TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Giới thiệu
Lò xo là sản phẩm thiết yếu và phổ biến trong nhiều lĩnh vực, bao gồm công nghiệp chế tạo ô tô, xe máy, xây dựng, và đồ gia dụng Chúng cũng xuất hiện trong các vật dụng hàng ngày như bút bi, đồng hồ, và nồi cơm điện Với vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, y học, khoa học, thể thao và đời sống, lò xo không chỉ góp phần vào sự phát triển của các sản phẩm mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống.
Kiểm tra độ bền mỏi là rất quan trọng vì các chi tiết máy móc phải chịu tải trọng biến đổi lặp lại trong thời gian dài, có thể dẫn đến hư hỏng khi chịu tải tĩnh với ứng suất nhỏ hơn giới hạn bền của vật liệu Điều này đặc biệt quan trọng đối với các chi tiết làm việc trong điều kiện tải trọng tuần hoàn, nơi tổng số chu kỳ có thể lên tới hàng triệu lần Do đó, độ bền/sức bền mỏi của vật liệu và máy móc là yếu tố then chốt trong việc đánh giá chất lượng sản phẩm.
Hình 1.1: Một số hình ảnh lò xo trong đời sống
Nhóm chúng em đã nghiên cứu và phát hiện cơ hội để thiết kế và chế tạo lò xo, một sản phẩm có nhiều ứng dụng trong các nhà máy sản xuất Máy móc này không chỉ có khả năng cải tiến mà còn có thể áp dụng cho nhiều lĩnh vực và ngành hàng khác nhau, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất.
Máy kiểm tra có khả năng kiểm tra tối đa 500N, giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm lò xo trước khi được xuất ra thị trường Việc này giúp sản phẩm đồng đều và đạt tiêu chuẩn tốt nhất.
Tình hình thế giới và trong nước ta
Ngành sản xuất và chế tạo lò xo đã tồn tại hàng trăm năm, đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp, y học, khoa học, giáo dục và thể thao Với những ứng dụng đa dạng và tuyệt vời, lò xo đã trở thành một phần thiết yếu trong đời sống con người, khẳng định sự gắn bó lâu dài giữa sản xuất lò xo và các hoạt động hàng ngày.
Hiện nay, nhiều quốc gia như Mỹ, Canada, Châu Âu, Israel, Các Tiểu Vương Quốc Ả Rập, Châu Úc, Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc đang áp dụng công nghệ cao trong việc kiểm tra chất lượng sản phẩm đầu ra Việc này giúp cải thiện quy trình sản xuất và chế tạo ban đầu, từ đó giảm thiểu tổn thất không cần thiết.
Several renowned manufacturers of multifunctional testing machines include Mecmesin (UK), ZwickRoell (Germany), Harder Tester (USA), IndiaSmart (India), Starrett (USA), Shimadzu and Imada (Japan), and Universal Testing Machine (China) The price range for these machines varies from $10,000 to $100,000, depending on factors such as size, technical specifications, durability, maintenance, and operational capabilities.
Một số hình ảnh máy kiểm tra lực
Máy kiểm tra lực đa năng H001 là thiết bị quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, phục vụ cho nghiên cứu, kiểm soát chất lượng và quy trình Thiết bị này được thiết kế để đo lường các loại lực như lực kéo, lực nén, lực uốn, lực cắt, và lực liên kết, cũng như kiểm tra độ bong tróc và khả năng xé rách của các vật liệu như da, cao su, nhựa, dệt, kim loại, sợi nylon, giấy, và các vật liệu trong ngành giày dép, bao bì, hàng không, hóa dầu, xây dựng, điện, và ô tô.
Tải tối đa 100N, 200N, 500N, 5KN, 10KN,
20KN, v.v Động cơ Servo AC Motor
Kích thước (Dài x Rộng x Cao) 660 x 530 x 2130 (mm)
Máy Đo Lực Kéo Nén Mecmesin
Sản phẩm này lý tưởng cho các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và xưởng sản xuất, với cấu hình hoàn chỉnh cho hệ thống thử nghiệm Nó có thể kết hợp với đồng hồ đo lực kỹ thuật số AFG (Advanced Force Gauge) hoặc bộ cảm biến lực thông minh ELS (Enhanced Load Sensor), cùng với các phụ tùng kẹp/ngàm giữ mẫu.
Bánh xe điều khiển đa năng giúp cài đặt chính xác tốc độ di chuyển và vị trí mẫu đo Đèn LED nhiều màu sắc hiển thị trạng thái hoạt động của máy trong suốt quá trình sử dụng.
Tải tối đa 2500 N / 250 kgf / 550 lbf Động cơ Servo AC Motor
Kích thước (Dài x Rộng x Cao) 290 x 414 x 941 (mm)
Máy Đo Lực Kéo Nén Starrett
Máy này được thiết kế để tạo ra các thiết lập thử nghiệm dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế được công nhận như ASTM, ISO, DIN, TAPPI, và cũng có khả năng phát triển các phương pháp kiểm tra tùy chỉnh.
• Đo lường và tính toán kết quả
• Lực đo Tối thiểu/Tối đa/Trung bình
Tải tối đa 1000 N / 100 kgf / 225 lbf
Kích thước (Dài x Rộng x Cao) 381 x 514 x 1270 (mm)
Hiện nay, Việt Nam đang chú trọng phát triển nhà máy công nghiệp 4.0 bằng cách ứng dụng công nghệ máy móc tiên tiến vào dây chuyền sản xuất và kết hợp các công nghệ điều khiển từ xa Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, lực lượng lao động trẻ ngày càng gia tăng cả về số lượng và chất lượng, nhanh chóng học hỏi và áp dụng các công nghệ mới IoT và tự động hóa trong sản xuất đang được tối ưu hóa, giúp doanh nghiệp Việt Nam tiết kiệm chi phí, nâng cao năng suất và cải thiện chất lượng sản phẩm.
Việc sản xuất các mặt hàng cần thiết phải kèm theo quy trình kiểm thử chất lượng đầu ra, nhằm đảm bảo sản phẩm Việt đạt tiêu chuẩn cao và đáp ứng yêu cầu của thị trường trong nước Điều này tạo nền tảng vững chắc cho việc sản xuất, cạnh tranh và xuất khẩu sang các thị trường Đông Nam Á và Châu Á.
Nhằm giải quyết vấn đề cấp thiết, nhóm chúng em đã thiết kế và chế tạo sản phẩm "Máy kiểm tra lực nén lò xo" Sản phẩm này có tính ứng dụng cao, với các tiêu chí như hoạt động ổn định, dễ dàng tương tác, hiển thị số liệu cụ thể, đơn giản hóa cách điều khiển và giá thành cạnh tranh hơn so với các máy hiện có trên thị trường.
Hiện nay, Việt Nam chưa phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực sản xuất máy móc công nghiệp và máy kiểm thử chất lượng, đặc biệt là máy kiểm tra lực nén của lò xo Do đó, số lượng hãng Việt Nam sản xuất máy kiểm tra lực còn hạn chế Thay vào đó, nhiều đại lý phân phối độc quyền từ các nước như Mỹ, Đức, Nhật Bản và Trung Quốc cung cấp máy đo lực đa năng, chẳng hạn như Mark.
Công ty TNHH Doluongbaotri Vn, MIT Technologies, TMP VietNam và nhiều đơn vị khác tại Việt Nam cung cấp đa dạng sản phẩm máy đo lực với giá cả cạnh tranh Thông tin chi tiết về máy móc được cập nhật rõ ràng trên website của từng công ty, giúp khách hàng dễ dàng mua bán Dưới đây là một số hình ảnh về máy đo lực chính hãng đang được phân phối tại Việt Nam.
