Đồ án Thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử lực kéo vật liệu nhựa ở nhiệt độ cao (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử lực kéo vật liệu nhựa ở nhiệt độ cao (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 KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY THỬ LỰC KÉO VẬT LIỆU NHỰA Ở NHIỆT ĐỘ CAO GVHD: ThS. TRẦN MAI VĂN SVTH: TẠ NGỌC NINH MSSV: 11146252 S K L 0 0 4 1 9 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY THỬ LỰC KÉO VẬT LIỆU NHỰA Ở NHIỆT ĐỘ CAO Giảng viên hƣớng dẫn: ThS. TRẦN MAI VĂN Sinh viên thực hiện: TẠ NGỌC NINH 11146252 Lớp: 111463B Khoá: 2011 -2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2016
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ mônCơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: ThS. TRẦN MAI VĂN Sinh viên thực hiện: TẠ NGỌC NINH MSSV: 11146252 1. Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY THỬ LỰC KÉO VẬT LIỆU NHỰA Ở NHIỆT ĐỘ CAO 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: - DC Motor Tre Series TS1980 E6 –24VDC – 3550rpm. Công suất 200w - Encoder 250C/T, + 5VDC, - Loadcell VLC-110 “S type” – đo đƣợc tối đa 100kg. - Tốc độ trục vít me: 5 – 50mm/phút, - Kích thƣớc: 510x285x900 mm. - Sai số cho phép: 3% 3. Nội dung chính của đồ án: - Phần cơ khí: Lắp thêm điện trở nhiệt, bóng Halogen và nhận biết bằng cảm biến nhiệt. Thiết kế và thi công vỏ thiết bị điều khiển lắp trực tiếp trên máy. - Phần điện tử: xây dựng bộ điều khiển với bo mạch STM32F103C8T6-DEV, mạch khuếch đại điện áp HDL-Vamp và mạch H Bridge MC33883. - Xây dựng giao diện tƣơng tác ngƣời dùng trên nền C#, Xây dựng giải thuật cho cách nhận biết của Loadcell trong môi trƣờng có nhiệt độ thay đổi với các đặc tính ứng suất biến thiên khá rộng của vật liệu nhựa. 4. Các sản phẩm dự kiến Thiết bị thử kéo là sản phẩm nhựa, cụ thể là dây quai trong nón bảo hộ. 5. Ngày giao đồ án: 10/09/2015 6. Ngày nộp đồ án: 15/01/2016 TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) SVTH: TẠ NGỌC NINH i
4. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY THỬ LỰC KÉO VẬT LIỆU NHỰA Ở NHIẾT ĐỘ CAO - GVHD: ThS. TRẦN MAI VĂN - Họ tên sinh viên: TẠ NGỌC NINH  MSSV:11146252 Lớp: 111463B  Địa chỉ sinh viên: Tổ 4, Ấp Cầu Mới, Xã Sông Xoài, Tân Thành Bà Rịa Vũng Tàu  Số điện thoại liên lạc: 0163 881 3909  Email: ngocninh93vt@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 15/01/2016. - 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 SVTH: TẠ NGỌC NINH ii
5. LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy cô và ban giám hiệu Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã tạo cho em có một môi trƣờng học tập và rèn luyện vô cùng bổ ích. Bƣớc vào một môi trƣờng hoàn toàn mới sau ba năm học phổ thông em còn rất bỡ ngỡ nhƣng đƣợc sự dìu dắt và chỉ dạy của thầy cô em đã không ngừng nỗ lực và phấn đấu trong suốt bốn năm học tại trƣờng và đạt đƣợc kết quả nhƣ ngày hôm nay. Quá trình hoàn thành đồ án đã giúp em học tập thêm rất nhiều kiến thức về chuyên môn, ôn lại những nội dung đã học cũng nhƣ bổ sung và vận dụng các kiến thức đã học trong quá trình hoàn thiện đồ án tốt nghiệp .Bên cạnh đó em cũng đƣợc rèn luyện thêm nhiều về kỹ năng tƣ duy, đánh giá vấn đề, quản lý, phân bổ thời gian làm việc Để hoàn thành đƣợc đồ án tốt nghiệp này, em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến: ThS. Trần Mai Văn đã hƣớng dẫn, hỗ trợ nhiệt tình cho em hoàn thành tốt đồ án. Bên cạnh việc đồng hành trong các bƣớc, giai đoạn thực hiện đồ án, Thầy cũng đã rèn luyện cho em cách tƣ duy, đánh giá vấn đề, những tác phong làm việc nghiêm túc, rõ ràng, cụ thể Những điều đó sẽ luôn là những kinh nghiệm hết sức quý báu cho hiện tại và về sau. Em xin chân thành cảm ơn đến tất cả quý thầy cô Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Bộ môn Cơ điện tử và quý thầy cô các khoa thuộc trƣờng Ðại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM đã trang bị cho em những kiến thức cơ bản, những kinh nghiệm thực tiễn và những kiến thức chuyên môn cũng nhƣ đã nhiệt tình hƣớng dẫn giúp đỡ em trong suốt khóa học và nhất là trong thời gian thực hiện đề tài. Chính những sự hỗ trợ giúp đỡ trên đã tạo động lực, hỗ trợ cho 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. Em kính mong nhận đƣợc sự thông cảm và chỉ bảo tận tình của quý Thầy Cô. Sinh viên thực hiện Tạ Ngọc Ninh SVTH: TẠ NGỌC NINH iii
6. TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY THỬ LỰC KÉO VẬT LIỆU NHỰA Ở NHIẾT ĐỘ CAO Trong giai đoạn công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nƣớc, việc ứng dụng thiết bị móc vào hỗ trợ sản xuất ngày phổ biến. Thiết bị kiểm tra giúp nhà sản xuất đảm bảo đƣợc chất lƣợng sản phẩm trƣớc khi tung ra thị trƣờng. Thiết bị thử kéo dùng để thử các mẫu sản phẩm nhựa nhằm kiểm tra độ giãn dài của bản thân chi tiết, sản phẩm. Đảm bảo đúng yêu cầu kỹ thuật do nhà sản xuất đặt ra. Hiện nay, loại thiết bị này phải nhập từ nƣớc ngoài về, chƣa có sẵn tại Việt Nam, giá thành khá cao. Điều này khiến các nhà sản xuất phải đem sản phẩm đi thử nghiệm bên ngoài nhà máy, dẫn đến tốn kém chi phí và thời gian. Để giải quyết vấn đề nêu trên, Em đã chọn đề tài này để triển khai nghiên cứu và thực hiện. Mục tiêu là thiết kế và chế tạo hoàn thiện thiết bị thử kéo trong môi trƣờng nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ thƣờng. Thiết bị này sẽ hỗ trợ cho doanh nghiệp tiết kiệm chi phí và rút ngắn thời gian thử nghiệm sản phẩm mẫu. Sinh viên thực hiện Tạ Ngọc Ninh SVTH: TẠ NGỌC NINH iv
7. ABSTRACT DESIGN AND DEVELOP FOR THE PULLING TESTING EQUIPMENT FOR PLASTIC PRODUCTS IN HIGH TEMPERATURE Nowadays, in the stage of industrialization and modernization, the application of automatic in manufacturing are become more important and popular in the world. Testing equipment take care of the product’s quality for manufacturers. The pulling-testing equipment is a solution for testing the stretchable of plastic products. This testing equipment ensuare the proper technical requirements as standars set by the manufacturers. However, the equipment must be imported by foreign countries, it’s not available in Viet Nam and very expensive. So the manufacturers must send their products to testing outside the factory. It is made the production expense and waste time. Dealing with this problem, I decided on this project to reseach and performance. My aim this project are design and develop a testing equipment which modules pulling in high temperrature. This equipment will assist manufacturers significantly reducing the production expense and testing time before release. SVTH: TẠ NGỌC NINH v
8. MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN i LỜI CAM KẾT ii LỜI CÁM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv ABSTRACT vi MỤC LỤC vi DANH MUC̣ BẢ NG BIỂ U x DANH MUC̣ SƠ ĐỒ , HÌNH VẼ xi DANH MUC̣ TƢ̀ VIẾ T TẮ T xiii CHƢƠNG 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 2 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu 2 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 2 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 2 CHƢƠNG 2: TỔ NG QUAN NGHIÊN CƢ́ U ĐỀ TÀ I 4 2.1 Giới thiệu về tầm quan trọng của vật liệu nhựa 4 2.2 Sơ lƣợc về thiết bị thử kéo – uốn sản phẩm nhựa 6 2.3 Lợi ích về thiết bị thử kéo – uốn sản phẩm nhựa 6 2.4 Tình hình sử dụng thiết bị thử kéo và uốn trên thế giới và Việt Nam 6 2.4.1 Tình hình sử dụng thiết bị thử kéo và uốn trên thế giới 6 2.4.1.1 Thiết bị thử kéo 6 2.4.2 Tình hình sử dụng thiết bị thử kéo và uốn trên Việt Nam 8 2.4.2.1 Thiết bị thử kéo 8 CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 3.1 Tổng quan về vật liệu 11 3.1.1 Vật liệu nhựa[18] 11 3.1.1.1 Khái niệm 11 3.1.1.2 Thành phần 11 3.1.1.3 Phụ gia 11 3.1.1.4 Phân loại 12 3.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình biến dạng[20] 13 3.2.1 Khái quát về quá trình biến dạng 13 3.2.2 Ví dụ minh chứng quá trình biến dạng 13 3.3 Các đặc trƣng cơ học của vật liệu 14 3.3.1 Các đặc trƣng cơ tính của vật liệu 14 3.3.2 Phƣơng pháp kiểm tra đặc trƣng cơ học của vật liệu 15 3.3.2.1 Thí nghiệm kéo 15 SVTH: TẠ NGỌC NINH vi
9. 3.3.2.2 Kích thƣớc của mẫu thử chuẩn 16 3.4 Khái niệm độ giãn dài 16 3.4.1 Khái niệm 16 3.4.2 Nhận xét về độ giãn dài vật liệu 16 3.5 lý thuyết tuning PI vận tốc và chi tiết sơ đồ khối hàm truyền bộ PI 17 3.6 Khái quát về những phần mềm hỗ trợ 19 3.6.1 Sơ lƣợc về phần mềm SolidWorks 2014[14] 19 3.6.2 Sơ lƣợc về phần mềm Visual Studio 2013 20 3.6.3 Sơ lƣợc về phần mềm KeilC 21 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ, PHÁC THẢO Ý TƢỞNG VÀ THỰC HIỆN 22 4.1 Quy trình thiết kế và phác thảo ý tƣởng 22 4.2 Lên phƣơng án chế tạo – Nghiên cứu thiết bị đã có 23 4.2.1 Tính năng kỹ thuật của thiết bị cũ 23 4.2.2 Phân tích các phƣơng án dùng để tham khảo 23 4.3 Phƣơng án hoàn thiện cải tiến 23 4.3.1 Phƣơng án 1 23 4.3.1.1 Kiểu thiết bị 23 4.3.1.2 Phƣơng án kẹp 23 4.3.1.3 bộ phận cách nhiệt 24 4.3.1.4 tủ gia nhiệt 25 4.3.1.5 bộ điều khiển nhiệt 26 4.3.1.6 đánh giá khả thi của phƣơng án 27 4.4 Lựa chọn vật liệu và phƣơng pháp gia công cho những chi tiết không có sẵn 28 4.4.1 Lựa chọn vật liệu 28 4.4.2 Lựa chọn phƣơng pháp gia công cho các chi tiết không có sẵn 29 CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ – LẮP RÁP 30 5.1 Sơ đồ tổng thể của hệ thống 30 5.2 Lắp ráp phần hàm kẹp cơ khí 30 5.3 Tủ gia nhiệt 32 5.4 Tính toán công suất truyền động 33 5.4.1 Sơ đồ động và nguyên lý hoạt động của thiết bị kéo – uốn sản phẩm nhƣ theo phƣơng án thiết kế 33 5.4.2 Tính toán công suất động cơ khi hoạt động 33 5.4.3 Chọn động cơ 34 5.4.4 Hồi tiếp vị trí[9] 36 5.4.4.1 Khái niệm Encoder 36 5.4.4.2 Cấu tạo cơ bản của một encoder quay quang 36 5.4.4.3 Phân loại 36 5.4.4.4 Ứng dụng của encoder quay quang 37 5.4.5 kiểm tra độ đáp ứng của động cơ 38 5.4.6 Kết luận 41 CHƢƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU NHẬN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 44 6.1 Thiết bị đo lực loadcell[9] 45 SVTH: TẠ NGỌC NINH vii
