(Đồ án hcmute) thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử mỏi vật liệu nhựa ở nhiệt độ cao

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 MỎI VẬT LIỆU NHỰA Ở NHIỆT ĐỘ CAO GVHD: ThS TRẦN MAI VĂN SVTH: TRẦN GIA BẢO MSSV: 11146221 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2016 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ 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 MỎI VẬT LIỆU NHỰA Ở NHIỆT ĐỘ CAO Giảng viên hướng dẫn: ThS TRẦN MAI VĂN Sinh viên thực hiện: TRẦN GIA BẢO Lớp: 111463B Khoá: 2011 -2015 11146221 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2016 an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự – Hạnh phúc BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn : ThS TRẦN MAI VĂN Sinh viên thực : TRẦN GIA BẢO MSSV: 11146221 Tên đề tài: “Thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử mỏi vật liệu nhựa nhiệt đô cao” Các số liệu, tài liệu ban đầu: …………….……… ……….……………………………………………………… …………….……… ……….……………………………………………………… Nội dung đồ án: …………….……… ……….……………………………………………………… …………….……… ……….……………………………………………………… …………….……… ……….……………………………………………………… Các sản phẩm dự kiến …………….……… ……….……………………………………………………… Ngày giao đồ án: Ngày nộp đồ án: TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ ………………………………………… an LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: “Thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử mỏi vật liệu nhựa nhiệt đô cao” Giảng viên hƣớng dẫn : ThS TRẦN MAI VĂN Sinh viên thực : TRẦN GIA BẢO MSSV: 11146045 Lớp:111463B Địa sinh viên:506/61K Lạc Long Quân F5 Q11 TPHCM Số điện thoại liên lạc: 0904479493 (Bảo) Email :11146221@student.hcmute.edu.vn (Bảo) Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 27/7/2015 Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình tơi nghiên cứu thực Tôi không chép từ viết cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng năm 2016 Ký tên Trần Gia Bảo an LỜI CẢM ƠN Lời chúng em xin g ửi lời cảm ơn đến tồn thể q thầy giáo Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy - Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh dìu dắt, dạy dỗ truyền đạt kiến thức kinh nghiệm cho chúng em năm qua Đặc biệt, chúng em xin đƣ ợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Th.S Trần Mai Văn, ngƣời thầy tận tình bảo, hƣớng dẫn, giúp đỡ truyền đạt cho chúng em kinh nghiệm quý báu giúp chúng em hoàn thành đồ án đúng thời hạn Cuối chúng em xin đƣ ợc gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, ngƣời thân, bạn bè chia sẻ, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện để chúng em hồn thành khóa luận Trong q trình làm đồ án khó tránh khỏi thiếu sót, chúng em mong bảo thêm thầy giúp chúng em hồn thành đ ạt kết tốt Chúng em xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2016 Sinh viên thực Trần Gia Bảo an TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY THỬ MỎI CHO VẬT LIỆU NHỰA Ở NHIÊ ĐỘ CAO” Máy thử độ bền mỏi sản phẩm nhựa máy dùng để thử mẫu sản phẩm vật liệu nhựa nhằm đánh giá độ bền mỏi sản phẩm nhựa thực tế Mục tiêu nghiên cứu đề tài chế tạo điều khiển máy cho tạo đƣợc điều kiện tác động vào sản phẩm nhƣ sản phẩm đƣợc sử dụng thực tế; có khả tự động hóa giao tiếp máy tính Nội dung q trình thực