Hình 1.2: Máy kiểm tra độ bền lò xo (ZwickRoell–Đức)
Hình 1.3: Máy thử lực kéo nén lò xo (ANDILOG–Mỹ)
Hình 1.4: Máy đo lực nén lò xo (Mark 10–Mỹ).
Lý do chọn đề tài
Lò xo là một vật liệu đàn hồi thiết yếu, thường được ứng dụng trong máy móc và đồ nội thất Ngành công nghiệp sản xuất lò xo đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều lĩnh vực trên toàn cầu.
Sau khi thiết kế lò xo, các nhà sản xuất cần tiến hành kiểm tra để xác định các thông số kỹ thuật và so sánh với mục tiêu thiết kế ban đầu Đối với một số nhà sản xuất nội thất, việc kiểm tra lò xo thường được thực hiện thông qua thử nghiệm nén liên tục để đánh giá chất lượng và đưa ra kế hoạch tinh chỉnh sản phẩm Bốn yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình kiểm tra lò xo bao gồm tốc độ nén, độ biến dạng, lực tác động và thời gian kiểm tra, tất cả đều cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo kết quả chính xác Để giải quyết những vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo máy kiểm tra lực nén lò xo” nhằm phát triển một sản phẩm với chức năng tương tự nhưng có giá thành hợp lý và dễ sử dụng tại Việt Nam.
Tính thiết thực và ý nghĩa đề tài
Theo thống kê, 80% sự cố và hư hỏng xảy ra do vật liệu và máy móc đạt đến giới hạn độ bền mỏi Do đó, độ bền mỏi của vật liệu và thiết bị là yếu tố quan trọng hàng đầu trong việc đánh giá chất lượng sản phẩm.
Nhóm chúng em đã nghiên cứu và thiết kế máy đo độ bền mỏi của lò xo, mang tên “Thiết kế và chế tạo máy kiểm tra lực nén lò xo” Sản phẩm này có ứng dụng quan trọng trong sản xuất, đặc biệt cho các chi tiết lò xo trong máy móc hoạt động dưới tải trọng tuần hoàn Việc đo độ bền mỏi là rất cần thiết để giảm thiểu khả năng hỏng hóc trong quá trình sản xuất.
Công nghệ hiện đại giúp dự đoán lỗi, thời gian bảo trì và giảm thiểu hư hỏng sản phẩm Đội ngũ kiểm tra chất lượng sản phẩm lò xo đảm bảo tiêu chí sản xuất, từ đó cải tiến quy trình và nâng cao chất lượng Ngoài ra, ứng dụng IoT cho phép thiết kế Webserver để điều khiển và giám sát dữ liệu từ xa, hoạt động như hệ thống SCADA tại các phòng Lab và thí nghiệm, giúp điều khiển máy móc từ xa và hạn chế tiếp xúc giữa người với người.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu bao gồm các phần sau:
• Thiết kế sản phẩm đo được lực nén lò xo, độ biến dạng lò xo, độ cứng lò xo
• Hiển thị biểu đồ lực đàn hồi
• Thiết kế cơ cấu truyền động đáp ứng được chuyển động tốc độ cao nhưng vẫn đảm bảo được độ chính xác vị trí
• Xây dựng bộ điều khiển vận tốc và vị trí
• Thu thập và lưu trữ dữ liệu
• Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát từ xa thông qua Webserver.
Giới hạn đề tài
Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo máy đo các thông số kỹ thuật cơ bản của lò xo, nhằm nâng cao khả năng đánh giá và kiểm tra chất lượng sản phẩm.
• Lò xo xoắn trụ kéo nén bằng thép mặt cắt tròn theo tiêu chuẩn Việt Nam
• Lò xo thép tải trọng nén tối đa 500N Đường kính Lò xo sợi từ 1,6mm đến 4,0mm.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện đề tài này, phương pháp sử dụng cho nghiên cứu này chủ yếu là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
❖ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
Nhóm nghiên cứu đã tham khảo nhiều tài liệu lý thuyết, bao gồm sách, giáo trình, bài báo khoa học và tài liệu chuyên ngành về cơ khí, điện - điện tử Các tài liệu này liên quan đến lập trình điều khiển động cơ servo bằng PLC, cũng như các nghiên cứu trong và ngoài nước Ngoài ra, nhóm còn xem xét các đề tài tốt nghiệp chế tạo máy kiểm tra lực đa năng của lò xo và máy kiểm tra lực vạn năng.
❖ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
Nhóm thực hiện các bước tính toán thiết kế, lựa chọn thiết bị cần mua và gia công chi tiết Họ kiểm nghiệm độ bền và an toàn của hệ dẫn động cùng khung máy, đảm bảo các cụm chi tiết hoạt động ăn khớp hiệu quả.
Sau khi hoàn thành thiết kế mô hình máy, quá trình lắp ráp sẽ được thực hiện và máy sẽ trải qua nhiều lần thử nghiệm trong giới hạn lực cho phép, với các chế độ kiểm tra khác nhau Việc kiểm thử sẽ được thực hiện với hai loại lò xo đạt tiêu chuẩn của nhà sản xuất, từ đó xác định các thông số tối ưu cho máy.
Kết cấu của ĐATN
ĐATN bao gồm 7 chương, được liệt kê cụ thể như sau:
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Lên phương án thiết kế
Chương 4: Tính toán và thiết kế hệ thống phần cơ khí và điện
Chương 5: Thiết kế chương trình điều khiển và hệ thống giám sát trên Cloud bằng Vbox Chương 6: Kết quả và thực nghiệm
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu lò xo
Lò xo là một chi tiết máy có khả năng đàn hồi lớn, với kích thước và khối lượng nhỏ gọn Khi bị biến dạng, lò xo tích lũy năng lượng và giải phóng dần, chính vì vậy chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông – lâm – ngư nghiệp và hàng không, vũ trụ Đây là một thành phần quan trọng trong hầu hết các máy móc hiện đại Dưới đây là những loại lò xo phổ biến và được sử dụng nhiều nhất.
Lò xo được dùng trong các máy, thiết bị với những chức năng sau:
• Tạo lực kéo, nén, hoặc moment xoắn Ví dụ: Tạo lực ép trong khớp nối, trong phanh thắng, trong bộ truyền bánh ma sát
• Giảm chấn động, giảm rung động Ví dụ: Trong ô tô, tàu hỏa, lò xo trong các máy vận chuyển
• Tích lũy năng lượng, sau đó giải phóng dần, làm việc như một động cơ Ví dụ: Dây cót trong đồng hồ, đồ chơi trẻ em
• Đo lực trong các lực kế, cân điện tử và các khí cụ đo
• Thực hiện các chuyển vị về vị trí cũ Ví dụ: Lò xo ở van, cam, ly hợp,…
Phân loại lò xo
Tùy theo chức năng sử dụng, lò xo được chia ra:
Hình 2.1: Phân loại một số dạng lò xo phổ biến.