10. 6.1.1. Khái niệm 45 6.1.2 Phân loại 45 6.1.2.1 Theo phƣơng lực tác dụng 45 6.1.2.2 Theo hình dạng 45 6.1.2.3 Theo tín hiệu mã hoá 45 6.1.3 Cấu tạo 45 6.1.4 Nguyên lí hoạt động 45 6.1.5 Thông số kỹ thuật cơ bản 46 6.2 Board cầu H[30] 48 6.2.1 Đặc tính kỹ thuật 48 6.2.2 Cách điều khiển 49 6.3 Board STM32F103RCT6[24] 50 6.3.1 Giới thiệu chung 50 6.3.2 Khảo sát các module 51 6.4 quy trình hoạt động của thiết bị kéo sản phẩm nhựa 52 6.5. Giao diện tƣơng tác với ngƣời sử dụng 55 6.5.1 Giao diện tƣơng tác 55 6.5.2 Thao tác với giao diện 55 CHƢƠNG 7: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ 57 7.1 Kết quả đạt đƣợc 57 7.1.1 Thiết kế cơ khí 57 7.1.2 Hệ thống điện 59 7.1.3 Hoàn thành thiết bị 59 7.2 Thực nghiệm 59 7.2.1 Thực nghiệm sai số đo của loadcell qua các mức tốc độ của trục vít me 59 7.2.2 Kết quả thử nghiệm 59 7.2.3 Nhận xét 62 CHƢƠNG 8: KẾ T LUÂṆ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 63 8.1 Kết luận 63 8.2 Những mặt hạn chế 63 8.3 Hƣớng phát triển 63 8.4 Kiến nghị 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC A[19] I A1 Khâu P I A2 Khâu I I A3 Khâu D II PHỤ LỤC B IV C1 Tốc độ trục vít me 5 mm/phút IV C2 Tốc độ trục vít me 10 mm/phút V C3 Tốc độ trục vít me 15 mm/phút VII C4 Tốc độ trục vít me 20 mm/phút IX SVTH: TẠ NGỌC NINH viii
11. DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Báng 2.1: Thông số chính của thiết bị thí nghiệmvạn năng PATHFINDER, model BK- UTM 100CH 10 Báng 3.1: So sánh một vài tính chất cơ, nhiệt của nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn 12 Báng 5.1: Thông số kỹ thuật của động cơ 43 Báng 7.1: Chi tiết các bộ phận của thiết bị 59 Báng A1: Thông số bộ điều khiển theo thực nghiệm III Báng A2: Ảnh hƣởng của thông số PID đến chất lƣợng của hệ thống III Báng B1: Thiết lập chế độ phần cứng để nạp code V Báng C.1: Kết quả đo đƣợc tại t = 5s IV Báng C.2: Kết quả đo đƣợc tại t = 15s IV Báng C.3: Kết quả đo đƣợc tại t = 5s V Báng C.4: Kết quả đo đƣợc tại t = 10s VI Báng C.5: Kết quả đo đƣợc tại t = 15s VII Báng C.6: Kết quả đo đƣợc tại t = 5s VII Báng C.7: Kết quả đo đƣợc tại t = 10s VIII Báng C.8: Kết quả đo đƣợc tại t = 8s IX Báng C.9: Kết quả đo đƣợc tại t = 15s XV Báng C.10: Kết quả đo đƣợc tại t = 10s ở nhiệt độ thƣờng X Báng C.11: Kết quả đo đƣợc tại t = 10s ở nhiệt độ 50 độ C XI Báng C.12: Kết quả đo đƣợc tại t = 10s ở nhiệt độ 55 độ C XII Báng C.13: Kết quả đo đƣợc tại t = 10s ở nhiệt độ 60 độ C XII Báng C.14: Kết quả đo đƣợc tại t = 20s ở nhiệt độ nhiệt độ thƣờng XIII Báng C.15: Kết quả đo đƣợc tại t = 20s ở nhiệt độ 50 độ C XIII Báng C.16: Kết quả đo đƣợc tại t = 20s ở nhiệt độ 55 độ C XIV Báng C.17: Kết quả đo đƣợc tại t = 10s ở nhiệt độ 60 độ C XV SVTH: TẠ NGỌC NINH ix
12. DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Trang Sơ đồ 4.1: Quy trình thiết kế thiết bị 22 Sơ đồ 5.1: Sơ đồ tổng thể của hệ thống 30 Sơ đồ 6.1: Sơ đồ khối của hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu 44 Sơ đồ 6.2 sơ đồ kết nối Loadcell 48 Sơ đồ 6.3: Nguyên lý hoạt động của thiết bị kéo sản phẩm nhựa 52 Sơ đồ 6.4: Sơ đồ truyền nhận tín hiệu 54 Sơ đồ 6.5: Sơ đồ giải thuật đọc ADC 54 Sơ đồ 6.6:Sơ đồ truyền dữ liệu từ máy tính xuống board VĐK 55 Sơ đồ 7.1: Tại thời điểm t = 1s 61 Sơ đồ 7.2: Tại thời điểm t = 5s 61 Sơ đồ 7.3: Tại thời điểm t = 8s 61 Sơ đồ 7.4: Tại thời điểm t = 10s 62 Sơ đồ 7.5: Tại thời điểm t = 15s 62 Sơ đồ 7.6: Tại thời điểm t = 20s 62 Hình 2.1: Các sản phẩm làm từ nhựa 5 Hình 2.2: máy kéo vạn năng Tinius Olsen 7 Hình 2.3: Thiết bị kéo vạn năng của Mỹ Instron 3300 8 Hình 2.4: Thiết bị thí nghiệm