hiện: Thiết kế chê tạo hoàn thiện phần điều khiển, thiết kế giao diện, lắp ráp hộp nhiệt độ sử dụng bóng đèn halogen, viết báo cáo Máy dùng để đo số lần phá hủy mỏi sản phẩm nhựa (móc khóa nhựa nón bảo hộ) Nguyên lý hoạt động máy dựa cấu cam với số lần tác dụng lớn lên sản phẩm,làm phá hủy mỏi sản phẩm Sau hồn thành q trình phá hủy mỏi sản phẩm,ta tìm đƣợc số lần phá hủy thơng qua loadcell phần mềm đo Nhóm thiết kế chế tạo thành công máy dùng để đo độ bền mỏi sản phẩm nhựa, sau chạy thử nghiệm nhóm rút số đánh giá sau: tạo đƣớc điều kiện tác động vào sản phẩm nhựa gần giống với thục tế, sai số việc đếm số lần tác động nhỏ nằm giới hạn cho phép, có khả giao tiếp máy tinh; nhiên số khuyết điểm nhƣ: chƣa tự động hóa hồn tồn, tính đa dạng sảm phẩm kiểm tra thấp(phụ thuộc vào đồ gá), việc điều khiển cịn có sai số cao,…Trong tƣơng lai, máy đƣợc phát triển để đo đƣợc nhiều sản phẩm cách thay loại đồ gá khác cho loại sản phẩm khác Sinh viên thực Trần Gia Bảo an MỤC LỤC CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận 1.5.2 Phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể 1.6 Kết cấu đồ án CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ 2.1 Giới thiệu vật liệu nhựa 2.1.1 Sản phẩm khóa nhựa: 2.2 Thiết bị thử kéo nén 2.2.1 Sơ lƣợc máy kéo nén 2.2.2 Các loại máy có thị trƣờng CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Cơ sở lý thuyết độ bền mỏi 3.1.2 Quá trình phá hủy mỏi 10 3.1.3 Quá trình phá hủy mỏi 10 3.1.4 Đƣờng cong mỏi 10 3.1.5 Phƣơng pháp xác định độ bền mỏi chi tiết máy 11 3.2 Cơ sở lý thuyết điều khiển PID 3.2.1 Định nghĩa 11 3.2.2 Hạn chế PID 13 3.4 Phần mền Visual Studio C# 14 3.5 Sơ lƣợc phần mềm Kiel C 15 an 3.5 Loadcell 15 3.5.1 Giới thiệu 15 3.5.2 Nguyên lý hoạt động 17 CHƢƠNG : PHƢƠNG HƢỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP TRONG THIẾT KẾ 19 4.1 Cơ khí 19 4.1.1 Quy trin ̀ h thiế t kế 19 4.1.2 Nguyên lý hoạt động máy 20 4.1.3 Các phƣơng án đề 20 4.1.3 Lựa chọn phƣơng án 23 4.2 Điều khiển 23 4.2.1 Giới thiệu vi điều khiển STM32 23 4.2.2 Truyền nhận liệu 26 4.2.3 Hồi tiếp vận tốc chu kỳ 27 4.2.3.1 Cấu tạo encoder quay quang 27 4.2.3.2 Kết luận 30 4.2.4 Nhận biết gãy phản hồi lực 31 4.2.4.1 Khái niệm 31 4.2.4.2 Phân loại 31 4.2.5 Di chuyển bàn trục 33 4.2.6 Điều khiển nhiệt dộ 34 4.2.6.1 Giới thiệu bóng đèn halogen 34 CHƢƠNG 5: MACH ĐIỆN 37 5.1 Mạch vi điều khiển STM32F103C8T6 37 5.1.1 Mô tả 37 5.1.2 Thông số kĩ thuật 37 5.2 Mạch công suất 38 5.2.1 Mô tả 38 5.2.2 Thông số kĩ thuật 39 an 5.2.3 Cách điều khiển 39 5.3 Mạch Khuếch đại 40 5.4 Mạch truyền nhận UART 41 5.4.1 Mô tả 41 5.4.2 Các tính 41 5.4.1 Ứng dụng 41 CHƢƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 43 6.1 Tính tốn thông số PID cho động 43 6.2 Tính tốn điều khiển 46 6.2.1 Sơ đồ khối lƣu đồ khối 47 6.3 Giao diện tƣơng tác 53 CHƢƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 55 7.1Thực nghiệm 55 7.2Đánh giá 57 7.3Hƣớng phát triển 57 an ` DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sản phẩm nhựa Hình 2.2Máy Qualitest Hình 2.3Máy thử mỏi vật liệu 250KN Hình 2.4Máy thử mỏi vật liệu 100KN Hình 3.1Trục chịu uốn túy Hình 3.2Đƣờng Sin ứng suất điểm M Hình 3.3Chi tiết bị phá hủy mỏi Hình 3.4Lƣu đồ điều khiển PID 12 Hình 3.5Đồ thị điều khiển PID