ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ –VÍTME BI VÀ ĐỘNG CƠ BƯỚC THIẾT KẾ MÁY KIỂM TRA SỨC BỀN VẬT LIỆU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ –VÍTME BI VÀ ĐỘNG CƠ BƯỚC
THIẾT KẾ MÁY KIỂM TRA SỨC BỀN VẬT LIỆU

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN MẠNH THI
Ngành: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Niên khóa: 2008 – 2012

Tháng 06 năm 2012


ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ – VITME BI VÀ ĐỘNG CƠ BƯỚC
THIẾT KẾ MÁY KIỂM TRA SỨC BỀN VẬT LIỆU

Tác giả

NGUYỄN MẠNH THI

Khóa luận được trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng kỹ sư ngành
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Giáo viên hướng dẫn:
Ths. TRƯƠNG QUANG TRƯỜNG
Ths. LÊ VĂN BẠN

Tháng 06 năm 2012
i

LỜI CẢM ƠN!

Trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ ân
cần của thầy Ths. TRƯƠNG QUANG TRƯỜNG và thầy Ths. LÊ VĂN BẠN cùng lời
động viên, nhắc nhỡ của quý thầy cô trong khoa Cơ khí & Công nghệ trường Đại Học
Nông Lâm TPHCM và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, cùng trường. Với những tấm
lòng quí báu đó đã giúp tôi có được niềm tin, nghị lực để hoàn thành tốt đề tài.
Trước tiên em xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, cảm ơn quý thầy cô
Trường Đại Học Nông Lâm, đặc biệt là qúy thầy cô khoa Cơ khí & Công nghệ đã dạy
và truyền đạt kiến thức cho em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Em trân trọng gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô bộ môn Điền khiển tự động, đã nhắc
nhỡ và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài.
Em gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy: Ths. TRƯƠNG QUANG TRƯỜNG và Ths.
LÊ VĂN BẠN là những người đã nhiệt tình giúp đỡ em trong việc hướng dẫn thực
hiện đề tài này.
Tôi rất cảm ơn các bạn trong lớp, trong khoa và trường đã giúp đỡ tôi và đã động
viên tinh thần cho tôi để tôi đạt được kết quả như ngày hôm nay.

Tp.HCM tháng 06 năm 2012
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Mạnh Thi

 
 
ii


 

TÓM TẮT

ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ–VÍTME BI VÀ ĐỘNG CƠ BƯỚC THIẾT KẾ
MÁY KIỂM TRA SỨC BỀN VẬT LIỆU

Để đánh giá được cơ tính của vật liệu thì phải biết được tính chịu lực và tính biến
dạng của vật liệu. Trong thực tế có rất nhiều loại thiết bị để đo lực và biến dạng của
vật liệu, các thiết bị này hầu hết phải nhập ngoại rất đắc tiền. Đa số các thiết bị này là
những dụng cụ hiển thị dạng cơ, quang, thủy lực…
Trong nền kinh tế hội nhập ngày nay, sự xuất hiện của các máy móc hiện đại ngày 
càng nhiều trong đó có các máy đo. Ngày nay các thiết bị đo lường bằng kỹ thuật số,
kết nối máy tính, bằng kỹ thuật vi xử lý và vi điều khiển với tốc độ phát triển nhanh đã
và đang mang đến những thay đổi to lớn trong khoa học và công nghệ cũng như trong
đời sống hàng ngày, càng trở nên thông dụng và nhiều tính ưu việt của nó như: dể đọc,
chính xác, các giá trị đo mọi thời điểm có thể lưu lại…
Trong khuôn khổ luận văn này đề tài thực hiện công việc tính toán thiết kế chọn
vitme bi và chế tạo ngàm kẹp dạng côn máy thử sức bền kéo nén của vật liệu, kết nối
với máy tính nhằm mục đích vừa nghiên cứu vấn đề mới vừa ứng dụng thực tế để làm
dụng cụ thực tập đo lường sức bền vật liệu sau này.
Những vấn đề trong đề tài giải quyết là tính toán – thiết kế – chế tạo máy thử
sức bền vật liệu bao gồm:
1.

