(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 0 4 2 1 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016

do 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

Khố:

2011 -2015

11146221

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2016

do an


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 MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hƣớng dẫn : ThS. TRẦN MAI VĂN
Sinh viên thực hiện

: TRẦN GIA BẢO MSSV: 11146221

1. Tên đề tài:

“Thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử mỏi vật liệu nhựa ở nhiệt đô
cao”.
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
3. Nội dung chính của đồ án:
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
…………….………..……….………………………………………………………
4. Các sản phẩm dự kiến
…………….………..……….………………………………………………………
5. Ngày giao đồ án:
6. 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 …………………………………………

do an


LỜI CAM KẾT
-

Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử mỏi vật liệu
nhựa ở nhiệt đô cao”.
Giảng viên hƣớng dẫn : ThS. TRẦN MAI VĂN
Sinh viên thực hiện : TRẦN GIA BẢO
MSSV: 11146045
Lớp:111463B
Địa chỉ sinh viên:506/61K Lạc Long Quân F5 Q11 TPHCM
Số điện thoại liên lạc: 0904479493 (Bảo).
Email : (Bảo).
Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 27/7/2015
Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng
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 khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ
một sự vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm”.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 1 năm 2016
Ký tên

Trần Gia Bảo

do an


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên chúng em xin g ửi lời cảm ơn đến tồn thể q thầy cơ giáo trong
Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy - Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí
Minh đã dìu dắt, dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm cho chúng
em trong 4 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 đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, giúp đỡ và truyền đạt
cho chúng em những kinh nghiệm quý báu giúp chúng em hoàn thành đồ án đúng
thời hạn.
Cuối cùng chúng em xin đƣ ợc gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, ngƣời
thân, bạn bè đã chia sẻ, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để chúng em hoàn
thành khóa luận này.
Trong q trình làm đồ án khó tránh khỏi những thiếu sót, chúng em mong sự
chỉ bảo thêm của thầy cơ giúp chúng em hồn thành và đ ạt kết quả tốt hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2016
Sinh viên thực hiện

Trần Gia Bảo

do 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 là máy dùng để thử các mẫu sản phẩm
bằng vật liệu nhựa nhằm đánh giá độ bền mỏi của sản phẩm nhựa trong thực tế.
Mục tiêu nghiên cứu đề tài là chế tạo và điều khiển máy sao cho tạo đƣợc
điều kiện tác động vào sản phẩm nhƣ khi sản phẩm đƣợc sử dụng ngồi thực tế; có
khả năng tự động hóa và giao tiếp máy tính.
Nội dung và quá trình thực hiện: Thiết kế và 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 của sản phẩm nhựa (móc khóa nhựa nón
bảo hộ). Nguyên lý hoạt động của máy dựa trên cơ cấu cam với số lần tác dụng lớn
lên sản phẩm,làm phá hủy mỏi của sản phẩm. Sau khi hồn thành q trình phá hủy
mỏi của sản phẩm,ta tìm đƣợc số lần phá hủy thơng qua loadcell và phần mềm đo.
Nhóm đã thiết kế và chế tạo thành công máy dùng để đo độ bền mỏi của sản
phẩm nhựa, sau khi chạy thử nghiệm nhóm đã rút ra một số đánh giá sau: tạo đƣớc
điều kiện tác động vào sản phẩm nhựa gần giống với thục tế, sai số trong việc đếm
số lần tác động nhỏ và nằm trong giới hạn cho phép, có khả năng giao tiếp máy
tinh; tuy nhiên vẫn còn một số khuyết điểm nhƣ: chƣa tự động hóa hồn tồn, tính
đa dạng đối với sảm phẩm kiểm tra cịn thấp(phụ thuộc vào đồ gá), việc điều khiển
cịn có sai số cao,…Trong tƣơng lai, máy có thể đƣợc phát triển để đo đƣợc nhiều
sản phẩm bằng cách thay thế các loại đồ gá khác nhau cho từng loại sản phẩm khác
nhau.
Sinh viên thực hiện

Trần Gia Bảo

do an


MỤC LỤC

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 ...................................................................... 1
1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 1
1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................... 1
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................... 1
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 2
1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận .............................................................................. 2
1.5.2 Phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể .................................................................. 2
1.6 Kết cấu đồ án ................................................................................................... 2
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ ................................................. 3
2.1 Giới thiệu về vật liệu nhựa .............................................................................. 3
2.1.1 Sản phẩm khóa nhựa: .................................................................................. 5
2.2 Thiết bị thử kéo nén ........................................................................................... 5
2.2.1 Sơ lƣợc về máy kéo nén .................................................................................. 5
2.2.2 Các loại máy có trên thị trƣờng ..................................................................... 6
CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 9
3.1 Cơ sở lý thuyết độ bền mỏi ............................................................................. 9
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 của chi tiết máy .................................. 11
3.2 Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID ................................................................. 9
3.2.1 Định nghĩa .................................................................................................... 11
3.2.2 Hạn chế của bộ PID ..................................................................................... 13
3.4 Phần mền Visual Studio C# .......................................................................... 14
3.5 Sơ lƣợc phần mềm Kiel C ............................................................................. 15

do an

3.5 Loadcell........................................................................................................... 15
3.5.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 15
3.5.2 Nguyên lý hoạt động ..................................................................................... 17
CHƢƠNG 4 : 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 của máy ..................................................................... 20
4.1.3 Các phƣơng án đề ra ................................................................................... 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 dữ liệu .................................................................................... 26
4.2.3 Hồi tiếp vận tốc và chu kỳ ........................................................................... 27
4.2.3.1 Cấu tạo cơ bản của một encoder quay quang ........................................ 27
4.2.3.2 Kết luận ....................................................................................................... 30
4.2.4 Nhận biết gãy và 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

do 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 năng chính ...................................................................................... 41
5.4.1 Ứng dụng ....................................................................................................... 41
CHƢƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ...................................... 43
6.1 Tính tốn thơng số PID cho động cơ .............................................................. 43
6.2 Tính tốn điều khiển ........................................................................................ 46
6.2.1 Sơ đồ khối và 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

do an


`

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Sản phẩm nhựa......................................................................................... 4
Hình 2.2Máy Qualitest ............................................................................................ 6

Hình 2.3Máy thử mỏi vật liệu 250KN .................................................................... 6
Hình 2.4Máy thử mỏi vật liệu 100KN .................................................................... 7
Hình 3.1Trục chịu uốn thuần túy ........................................................................... 9
Hình 3.2Đƣờng Sin của ứng suất tại điểm M ........................................................ 9
Hình 3.3Chi tiết bị phá hủy mỏi ............................................................................. 9
Hình 3.4Lƣu đồ điều khiển bộ PID ...................................................................... 12
Hình 3.5Đồ thị điều khiển PID trên 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 của 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 phỏng cơ cấu cam ............................................................................. 22
Hình 4.7Ngun lý tay quay con trƣợt................................................................. 22
Hình 4.8Đặc điểm của cơ cấu tay quay con trƣợt............................................... 23
Hình 4.9Kiến trúc của STM32 nhánh Performance và Access ......................... 23
Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý của một encoder ....................................................... 28
Hình 4.11 Encoder tuyệt đối ................................................................................. 29
Hình 4.12 Encoder tƣơng đối ................................................................................ 30

do an


Hình 4.13Động cơ NF5475E.................................................................................. 31

