dẫn hướng 50 Hình 5.19: Sơ đồ phân bố tải trọng và fs cho các máy công nghiệp 51 Hình5.20: Tải trọng tác dụng lên hệ thống ray dẫn hướng 54 Hình5.21: Phần thân chính của máy 57 Hình 5.22: Bản vẽ chi tiết bàn trượt 57 Hình5.23: Bản vẽ chi tiết gối trượt trên 58 Hình6.1: Sơ đồ khối của hệ thống thu và xử lý tín hiệu 59 Hình6.2: Sơ đồ mạch điện trở của loadcell 61 Hình6.3: Loadcell dạng thanh 63 Hình6.4: Board cầu H FET 63 Hình6.5: Board STM32F103RCT6 64 Hình7.1: Máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi 65 Hình7.2: Chi tiết đồ gá cơ cấu 66 ix
11. Hình7.3: Chi tiết đồ gá loadcell 66 Hình7.4: Hệ thống điện 67 Hình7.5: Mô phỏng tính cho ½cơ cấu 68 Hình7.6: Thí nghiệm lực tính cho ½cơ cấu 68 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PTN Phòng Thí Nghiệm VĐK Vi Điều Khiển CNC Computerized Numerical Control CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing USB Universal Serial Bus x
12. CHƢƠNG 1 Ý TƢỞNG 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Chúng ta đang sống trong thế kỷ XXI, thế kỷ của sự phát triển khoa học kỹ thuật hiện đại với các bước tiến vượt bậc trong các ngành công nghiệp trọng điểm, đặc biệt sự phát triển của máy móc hiện đại cũng như các loại máy thí nghiệm trong nước và ngoài nước. Các máy móc mới được nghiên cứu chế tạo ra ngày càng nhiều và được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống. Trong đó, các loại máy đo lực kéo nén đã được nghiên cứu rộng rãi với rất nhiều ứng dụng. Hiện nay, trong các phòng thí nghiệm, trường học, các viện nghiên cứu cũng như các phân xưởng sản xuất cũng đang sử dụng một số loại máy đo lực kéo – nén vật liệu. Các thiết bị này đã có từ lâu và phần lớn khâu xử lý số liệu đo lường và đánh giá kết quả đo đều làm thủ công, rất mất thời gian, hiệu suất và độ chính xác không cao. Hiện giờ, trên thị trường có bán các loại máy đo lực với độ chính xác khá cao và đã giải quyết được những khó khăn nêu trên. Nhưng giá thành rất cao và phần lớn được nhập từ nước ngoài về nên đã tạo ra một rào cản đối với các doanh nghiệp trong nước. Đặc biệt, lĩnh vực nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi đang ngày càng phát triển, ngày càng có nhiều người theo đuổi. Ở nước ngoài, lĩnh vực nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi đã được mở rộng và đã được áp dụng nhiều vào thực tế nhưng trong nước nó vẫn rất mới mẻ và chưa được nhiều người quan tâm. Quá trình kiểm tra đánh giá kết quả thực nghiệm của những cơ cấu này còn gặp nhiều khó khăn và phần lớn thiết bị kiểm tra lực được nhập từ nước ngoài về dẫn đến chi phí cao và khâu sửa chữa bảo trì sau này còn gặp nhiều vướng mắc. Vì vậy, cần có một thiết bị kiểm tra lực phù hợp sẽ loại bỏ được các nhược điểm trên do đó đề tài “ Máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi với lực đầu ra không đổi ” trở nên cấp thiết. Máy ra đời sẽ mang nhiều ưu điểm như: kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp, kiểm tra được lực đầu ra của nhiều cơ cấu đàn hồi cũng như nhiều loại vật liệu khác nhau. 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Tạo điều kiện, tiền đề cho việc nghiên cứu phát triển các kỹ năng, vận dụng kiến thức đã học vào thực tế. Tạo được sản phẩm mới, góp phần vào sự phát triển của nền công nghiệp nước nhà. 1