Thiết diện chữ nhật Khối trụ
Xoắn ốc phẳng Xoắn ốc xoắn Đĩa/ Lá / Nhíp
Chịu ứng suất kéo vào nén
Thông số chủ yếu của lò xo
1 Kích thước tiết diện dây Đường kính d: mm
2 Đường kính trung bình của lò xo D: mm
3 Đường kính ngoài của lò xo D 𝑛𝑔 = 𝐷 + 𝑑: mm
4 Đường kính trong của lò xo D 𝑡𝑟 = 𝐷 − 𝑑: mm
5 Số vòng của lò xo n
6 Chỉ số của lò xo c = D/d
7 Chiều dài của lò xo L: mm
8 Bước của lò xo P: mm
9 Góc nâng của lò xo 𝛾: rad/ độ, giá trị thực tế nhỏ hơn 8 ÷ 12 𝑜
Chuyển vị của lò xo 𝜆: mm Độ cứng của lò xo K: N/mm
Lực căng ban đầu của lò xo F 0 :N
Lực căng giới hạn của lò xo Fmax :N
Lò xo xoắn ốc hình trụ chịu nén
2.4.1 Kết cấu của lò xo và các thông số hình học Đây là dạng chịu moment xoắn nhỏ và kích thước theo phương dọc trục nhỏ Chúng được chế tạo bằng dây lò xo thiết diện tròn nhằm giảm kích thước, dùng nhiều lò xo lồng vào nhau tạo thành hình trụ đứng [2]
Lò xo xoắn ốc có đường kính dây và bước lò xo không thay đổi, thường được cuộn từ dây thép có tiết diện tròn hoặc chữ nhật Dây thép tiết diện tròn không chỉ có giá thành rẻ hơn mà còn chịu xoắn tốt hơn so với dây thép tiết diện chữ nhật.
Lực nén và độ cứng là hai yếu tố quan trọng hàng đầu trong thiết kế lò xo Đối với lò xo nén, việc kiểm tra độ ổn định là cần thiết để ngăn ngừa hiện tượng uốn dọc và mất ổn định.
Khi lựa chọn lò xo có khả năng chống ăn mòn, nên sử dụng lò xo được làm từ các hợp kim màu như đồng thanh thiếc, đồng thanh thiếc kẽm và đồng thanh silic-mangan.
Vật liệu chế tạo lò xo: Thép có tính đàn hồi: Thép cacbon trung bình, thép crom– vanadi, thép silic–magan, thép silic–vanadi,… [2]
Nếu đường kính lò xo d ≤ 10mm, cần thực hiện luyện nhiệt trước khi quấn nguội; trong khi đó, với đường kính d > 10mm, quy trình quấn nóng lò xo sẽ được áp dụng Thông tin này được tham khảo từ Bảng 15.3, T.517 trong sách “Cơ sở thiết kế máy” của TS Nguyễn Hữu Lộc.
Bảng 2.1: Thông số hình học lò xo
Thông số Dạng đầu dây
Chiều cao ban đầu H 0 Pn + d P(n+1) Pn + 3d Pn + 2d
Chiều cao khi sít nhau H s d(n 0 + 1) n 0 d(n 0 + 1) n 0 Bước lò xo P (H 0 − d)/n H 0 /(n + 1) (H 0 − 3d)/n (H 0 − 2d)/n
2.4.2 Tải trọng và ứng suất của lò xo Ứng suất trên dây thẳng được tính theo moment xoắn T Ứng suất chính cũng là ứng suất xoắn Ứng suất xoắn lớn nhất được xác định theo công thức: Ứng suất xoắn: τ xoắn = T
2(πd 3 / 16) = 8FD πd 3 (1) Ứng suất cắt: τ cắt = F
A = 4F πd 2 (2) Ứng suất tổng cộng lớn nhất: τ max = τ xoắn + τ cắt = 8FD πd 3 + 4F πd 2 = 8FD πd 3 ( 1 + 0.5 c ) (3)
16 : moment cản xoắn Đối với tải trọng tĩnh có thể tính ứng suất max theo công thức sau: τ max = 8FK d D πd 3 (4)
Trong đó: K d là hệ số xét đến ảnh hưởng lực cắt F và được xác định:
Khi c thay đổi trong khoảng 3 ÷ 12 thì K d có giá trị từ 1.0417 ÷ 1.1667
Khi xảy ra hiện tượng uốn dọc (mất ổn định), ứng suất ở mặt trong của lò xo sẽ lớn hơn ở mặt ngoài Ứng suất tối đa được tính toán theo công thức: τ max = 8FK w D / (πd^3).
Trong đó: K w gọi là hệ số Wahl và được xác định theo công thức:
Từ đó: tính được điều kiện bền của lò xo khi chịu tại trọng cực đại F max là: τ max = 8FmaxK w c πd 2 ≤ [τ] (8)
Từ đó có thể xác định được đường kính của dây lò xo:
Trong đó, ứng suất xoắn cho phép [τ] Mpa phụ thuộc vào vật liệu và tính chất của tải trọng Để xác định đường kính dây lò xo theo công thức (9), cần chọn chỉ số c của lò xo, sau khi tính được d, cần xem xét mối tương quan giữa c và d Khi đã xác định d và chọn theo tiêu chuẩn, có thể tính toán các thông số còn lại của lò xo.
2.4.3 Chuyển vị và độ cứng của lò xo
Chuyển vị 1 vòng lò xo dưới tác dụng của lực: λ 1 = 8c 3
G là modun đàn hồi trượt với lò xo thép G = 8 10 4 MPa
Như vậy nếu lò xo chuyển vị 𝜆 tỷ lệ với số vòng lò xo n và lực tác dụng lên lò xo F: λ = λ 1 Fn(1 + 0.5 c 2 ) (2)
Khi c thay đổi từ 3 ÷ 12 thì chỉ thay đổi trong khoảng từ 1.0033 ÷ 1.055 Do đó công thức số (2) sẽ thành: λ = λ 1 Fn (3)
Trang| 14 Độ cứng của lò xo k được tính theo công thức: k = F λ = Gd
2.5 Các thông số cần thiết cho lò xo để kiểm tra bền Để tính toán độ bền nén cụ thể cho một lò xo, phải biết các thông số cụ thể của lò xo như độ cứng của lò xo (k), độ biến dạng tối đa cho phép (λmax) và thông số hình học của lò xo Sau đó, áp dụng các công thức phù hợp dựa trên mô hình lò xo đã chọn để tính toán độ bền nén
Các thông số cần được quan tâm chủ yếu là:
• Fmax là lực lớn nhất tác dụng lên lò xo (Đơn vị: N)
• λmax là chuyển vị lớn nhất của lò xo, khi chịu Fmax (Đơn vị: mm)
• k: độ cứng (Đơn vị: N/mm)
Dưới đây là hai loại lò xo mà nhóm đã chọn và cung cấp thông số chi tiết trên trang Misumi Việt Nam Misumi Việt Nam là địa chỉ uy tín chuyên cung cấp các thiết bị và dụng cụ công nghệ, kỹ thuật, với nguồn gốc xuất xứ rõ ràng và được kiểm định nghiêm ngặt.
Hình 2.2: Lò xo dây tròn - WL18 (Nguồn: Misumi Vietnam)
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của lò xo dây tròn - WL18
Hãng sản xuất Misimi x Srping
Hằng số lò xo (N/mm) 2.9
Tỷ lệ lệch cho phép (%) 40 Đường kích ngoài D (mm) 18
Hình 2.3: Lò xo dây tròn - WB27 (Nguồn: Misumi Vietnam)
Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của lò xo dây tròn – WB27
Hãng sản xuất Misumi x Srping
Hằng số lò xo (N/mm) 4.9
Tỷ lệ lệch cho phép (%) 35 Đường kích ngoài D (mm) 27
Kết luận: Nhóm đã xác định lò xo kiểm tra phù hợp với yêu cầu về giới hạn lực nén Với cơ cấu nhỏ gọn, lò xo được chọn cần nhẹ và chiếm ít diện tích, đồng thời đáp ứng được lực nén lớn nhất Ưu điểm của lò xo này là tính chính xác khi máy hoạt động, gọn nhẹ và cố định trong quá trình vận hành, phù hợp với kích thước của đồ gá lò xo.
LÊN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Lựa chọn cơ cấu máy
Dựa vào yêu cầu kỹ thuật của máy, mỗi loại cơ phương án vận hành có những ưu và nhược điểm riêng Do đó, nhóm đã xây dựng một bảng so sánh các yếu tố để lựa chọn phương án thiết kế phù hợp cho đồ án này.