Tính toán chọn vitme bi và ngàm kẹp và các chi tiết cơ khí.

2.

Chọn cảm biến lực.

3.

Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại tín hiệu.

4.

Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số.

5.

Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch công suất điều khiển động cơ bước.

6.

Chọn – thiết kế - chế tạo bộ mạch giao tiếp với máy tính.
iii


7.

Thực hiện viết chương trình phần mềm kết nối bộ giao tiếp và máy tính.

8.

Kết nối thiết bị và thử nghiệm toàn bộ hệ thống máy.

Các kết quả đạt được:
-

Máy thử sức bền vật liệu đã đưa vào hoạt động với lực đo lớn nhất là 10kN.

-

Bộ phận cảm biến lực hoạt động tốt, độ chính xác của cảm biến lực khoảng
0.02%.

-

Bộ phận khuếch đại tín hiệu hoạt động tốt, độ chính xác khoảng 1% tùy vào
giá trị điện áp đầu vào.

-

Bộ phận điều khiển chuyển đổi ADC và điều khiển Động Cơ Bước hoạt động
tốt, mức nhiễu thấp (khoảng15 Vp-p), dòng ngõ vào thấp không làm sụt áp
bộ phận cảm biến và khuếch đại.

-

Bộ phận giao tiếp với máy tính tốt, có khả năng chống nhiễu cao, tốc độ cao
đáp ứng yêu cầu lấy số liệu.

-

Phần mềm hoạt động ổn định.
Do thời gian thực hiện đề tài ngắn cho nên mới chỉ thực hiện được cho trường

hợp thử kéo vật liệu. Nếu muốn thử nén, uốn, xoắn, cắt thì phải chế tạo thêm đồ gá
mẫu thử.
 
SVTH:

GVHD:

Nguyễn Mạnh Thi

Ths. TRƯƠNG QUANG TRƯỜNG
Ths. LÊ VĂN BẠN

 
 
 
 
 
 
iv


 
 
MỤC LỤC
Trang
Trang tựa........................................................................................................................... i
Lời cảm ơn .......................................................................................................................ii
Tóm tắt .......................................................................................................................... iii
Mục lục ........................................................................................................................... v
Danh sách các hình .......................................................................................................vii
Danh sách các bảng ....................................................................................................... ix
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ................................................................................................. 1
1.1

Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1

1.2

Tầm quan trọng của đề tài ................................................................................ 2

1.3

Mục đích ........................................................................................................... 2

1.3.1

Mục đích chung ......................................................................................... 2

1.3.2

Mục đích cụ thể ......................................................................................... 2

1.3.3

Giới hạn ..................................................................................................... 2

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN - TRA CỨU TÀI TIỆU ................................................. 3
2.1

MỘT SỐ MẪU MÁY THỬ SỨC BỀN VẬT LIỆU ........................................ 3

2.2

Tra cứu các phương pháp đo lực và biến dạng. ................................................ 4

2.2.1

Đo biến dạng nhỏ bằng tấm điện trở (strain-gage).................................... 4

2.2.2

Xác định lực bằng cảm biến lực loại áp điện ............................................ 6

2.2.3

Xác định lực bằng cảm biến lực loại áp điện ............................................ 6

2.3

Tra cứu lý thuyết sức bền vật liệu..................................................................... 6

2.3.1

Mẫu thí nghiệm ......................................................................................... 6

2.3.2

Đồ thị thí nghiệm và đặc trưng cơ học khi kéo của vật liệu ..................... 7

2.3.3

Lý thuyết tính toán thiết kế mẫu thử sức bền vật liệu ............................... 8

2.4

Tra cứu lý thuyết vítme bi ................................................................................ 9

2.5

Tra cứu tài liệu về động cơ bước .................................................................... 12
v


2.6

Tra cứu hộp giảm tốc ...................................................................................... 14

2.7

Tra cứu các phương pháp giao tiếp giữa máy tính và máy đo........................ 14

2.7.1

Các phương pháp giao tiếp giữa máy tính và máy đo ............................. 14

2.7.2

Giao tiếp qua cổng RS-232 (cổng COM) ................................................ 14

2.8

Tra cứu linh kiện điện tử................................................................................. 15