Hình 4.14 Loadcell chữ S. ..................................................................................... 33
Hình 4.15 Thơng số AC motor. ............................................................................. 33
Hình 4.16Hình đấu dây động cơ điện một pha. .................................................. 34
Hình 4.17Bóng đèn halogen .................................................................................. 35
Hình 4.18Bộ điều khiển nhiệt độ .......................................................................... 36
Hình 5.1Kit STM32f103c8t6. ................................................................................ 37
Hình 5.2Board cơng suất. ...................................................................................... 38
Hình 5.3Sơ đồ ngun lý board cơng suất. .......................................................... 39
Hình 5.4 Board khuếch đại . ................................................................................. 40
Hình 5.5 Sơ đồ nối dây loadcell với board khuếch đại. ...................................... 41
Hình 5.6Mạch truyền nhận. .................................................................................. 42
Hình 6.1 Cách xác định Tcrit dựa trên hàm q độ của hệ thống. ..................... 44
Hình 6.2 Cơng thƣc tính thơng số PID bằng Zeigler - Nichols. ......................... 45
Hình 6.3Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển. ...................................................... 46
Hình 6.4Lƣu đồ nguyên lý hoạt động của máy. .................................................. 47
Hình 6.5 Sơ đồ truyền nhận tín hiệu. ................................................................... 48
Hình 6.6 Giải thuật tính tốn điều khiển hệ thống. ............................................ 49
Hình 6.7 Nguồn điện áp hệ thống. ........................................................................ 50
Hình 6.8 Board điều khiển hệ thống. ................................................................... 50
Hình 6.9 Tủ điện hệ thống. .................................................................................... 52
Hình 6.10 Khung máy............................................................................................ 52
Hình 6.11 Giao diện tƣơng tác. ............................................................................. 53
Hình 6.12 Các bƣớc thực hiện giao diện. ............................................................. 54
Hình 7.1Mẫu thử nghiệm. ..................................................................................... 55
Hình 7.2Kết quả thực nghiệm. .............................................................................. 56
Hình 7.3PA66 + 30%GF. ...................................................................................... 56

do an

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Trong cuộc sống thƣờng ngày có rất nhiều các dụng cụ bằng nhựa, khi sử
dụng các sản phẩm này nhiều lúc ta phải tác động một lực để làm thay đổi trạng
thái của dụng cụ này. Việc thay đổi trạng thái này dƣờng nhƣ khơng có ảnh hƣởng
hay tác động nào đến tính chất của dụng cụ ở trạng thái hiện tại. Tuy nhiên, việc tác
động trong một thời gian dài sẽ dẫn đến ở những nơi bị tác động của dụng cụ sẽ bị
biến cứng và bị gãy vỡ, đều này dẫn đến dụng cụ không thể sử dụng đƣợc nửa nếu
chi tiết gãy vỡ đóng vai trị quang trọng của dụng cụ. Máy kiểm tra độ bền mỏi của
sản phẩm nhựa mà nhóm đã nghiên cứu và chế tạo đƣợc ứng dụng để kiểm tra số
lần tác động lực đến khi gãy lên dụng cụ đó là bao nhiêu nhằm mục đích kịp thời
thay thế những chi tiết đã đạt đến giới hạn mỏi. Sau thời gian mƣời lam tuần nghiên
cứu thì nhóm em đã hồn thành sản phẩm và tiến hành chạy thực nghiệm trên một
số mẫu sản phẩm có sẵn cho thấy máy hoạt động ổn định và sai số tƣơng đối nhỏ.
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển thì máy móc hiện đại cũng ra đời. Máy
thử độ bền mỏi của sản phẩm nhựa là máy dùng để thử các mẫu sản phẩm nhựa
nhằm đánh giá độ bền mỏi của sản phẩm trong thực tế. Đây là việc mà hầu hết các
công ty sản xuất sản phẩm nhựa quan tâm ,và loại máy này chƣa có mặt tại Việt
Nam.
Đây là máy chƣa sản xuất ở Việt Nam cho nên đề tài “ Thiết kế và chế tạo hệ
thống cơ khí máy thử độ bền mỏi của sản phẩm nhựa” có tính cần thiết, bắt kịp
nhịp phát triển khoa học kĩ thuật trên thế giới
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Máy tạo điều kiện tác động vào sản phẩm nhƣ khi sản phẩm đƣợc sử dụng
ngồi thực tế.
Có khả năng tự động hóa và giao tiếp máy tính.
1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Thử độ bền mỏi của các loại sản phẩm nhựa.
1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu

Độ bền mỏi của các sản phẩm nhựa.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu
Thiết kế bộ điều khiển.
Xây dựng giải thuật điều khiển.