13. Đây cũng sẽ là tiền đề để cải tiến, phát triển sản phẩm và ứng dụng vào trong các lĩnh vực khác có liên quan Dựa trên các nguyên lý và các phương pháp thử nghiệm cơ cấu cũng như độ chính xác cao của Loadcell và khả năng kết nối máy tính của các thiết bị này để xây dựng phần mềm xử lý số liệu trên máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi. Thông qua tín hiệu điện từ bộ cảm biến lực và chiều dài có độ chính xác cao, ta có thể thu các kết quả thử nghiệm về và tính toán một cách chính xác. Đồng thời thể hiện một cách trực quan quá trình biến đổi của cơ cấu thông qua biểu đồ, đồng thời cũng lưu lại kết quả, lập báo cáo và kết xuất dữ liệu theo yêu cầu. Ta có thể theo dõi toàn bộ quá trình phép thử ngay trong các chương trình, các giá trị đo được từ máy tính có độ chính xác cao. Cho phép chọn và quan sát, phân tích các giai đoạn biến dạng của cơ cấu trên biểu đồ, thông qua đó đánh giá chất lượng cơ cấu có hệ thống và chi tiết hơn. “Máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi” chiếm một vai trò quan trọng trong quá trình đánh giá, kiểm nghiệm về lực đầu ra của chi tiết . Đề tài sẽ góp phần trong việc thử nghiệm đo lực đầu ra của các cơ cấu đàn hồi với độ chính xác cao hơn, quá trình xử lý số liệu dễ dàng hơn, tiết kiệm thời gian, kinh phí nâng cấp và nâng cao hiệu suất. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài  Mục tiêu nghiên cứu của đề tài chủ yếu nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi với lực đầu ra không đổi và nguyên lý hoạt động, các ưu nhược điểm của chúng.  Tính toán và thiết kế hoàn chỉnh cho máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi.  Gia công lắp ráp và chạy thử máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi.  Kiểm nghiệm lực đầu ra của một cơ cấu đàn hồi thực tế. 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu  Nghiên cứu các thiết bị đo lực kéo nén đã có sẵn trên thị trường cũng như ưu nhược điểm của từng loại.  Nghiên cứu cơ cấu đàn hồi có cấu tạo nguyên khối.  Nghiên cứu thiết bị đo và thiết bị kết nối với máy tính.  Phân tích dữ liệu, lọc các dữ liệu nhận được. 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu  Nghiên cứu, thiết kế, tính toán và chế tạo máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi với lực đầu ra không đổi trong phạm vi phòng thí nghiệm.  Sử dụng phần mềm AUTOCAD, CreO3.0 để thiết kế và chế tạo các chi tiết máy.  Sử dụng phần mềm ANSYS15 để kiểm bền các chi tiết chịu ứng suất lớn.  Nghiên cứu thiết bị đo và thiết bị kết nối với máy tính. 2
14.  Đo lực đầu ra của một cơ cấu có lực đầu ra không đổi điển hình từ đó lấy số liệu và xây dựng biểu đồ lực. 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp thực nghiệm:  Phương pháp nghiên cứu lý thuyết : Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của máy thí nghiệm, tính toán lực tác động lớn nhất để lựa chọn động cơ hợp lý và các nguyên lý của máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi trong thực tế có thể sử dụng. Từ đó có sự nhìn nhận đúng hướng trong việc tính toán, thiết kế và chế tạo máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi. Nghiên cứu khả năng lập trình ghép nối máy tính và xử lý số liệu.  Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm đo lực một cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi và kiểm nghiệm độ bền của máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi. Lấy đó làm cơ sở chính trong việc tính toán lực, thiết kế chế tạo các chi tiết của máy.Thiết kế thiết bị giao tiếp với máy tính, trao đổi dữ liệu với thiết bị. 3
15. CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố 2.1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Hiện nay trên thế giới, máy đo lực kéo-nén đang được sử dụng rất rộng rãi và rất đa dạng từ bằng tay đến động cơ rồi đến NC hay CNC có thể kéo-nén nhiều chi tiết, cơ cấu với độ chính xác cao. Một số loại máy đang được sử dụng để đo độ bền kéo:  Máy kiểm tra kéo, trượt vặn năng bằng động cơ thủy lực điều khiển bằng máy tính HT-2101 Hình 2.1 Máy kiểm tra kéo, trượt vặn năng bằng động cơ thủy lực điều khiển bằng máy tính HT-2101 Kết cấu khung máy: Khung được chế tạo bằng thép cứng, có kết cấu vững chắc, chịu được lực kéo lớn, và có tính ổn định cao Hệ thống chuyển động của máy: Dịch chuyển cơ cấu bởi hệ thống vít me bi, hệ thống động cơ giảm chấn xuất xứ từ Châu Âu và dây đai chịu 4
16. lực của Nhật, tạo cho máy hoạt động êm không gây tiếng ồn. quá trình sản xuất khung trượt, bàn kẹp theo tiêu chuẩn ISO và được kiểm soát chặt chẽ, tạo nên mức độ ổn định của máy, tăng độ chính xác trong quá trình thử nghiệm. Hệ thống cảm biến: Thông qua hệ thống cảm biến tải trọng (load cell) với độ nhạy và chính xác cao, làm cho sai số lặp lại nhỏ hơn 0,01%. Tiêu chuẩn hóa các modul máy được thiết kế theo tiêu chuẩn hóa các modul, làm cho việc them tính năng, hoặc thay thế sửa chữa một cách nhanh chóng. Kết hợp thiết bị công nghệ cao: Sự kết hợp các thiết bị công nghệ cao, điều khiển trực tiếp trên màn hình máy tính, hiện thị lưu trữ dữ liệu và đồ thị trong quá trình thử nghiệm (quá trình chịu kéo, quá trình chảy của vật liệu) có thể kết hợp cho bốn đầu cảm biến lực cùng lúc, thiết lập chế độ thử nghiệm ngay trên màn hình máy tính, điều chỉnh và kiểm soát tốc độ kéo (có thể tinh chỉnh được).  Máy thử kéo/nén vạn năng được điều khiển bằng máy tính dòng GOLIATH. Kết cấu máy: Khung máy, piston/ xylanh, load cell điện tử: Bộ đế bằng thép vững chắc, giữ bộ gá kẹp dưới. Piston/xylanh được gắn ở phía trên của khung tải. Piston kết hợp với loadcell điện tử. Phần khung di chuyển bao gồm 4 cột thép chịu lực, ở phía trên cùng được gắn trực tiếp vào piston, ở giữa gắn các tấm nén và phía dưới được gắn với bộ gá kẹp phía trên. Khoảng trống dọc trục của hệ thống này là 400mm, có thể điều chỉnh với bước 50mm. Quá trình đóng mở gá kẹp và điều chỉnh khoảng cách dọc trục của 2 bộ má kẹp trên, dưới sử dụng hệ thống 2 xilanh thuỷ lực phụ độc lập nhau, và 2 xilanh này được điều khiển bởi nút bấm trên bảng điều khiển. Đặc tính duy nhất này làm cho máy hoạt động cực kỳ đơn giản và chỉ cần 1 người vận hành tiến hành quá trình thử nghiệm trong thời gian ngắn. Quá trình dịch chuyển của đầu piston được điều khiển bởi một bộ encoder 2 chiều. 5