Các yếu tố dưới đây sẽ quyết định phương án nào phù hợp với yêu cầu của máy
Theo phương nằm ngang Theo phương thẳng đứng Ưu điểm
• Giảm khả năng chịu tải của khung máy
• Tiết kiệm nhiều chi phí
• Khi nén lò xo ở phương thẳng đứng sẽ giúp lò xo không bị xiên hay cong, tăng khả năng chính xác khi đo
• Dưới tác dụng của trọng lực khi nén lò xo sẽ làm cong với một số lò xo có độ cứng thấp, gây ra độ chính xác thấp
• Tăng diện tích xung quanh của máy
• Tốn chi phí để làm tăng khả năng chịu đựng của khung máy
Hình 3.1: Đặt theo phương nằm ngang
Hình 3.2: Đặt theo phương thẳng đứng (Nguồn: TMP Vietnam)
Kết luận: Như vậy, sau khi đánh giá 2 cơ cấu trên, đề tài này sẽ lựa chọn phương án đặt trục theo phương thẳng đứng.
Lựa chọn cơ cấu truyền động
Nhóm đã xác định các phương án truyền động tối ưu cho máy kiểm tra lực nén lò xo, bao gồm truyền động bằng trục vít, khí nén và thuỷ lực Dưới đây là bảng phân tích ưu và nhược điểm của từng phương án: Ưu điểm và nhược điểm của truyền động bằng trục vít, khí nén và thuỷ lực sẽ được trình bày chi tiết để hỗ trợ việc lựa chọn phương án phù hợp nhất.
• Giảm tốc độ, kìm hãm tốt
• Hoạt động dễ dàng và không gây tiếng ồn
• Có hiệu quả chia lưới tốt
• Có tỷ lệ truyền động lớn
• Dễ điều khiển vị trí chính xác
• Một nhiệt lượng đáng kể tạo ra trong bộ truyền động, vì vậy cần bôi trơn
• Khả năng truyền tải điện năng thấp
• Việc bôi trơn phải được duy trì nghiêm ngặt để đảm bảo tuổi thọ của trục
• Truyền lực mạnh và nhanh với công suất cao
• Dễ sử dụng và sửa chữa
• Hoạt động với độ tin cậy cao
• Đòi hỏi ít về chăm sóc bảo dưỡng
• Sử dụng với vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh như trong trường hợp chập điện
• Phù hợp với những hệ thống cần lực tải lớn (kN)
• Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc sẽ thay đổi
• Mất mát trong đường ống dầu và rò rỉ bên trong các phần tử làm giảm hiệu suất và phạm vi ứng dụng
• Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi
• Khó đạt độ chính xác vị trí 1mm (có thể đạt được nhưng chi phí rất cao)
• Không gây ô nhiễm môi trường
• Có khả năng tích trữ dễ dàng
• Có khả năng truyền năng lượng xa
• Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi
• Việc điều khiển thường không đạt chính xác cao
• Hệ thống phòng ngừa áp suất giới hạn được đảm bảo
• Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn
Hình 3.3: Bộ bàn trượt vít me (Nguồn: CNC 3DS)
Hình 3.4: Piston thuỷ lực (Nguồn: Công Nghiệp Đặng Gia)
Hình 3.5: Piston khí nén (Nguồn: DLC Vietnam)
Kết luận: Dựa trên các phân tích về ưu và nhược điểm, cùng với yêu cầu tải trọng tối đa 500N và tốc độ nén không đổi, việc sử dụng cơ cấu truyền động trục vít là lựa chọn tối ưu, đảm bảo độ chính xác vị trí cao trong khoảng ±0.1mm.
Lựa chọn vật liệu làm khung máy
Khung máy có thể được làm từ nhiều loại vật liệu như thép, nhôm tấm, thép mạ kẽm, nhôm định hình và gỗ Mỗi loại vật liệu mang đến độ bền và độ chính xác khác nhau Do đó, để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của đề tài, vật liệu được chọn làm khung cần đảm bảo các yếu tố về độ bền và độ chính xác.
• Khung máy phải đảm bảo được độ cứng vững
• Không bị rung, lắc trong quá trình gia công (động cơ trục chính là yếu tố tác động nhiều nhất đến rung, lắc)
• Khung máy dễ dàng vệ sinh, đảm bảo tính thẩm mỹ
• Dễ dàng tháo lắp, bảo dưỡng
Một số loại vật liệu phù hợp với yêu cầu làm khung máy bao gồm thép mã kẽm, thép tấm và nhôm tấm Bảng dưới đây sẽ phân tích ưu và nhược điểm của từng loại vật liệu để xác định lựa chọn tối ưu nhất.
• Chống ăn mòn do môi trường gây ra
• Kháng nhiệt, chống nóng cực kỳ hiệu quả, đồ bền cao
• Hiệu quả kinh tế cao nhờ giá cả phải chăng
• Khả năng chống rỉ sét thấp trong điều khiện thời tiết khắc nghiệp có chứa chất ăn mòn
• Bề mặt dễ bị trầy xước ảnh hưởng đến thẩm mỹ
• Thép tấm có độ cứng cao và độ bền cao
• Khả năng chịu lực rất tốt
• Thép được được gia công tốt không có xảy ra hiện tượng xù xì, gợn sóng
• Không bị ảnh hưởng bởi các tác nhân từ môi trường và thời tiết
• Cần có cách bảo quản riêng cho từng loại thép tấm khác nhau
• Nhôm tấm có khả năng chịu nhiệt tốt
• Có độ bền hoá học cao, chống mài mòn tốt
• Hệ số giãn nở thấp
• Khối lượng riêng nhẹ hơn thép
• Bề mặt nhẵn mịn, đẹp, dễ dàng gia công khoan lỗ, bào rãnh
• Độ bền và khả năng chịu lực kém
Kết luận: Cả 3 đều vật liệu đều có thể đáp ứng được yêu cầu kĩ thuật của khung máy
Thép SS400 là vật liệu nổi bật với độ bền cao và khả năng chịu tải trọng tốt hơn so với thép tấm và nhôm tấm Sau khi kiểm nghiệm, thép SS400 cho thấy khả năng chống ăn mòn, kháng nhiệt và chống nóng, đồng thời có giá thành hợp lý, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho thiết kế khung máy.
Cơ cấu máy sau khi lựa chọn các phương án thiết kế
Hình 3.6: Hình ảnh tổng quát của máy kiểm tra lực nén lò xo
Các bộ phận chính của máy là:
1 Động cơ AC Servo 7 Khung vỏ tủ điện
2 Hộp giảm tốc 8 Gá cảm biến tiệm cận
3 Bộ phận dẫn hướng 9 Cảm biến tiệm cận
5 Gá lò xo 11 Nút nguồn
6 Màn hình điều khiển HMI 12 Đèn báo
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CƠ KHÍ VÀ ĐIỆN
Giới thiệu
Việc lựa chọn cơ cấu và phương án truyền động là bước quan trọng để tính toán, so sánh và chọn các bộ phận máy phù hợp, từ đó xây dựng cấu hình máy cơ khí hoàn chỉnh Chương này trình bày chi tiết cách tính toán và các công thức thiết kế chi tiết máy, cùng với việc chọn lựa thiết bị cần thiết cho hệ thống Phần cơ khí đảm bảo các yêu cầu ban đầu, hoạt động mượt mà, liên tục, không rơ lắc và hạn chế độ trễ, nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả đo.
Yêu cầu cơ cấu máy
• Kiểm tra lực nén lò xo trong với lực tác dụng cho phép của máy ≤ 500N
• Máy hoạt động tịnh tiến dọc trục Z theo cơ cấu đã lựa chọn
• Dãi nhiệt hoạt động tốt nhất 20 đến 30 độ trong phòng nghiên cứu hoặc phòng thí nghiệm của công ty, nhà máy.