2.8.1

Vi xử lý (ATMega 16)............................................................................. 15

2.8.2

Chip khuếch đại tín hiệu.......................................................................... 18

2.8.3

Mạch khuếch đại tín hiệu dùng LM358 hoặc OP07 ............................... 19

2.8.4

IC công suất L298 ................................................................................... 20

2.9

Tra cứu ngôn ngữ viết phần mềm ................................................................... 20

2.9.1

Tìm hiểu phần mềm BASCOM – AVR lập trình cho vi điều khiển ....... 21

CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ....... 22
3.1

Phương pháp thực hiện đề tài ......................................................................... 22

3.1.1

Phương pháp thực hiện phần cơ khí ........................................................ 22

3.1.2

Phương pháp thực hiện phần điện tử ....................................................... 22

3.2

Địa điểm và thời gian thực hiện...................................................................... 23

3.2.1

Địa điểm .................................................................................................. 23

3.2.2

Thời gian thực hiện ................................................................................. 23

CHƯƠNG 4. THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .......................................................................... 24
4.1

Tính toán thiết kế phần cơ khí ........................................................................ 24

4.1.1

Mô hình máy ........................................................................................... 24

4.1.2

Tính toán chọn chi tiết máy ..................................................................... 26

4.2

Tính toán thiết kế phần cứng điện tử .............................................................. 30

4.2.1

Chọn sơ đồ khối hệ thống máy đo ........................................................... 30

4.2.2

Thiết kế mạch nguồn cung cấp cho mạch ............................................... 31

4.2.3

Mạch xử lý tín hiệu ................................................................................. 32

4.2.4

Mạch công suất động cơ có cách ly ........................................................ 32

4.2.5

Mạch khuếch đại dùng chip tích hợp INA-128 ....................................... 33

4.2.6

LCD hiển thị ............................................................................................ 34

4.2.7

Mạch giao tiếp máy tính .......................................................................... 34

4.2.8

Kết nối thành mạch chính........................................................................ 34
vi


4.3

Thực hiện phần mềm ...................................................................................... 36

4.3.1

Lưu đồ khối của phần mềm ..................................................................... 36

4.3.2

Lưu đồ xử lý trên máy tính thông báo kết quả ra màn hình, xuất dữ liệu

sang các phần mềm khác ........................................................................................ 37
4.3.3

Viết chương trình .................................................................................... 37

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ - THẢO LUẬN ................................................................. 39
5.1

Kiểm tra, chạy thử và hoàn thiện hệ thống ..................................................... 39

5.2

Thử nghiệm máy ............................................................................................. 39

5.3

Kết quả - thảo luận .......................................................................................... 39

5.3.1

Giao diện hiển thị .................................................................................... 39

5.3.2

Kết quả mạch điều khiển sau khi hoàn thành .......................................... 43

5.3.3

Mô hình máy sau khi hoàn thành ............................................................ 44

5.3.4

Khảo nghiệm mô hình khi không tải ....................................................... 45

5.3.5

Bảng số liệu ghi nhận kết quả đo lực và biến dạng của mẫu thử ............ 45

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ ........................................................................ 50

6.1

Kết luận ........................................................................................................... 50

6.2

Đề nghị ............................................................................................................ 50 

 

Danh sách các hình: ............................................................................................vii
Hình 2.1: Máy WE-600B ............................................................................................ 3
Hình 2.2: Máy RGM-4300 .......................................................................................... 4
Hình 2.3: Cầu Wheatstone ......................................................................................... 5
Hình 2.4: Cầu Wheatstone khi 3 điện trở giống nhau ................................................ 5
Hình 2.5: Hộp đo lực (loadcell) .................................................................................. 6
Hình 2.6: Cấu tạo mẫu thử kéo ................................................................................... 7
Hình 2.7: Biểu đồ khi kéo vật liệu dẻo ....................................................................... 7
Hình 2.8: Biểu đồ khi kéo vật liệu dòn ...................................................................... 8
Hình 2.9: Mặt cắt ngang hình chữ nhật ....................................................................... 9
Hình 2.10: Cấu tạo vitme bi ........................................................................................ 9
Hình 2.11: Cấu tạo mặt cắt ngang vitme bi................................................................. 9
Hình 2.12: Một số kích thước cơ bản của vitme bi ................................................... 10
vii


