- THIẾT KẾ CƠ ĐIỆN TỬ MÁY NÉN ĐƠN TRỤC PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU CƠ TÍNH TRÁI XOÀI Võ Minh Trí 1. - Máy nén đơn trục là thiết bị được dùng phổ biến để tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu tính chất vật lý của vật liệu nói chung, bao gồm trong xây dựng (đất, pê-tông) và các nguyên vật liệu trong ngành thực phẩm (thịt, trái cây). - Để thiết kế máy nén, đề tài đi vào giải quyết hai vấn đề cơ bản là thiết kế hệ thống cơ khí với cơ cấu truyền động thích hợp và hệ thống điều khiển, thu thập dữ liệu có độ chính xác cao. - Trong phần cơ khí, hệ thống truyền động sử dụng cơ cấu vít me đai ốc bi để tạo chuyển động tịnh tiến dọc trục, nguồn động lực được cung cấp bởi động cơ bước thông qua hộp giảm tốc. - Chip vi điều khiển và hệ thống cảm biến chuyển vị, cảm biến lực được dùng để thu thập và xử lý số liệu, sau đó truyền về giao diện người dùng và lưu trữ trên máy tính. - Kết quả máy nén đã đạt được những thông số kĩ thuật nhất định, độ chính xác đạt 48 µm đối với đo biến dạng và 1,95 N đối với đo lực. - Khả năng làm việc ổn định và giá thành thấp hoàn toàn phù hợp cho việc đo cơ tính trái xoài thông qua phương pháp đo phá hủy.. - Máy đo biến dạng hay còn gọi là máy nén đơn trục dùng kiểm định vật liệu không mới, nó được. - sử dụng rất phổ biến để phục vụ cho thí nghiệm kiểm tra và nghiên cứu khoa học liên quan đến vật liệu. - Cụ thể, bài báo này giới thiệu về việc thiết kế. - và chế tạo mô hình máy nén đơn trục phục vụ cho mục đích nghiên cứu cơ tính trái xoài trong đề tài nghiên cứu cấp trường “Bước đầu nghiên cứu độ chín của xoài cát thương phẩm dùng phương pháp phân tích không phá hủy”.. - Máy nén được dùng trong các thí nghiệm phá hủy để kiểm tra độ bền, độ cứng của vật liệu nói chung hay cụ thể hơn là độ săn chắc của xoài trong bài nghiên cứu này. - Kết quả của thí nghiệm nén được dùng để đối chứng với các phương pháp không phá hủy, từ đó đánh giá được hiệu quả của các phương pháp không phá hủy.. - Trong thí nghiệm xác định độ săn chắc trái xoài của Bundit Jarimopas và Udomsak Kitthawee. - (2007) họ thực hiện thí nghiệm nén trên 20 trái xoài sau khi cho thí nghiệm va đập. - Họ nhận thấy lực F tỷ lệ với độ biến dạng D cho ra độ dốc của biểu đồ F-D (Hình 1) và rút ra được độ săn chắc của xoài có quan hệ với hệ số F/D và số ngày thí nghiệm (X).. - Hình 1: Biểu đồ đáp ứng lực nén –biến dạng và mô tả thí nghiệm nén Vì vậy, nhằm giải quyết nhu cầu máy nén để. - thực hiện thí nghiệm của đề tài, một máy nén đơn trục đã được thiết kế và chế tạo. - Nhận thấy hầu hết các máy nén hiện có trên thị trường là những máy vận hành bằng tay hoặc bán tự động, khi tiến hành thí nghiệm đòi hỏi người thực hiện phải tốn thời gian để thu thập dữ liệu và tính toán nên năng suất hoạt động thấp, vì thế máy nén đơn trục này được chế tạo với tiêu chí đạt được khả năng thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu tự động và xuất báo cáo theo định dạng mẫu.. - 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan hệ thống cơ điện tử. - Steinbuch, cơ điện tử là sự kết hợp hữu cơ của kỹ thuật cơ khí chính xác, điều khiển điện tử và hệ thống theo quan điểm thiết kế. - Nó liên quan đến việc thiết kế các hệ thống, thiết bị và sản phẩm nhằm đạt được một sự cân bằng tối ưu giữa các cấu trúc cơ khí cơ bản và điều khiển tổng thể của nó (Steinbuch, 2013).. - Các yêu cầu kĩ thuật thiết kế máy đo biến dạng Yêu cầu chung. - Cơ khí chính xác. - Lực ép theo yêu cầu. - Điều khiển được vận tốc theo thời gian. - Khối cơ khí chính xác: độ phân giải biến dạng 48 µm, lực 1,95 N cho tầm đo 10.000 N, đảm bảo độ bền khi chịu tải cực đại. - Lực ép theo yêu cầu: có khả năng