Yêu cầu truyền động máy
• Tốc độ vận hành máy từ 1 mm/s đến 30 mm/s
• Cơ cấu nén bằng bộ dẫn hướng trục vít me bi
• Luôn đảm bảo tính an toàn khi vận hành máy.
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 4.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống.
Chức năng từng khối chính:
Nguồn điện được cung cấp từ nguồn 1 pha 220V qua bộ chuyển đổi AC/DC 24V, tạo ra nguồn điện một chiều 24V Các thiết bị sử dụng nguồn 24V bao gồm quạt làm mát, đèn báo hiệu, HMI, bộ khuếch đại Loadcell, cảm biến tiệm cận, Board PLC và V-Box.
Board PLC FX3U-24MT là khối xử lý trung tâm, có nhiệm vụ tiếp nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến, Loadcell, cũng như tín hiệu điều khiển từ HMI hoặc V-Box từ Webserver, đảm bảo đáp ứng đầy đủ các thông số cần thiết.
Khối hiển thị - điều khiển bao gồm HMI Delta DOP series B và đèn báo hiệu, thực hiện chức năng điều khiển máy thông qua màn hình HMI công nghiệp được thiết kế rõ ràng, dễ hiểu và hiệu quả Hệ thống cho phép kiểm tra lực nén của lò xo theo số lần lặp, tốc độ chạy máy và khoảng nén, bắt đầu từ vị trí Home, đồng thời hiển thị kết quả một cách trực quan trên màn hình.
Khối cơ cấu chấp hành bao gồm hệ thống truyền động dẫn hướng trục Z, động cơ, hộp số và driver, với nhiệm vụ chính là điều khiển máy hoạt động theo yêu cầu và thực hiện các tác vụ từ khối xử lý trung tâm.
Khối điều khiển từ xa sử dụng thiết bị V-Box Wecon S-00, có nhiệm vụ truyền dữ liệu đo đạc qua nền tảng V-Net lên Cloud Thiết bị này hỗ trợ thiết kế Webserver và ứng dụng trên smartphone, cho phép người dùng vẽ đồ thị từ số liệu trực quan thu được Ngoài ra, dữ liệu có thể được lưu dưới dạng bảng Excel, thuận tiện cho việc nghiên cứu và xử lý số liệu, đồng thời hỗ trợ cải tiến sản phẩm.
Tính toán và lựa chọn các linh kiện
4.5.1 Vật liệu làm khung máy
Sau khi lựa chọn thép SS400 làm vật liệu khung máy ở chương 3, nhóm sẽ tiếp tục trình bày các thông số kỹ thuật và tiến hành kiểm nghiệm độ bền để đảm bảo tính phù hợp với cấu trúc của máy.
Thép SS400 là loại thép carbon thông dụng, thường được sử dụng trong chế tạo chi tiết máy và khuôn mẫu Theo tiêu chuẩn JIS G 3101 (1987) của Nhật Bản, SS400 hiện là một trong những tiêu chuẩn thép xây dựng phổ biến và mới nhất.
Thép SS400 dạng tấm được sản xuất qua quá trình luyện thép cán nóng, với nhiệt độ trên 1000°C Sản phẩm có màu sắc đặc trưng là xanh, đen, tối, và đường mép biên thường bo tròn, xù xì.
Trang| 22 khi đó các loại thép SS400 dạng cuốn thường được sản xuất trong quá trình cán nguội ở nhiệt độ thấp
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của thép SS400
Thuộc tính Số liệu Đơn vị
Mật độ khối 7850 (kg/m 3 ) Độ bèn kéo 400000000 (N/m 2 ) Độ bền uốn 250000000 (N/m 2 )
Tổng trọng lượng mà khung máy phải chịu tại điểm đặt lực là 600N Kết quả kiểm nghiệm bằng phần mềm cho thấy ứng suất uốn lớn nhất tác dụng lên khung là 82,35 MPa, nhỏ hơn độ bền uốn của vật liệu SS400 là 250 MPa Do đó, đồ án đã lựa chọn gia công thép SS400 với độ dày 5mm tại điểm chịu tải và 2mm cho phần bao quanh khung máy.
Hình 4.2: Kiểm nghiệm bền với vật liệu
4.5.2 Bộ dẫn hướng trục vít
Dựa vào chương 3, bài viết này đã chọn bộ dẫn hướng trục vít me đai ốc bi, và sẽ trình bày cách tính toán cũng như lựa chọn phù hợp với cơ cấu máy Trục vít me bi bao gồm một trục xoắn và một con trượt khớp với nó, hoạt động tương tự như vòng bi, với các hạt bi thép cứng di chuyển dọc theo một rãnh bi thông.
Bộ dẫn hướng trục vít me bao gồm các thành phần chính như trục vít me, đai ốc, con trượt, bàn trượt, ray trượt dẫn hướng, gối đỡ trục và khớp nối mềm Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả của hệ thống dẫn hướng.
Hình 4.3: Vít me đai ốc bi.
A Quy trình tính toán ray dẫn hướng
B Các bước tính toán cụ thể
Bước 1: Xác định điều kiện làm việc
Các nhân tố Số liệu
Vận tốc tối đa 30 mm/s
Thời gian làm việc 12h/ngày
Môi trường làm việc Phòng Lab, phòng thí nghiệm
Bước 2: Chọn loại ray trượt
Các thông số đầu vào
Tải trọng cụm đồ gá m 1 = 5 kg
Lực dọc trục đồ gá F = 500 N
Tốc độ di chuyển tối đa V max = 30 mm/s
Tốc độ di chuyển trung bình V tb = 5 mm/s
Hệ số ma sát trượt μ = 0.15 ( với điều kiện bôi trơn)
Hình 4.4: Lực tác dụng lên bộ dẫn hướng trục vít me – đai ốc bi
Bước 3: Xác định sơ bộ đường kính trong d 1 của ren theo độ bền nén: d 1 ≥ √ 4.1,3.F π[δ k ] = √ 4.1,3.500 π.120 = 6.8967 (1)
F : là lực dọc trục khi chịu nén lò xo tối đa
Giới hạn chảy của vật liệu được xác định với δ k = δ n = δ ch /3, trong đó δ ch là giới hạn chảy, có giá trị tối thiểu là 360 Mpa Đây là tiêu chuẩn theo TCVN 1756-75 cho thép C45, thường được sử dụng trong gia công các chi tiết máy, đảm bảo tính bền cho sản phẩm.
Bước 4: Các thông số của bộ truyền
• Chọn đường kính bi d b = 8 mm
Bước vít được tính bằng công thức p = d b + 1mm, trong đó p là bước vít và d b là đường kính bi, với giá trị cụ thể là 9 mm Để giảm ma sát, bán kính rãng lăn r 1 của vít và đai ốc cần lớn hơn bán kính bi; cụ thể, khi đường kính bi d b ≤ 8mm, ta có thể tính r 1 bằng công thức r 1 = 0.51d b.
• Chọn bánh kính rãnh lăn r 1 = 0.51d b = 4.08 mm (3)
• Góc tiếp xúc β = 45 độ (tương ứng với profin bi dạng tròn) (4)
• Khoảng cách từ tâm rãnh lăn tới tâm bi c = (r 1 – d b
• Đường kính tròn qua tâm bi:
• Đường kính trong của đai ốc:
• Chiều sâu của profin ren: h 1 = 0.3d b = 3 mm (8)
• Đường kính ngoài của vít và đai ốc: d = d 1 + 2h 1 = 13 mm (9)
• Đường kính trung bình ren: d 2 ≥√ πψ F
H ψ h [q] (12) Suy ra: d 2 ≥ 15.7463 (dựa vào Bảng 2.4, phần tài liệu kham khảo tiếng việt [3] Chọn d 2 = 25 mm)
F a2 là tổng lực dọc trục tối đa mà máy có thể chịu đựng, được đo bằng Newton (N) Hệ số chiều cao đai ốc ψ H thường được chọn trong khoảng từ 1.2 đến 2.5 cho đai ốc nguyên, và từ 2.5 đến 3.5 cho đai ốc ghép Đối với hệ số chiều cao ren ψ h, giá trị là 0.5 cho ren hình thang và ren vuông, trong khi giá trị là 0.75 cho ren răng cưa.