Hình 2.13: Sơ đồ xác định

và l .............................................................................. 12

Hình 2.14: Động cơ bước .......................................................................................... 12
Hình 2.15: Cấu tạo động cơ bước ............................................................................. 13
Hình 2.16: Sơ đồ dây quấn động cơ bước đơn cực ................................................... 13
Hình 2.17: Hộp giảm tốc trục vít bánh vít một cấp................................................... 14
Hình 2.18: Cổng RS – 232 (COM) ........................................................................... 15
Hình 2.19: ATMega 16 ............................................................................................. 16
Hình 2.20: Sơ đồ chân của ATMega 16 .................................................................... 16
Hình 2.21: Cấu tạo ATMega 16 ................................................................................ 16
Hình 2.22: Chip INA-128 ......................................................................................... 18
Hình 2.23: Sơ đồ chân INA-128 .............................................................................. 18
Hình 2.24: Cấu tạo INA-128 ..................................................................................... 18
Hình 2.25: Mạch khuếch đại dùng LM 358 ............................................................. 19
Hình 2.26: : Mạch khuếch đại dùng OP07 ................................................................ 19
Hình 2.27: IC công suất L-298.................................................................................. 20
Hình 2.28: Sơ đồ chân L-298 .................................................................................... 20
Hình 2.29: Cấu tạo L-298.......................................................................................... 20
Hình 2.30: Giao diện Bascom-ARM......................................................................... 21
Hình 4.1: Cấu tạo máy thử sức bền vật liệu .............................................................. 24
Hình 4.2: Cấu tạo sơ bộ mẫu thử kéo........................................................................ 26
Hình 4.3: Ngàm kẹp dạng nêm ................................................................................. 27
Hình 4.4: Ngàm kẹp dùng cho vải sợi....................................................................... 27
Hình 4.5: Ngàm kẹp dạng vít .................................................................................... 27
Hình 4.6: Ngàm kẹp sử dụng trong mô hình............................................................. 28
Hình 4.7: Vitme bi..................................................................................................... 28
Hình 4.8: Cấu tạo hộp giảm tốc sử dụng trong đề tài ............................................... 29
Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ thống máy đo ..................................................................... 30
Hình 4.10: Cấu tạo nguyên lý phần mạch cung cấp điện áp ..................................... 31
Hình 4.11: Mạch xử lý tín hiệu và hiển thị ............................................................... 32
Hình 4.12: Mạch công suất động cơ ......................................................................... 32
Hình 4.13: INA -128 và sơ đồ chân .......................................................................... 33

viii


Hình 4.14: Lcd hiển thị và sơ đồ đấu dây với vi điều khiển ..................................... 34
Hình 4.15: Mạch giao tiếp máy tính ......................................................................... 34
Hình 4.16: Cấu tạo nguyên lý board mạch điều khiển máy đo sức bền vật liệu....... 35
Hình 4.17: Chương trình cho vi điều khiển .............................................................. 38
Hình 4.18: Chương trình cho máy vi tính ................................................................. 38
Hình 4.19: Giao diện hiển thị ban đầu của hệ thống qua lcd .............................. 39-40
Hình 4.20: Giao diện hiển thị trên máy tính ............................................................. 40
Hình 4.21: Hộp thoại thông báo lưu dữ liệu xuất ..................................................... 41
Hình 4.22: Hộp thoại thông báo đường dẫn đến vị trí lưu dữ liệu ............................ 41
Hình 4.23: Hộp thoại mở tập tin Excel ..................................................................... 42
Hình 4.24: Hộp thoại thông báo thoát chương trình ................................................. 42
Hình 4.25: Mạch điều khiển sau khi hoàn tất ........................................................... 43
Hình 4.26: Mô hình máy sau khi hoàn tất ................................................................. 44
Hình 4.27: Biểu đồ kéo của vật liệu dùng làm mẫu 01 (vẽ bằng phần mềm Excel). 46
Hình 4.28: Biểu đồ kéo của vật liệu dùng làm mẫu 02 (vẽ bằng phần mềm Excel). 47
Hình 4.29: Biểu đồ kéo của vật liệu dùng làm mẫu 03(vẽ bằng phần mềm Excel).. 48
Danh sách các bảng: ............................................................................................ ix
Bảng 1: Thông số kỹ thật máy WE-600B ................................................................... 3
Bảng 2: Thông số kỹ thuật máy RGM-4300 ............................................................... 4
Bảng 3: Kích thước cơ bản của vitme bi ................................................................... 10
Bảng 4: Bảng chi tiết chân cổng giao tiếp RS – 232................................................. 15
Bảng 5: Bảng hệ số khuếch đại (Gain) và điện trở (R ) tương ứng ......................... 18
Bảng 6: Thông số mô hình máy ................................................................................ 25
Bảng 7: Thông số kỹ thuật ngàm kẹp dùng trong mô hình máy ............................... 28
Bảng 8: Thông số kỹ thuật hộp giảm tốc .................................................................. 30
Bảng 9: Bảng kết quả đo ........................................................................................... 42
Bảng 10: Bảng kết quả đo mẫu 01 ............................................................................ 46