1

do an


Hoàn thiện việc điều khiển.
1.5
Phƣơng pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận
Dựa trên lý thuyết độ bền mỏi của vật liệu.
1.5.2 Phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể
Tham khảo tài liệu: đây là phƣơng pháp nghiên cứu cơ bản và đóng vai trị
tiên quyết. Nhóm thực hiện ngồi việc sử dụng sách báo, tài liệu, tƣ liệu (nhất là tài
liệu chuyên ngành) còn tham khảo, tổng hợp và chắt lọc thơng tin trên Internet.
Xây dựng một quy trình thiết kế hệ thống.
Tính tốn thơng số, thiết kế, mơ phỏng trên máy tính.
Tham khảo ý kiến đóng góp của giáo viên hƣớng dẫn và q thầy cơ có kinh
nghiệm ở trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM trong các lĩnh vực liên quan
đến đề tài mà nhóm đang nghiên cứu.
Tìm hiểu các tài liệu và thiết kế hiện có trong và ngồi nƣớc.
Quan sát tổng thể hệ thống sau đó đi sâu vào từng bộ phận để giải quyết vấn
đề.
Thí nghiệm và khắc phục nhƣợc điểm hệ thống.
1.6

Kết cấu đồ án
Đồ án gồm có 6 chƣơng vói nội dung nhƣ sau:

Chƣơng 1 : Nêu lên tính cấp thiết của đề tài, Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
của đề tài, Mục tiêu nghiên cứu của đề tài, Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
Chƣơng 2 :Giới thiệu chung về tinh hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc về
lĩnh vực nghiên cứu.
Chƣơng 3 : Trình bày các cơ sở lý thuyết đƣợc dung trong đồ án nhƣ: lý
thuyết độ bền mỏi, lý thuyết về bộ điều khiển PID,....
Chƣơng 4 : Trình bày các phƣơng hƣớng và phƣơng pháp trong thiết kế.
Chƣơng 5 : Trình bày sơ lƣợc về cơ khí và tính tốn điều khiển.
Chƣơng 6 :Tiến hành thực nghiệm và nêu ra những đánh giá sơ bộ ƣu, nhƣợc
điểm của đồ án.

2

do an


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ
2.1 Giới thiệu về vật liệu nhựa
Thế giới:
Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu 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 sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện để bảo vệ bảng mạch bên
trong ôtô. Dựa trên những ƣu thế đặc biệt nhƣ giảm trọng lƣợng, tiết kiệm nguyên
liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm không gian cho máy
móc. Ngành hàng khơng 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 cơng 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 tơ, xe lửa khỏi các tác động
có hại nhƣ rị 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

3

do an


cho việc sản xuất nghiên cứu trong quân đội nhƣ: bồn chứa nƣớc hoặc hóa chất,
khay trồng rau, bia tập bắn....
Cơng nghiệp hóa chất: Bồn chứa dung dịch acid (thay gelcoat bằng epoxy hoặc
nhựa vinyleste). Bồn chứa dung dịch kiềm ( thay gelcoat bằng epoxy).

Dân dụng:
 Sản phẩm trong sơn mài: bình, tơ, chén, đũa...

 Sản phẩm trang trí nội thất: khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn...
 Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn…