Áp suất cho phép của vít me và đai ốc phụ thuộc vào vật liệu chế tạo Đối với thép - gang, áp suất cho phép là 5 ÷ 6 Mpa; đối với thép - đồng thanh, áp suất cho phép là 8 ÷ 10 Mpa; và đối với thép tôi - đồng thanh, áp suất cho phép đạt từ 10 ÷ 12 Mpa.
• Từ d 2 và hệ số chiều cao ψ H tính được chiều cao đai ốc:
C Tính kiểm nghiệm về độ bền
Kiểm nghiệm về độ bền theo ứng suất tương đương σtương đương = √σ + 3τ 2 = √( πd 4F
0.2d 1 3 ) 2 ≤ [δ k ] (13) Suy ra : σtương đương = 3.1 ≤ 120 MPa
Kết luận: Thỏa điều kiện bền theo ứng suất tương đương
F a1 : Lực dọc trục (đơn vị: N)
Để tính toán độ bền của các thành phần máy, ta sử dụng các công thức sau: Tổng lực dọc trục tối đa mà máy có thể chịu được được ký hiệu là F a2 (đơn vị: N), trong khi đường kính trong của ren được ký hiệu là d1 (đơn vị: mm) Độ bền nén của đai ốc bi được tính bằng công thức σ k = 4.F / π (D1² – D2) và phải thỏa mãn điều kiện σ k ≤ [σ k], với σ k = 2.06 ≤ 20 MPa Đối với độ bền cắt và dập, ta có τ c = F / (π D1 1/3H) và cần đảm bảo τ c ≤ [τ c], trong đó τ c = 2.5 và σ d = 4F.
4 (d 2 2 – d 2 ) ≤ [σ d ] (16) σ d = 1.25 Trong đó: Ứng suất cho phép phụ thuộc vật liệu đai ốc:
[σ d ] = 80 MPa: Đai ốc bằng đồng thanh hoặc gang và vỏ tì bằng thép [σ c ] = 30 ÷ 50 MPa: đai ốc bằng đồng thanh hoặc gang
[σ k ] = 34 ÷ 44 Mpa: đai ốc bằng đồng thanh
[σ k ] = 20 ÷ 24 Mpa: đai ốc bằng đồng gang
Chọn thông số trục vít theo Bảng P2.4, P2.5, P2.6, phần Phụ lục, kham khảo tài liệu tiếng việt [3]
Bước ren P10 có đường kính ngoài của đai ốc D là 32 mm và đường kính trong D1 là 17 mm Đường kính ngoài của ren d được tính bằng công thức d = D1 + 2h, cho kết quả là 21 mm Đường kính trong của ren d1 là 15 mm, trong khi đường kính trung bình của ren d2 đạt 32 mm.
Chiều cao profin ren h = 0.1d 2 = 3.2 mm
D Tính lại kiểm nghiệm bền theo thông số đã chọn σtương đương = √σ + 3τ 2 = √( 4F πd 1 2 ) 2 + 3 ( F
0.2d 1 3 ) 2 ≤ [δ k ] (17) Suy ra : σtương đương = 3.1 ≤ 120 MPa
Kết luận: Thỏa điều kiện bền theo ứng suất tương đương
F : Tổng lực dọc trục tối đa máy chịu được (đơn vị: N) d 1 : Đường kính trong của ren (đơn vị: mm) Độ bền nén của đai ốc bi: σ k = | 4F π (D 1 2 – D 2 ) | ≤ [σ k ] (18) σ k = 0.9 ≤ 20 MPa
Để đảm bảo độ bền của chi tiết máy, cần thỏa mãn điều kiện bền theo công thức bền nén, với giới hạn chảy tối thiểu là δ ch ≥ 360 N/mm² Đây là tiêu chuẩn theo TCVN 1756-75 áp dụng cho thép C45 trong gia công các chi tiết máy, đảm bảo tính bền vững của sản phẩm.
A = arctgφ = 5.7 ε = arctg [ p 1 πd 2 ] = 5.68 Moment xoắn trên vít xác định theo công thức:
Trang| 28 Ứng suất tiếp tại tiết diện nguy hiểm của vít: τ = T
W 0 = 32T πd 1 3 = 5.48 (Mpa) (20) Ứng suất pháp tại tiết diện nguy hiểm của vít: σ = 4F πd 1 2 = 0.65 (MPa) (21)
E Kiểm nghiệm vít me về ổn định Để xác định độ mềm của vít, cần tính moment quán tính J và bán kính quán tính của tiết diện vít i:
Độ mềm λ của vít được tính theo công thức λ = μl/i, với kết quả là 133.93 Hệ số chiều dài μ được xác định như sau: μ = 1 khi cả hai đầu vít được cố định bằng bản lề, và μ = 2 khi một đầu vít bị ngàm trong khi đầu còn lại tự do.
Với λ > 100 Dùng công thức Ole để tính tải trọng tới hạn
E: là mô đun đàn hồi với vật liệu vít với thép = 2,1.10 5 MPa
Do đó hệ số an toàn ổn định:
Sau khi thực hiện các phép tính hợp lý về bộ hành trình trục vít me đai ốc bi, nhóm đã quyết định chọn bộ trượt trục vít me bi của hãng Alpha Robotics, với model AR120-SN1-200-75B-V2-S (xem thêm tại mục I phần phụ lục).
4.5.3 Tính toán lựa chọn động cơ
Gia công các chi tiết
Danh sách các chi tiết gia công
STT Tên chi tiết Số lượng Phương pháp gia công
1 Giá đỡ bộ dẫn hướng 1 Cắt Laser + Chấn góc 90 độ + Gia công lỗ
2 Gá đệm 1 Cắt Laser + Go bóc + Gia công lỗ
3 Gá đỡ loadcell 1 Cắt Laser + Go bóc + Gia công lỗ
4 Trục rãnh phe 2 Tiện tròn
5 Gá lò xo 1 1 In 3D nhựa cứng
6 Gá lò xo 2 1 In 3D nhựa cứng
7 Gá đỡ cảm biến tiệm cận 1 In 3D nhựa cứng
Thi công phần tủ điện
• Thiết kế nhỏ gọn, bố trí thông minh
• Cứng vững tốt, không bị rơ lắc khi làm việc
Tủ điện được thiết kế dựa trên kích thước danh nghĩa của các vật tư, với kích thước 540 x 480 x 350 mm Toàn bộ tủ được làm từ vật liệu thép SS400 và sơn tĩnh điện Thiết kế bo góc và cửa tủ ở phía sau giúp việc lắp đặt thiết bị trở nên dễ dàng hơn Phần trên tủ được gia cố thêm 5mm để hạn chế độ uốn cong khi đặt thiết bị lên trên.
Hình 4.18: Ảnh vẽ 3D tủ điện
Thi công phần bộ trượt dẫn hướng nén lò xo
Sau khi phân tích ưu nhược điểm của vị trí nén lò xo, nhóm đã quyết định chọn phương án đặt thẳng đứng bàn trượt dẫn hướng Thiết kế gá lò xo cố định trên bàn trượt sử dụng con trượt và đai ốc cố định cứng vị trí loadcell, cho phép tịnh tiến lên xuống tại vị trí nén ở đầu nút nhỏ loadcell Thiết kế này đơn giản, dễ thực hiện và mang lại kết quả đo chính xác nhất Lò xo được cố định vào các rãnh ở vị trí gá trên và gá dưới, đảm bảo lò xo đứng thẳng và đồng tâm trong quá trình nén.