vạn năng PATHFINDER, model BK-UTM 100CH 10 Hình 3.1: Các sản phẩm làm từ vật liệu nhựa 11 Hình 3.2: Biểu đồ quá trình kéo sản phẩm nhựa 14 Hình 3.3: Biểu đồ cơ tính của nhựa 15 Hình 3.4: Biểu đồ so sánh độ giãn dài của vật liệu giòn và vật liệu dẻo 17 Hình 3.5: Sơ đồ khối hàm truyền PI 17 Hình 3.6: Đồ thị đáp ứng 18 Hình 3.7: Sơ đồ khối hàm truyền PI có hồi tiếp 18 Hình 3.8: Phần mềm SolidWorks 2014 19 Hình 3.9: Phần mềm Visual Studio 2013 20 Hình 3.10: Phần mềm MikroC for ARM 21 Hình 4.1: Nguyên lý lực kéo của hàm kẹp 24 Hình 4.2: Ống cách nhiệt cho phần hàm kẹp động 24 Hình 4.3: Trục dẫn Teflon cách nhiệt 25 Hình 4.4: Sợi thủy tinh 25 Hình 4.5: Tủ cách nhiệt và nắp 25 SVTH: TẠ NGỌC NINH x
13. Hình 4.6: Bộ điều khiển nhiệt 26 Hình 4.7 Bóng Halogen 27 Hình 4.8: Hình vẽ mô hình sau khi chọn phƣơng án thiết kế 28 Hình 4.9: Nhôm khối 29 Hình 5.1: Hàm kẹp cơ khí sau khi đƣợc lắp ráp hoàn chỉnh 30 Hình 5.2: Hình chiếu hàm kẹp 31 Hình 5.3: Tủ gia nhiệt 32 Hình 5.4: Hình chiếu Tủ gia nhiệt 32 Hình 5.5: lắp ráp hai trục dẫn Teflon 33 Hình 5.6: Sơ đồ động của thiết bị 33 Hình 5.7: Động cơ bƣớc 34 Hình 5.8: Động cơ điện servo DC 35 Hình 5.9: Sơ đồ nguyên lý của một encoder 36 Hình 5.10: Encoder tuyệt đối 37 Hình 5.11: Encoder tƣơng đối 37 Hình 5.12: đáp ứng PI cùa động cơ setpoit=10 xung/ms 38 Hình 5.13: đáp ứng PI với setpoit = 60xung/ms 38 Hình 5.14: Giao diện điều khiển PI vận tốc 1 39 Hình 5.14: Giao diện điều khiển PI vận tốc 2 40 Hình 5.14: Đồ thị đáp ứng của động cơ thông qua giá trị đặt 41 Hình 6.1: Sơ đồ mạch điện trở của loadcell 46 Hình 6.2: Loadcell chữ S 47 Hình 6.3: Board cầu H FET 49 Hình 6.4: Board STM32F103C8T6 50 Hình 6.5: Sơ đồ chân chip STM32F103C8T6 51 Hình 6.6: Giao diện của thiết bị 56 Hình 6.7: Các bƣớc thực hiện công việc 57 Hình 7.1: Mô hình lắp ráp hoàn chỉnh 58 Hình 7.2: Hình ảnh thực tế 59 Hình 7.3: Hình ảnh thực tế của tủ điện 60 Hình A1: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID I SVTH: TẠ NGỌC NINH xi
14. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TNHH Trách Nhiệm Hữu Hạn PTN Phòng Thí Nghiệm VĐK Vi Điều Khiển UTS Ultimate Tensile Strength PID Proportional Integral Derivative CNC Computerized Numerical Control CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing CAE Computer Aided Engineering I/O Input/Output ARM Advanced RISC Machine DIR DIRection PWM Pulse Width Modulation A/D Analog /Digital GND GrouND USB Universal Serial Bus ADC Analog Digital Converter VDC Volts Direct Current VCC Voltage Common Collector 3D Three (3) Dimentional CPU Central Processing Unit UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter PI Proportional-Integral Controller PC Personal Computer SVTH: TẠ NGỌC NINH xii
15. SVTH: TẠ NGỌC NINH 13
16. CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 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 bƣớc tiến vƣợt bậc trong các ngành công nghiệp trọng điểm, đặc biệt là ngành công nghiệp vật liệu và tự động hoá sản xuất.Các loại vật liệu mới liên tục đƣợc tìm ra, thử nghiệm và ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống.Trong đó, vật liệu nhựa cũng không nằm ngoại lệ. Trên thế giới, các nhà khoa học đang nỗ lực tập trung nghiên cứu các loại vật liệu nhựa mới, với các ƣu điểm nhƣ: nhẹ, có độ bền cao, chống dẫn điện, dẫn nhiệt, đa dạng hoá tính thù hình, để phù hợp với mục nhu cầu của cuộc sống. Vì vậy, trong tƣơng