tạo lực nén cực đại đến 10.000 N. - Điều khiển được vận tốc: dãy vận tốc lựa chọn được trong khoảng mm/phút. - Thu thập, phân tích, xuất báo cáo theo mẫu kiểm định vật liệu trên định dạng Excel. - 2.2 Thiết kế hệ thống 2.2.1 Hệ dẫn động cơ khí. - Phần cơ khí của máy nén gồm một động cơ bước để tạo lực ép cho máy, hộp giảm tốc để giảm tốc độ động cơ và tăng mô-men xoắn, được lắp cố định trên khung cơ khí (Hình 2).. - Máy nén sử dụng vít me đai ốc bi để chuyển đổi chuyển động xoay sang chuyển động tịnh tiến.. - Yêu cầu trong thiết kế cơ khí là lựa chọn và thiết kế các chi tiết với kích thước thích hợp để tạo sự hài hòa cân xứng nhưng quan trọng là vẫn phải đảm bảo sức bền và khả năng chịu tải.. - Chọn vít me đai ốc bi. - Đối với vít me đai ốc bi model SF1505-4, tra tài liệu kĩ thuật được các thông số:. - Khả năng chịu tải tĩnh cho phép: C0 =3110 kgf <=>. - Khả năng chịu tải khi hoạt động: C = 1280 kgf <=>. - Bước vít me đai ốc bi: 5mm/vòng. - Hình 2: Sơ đồ nguyên lý máy nén b. - Chọn động cơ. - Để máy nén hoạt động cần có động cơ để điều khiển trục vít me đai ốc bi. - Trong điều khiển vị trí,. - việc lựa chọn động cơ có hai giải pháp là: động cơ bước và động cơ servo. - Tuy nhiên, giải pháp động cơ servo đòi hỏi phải điều khiển vòng kín đồng thời chi phí cao hơn so với sử dụng động cơ bước mà điều khiển vòng hở. - Vì thế, động cơ bước được chọn để sử dụng.. - Động cơ bước được chọn ở đây là động cơ bước 4 pha, model 23KM-K032V, độ phân giải 1,8 o /bước, tốc độ tối đa khoảng 300 vòng/phút (NMB Corporation, 1998).. - Hộp giảm tốc. - Hộp giảm tốc được sử dụng để giảm tốc độ và tăng mo-men cho trục nén. - Tính lực nén. - Từ các thông số của động cơ bước, vít me đai ốc bi, hộp giảm tốc và tốc độ nén tính được lực nén của máy như sau:. - (Bước ren của vít me đai ốc bi là l = 5 mm) Vận tốc quay của trục động cơ: n dc = 0, 3 240. - Mô-men xoắn ở trục động cơ 0,8 Nm (dựa theo biểu đồ mô-men trong catalog của động cơ). - Công suất của động cơ. - T dc là mô-men xoắn trên trục động cơ (Nm). - n dc là tốc độ quay của trục động cơ (vòng/phút). - Lực nén tạo ra trên trục nén:. - l (m) là bước ren của vít me đai ốc bi. - 1 = 0,9 là hiệu suất truyền của vít me đai ốc bi. - Khi thực hiện thí nghiệm nén, mẫu vật chịu lực nén của trục vít và khung giới hạn. - Ở đây, kết quả tính toán được dựa trên phần mềm AutoCAD Mechanical.. - Hình 3: Tính độ võng của thanh dầm trên AutoCAD Mechanical Dựa trên kết quả tính toán của phần mềm khi. - Độ võng rất nhỏ vì thế hai thanh dầm đạt điều kiện để máy hoạt động tốt mà không bị ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm.. - Như vậy, hai thanh ren thừa bền khi sử dụng hết tải trọng động của vít me đai ốc bi (12 544 N như đã trình bày ở trên).. - 2.2.3 Đo lường và bộ điều khiển. - Hai thông số đo đạc chính của máy là lực nén và độ biến dạng vì thế cần có các cảm biến để đo các đại lượng này. - Hai cảm biến này được khuếch đại tín hiệu bởi IC INA125, sau đó tín hiệu được đưa về ngõ vào analog của vi điều khiển PIC16F877A để số hóa nhờ bộ ADC 10 bít được tích hợp sẵn (lần lượt là Amplifier1, Amplifier2, và MCU trên Hình 5).. - Hình 4: Load cell và cảm biến chuyển vị Bộ điều khiển là phần quan trọng nhất của máy nén, giúp máy hoạt động và điều khiển quá trình tương tác với người dùng. - Bộ điều khiển hoạt động chủ yếu dựa trên điều khiển của chip vi điều khiển PIC16F877A, đây là chip vi điều khiển 8 bít của hãng Microchip.. - Sơ đồ khối của bộ điều khiển được trình bày trong Hình 5: Bộ điều khiển nhận lệnh từ người dùng thông qua bàn phím (Keypad 4x4) và các nút nhấn (Push button), hiển thị trạng thái hoạt động lên màn hình LCD 20x4, xuất tín hiệu