17. Hình 2.2 Máy kiểm tra kéo, trượt vặn năng điều khiển bằng máy tính dòng GOLIATH Thiết bị được sử dụng theo cả 2 chế độ tự động và bằng tay, thực hiện được một số các phương pháp kiểm tra sau: Thử kéo cho thép và thép dự ứng lực: đáp ứng tiêu chuẩn EN 10002 và ASTM A370. Thử kéo thông thường, thử uốn cho thép (đáp ứng cho cả tiêu chuẩn châu Âu và tiêu chuẩn Mỹ): Đáp ứng tiêu chuẩn UNI 559, 564 và ASTM E290. Thử nén cho thép: Đáp ứng tiêu chuẩn UNI 558. Thử uốn cho bê tông: Đáp ứng tiêu chuẩn EN 12390-5. Thử nén cho các mẫu bê tông: Đáp ứng tiêu chuẩn EN12390-3. Tuỳ thuộc vào phương pháp thử sẽ có các phụ kiện tương ứng (tuỳ theo yêu cầu), khi đó mẫu sẽ được đặt vào máy, các dữ liệu về mẫu được đưa vào, quá trình kiểm tra sẽ được tiến hành tự động chỉ bằng bộ nút bấm. Sau đó cho phép in ra các kết quả hoặc lưu giữ lại. 6
18.  Thiết bị kéo vạn năng Instron 3300 của Mỹ  Kết cấu khung: được chế tạo bằng thép cứng, có kết cấu vững chắc, chịu được lực kéo lớn và có tính ổn định cao.  Hệ thống chuyển động: dịch chuyển cơ cấu bởi hệ thống hành trình con trượt tạo cho thiết bị hoạt động êm không gây tiếng ồn. Quá trình sản xuất khung trượt, bàn kẹp theo tiêu chuẩn ISO và được kiểm soát chặt chẽ, tạo nên mức độ ổn định của thiết bị, tăng độ chính xác trong quá trình thử nghiệm.  Hệ thống cảm biến: thông qua hệ thống cảm biến tải trọng (loadcell) với độ nhạy và chính xác cao, làm cho sai số lặp lại nhỏ hơn 0,01%.  Kết hợp thiết bị công nghệ cao: điều khiển trực tiếp trên màn hình máy tính, hiển thị, lưu trữ dữ liệu và đồ thị trong quá trình thử nghiệm.  Thiết lập chế độ thử nghiệm ngay trên màn hình máy tính, điều chỉnh và kiểm soát tốc độ kéo (có thể tinh chỉnh được). Hình 2.3 Máy kéo nén vạn năng của Mỹ instron 3300 2.1.2 Các nghiên cứu trong nƣớc Do đặc thù, các máy thí nghiệm vạn năng đều là thiết bị chuyên dùng yêu cầu độ chính xác rất cao, tính ổn định khi sử dụng, khả năng thực hiện các thí nghiệm đa dạng trên nhiều loại vật liệu và cấu tạo khác nhau. Việc chế tạo các máy thí nghiệm loại này đòi hỏi rất cao ở trình độ gia công cơ khí, thiết kế và lắp ráp các mạch xử lý 7
19. tín hiệu đo và điều khiển điện tử. Bên cạnh đó nó cũng yêu cầu người thiết kế phải có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực thí nghiệm, đặc biệt là am hiểm về các tiêu chuẩn kỹ thuật có liên quan. Tại Việt Nam phần lớn các máy thí nghiệm đều được nhập khẩu từ nước ngoài, một số rất nhỏ được chế tạo trong nước. Các máy thí nghiệm vạn năng hầu hết được nhập khẩu từ Trung Quốc với các dòng máy rẻ tiền có tính năng thấp, các dòng máy chất lượng cao được nhập từ các nước tiên tiến thường có giá rất cao. Hiện nay chỉ có duy nhất một máy đã được chế tạo ở Việt Nam là máy thí nghiệm vạn năng cấp tải 100 tấn, gia tải bằng thủy lực với hệ điều khiển và đo lường điện tử. Tham gia thiết kế chế tạo là các đối tác từ nhóm nghiên cứu và phát triển, công ty TNHH Kỹ Thuật BKSG và ba cơ sở chế tạo cơ khí chính xác. Kết cấu máy gồm có 4 cột, 2 trục vít và 2 thanh chống tạo lực đẩy, đường kính thanh chống 100mm giúp máy có độ vững chắc và ổn định rất cao. Hình 2.5, thể hiện tổng thể máy thí nghiệm vạn năng PATHFINDER, model BK-UTM 100CH đã được lắp đặt và khai thác tại máy đang vận hành tại PTN Vật Liệu Xây Dựng, ĐHBK Tp HCM. Hình 2.4 Máy thí nghiệm vạn năng PATHFINDER, model BK-UTM 100C 8