lai gần, vật liệu nhựa đang có xu hƣớng dần thay thế các vật liệu truyền thống nhƣ : kim loại, gỗ, gốm và giảm phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên đang cạn kiệt do khai thác quá mức. Việc kiểm tra các thông số kỹ thuật nhƣ độ kéo độ uốn là điều rất quan trọng.Những thí nghiệm này minh họa cho những đặc tính ổn định trong việc đánh giá tính chất của vật liệu. Hiện nay, trong các phòng thí nghiệm, trƣờng học, các viện nghiên cứu cũng nhƣ các xƣởng sản xuất đang sử dụng một lƣợng lớn thiết bị thử kéo hoặc uốn vật liệu. Những thiết bị này đã có từ lâu và phần lớn khâu xử lý số liệu đo lƣờng và đánh giá kết quả đo phải làm thủ công, rất mất thời gian, hiệu suất và độ chính xác không cao. Trên thị trƣờng có bán các thiết bị kéo hoặc nén với độ chính xác khá cao và đã giải quyết đƣợc những khó khăn nêu trên.Nhƣng giá thành rất cao do phải nhập từ nƣớc ngoài đã vô hình tạo nên một rào cản đối với các doanh nghiệp trong nƣớc. 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Tạo điều kiện, tiền đề cho ngƣời nghiên cứu phát triển các kỹ năng, vận dụng kiến thức đã học vào thực tế để tạo ra đƣợc sản phẩm mới, góp phần vào sự phát triển của nền công nghiệp nƣớc nhà. 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 phƣơng pháp thử nghiệm vật liệu. Độ chính xác cao của thiết bị đo lƣờng lực Loadcell và khả năng kết nối với máy tính của các thiết bị điểu khiển để xây dựng phần mềm xử lý số liệu trên thiết bị thử kéo uốn sản phẩm nhựa Thông qua tín hiệu điện từ bộ cảm biến lực và số liệu về độ giãn 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 vật liệu thông qua các biểu đồ, đồng thời cũng lƣu lại kết quả, lập báo cáo và kết xuất dữ liệu theo yêu cầu. SVTH: TẠ NGỌC NINH 1
17. Với phần mềm này, ta có thể theo dõi toàn bộ quá trình phép thử trong thực nghiệm, các giá trị đo đƣợc truyền về từ máy tính xử lý có độ chính xác cao. Cho phép chọn và quan sát, phân tích các giai đoạn biến dạng của vật liệu trên biểu đồ, thông qua đó đánh giá chất lƣợng vật liệu có hệ thống và chi tiết hơn. Thiết bị thử độ kéo vật liệu đang đƣợc sử dụng rất nhiều và chiếm một vai trò quan trọng trong quá trình đánh giá cơ tính của vật liệu, cụ thể là độ giãn dài. Đề tài sẽ góp phần trong việc thử nghiệm cơ tính vật liệu với độ chính xác cao, quá trình xử lý số liệu dễ dàng hơn, tiết kiệm thời gian, kinh phí nâng cấp và nâng cao hiệu suất sản xuất. 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu về khái niệm độ giãn dài của sản phẩm nhựa, qua đó đƣa ra kết luận sơ bộ về chất lƣợng của sản phẩm tạo ra, đồng thời kiểm tra đƣợc độ giãn dài của vật liệu khi ở nhiệt độ cao. Tìm hiểu các phƣơng pháp kéo và uốn sản phẩm nhựa, bên cạnh đó tìm hiểu một số loại thiết bị thử kéo hoặc uốn trên thị trƣờng cũng nhƣ nguyên lý hoạt động của chúng. Thiết kế mô hình 3D bằng phần mềm SolidWorks 2014. Hoàn chỉnh thiết kế cho thiết bị thử kéo. Gia công, lắp ráp thiết bị. Viết chƣơng trình thuật toán và chạy thử thiết bị 1.4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1. Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu khái niệm độ giãn dài của vật liệu nhựa ở một số phẩm làm từ nhựa, nghiên cứu thiết bị đo và thiết bị kết nối với máy tính. Phân tích dữ liệu, lọc các dữ liệu nhận đƣợc. Từ đó viết chƣơng trình xử lý số liệu và giao diện tƣơng tác với ngƣời dùng. Nghiên cứu về phần gia nhiệt đối với tủ nhiệt lắp trên thiệt bị. 