Matlab 13 Hình 3.6Cửa sổ khởi động Visual Studio 14 Hình 3.7Giao diện Keil C 15 Hình 3.8 Giới thiệu Loadcell 16 Hình 3.9 Cấu tạo Loadcell 17 Hình 3.10Mạch cầu Wheaston Loadcell 17 Hình 4.1Quy trin ̀ h thiế t kế máy 19 Hình 4.2Sơ đồ nguyên lý cam 20 Hình 4.3Cam mặt 21 Hình 4.4Cam rãnh 21 Hình 4.5Cam trụ 21 Hình 4.6Mơ cấu cam 22 Hình 4.7Nguyên lý tay quay trƣợt 22 Hình 4.8Đặc điểm cấu tay quay trƣợt 23 Hình 4.9Kiến trúc STM32 nhánh Performance Access 23 Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý encoder 28 Hình 4.11 Encoder tuyệt đối 29 Hình 4.12 Encoder tƣơng đối 30 an Bộ điều khiển Kp Ti Td P 0.5Kcrit - - PI 0.45Kcrit 0.83Tcrit - PID 0.6Kcrit 0.5Tcrit 0.125Tcrit Hinh 6.2: Cơng thƣc tính thơng số PID Zeigler - Nichola Sau biết đƣợc cfác giá trị Kp,Ti, Td ta tiếp tục tính Ki, Kd theo cơng thức sau: Ki=Kp/Ti ; Kd=Kp*Td Áp dụng Từ lý thuyết tính tốn PID tiến hành tính tốn thơng số PID cho động Thực nghiệm em thu đƣợc giá trị tới hạn chu kỳ tới hạn nhƣ sau: Kcrit=1.2; Tcrit=0.2 Từ tính đƣợc: Kp=0.6*1.2=0.72 Ti=0.5*0.2=0.1 suy Ki=7.2 Td=0.125*0.2=0.03125 suy Kd=0.72*0.03125=0.0225 Sau tìm đƣợc thơng sốKp, Ki, Kdcủabộ điều khiển ta đƣa vào code để chạy thử nghiểm điều chỉnh để thu đƣợc thông số tối ƣu 45 an 6.2 Tính tốn điều khiển 6.2.1 Sơ đồ khối lƣu đồ khối Hình 6.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 46 an BẮT ĐẦU KẾT NỐI BẬT NGUỒN CHỌN COM CHỈNH VỊ TRÍ GÁ ĐẶT VÀ LỰC PHÙ HỢP CHỌN TỐC ĐỘ BẮT ĐẦU GÃY DỪNG LẤY KẾT QUẢ Hình 6.4 Lƣu đồ nguyên lý hoạt động máy Nguyên lý hoạt động thiết bị kéo uốn sản phẩm nhựa:  Đầu tiên, ta kết nối dây điện động cơ, loadcell, encoder với hộp điều khiển  Bật nguồn hộp điều khiển kế kết nối với cổng COM máy tính thơng cổng RS232 mạch điều khiển 47 an  Trên máy tính, ta mở giao diện thiết máy Sau giao diện lên, chọn kết nối cổng COM tƣơng ứng với cổng kết nối với hộp điều khiển, chọn Baudrate 115200 (do mạch điều khiển qui định)  Nhấn nhút nhấn điều khiển để bắt đầu giao tiếp máy tính mạch  Nhập tốc độ động theo yêu cầu  Tiếp theo, nhấn nút nhấn để thực trình kéo uốn Trong trình chạy giao diện thị giá trị nhƣ lực, trình thời gian thực cơng việc số chu kì hoạt động  Kết thúc trình sản phẩm nhựa đứt (hoặc uốn gãy) hay chạm cơng tắc hành trình chống va chạm  Sau vào ổ đĩa C máy tính, có file Excel tên Log.xls File lƣu trữ số liệu thí nghiệm nhƣ: giá trị lực, thời gian tên mẫu chu kì vật  Để kết thúc công việc, nhấn nút  Nhấn nút nhấn để hồn tồn giao diện  Tháo gỡ sản phầm phá huỷ  Gỡ dây điện kết nối với phần hộp điện Hình 6.5: Sơ đồ truyền nhận tín hiệu 48 an Bắt đầu No Nếu nhận ký tự “k” ()ket ( Kết nối ) No Nếu nhận ký tự “v” ( Vận tốc ) Lấy giá trị vận tốc Chạy đơng Đọc số vịng lực Gửi giá trị vòng lực No Nếu nhận ký tự “s” ( Thốt) Kết thúc Hình 6.6 Giải thuật tính tốn điều khiển hệ thống 49 an Bộ điều khiển gồm phần Cụm nguồn: gồm nguồn tổ ong  Nguồn điện áp 24V : động DC motor  Nguồn điến áp 12V : mạch khuếch đại loadcell  Nguồn điện áp5V : board vi điều khiển , encoder DC motor Hình 6.7 Nguồn điện áp hệ thống Hình 6.8 board điều khiển hệ thống 50 an Cụm mạch công suất: gồm mạch cầu H nhận tín hiệu từ mạch điều khiển kéo tải cho động DC Cụm mạch khuếch đại : gồm mạch khuếch đại HDL-Vamp để khuếch đại tín hiệu điện cảu