Hình 4.19: Vị trí gá Loadcell và cố định lò xo 2 đầu
Hình ảnh 3D phần thiết kế “Máy kiểm tra lực nén lò xo”
THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRÊN CLOUD BẰNG V-BOX
Giới thiệu
Dựa trên các bộ phận cơ khí đã được lựa chọn và tính toán ở chương 4, nhóm tiếp tục phát triển ý tưởng điều khiển cho "Máy kiểm tra lực nén lò xo" Hệ thống điều khiển được thiết kế để dễ dàng thao tác, đảm bảo an toàn và thân thiện với cả những người không có chuyên môn về thiết bị phần cứng.
Module IoT V-Box là thiết bị hỗ trợ tạo giao diện Webserver hoặc ứng dụng qua V-Net, giúp giám sát và vẽ biểu đồ lực cũng như độ nén của lò xo Thiết bị còn cho phép lưu trữ dữ liệu dưới định dạng Excel, phục vụ hiệu quả cho quá trình nghiên cứu và sản xuất lò xo.
Sơ đồ kết nối giữa các thiết bị
Bảng 5.1 : Bảng danh sách các chân Input Địa chỉ Kết nối đến Chức năng
COM 0V Lựa chọn tín hiệu input
X1 Tiếp điểm thường hở Relay cảm biến tiệm cận Xác định vị trí Home
GND 0V Chân chung với Loadcell Amplifier
AN0 Tín hiệu analog V+ của Loadcell
Trả về giá trị analog đã được chuyển đổi từ loadcell
Bảng 5.2: Bảng danh sách các chân Output Địa chỉ Ký hiệu Mô tả
Y0 Chân PULS trên Driver AC Servo Chân xung điều khiển động cơ AC
Y1 Chân SIGN trên Driver AC Servo Chân chiều điều khiển động cơ AC
Y4 Chân ALM-RST trên Driver AC
Servo Chân reset cảnh báo lỗi
Dựa vào bảng 5.1 và bảng 5.2 kết hợp với yêu cầu điều khiển ta có sơ đồ kết nối nguồn điện được trình bày hình 5.2 như sau:
Hình 5.1: Sơ đồ kết nối nguồn điện.
Hình 5.2: Bố trí tủ điện
5.4 Thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển
5.4.1 Lưu đồ giải thuật tổng quát
Dựa trên các yêu cầu về tính năng của máy đã nêu trong phần giới thiệu chương 5, nhóm đã xây dựng lưu đồ giải thuật nhằm điều khiển "Máy kiểm tra lực nén lò xo".
Hình 5.3: Lưu đồ giải thuật
Sau khi mở nguồn, người dùng nhấn nút “Go Home” trên màn hình HMI để bàn trượt tự động trở về vị trí sẵn sàng, nơi có cảm biến tiệm cận phát hiện vị trí chính xác Tiếp theo, người dùng chọn chế độ vận hành và nhập các thông số cần thiết như chu kỳ lặp, tốc độ chạy, chuyển vị nén, chiều dài lò xo và Offset, tùy thuộc vào chế độ máy Khi đã nhập đầy đủ thông tin, người dùng chuyển sang màn hình điều khiển tự động và nhấn nút bắt đầu Máy sẽ tiến hành kiểm tra lò xo theo chế độ đã chọn và dừng lại sau khi hoàn tất quá trình, chờ người dùng bắt đầu chu trình mới.
Máy có hai chế độ vận hành tự động là “Chế độ kiểm tra lò xo theo chuyển vị” và
“Chế độ kiểm tra lò xo theo lực nén”
5.4.2 Lưu đồ giải thuật kiểm tra lò xo chế độ chuyển vị
Hình 5.4: Lưu đồ giải thuật kiểm tra lò xo chế độ chuyển vị
Lưu đồ giải thuật mô tả quá trình kiểm tra lò xo theo chế độ chuyển vị Khi người dùng nhấn nút bắt đầu, bộ điều khiển sẽ tính toán vị trí chính xác của lò xo dựa trên các thông số đã nhập, sau đó điều khiển bàn trượt di chuyển đến vị trí chạm lò xo Sau 1 giây chờ, bàn trượt sẽ nén lò xo với tốc độ do người dùng cài đặt Bộ điều khiển liên tục theo dõi độ lớn chuyển vị hiện tại và so sánh với giá trị cài đặt Nếu hai thông số này bằng nhau, bàn trượt sẽ tiếp tục di chuyển đến vị trí chạm lò xo sau 1 giây và tăng biến đếm số lần nén lên một Khi số lần nén đạt giá trị cài đặt, máy sẽ kết thúc chế độ kiểm tra.
5.4.3 Lưu đồ giải thuật kiểm tra lò xo chế độ lực nén
Hình 5.5: Lưu đồ giải thuật kiểm tra lò xo chế độ lực nén
Chế độ kiểm tra lò xo theo lực nén hoạt động tương tự như chế độ chuyển vị, nhưng khác ở chỗ bộ điều khiển sẽ kiểm tra giá trị lực hiện tại và giá trị lực cài đặt.
5.4.4 Lưu đồ giải thuật chế độ điều khiển bằng tay
Hình 5.6: Lưu đồ giải thuật chế độ điều khiển bằng tay
Máy không chỉ có hai chế độ vận hành tự động mà còn cho phép vận hành bằng tay Khi người dùng nhấn nút “Jogging Up”, bộ điều khiển sẽ kích hoạt bàn trượt tịnh tiến đi lên với tốc độ định sẵn Tương tự, nhấn nút “Jogging Down” sẽ khiến bàn trượt di chuyển xuống Ngoài ra, khi nhấn nút về home, bàn trượt sẽ tự động đi lên cho đến khi chạm cảm biến tiệm cận và dừng lại.
5.5 Sơ đồ thiết kế giao diện HMI Để đáp ứng nhu cầu của người dùng, nhóm đã thiết kế giao diện đơn giản, tối ưu với mục đích sử dụng
Hình 5.7: Sơ đồ thiết kế giao diện HMI
Hình 5.8: Màn hình chính của HMI
Hình 5.9: Màn hình cài đặt kiểm tra lò xo chế độ chuyển vị
Hình 5.10: Màn hình cài đặt kiểm tra lò xo chế độ lực nén.
Hình 5.11: Màn hình điều khiển vận hành tự động
5.6 Giao diện Webserver đưa dữ liệu lên Cloud thông qua V-Box
5.6.1 Tìm hiểu sơ lược các tầng lớp của IoT
IoT (Internet of Things) là một hệ sinh thái gồm các thiết bị kết nối Internet, cho phép thu thập và truyền thông tin qua mạng nhằm tăng cường sự tương tác giữa hệ thống và con người Các đối tượng và máy móc có thể được điều khiển từ xa thông qua các mạng như Wifi, Ethernet, và Bluetooth Sự tích hợp chặt chẽ giữa thiết bị điều khiển và máy tính giúp cải thiện hiệu suất, độ chính xác, tự động hóa và khả năng triển khai các ứng dụng tiên tiến.