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế, tính toán và chế tạo thiết bị thử kéo sản phẩm nhựa trong phạm vi phòng thí nghiệm. Sử dụng phần mềm cơ khí SolidWorks 2015 trong thiết kế để lắp ráp và thử nghiệm chuyển động thô của thiết bị. Sử dụng phần mềm KeilC để lập trình cho chip điều khiển STM32F103C8T6. Sử dụng phần mềm Visual Studio 2013 để lập trình giao diện tƣơng tác với ngƣời sử dụng thông qua máy tính. 1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu SVTH: TẠ NGỌC NINH 2
18. Đề tài sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phƣơng pháp thực nghiệm để tìm ra kết quả. - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết : Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các cơ cấu chuyển động, tính toán lực kéo đo đƣợc từ cảm biến, lực tác động và các nguyên lý của thiết bị thử kéo trong thực tế có thể sử dụng. Từ đó có sự nhìn nhận đúng hƣớng trong việc tính toán, thiết kế và chế tạo thiết bị thử kéo sản phẩm nhựa. Nghiên cứu khả năng lập trình kết nối với máy tính và xử lý số liệu. - Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm độ bền thiết bị thử kéo sản phẩm nhựa.Lấy đó làm cơ sở chính trong việc tính toán lực, thiết kế chế tạo các chi tiết của thiết bị. Sử dụng vi điều khiển giao tiếp với máy tính cũng nhƣ trao đổi dữ liệu thông qua giao diện SVTH: TẠ NGỌC NINH 3
19. CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1. Giới thiệu về tầm quan trọng của vật liệu nhựa Thế giới: Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu từ nhựa đã đƣợc nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến. Việc nghiên cứu và áp dụng thành công vật liệu này đã đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới áp dụng. Cho đến nay thì vật liệu nhựa đã đƣợc sữ dụng phổ biến hầu nhƣ khắp các mảng trong cuộc sống hằng ngày. Dựa trên những ƣu thế đặc biệt nhƣ: trọng lƣợng nhẹ, tiết kiệm nguyên liệu, rẻ, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm không gian cho máy móc. Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cách điện, chống thấm nƣớc, bảo vệ linh kiện điện tử, board mạch điều khiển quan trọng Trong ngành công nghiệp điện tử đƣợc sử dụng để sản xuất các chi tiết chân đế cho các bảng mạch và các linh kiện. Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca-nô; các ngành dân dụng nhƣ y tế hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ và các ngành dân dụng, quốc tế dân sinh khác. Việt Nam: Vật liệu nhựa đƣợc áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế. Tính riêng nhựa dùng để sản xuất sản phẩm đƣợc tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm. Các ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, các giải phân cách đƣờng giao thông, bảo vệ các hệ thống điều khiển của tàu xuồng và ghế ngồi, thùng rác công cộng bằng nhựa tổng hợp, hộp giảm sốc cho các thiết bị quan trọng Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu nhựa vào các lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện. Tầm quan trọng của vật liệu nhựa - Giao thông vận tải: bảo vệ cho các board mạch của ô tô, xe lửa khỏi các tác động có hại nhƣ rò rỉ nƣớc, nhiên liệu, điện - Hàng hải: Làm các chi tiết cách điện cho thuyền, tàu, xuồng cao tốc - Hàng không: thay thế vật liệu sắt, nhôm để làm tay nắm cửa trong máy bay dân dụng, quân sự. - Quốc phòng: bảo vệ chi tiết điều khiển cho những phƣơng tiện chiến đấu: tàu chiến, xuồng cao tốc, máy bay, xe tăng Thiết bị: dụng cụ, phƣơng tiện phục vụ cho việc sản xuất nghiên cứu trong quân đội nhƣ: bồn chứa nƣớc hoặc hóa chất, khay trồng rau, bia tập bắn - Công nghiệp hóa chất: Bồn chứa dung dịch acid (thay gelcoat bằng epoxy hoặc nhựa vinyleste). Bồn chứa dung dịch kiềm (thay gelcoat bằng epoxy). SVTH: TẠ NGỌC NINH 4