loadcell Cụm mạch điều khiển : gồm mạch stm32f103c8t6 mạch truyền nhận để điều khiển hệ thống Hình 6.9 Tủ điện hệ thống 51 an Hình 6.10 Khung máy 52 an 6.3 Giao diện tƣơng tác Hình 6.11 Giao diện tƣơng tác  Phía bên phải biểu đồ nút điều khiển việc kết nối cổng COM nhập vận tốc kết nối  Bên dƣới biểu đồ nút dùng để hồn tồn khỏi giao diện kết thúc trình làm việc  Đồng thời thông số biểu thị Lực, chu kỳ thời gian thực công việc Thao tác với giao diện Bước 1: Khi cắm cổng USB vào giao diện tự động nhận cổng COM, chọn giá trị Baudrate nhấn nút Kết nối Bước 2: Nhập vận tốc phù hợp Bước 3: Nhập tên mẫu thử vào ô trống bên dƣới Bước 4: Nhấn nút bắt đầu để máy hoạt động Bước 5: Quan sát giá trị lực, thời gian chu kỳ hiển thị Bước 6: Nhấn nút để thoát khỏi chế độ làm việc máy 53 an Hình 6.12 Các bƣớc thực giao diện 54 an CHƢƠNG 7: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ Sau hoàn thiện mơ hình hay máy việc chạy thực nghiệm việc khơng thể thiếu Q trình giúp kiểm tra lại tính ổn định sai sót cịn tồn tại, qua đánh giá đƣợc khả hoạt động thực tế máy 7.1 Thực nghiệm Hiện nay,xe máy phƣơng tiện giao thông thiếu cá nhân, để đảm bảo an tồn tham gia giao thơng mũ bảo hiểm phụ kiện khơng thể thiếu đƣợc, nhờ có khóa cài nhựa mà nón đƣợc cố định lên đầu ngƣời đội giúp bảo vệ não không may có tai nạ xảy ra, câu hỏi đƣợc đặt khóa cài nhựa sử dụng bao lâu? Đó câu hỏi lớn nhiều ngƣời, trình thực nghiệm máy mỏi trả lời câu hỏi này.Trong qlafmchayj thực nghiệm khóa cài đƣợc sử dụng sản phẩm đúc nhóm làm khn đúc nhựa.Khóa cài có thành phần chủ yếu PP PA có sử dụng thêm thành phần phụ khác giúp cho sản phẩm có đƣợc tính mong muốn Hình 7.1: Mẫu thử nghiệm 55 an Qua tuần chạy thực nghiệm kiểm tra đƣợc khóa cài nhựa với thành phần điều khiện ép khác nhau, sau bẳng kết thực hiện: SST Thành Phần Số lần chu kỳ 1.059.298 PA66+30GF 1.060.987 1.059.504 684.852 50%PP+50%CaCO3 683.375 686.713 Hinh 7.2: Kết thực nghiệm Hình 7.3: PA66 + 30%GF 56 an 7.2 Đánh giá Sau hồn thành máy kiểm tra độ mỏi, nhóm tiến hành chạy thử nghiệm rút đánh giá sơ máy nhƣ sau: Máy hoạt động tốt theo ý tƣởng mục tiêu đặt ban đầu Việc truyền nhận hiển thị kết đếm lên máy tính có sai số thấp (3 đến chu kì 100.000 chu hiện) Khi hoạt động độ cứng vững hệ thống cao, khơng rung lắt mạnh Tuy nhiên, số hạn chế nhƣ: Tính đa dạng sản phẩm nhựa kiểm tra thấp Bàn gá thấp dẫn đến việc hạn chế hành trình động Sai số trả lực Loadcell nhiều thiết kế cấu 7.3 Hƣớng phát triển Do thời gian nghiên cứu có hạn nên máy tồn khuyết điểm, thời gian tới em phát triển sản phẩm theo hƣớng sau: Phát triển sản phẩm theo hƣớng đa đa dạng mẫu thử Cải thiện PID để hệ thống hoạt động êm Giảm sai số kết thu đƣợc 57 an 58 an an ... TẮT ĐỒ ÁN Đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY THỬ MỎI CHO VẬT LIỆU NHỰA Ở NHIÊ ĐỘ CAO? ?? Máy thử độ bền mỏi sản phẩm nhựa máy dùng để thử mẫu sản phẩm vật liệu nhựa nhằm đánh... 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 MỎI VẬT LIỆU NHỰA Ở NHIỆT ĐỘ CAO Giảng viên hướng dẫn: ThS TRẦN MAI VĂN Sinh... thực : TRẦN GIA BẢO MSSV: 11146221 Tên đề tài: ? ?Thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử mỏi vật liệu nhựa nhiệt đô cao? ?? Các số liệu, tài liệu ban đầu: …………….……… ……….………………………………………………………