4

do an


Hình 2.1: Sản phẩm nhựa
Trên thế giới việc nghiên cứu tính tốn lý thuyết cũng nhƣ tiến hành các thử
nghiệm để thiết kế và thử nghiệm độ mỏi vật liệu đã đƣợc nhiều tác giả quan tâm.
Các thử nghiệm đo độ mỏi đối với vật liệu thƣờng đòi hỏi chi phí rất lớn chỉ có thể
tiến hành tại các nhà máy, các cơ sở nghiên cứu của các hãng sản xuất lớn trên thế
giới. Do vậy, gần đây các tác giả thƣờng tập trung vào việc tìm kiếm các phƣơng
pháp, cơng cụ thiết lập và mơ hình hố kết cấu vật liệu để nghiên cứu đánh giá độ
bền, độ bền mỏi, độ cứng của nó. Gần đây, vấn đề trên đã đƣợc một số các nhà
khoa học của các cơ quan nhƣ Đại học Bách khoa Hà Nội , Học viện Kỹ thuật quân
sự, Đại học Giao thông vận tải và một số Viện khoa học kỹ thuật quan tâm, nghiên
cứu. Với những hạn chế về chủ quan cũng nhƣ khách quan, đề tài chỉ tập chung chủ
yếu nghiên cứu về những cơ sở lý thuyết cho việc đánh giá độ bền mỏi, đồng thời
thực hiện tính tốn, kiểm nghiệm cho các loại vật liệu kim loại.
2.1.1 Sản phẩm khóa nhựa:
Sử dụng cho các vật dụng nhƣ nón bảo hiểm, balo túi xách.., đƣợc
chế tạo từ các loại vật liệu nhƣ nhựa PP, PA và thêm vào một số phụ gia
cần thiết khác.
Việc kiểm tra khóa nhựa nhằm chọn ra thành phần hóa học cho ra độ
bền mỏi phù hợp với từng chức năng riêng biệt.

mỏi phù hợp với từng chức năng riêng biệt.
2.2 Thiết bị thử kéo nén
2.2.1 Sơ lƣợc về máy kéo nén

5

do an


Thiết bị kiểm tra độ bền mỏi vật liệu là thiết bị dùng kiểm tra độ bền mỏi của
vật liệu nhựa nhằm chọn vật liệu nhựa có độ bền phù hợp với từng loại sản phẩm
và từng yêu cầu sử dụng khác nhau.
Thiết bị thử độ bền mỏi hoạt động nhờ một cơ cấu kẹp chuyên dụng dùng để
giữ sản phẩm thử, và cơ cấu chấp hành thực hiện chuyển động tịnh tiến.
Thiết bị thử độ bền mỏi của sản phẩm sau khi đƣợc ép.
Tính chất cần kiểm tra: độ bền mỏi của sản phẩm.
2.2.2 Các loại máy có trên thị trƣờng
Máy Qualitest
Dùng để xác định độ bền mỏi của cao su và các loại vật liệu nhƣ nhựa ở các
điều kiện tác động có chu kỳ.
Hãng sản xuất: Qualitest

Hình 2.2:Máy Qualitest
Tính năng:
Điều chỉnh tốc độ 35-300 (chu kỳ / phút).
Số lƣợng chu kỳ có thể đƣợc điều chỉnh bởi ngƣời sử dụng.
Khoảng cách của kẹp (tối đa 100 mm), có thể điều hỉnh đƣợc để cơng cụ này
cũng có thể đƣợc sử dụng với các mẫu không phải với hình dạng tiêu chuẩn.
Lên đến 16 mẫu thử nghiệm có thể đƣợc gắn kết cùng một lúc.
Ƣu điểm: cả hai ngàm di chuyển theo hƣớng ngƣợc nhau, do đó sẽ giúp giảm

mức độ rung và tiếng ồn thƣờng thấy so với các máy kiểm tra độ bền mỏi khác
Máy thử mỏi vật liệu 250KN (2)

6

do an


Hình 2.3:Máy thử mỏi vật liệu 250KN
Xuất xứ: Thụy Sỹ
Tính năng:
Khả năng thử động Max: ± 250 KN.
Độ chính xác của máy theo tiêu chuẩn ISO 7500-1, ASTM E4:
Từ 2.5 kN ~ 250 kN

Grade 0.5

Từ 1 kN ~ 2.5 kN

Grade 1

Độ chính xác biến dạng uốn theo tiêu chuẩn ASTM E1012: < 5%.
Hành trình pít tơng:

100 (±50) mm.