20. - Dân dụng: Sản phẩm trong sơn mài: bình, tô, chén, đũa Sản phẩm trang trí nội thất: khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn Hình 2.1:Các sản phẩm làm từ nhựa Tính ƣu việt của vật liệu nhựa là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt lõi có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trƣờng. Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là Polyme: đây là vật liệu có nhiều tính ƣu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trƣờng, dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trƣng nhƣ: đàn hồi cao, bền vững với môi trƣờng ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp. Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai đƣợc các thủ pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất. SVTH: TẠ NGỌC NINH 5
21. Vì vậy việc tính toán và đo độ bền kéo hay uốn của sản phẩm nhựa là rất quan trọng để có thể chế tạo các sản phẩm phục vụ nhu cầu cũng nhƣ các ngành công nghiệp khác nhau.Do đó đã có nhiều thiết bị ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu thực tiễn đó. 2.2. Sơ lƣợc về thiết bị thử độ kéo sản phẩm nhựa Thiết bị thử kéo và uốn là một loại thiết bị thí nghiệm dùng để kiểm tra độ giãn dài của các vật liệu bằng nhựa từ đó cho kết quả đánh giá độ bền của nhựa nhằm lựa chọn vật liệu thích hợp với yêu cầu sản xuất đặt ra. Thử kéo bằng cách sử dụng 1 đầu kẹp cố định và đầu kẹp di động tác dụng lực kéo vào mẫu thử cho đến khi mẫu thử bị đứt hay phá hủy. Hoặc thử uốn bằng cách sử dụng nguyên tắc 3 điểm, sử dụng một lực vừa đủ uốn cong vật liệu cho đến khi gãy. Trong đề tài này chỉ sử dụng thiết bị kiểm tra độ dãn dài bằng cách kéo mẫu thử. 2.3. Lợi ích của thiết bị thử kéo sản phẩm nhựa Là thiết bị dùng để kiểm tra tính chất và chất lƣợng của sản phẩm nhựa sau khi thành hình. Các tính chất đƣợc xác định từ thí nghiệm kéo: Tính biến dạng đàn hồi. Đặc điểm biến dạng dẻo tại điểm kéo. Độ giãn dài cho phép khi đƣợc phá hủy 2.4. Tình hình sử dụng thiết bị thử kéo trên thế giới và Việt Nam Hiện nay trên thế giới, nhựa đƣợc sử dụng rộng rãi trong đời sống, các ngành công nghiệp, trong xây dựng và trang trí nội thất với nhiều chủng loại khác nhau. Nên nhu cầu kiểm tra cơ tính của vật liệu là rất cần thiết để kiểm tra sản phấn có đạt chất lƣợng hoặc yêu cầu ban đầu. 2.4.1. Tình hình sử dụng thiết bị thử kéo trên thế giới Trên thế giới hiện nay, thiết bị thử kéo đa dạng từ bằng tay, đến động cơ rồi đến CNC đều có thể thử kéo mẫu có kích thƣớc khác nhau với độ chính xác và năng suất cao. 2.4.1.1. Thiết bị thử kéo Một số loại thiết bị đang đƣợc sử dụng để kiểm tra độ giãn dài kéo. máy kéo vạn năng Tinius Olsen [25] - Đây là máy kiểm tra ứng dụng rộng cho kéo, nén, uốn và xé rách cho các vật liệu kim loại nhƣ thép, hợp kim, nhôm, với những phụ tùng đặc biệt , nó cũng có thể đƣợc sử dụng để kiểm tra tính chất cơ học của ốc vít, thép dây cáp và các phụ tùng thành phẩm, Đây là máy đƣợc sản xuất và hiệu cuẩn theo tiêu SVTH: TẠ NGỌC NINH 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4