20. Bảng 2.1. Một số thông số chính của máy Thông số Chi tiết 100 tấn ~ 1000kN, đo lực bằng - Lực kéo/nén lớn nhất, bộ cảm biến lực (loadcell), Hàn Quốc - Cấp chính xác Cấp 1 - Dãy đo lực: từ 2% của loadcell đến 100 Tấn - Số cột của khung máy 4 cột, đường kính ~100mm - Độ phân giải bộ A/D (đo lực) 1/200000 thang của loadcell - Độ phân giải đo chuyển vị 5/1000 mm - Độ chính xác đo lực Sai số < ±1% số đo - Độ chính xác đo chuyển vị Sai số < ±1% số đo - Khoảng tĩnh không theo phương đứng 900mm - Khoảng hở đứng khi nén 500mm - Hành trình kéo/nén 150mm - Tốc độ dịch chuyển thanh ngang 140mm/ph - Khoảng cách giữa 2 cột 600mm - Kích thước khung 960x630x2200mm - Thể tích thùng dầu 40 lít - Trọng lượng khoảng 2.500 kg - Nguồn điện: 3 pha 380V/4,5kW/ - Phần mềm điều khiển và xử lý kết quả BK-eXpertTest Như vậy có thể khẳng định rằng nhu cầu sử dụng máy thử đo lực kéo-nén ở nước ta là rất lớn nhưng qua tìm hiểu thực tế ở nước ta thì hiện nay chưa có công ty hay tổ chức nào chuyên sản xuất hay nghiên cứu về máy đo lực do vậy mà tài liệu cũng như chủng loại về máy còn rất nhiều hạn chế. Nhưng hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại máy nhập từ nước ngoài về có thể thử kéo-nén mẫu với nhiều hình dạng từ đơn giản đến phức tạp, các loại máy này đều có năng suất cao và khả năng đạt độ chính xác cao nhưng giá thành khá đắt vì vậy mà nhiều công ty không dám đầu tư. 2.2 Sơ lƣợc về cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi 2.2.1 Định nghĩa cơ cấu, cơ cấu đàn hồi Cơ cấu là một thiết bị cơ khí dùng để truyền hay thay đổi chuyển động, lực hay năng lượng. Các dạng cơ cấu truyền thống bao gồm những khâu liên kết cứng được nối tại khớp động . Ví dụ như cơ cấu của động cơ piston 2.5a, cơ cấu kìm cộng lực hình 2.5b (Howell 2001). 9
21. Hình 2.5 Một số cơ cấu truyền thống a) Cơ cấu của động cơ piston , b) Cơ cấu kìm cộng lực Cơ cấu đàn hồi là cơ cấu để truyền hay thay đổi chuyển động của lực hay năng lượng. Cơ cấu đàn hồi thực hiện ít nhất một hoặc nhiều chuyển động của mình nhờ sự biến dạng của các khâu đàn hồi chứ không dựa vào các khớp động. Do được cấu tạo bởi các khâu đàn hồi nên khi hoạt động sẽ loại bỏ được lực ma sát, mài mòn, giảm sự rung động và tiếng ồn, tiết kiệm được chi phí lắp ráp và tăng độ chính xác. So với cơ cấu truyền thống thì cơ cấu đàn hồi có ưu điểm về trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn. Hình 2.6 Kìm cộng lực dùng cơ cấu đàn hồi Chuyển động của cơ cấu đàn hồi làm cho các khâu của nó biến dạng và tích trữ năng lượng đàn hồi. Phần năng lượng này sau đó sẽ được giải phóng để giúp cơ cấu thực hiện một chức năng nào đó. 2.2.2 Cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi Một cơ cấu có lực đầu ra không đổi có kết quả khi mang lại lực đầu ra không đổi trong một phạm vi tương ứng với đầu vào chuyển vị. Cơ cấu có lực đầu ra không đổi có lợi trong các ứng dụng đòi hỏi phải có một lực không đổi được áp dụng cho một thời gian khác nhau hoặc không đồng đều bề mặt như trong quá trình mài, hàn, lắp ráp. 10
22. S K L 0 0 2 1 5 4