Độ phân giải dịch chuyển: <0.001mm.
Độ chính xác dịch chuyển: ± 0.5%
Máy thử mỏi vật liệu 100KN (3)

7

do an


Hình 2.4: Máy thử mỏi vật liệu 100KN
Xuất xứ: Thụy Sỹ
Tính năng:
Khả năng thử động Max: ± 100 KN.
Độ chính xác của máy theo tiêu chuẩn ISO 7500-1, ASTM E4:
Từ 2.5 kN ~ 250 kN

Grade 0.5

Từ 500 N ~ 1000N

Grade 1

Độ chính xác biến dạng uốn theo tiêu chuẩn ASTM E1012: < 5%.
Hành trình pít tơng:

100 (±50) mm.

Độ phân giải dịch chuyển: <0.001mm.
Độ chính xác dịch chuyển: ± 0.5%
Ghi chú :
(1), (2), (3): lấy từ Catalogue của Công ty cổ phần thiết bị và dịch vụ cơng nghệ
chính xác INSTEC.

8

do an


CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1

Cơ sở lý thuyết độ bền mỏi

3.1.1 Khái niệm
Trong nhiều chi tiết máy, dƣới tác dụng của tải trọng, ứng suất trên mặt cắt
biến đổi tuần hoàn theo thời gian.Xét độ bền của một chi tiết hình trụ.
Xét một điểm M trên mặt
ngồi của trục chịu uốn thuần túy
phẳng quay với vận tốc góc ω
(rad/s)
Hình 3.1 : Trục chịu uốn thuần túy
Ta thấy ứng suất tại M biến thiên tuần hoàn theo thời gian với một hàm
số hình sin. Nhƣ vậy với một vịng quay của trục,
ứng suất tại M lại lần lƣợt qua các giá trị cực đại
và cực tiểu, hai giá trị này bằng nhau nhƣng khác
dấu.

Hình 3.2 : Đƣờng Sin của ứng suất tại điểm M
Ngƣời ta gọi hiện tƣợng vật liệu bị phá hoại do ứng suất thay đổi theo thời
gian là hiện tƣợng mỏi của vật liệu.
Nhận xét: khi chi tiết bị phá hũy mỏi ta thấy ở mặt cắt bị phá hoại có hai miền
phân biệt, một miền nhẳn và một miền xù xì gợn
hạt giống nhƣ sự phá hũy của vật liệu giòn, mặc
dù vật liệu chế tạo là vật liệu dẽo. Từ đó ngƣời ta

đƣa ra giả thuyết về sự phá hoại do hiện tƣợng
mỏi nhƣ sau:
Hình 3.3 : Chi tiết bị phá hủy mỏi

9

do an


Khi chịu tác dụng của ứng suất thay đổi, tuy giá trị của các ứng suất còn thấp
hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu, nhƣng những biến dạng dẽo rất nhỏ đã xuất
hiện.Những biến dạng dẽo rất nhỏ này lúc đầu hình thành trên tồn bộ thể tích của
vật thể, sau chỉ phát triển ở những nơi bị yếu nhất có sự tập trung của ứng suất. Dần
dần vùng biến dạng dẽo cục bộ này phát sinh thành những vết nứt rất bé. Do ứng
suất thay đổi, các vết nứt phát triển lên và hai mặt bên của vết nứt va đập vào nhau
làm cho hai mặt đó dần dần nhẵn đi. Do vết nứt phát triển, diện tích mặt cắt bị nhỏ
dần và cuối cùng khi mặt cắt khơng đủ để chịu lực nữa thì thanh bị phá hoại đột
ngột mà khơng có biến dạng dƣ lớn.
3.1.2 Q trình phá hủy mỏi
Hiện tƣợng phá hủy mỏi đƣợc phát hiện ra từ giữa thế kỷ 19 và giới hạn mỏi
dƣợc coi là một trong những chỉ tiêu tính tốn chủ yếu để xác tịnh kích thƣớc chi
tiết.thực tiễn cho thấy khoảng 90% các tổn thất của chi tiết do các vết nứt mỏi gây
ra.
Quá trình phá hủy mỏi xảy ra khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi.quá trình
phá hủy mỏi bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ sinh ra từ vùng chi chi tiết chịu ứng
suất tƣơng đối lớn. Khi số chu trình làm việc của chi tiết tăng lên thì các vết nứt
này cũng mở rộng dần, chi tiết ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy ra gãy hỏng.
3.1.3 Quá trình phá hủy mỏi
Hiện tƣợng phá hủy mỏi đƣợc phát hiện ra từ giữa thế kỷ 19 và giới hạn mỏi
dƣợc coi là một trong những chỉ tiêu tính tốn chủ yếu để xác tịnh kích thƣớc chi