Hình 5.12: Mô hình về 7 lớp công nghệ IoT
(Nguồn: Internet of Things World Forum)
Tầng 1: Tầng này bao gồm các thiết bị vật lý và bộ điều khiển, bao gồm các thiết bị đầu cuối khác nhau, cảm biến và cơ cấu chấp hành
Tầng 2: Kết nối Chức năng chính của tầng IoT này là việc truyền dẫn giữa các thiết bị Tầng 1 và xử lý thông tin ở Tầng 3
Tầng 3: Tầng tính toán biên Tại tầng này, chuyển đổi luồng dữ liệu mạng thành thông tin sẵn sàng để lưu trữ và xử lý bởi các tầng cao hơn Cũng như đánh giá dữ liệu có đạt được ngưỡng xác định cho phép nào đó, từ đó gửi cảnh báo
Từ tầng 4 đến tầng 7 là tầng cao hơn, nằm trên cùng nhằm xử lý dữ liệu tạo ra từ các tầng bên dưới
Tầng 4: Tích lũy dữ liệu và lưu trữ khi cần sử dụng Truy vấn dữ liệu khi cần thiết Tầng 5: Đảm bảo tính nhất quán dữ liệu từ các nguồn khác nhau
Tầng 6: Kiểm soát và giám sát dữ liệu
Tầng 7: Hợp tác và quy trình: Ở tầng này có thể thay đổi quy trình sản xuất hoặc kinh doanh Lợi ích mang lại từ hệ thống IoT [5]
Kết luận: Module V-Box S-00 sử dụng trong công nghiệp, hệ thống PLC, điều khiển
SCADA đáp ứng đầy đủ 7 tầng trong cấu trúc hệ thống IoT, nhưng trong phạm vi đề tài, nhóm chỉ tập trung vào việc quan sát và hiển thị dữ liệu thông qua đồ thị, tương ứng với tầng 6 của hệ thống IoT.
5.6.2 Sơ đồ khối kết nối và sử dụng V-Box Để thuận tiện và dễ dàng sử dụng nhóm đã thiết kế giao diện trên Webserver giống tương tự giao diện điều khiển trên màn hình HMI Kết hợp một số chức năng dành riêng của hệ thống IoT điều khiển từ xa như vẽ biểu đồ lực nén lò xo, và chuyển vị khi nén, cũng như là hỗ trợ lưu tệp dữ liệu dưới dạng tệp Excel Mục đích là để lưu trữ và sử dụng dữ liệu này cho nhóm nghiên cứu và phát triển lò xo
Dưới đây là sơ đồ khối hoạt động của hệ thống điều khiển của V-Box:
Hình 5.13: Sơ đồ khối của V-Box.
Giao thức truyền thông RS485 cổng COM của V-Box:
Hình 5.14: Giao thức truyền thông cổng COM của V-Box
5.6.3 Các bước hướng dẫn sử dụng V-Box cơ bản
Bước 1: Tạo tài khoản trên V-Net Access và tiến hành đăng nhập:
Hình 5.15: Đăng nhập vào V-Net
Để đăng nhập vào thiết bị V-Box S-00, bước đầu tiên là dò mã máy Thiết bị hỗ trợ kết nối Wifi và mạng LAN, tuy nhiên, nhóm ưu tiên sử dụng mạng LAN để đảm bảo sự ổn định và tránh mất kết nối trong quá trình sử dụng.
Machine code của thiết bị: V010002202260558633dae09cab
Hình 5.16: Thiết bị V-Box đang hoạt động
Bước 3: Truyền thông Board PLC với V-Box Để cấu hình truyền thông cho V-Box hãy nhấn vào"Configuration"→"Communication" như trong hình Sau đó, chỉ cần chọn
Trang| 54 đúng dòng PLC đang sử dụng “Baud Rate” setting 38400 Và các thông số khác dựa theo cấu hình bên board PLC
Nhấn “Save” để hoàn thành thiết lập
Hình 5.17: Truyền thông Board PLC FX3U-24MT với V-Box
Hình 5.18: Truyền thông Board PLC qua RS485
Bước 4: Tạo dự án trong tab "Nhóm mặc định" và thêm các địa chỉ lập trình vào V-Net trên màn hình HMI Những địa chỉ này được sử dụng trong "Dữ liệu thời gian thực" để giám sát và điều khiển thiết bị từ xa.
Để đảm bảo quá trình truyền và nhận dữ liệu giữa board PLC và V-Box diễn ra chính xác, cần khai báo đúng kiểu dữ liệu Việc này giúp tránh tình trạng không đồng bộ giữa hai thiết bị, từ đó giảm thiểu sai lệch kết quả.
Hình 5.19: Khai báo địa chỉ của Board PLC trên V-Net
KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM
Kết quả
Dưới đây là một số hình ảnh thực tế sau khi hoàn thành lắp ráp máy “Kiểm tra lực nén lò xo”
Kết quả phần cơ khí của máy được thể hiện ở hình 6.1
1 – Động cơ AC Servo và hộp số
2 – Bộ truyền động trục vít me bi
5 – Màn hình HMI điều khiển máy
Hình 6.2 thể hiện hình ảnh thực tế hệ thống điện
Hình 6.2: Tổng quan hệ thống tủ điện
6.2.3 Chức năng và kết quả thu được
Bảng 6.5 dưới đây thể hiện các thông số và chức năng của máy
Bảng 6.5: Bảng thông số của máy kiểm tra lực nén lò xo
Thông số Giá trị Độ chính xác +3,2%
Tốc độ nén 1~30 mm/s Độ phân giải chuyển vị 0.1mm
Giới hạn đo chuyển vị 0~200 mm Đường kính mẫu lò xo 10~40mm
Chế độ kiểm tra Kiểm tra theo chuyển vị nén hoặc lực đàn hồi
• Đo lực đàn hồi của lò xo
• Đo thông số độ cứng của lò xo
• Điều khiển giám sát thông qua giao diện HMI
• Lưu dữ liệu và xuất báo cáo Excel
• Đồ thị theo thời gian thực
Thực nghiệm
6.3.1 Vẽ biểu đồ từ dữ liệu thu được
Tiến hành kiểm tra thực nghiệm với một số lò xo và thu thập dữ liệu lực đàn hồi lò dưới dạng tệp Excel Tệp Excel dữ liệu này có cấu trúc rõ ràng, giúp dễ dàng phân tích và xử lý thông tin.
• Time: thời gian tại thời điểm đo lực
• Displacement (mm): độ biến dạng lò xo
• Load (N): kết quả lực đàn hồi đo được
Hình 6.3: Cấu trúc của một tệp dữ liệu Excel
Lúc này có thể sử dụng các chức năng của công cụ Excel để vẽ các biểu đồ lực tùy theo nhu cầu người sử dụng
Biểu đồ lực theo thời gian được trình bày trong Hình 6.4, trong đó cột thời gian đã được thay thế bằng số thứ tự để thuận tiện cho việc sử dụng công cụ vẽ biểu đồ đường của Excel.
Hình 6.4: Biểu đồ lực đàn hồi theo thời gian
Hình 6.5 mô tả biểu đồ đường lực đàn hồi theo độ biến dạng lò xo
Hình 6.5: Biểu đồ lực đàn hồi theo độ biến dạng lò xo
6.3.2 Tính độ cứng lò xo Để kiểm tra và tính toán độ cứng lò xo từ kết quả, cần tiến hành tính toán trong vùng định luật Hooke Định luật Hooke phát biểu rằng lực phục hồi của một lò xo tỉ lệ thuận với độ biến dạng Biểu thức của định luật:
• Fđh: Lực đàn hồi của lò xo (N)
• k: hệ số đàn hồi (N/mm)
• |∆𝑙|: độ biến dạng của lò xo (mm)
Hệ số góc k trong định luật phản ánh mối quan hệ giữa lực đàn hồi và độ biến dạng trong hệ tọa độ Descartes.
Hằng số độ cứng lò xo, ký hiệu là k, được xác định là hệ số góc của đường thẳng trong đồ thị lực tác dụng lên lò xo so với độ biến dạng của nó Để tính toán hằng số độ cứng này, ta cần chọn hai điểm dữ liệu bất kỳ trên đồ thị.