qua bộ láy (Driver) để điều khiển động cơ bước (Stepper motor) và truyền dữ liệu về máy tính theo chuẩn RS-232 (thông qua vi mạch chuyển đổi MAX232).. - Hình 5: Sơ đồ khối bộ điều khiển 2.2.4 Giao diện phần mềm. - Hệ thống phần mềm sử dụng để điều khiển máy nén gồm 2 bộ phận: phần mềm nhúng trên vi điều khiển và phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính.. - Đối với phần mềm nhúng trên vi điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C, được chia thành. - nhiều chương trình con để thực hiện các chức năng khác nhau: điều khiển và hiển thị LCD, kiểm tra phím ấn, điều khiển động cơ bước, đọc tín hiệu cảm biến và xử lý để truyền về máy tính. - Bên cạnh đó, chương trình còn được thiết kế để bảo vệ máy khi có các vấn đề quá tải và quá giới hạn hành trình của trục nén. - Hình 6: Lưu đồ chương trình chính Phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính có chức năng chính là nhận dữ liệu lực nén và độ biến dạng từ bộ điều khiển của máy nén truyền về thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp RS-232.. - Trong quá trình nhận dữ liệu từ bộ điều khiển, phần mềm vẽ lại đồ thị lực nén và biến dạng của mẫu thí nghiệm trên giao diện chương trình (Hình 8).. - Đặc biệt, kết thúc quá trình nén mẫu, phần mềm cho phép xuất file báo cáo kết quả thí nghiệm để lưu trữ dưới dạng Excel (Hình 9).. - 3 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ. - Với yêu cầu đặt ra và dựa trên thực tế về trang thiết bị, vật tư chế tạo máy, máy nén đã được thiết kế và chế tạo thành công. - Mô hình hoàn chỉnh của máy nén như Hình 7. - Hình 8 trình bày giao diện của máy, giao diện cho phép giám sát trực tuyến và ghi nhận dữ liệu quá trình nén mẫu. - Trước khi thực hiện quá trình nén, người dùng phải thực hiện kết nối. - Quá trình thu thập chỉ diễn ra khi vùng điệm có dữ liệu, nghĩa là quá trình ghi và hiển thị trên các đồ thị bên phải bắt đầu khi nút khởi động quá trình nén trên mặt điều khiển máy đã ấn. - Kết thúc quá trình nén, kết quả xuất ra báo cáo dưới dạng bảng kết quả kiểm định được thiết kế trước như trên Hình 9. - tích, đánh giá kết quả kiểm định. - Hình 7: Mô hình máy nén hoàn chỉnh Bảng 1: Thông số kĩ thuật của máy nén. - Khả năng gia tải cực đại của máy 12 500 N. - Giới hạn cảm biến đo biến dạng 50 mm. - Độ phân giải lực nén 1,95 N. - Độ phân giải biến dạng 48 µm. - Hình 8: Giao diện phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính. - Hình 9: Kết quả thí nghiệm được lưu trữ thành file và xuất bản in theo định dạng bảng kết quả kiểm định được thiết kế trước theo qui định. - Đề tài đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy nén đơn trục. - Kết cấu cơ khí vững chắc đã được tính toán dư bền, đạt thẩm mỹ nhất định, an toàn, thuận tiện trong quá trình vận hành, máy hoàn toàn có thể nén các nguyên vật liệu khác nhau mà vẫn đảm bảo độ chính xác trong đo đạc.. - Bộ điều khiển máy hoạt động tốt đảm bảo các thao tác chọn chế độ hoạt động, đặt tốc độ, hiển thị thông số cài đặt và tình trạng hoạt động lên giao diện màn hình LCD và khả năng truyền dữ liệu về máy tính.. - Giao diện thu thập dữ liệu trên máy tính ghi lại dữ liệu của toàn bộ quá trình nén trên đồ thị lực nén – biến dạng, cho phép nhập thông tin về mẫu thí nghiệm (kích thước, độ ẩm, khối lượng riêng, tốc độ nén) để từ đó xuất toàn bộ dữ liệu ra file báo cáo dưới dạng bảng tính (Excel).. - Quá trình vận hành và thí nghiệm thực tế cho thấy khả năng ứng dụng của máy rất lớn. - Máy nén hoàn toàn đủ khả năng để thí nghiệm nén các mẫu có độ cứng lớn như mẫu đất trong kiểm định xây dựng, hay trong nhiều lĩnh vực khác nữa chứ không chỉ dừng lại ở mục đích nén thí nghiệm trên trái xoài.