tiết.thực tiễn cho thấy khoảng 90% các tổn thất của chi tiết do các vết nứt mỏi gây
ra.
Quá trình phá hủy mỏi xảy ra khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi.quá
trình phá hủy mỏi bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ sinh ra từ vùng chi chi tiết chịu
ứng suất tƣơng đối lớn. Khi số chu trình làm việc của chi tiết tăng lên thì các vết
nứt này cũng mở rộng dần, chi tiết ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy ra gãy hỏng.
3.1.4 Đƣờng cong mỏi
Đƣờng cong mỏi thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất (ứng suất trung bình
hoặc ứng suất lớn nhất) và số chu kỳ thay đổi ứng suất N của chi tiết máy tới khi
hỏng hoàn toàn.
Giới hạn bền mỏi

10

do an


Từ đồ thị ta thấy ứng suất càng cao thì tuổi thọ càng giảm. Khi ứng suất
vƣợt qua giá trị σk số chu kỳ ứng suất giảm mạnh. Trị số σk gọi là giới hạn mỏi
ngắn hạn của vật liệu.
Ứng suất càng giảm thì số chu kỳ ứng suất càng tăng. Khi ứng suất giảm
đến giá trị σothì đƣờng cong mỏi gần nhƣ nằm ngang tức là số chu kỳ ứng suất có
thể tăng lên rất lớn mà chi tiết không bị gẫy hỏng. Trị số σo gọi là giới hạn bền
mỏi (dài hạn) của chi tiết máy. Ứng với σo là số chu kỳ cơ sở No.
3.1.5Phƣơng pháp xác định độ bền mỏi của chi tiết máy
Để kiểm tra độ bền mỏi cơ cấu tác động của máy cần tạo ra đƣợc lực tác
động với độ lớn thay đổi theo chu kì, qua đó làm cho ứng suất trong chi tiết thay
đổi.
Dựa vào chuyển động chính của khóa nhựa là chuyển động tịnh tiến nên
cần cơ cấu tác động phù hợp, qua khảo sát thì có hai cơ cấu có thể tạo chuyển

động tịnh tiến là cơ cấu cam và cơ cấu tay quay con truọt . Để dễ dàng thi cơng
và dễ thay thế và có độ bền cao, nhóm chọn cơ cấu cam
Bàn gá chuyên dụng dùng gá và kẹp chặt chi tiết trong quá trình thử mỏi
Động cơ AC điểu khiển thanh răng nhằm đƣa cấu tác động đến vị trí thử
sản phẩm đúng với biên độ chọn trƣớc.
3.2 Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID
3.2.1 Định nghĩa
Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ - PID là một cơ chế phản hồivòng điều khiển
(bộ điều khiển) tổng quát đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công
nghiệp – bộ điều khiển PID đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển
phản hồi.

11

do an


Hình 3.4:Lƣu đồ điều khiển bộ PID

Giải thuật tính tốn bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó
đơi khi nó cịn đƣợc gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo
hàm, viết tắt là P,I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị
tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định
tác động của tốc độ biến đổi sai số.
Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân đƣợc cộng lại với nhau để tính tốn đầu ra của
bộ điều khiển PID. Định nghĩa rằng

là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối

cùng của giải thuật PID là:

𝑢 𝑡 = MV T = 𝐾𝑃 𝑒 𝑡 + 𝐾𝑖

𝑡
0

𝑒 𝜏 𝑑𝜏 + 𝐾𝑑

𝑑
𝑑𝑡

𝑒(𝑡)(3.1)

Trong đó các thơng số điều chỉnh là:
Độ lợi tỉ lệ KP:
Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ
càng lớn. Một giá gị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá trình mất ổn định và dao
động.
Độ lợi tích phân Ki:
Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt
lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào đƣợc tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải
đƣợc triệt tiêu tích phân bằng sai số dƣơng trƣớc khi tiến tới trạng thái ổn định.

12

do an


Độ lợi vi phân Kd:
Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhƣng lại làm chậm đáp ứng quá độ và
có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.

Hình 3.5: Đồ thị điều khiển PID trên Matlab
3.2.2 Hạn chế của bộ PID
Trong khi các bộ điều khiển PID có thể đƣợc dùng cho nhiều bài toán điều
khiển, và thƣờng đạt kết quả nhƣ ý mà không cần bất kỳ cải tiến hay thậm chí điều
chỉnh nào, chúng có thể rất yếu trong vài ứng dụng, và thƣờng không cho ta điều
khiển tối ƣu. Khó khăn cơ bản của điều khiển PID là nó là một hệ thống phản hồi,
với các thơng số khơng đổi, và khơng có tin tức trực tiếp về q trình, và do đó tất
cả kết quả là phản ứng và thỏa hiệp
Cải tiến quan trọng nhất là kết hợp điều khiển nuôi-tiến với kiến thức về hệ
thống, và sử dụng PID chỉ để điều khiển sai số. Thay vào đó, PID có thể đƣợc cải
tiến bằng nhiều cách, nhƣ thay đổi các thông số (hoặc là lập chƣơng trình độ
lợi trong nhiều trƣờng hợp sử dụng khác nhau hoặc cải tiến thích nghi chúng dựa
trên kết quả), cải tiến đo lƣờng (tốc độ lấy mẫu cao hơn, và chính xác, và lọc thơng
thấp nếu cần thiết) hoặc nối tầng nhiều bộ điều khiển PID với nhau.

13

do an


Các bộ điều khiển PID, khi sử dụng độc lập, có thể cho kết quả xấu khi độ
lợi vịng PID buộc phải giảm vì thế hệ điều khiển khơng xảy ra vọt lố, dao động
hoặc rung quanh giá trị điểm đặt điều khiển. Chúng cũng khó khăn khi xuất hiện
phi tuyến, có thể cân bằng sự điều tiết chống lại đáp ứng thời gian, không phản ứng
lại việc thay đổi hành vi điều khiển (do đó, q trình thay đổisau khi nó đƣợc hâm
nóng), và bị trễ trong đáp ứng với các nhiễu lớn.
3.3Phần mền Visual Studio C#

Hình 3.6: Cửa sổ khởi động Visual Studio

Ngôn ngữ C# đƣợc phát triển bởi đội ngũ kỹ sƣ của Microsoft, trong đó ngƣời dẫn
đầu là Anders Hejlsberg và Scott Wiltamuth. Cả hai ngƣời này điều là những
ngƣời nổi tiếng, trong đó Anders Hejlsberg đƣợc biết đến là tác giả của
Turbo Pascal, một ngôn ngữlập trình PC phổ biến. Và ơng đứng đầu nhóm
thiết kế Borland Delphi, một trong những thành công đầu tiên của việc xây
dựng mơi trƣờng phát triển tích hợp (IDE) cho lập trình client/server.
Phần cốt lõi hay cịn gọi là trái tim của bất cứ ngơn ngữ lập trình hƣớng đối tƣợng
là sự hỗ trợ của nó cho việc

định

nghĩa và

làm

việc với những lớp.

Những lớp thì định nghĩa những kiểu dữ liệu mới, cho phép ngƣời phát triển
mở rộng ngôn ngữ để tạo mơ hình tốt hơn để giải quyết vấn đề. Ngơn ngữ C# chứa
những từ khóa cho việc khai báo những kiểu lớp đối tƣợng mới và những phƣơng
thức hay thuộc tính của lớp, và cho việc thực thi đóng gói, kế thừa, và đahình, ba

14

do an