ix


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay con người cùng với sự phát triển của khoa học đã tìm ra nhiều loại vật
liệu khác nhau. Do đó mỗi loại vật liệu đều có cơ tính khác nhau: Hai cơ tính tiêu biểu
nhất là tính chịu lực (độ bền của vật liệu) và tính biến dạng (tính dẻo). Vì vậy khi tính
toán thiết kế hay chế tạo các chi tiết để phục vụ tốt cho việc sử dụng, thì ta phải biết cơ
tính của mỗi loại vật liệuđó như thế nào là vấn đề cần thiết trong kỹ thuật.
Những lý thuyết tính toán sức bền vật liệu còn dự trên những giả thuyết gần đúng
về sự biến dạng của vật thể dẫn đến kết quả tính toán cũng gần đúng. Để đánh mức độ
đáng tin cậy của lý thuyết, người ta dựa vào kết quả đo lường trên các vật thể ở trạng
thái chịu lực rồi đem so sánh với kết quả lý thuyết. Nếu sự chênh lệch không quá giới
hạn cho phép thì kết quả đo và lý thuyết tính toán có thể được chấp nhận.
Ngày nay, có rất nhiều loại máy đo thí nghiệm sức bền vật liệu thuộc các trung
tâm, viện nghiên cứu, trường học…Và cũng có nhiều mẫu máy khác nhau. Hầu như
các máy có cơ cấu chỉ thị lực tác dụng ở dạng cơ, quang, số. Nên khi đọc số liệu phải
quang sát bằng mắt thường, khi gặp các vật liệu có biến dạng nhỏ thì gặp khó khăn
trong việc lấy kết quả vì sai số lớn, một số máy đo có hệ thống ghi kết nối với máy vi
tính nhưng giá thành quá đắt và kết quả đo đôi khi còn chưa chính xác lắm.
Ưu điểm của vitme bi:
- Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần 0,9
- Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như không phụ thuộc vào tốc
độ.
- Có thể loại trừ khe hở và sức căng ban đầu nên đảm bảo độ cứng vững dọc trục
cao
- Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài.

Do đó, được sự chấp nhận của ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Công Nghệ hôm
nay tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Ứng dụng vi xử lý - vitme bi và động cơ bước thiết
kế máy đo sức bền vật liệu”.
1


1.2 Tầm quan trọng của đề tài
Việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật đo lường và điều khiển nói chung, đo lực
và biến dạng nói riêng, đẫ đem lại những kết quả đầy tính ưu việt. Các thiết bị, hệ
thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao, thời gian thu
nhận số liệu ngắn, tự động tính toán xử lý số liệu. Máy có thể thử kéo và nén một số
vật liệu với độ chính xác cao, giá thành thấp. Do đó phù hợp với thị trường trong
nước. Thử sức bền của vật liệu mà không cần nhập các máy thử sức bền của nước
ngoài có giá thành khá đắt mà vẫn có thể đo chính xác cơ tính của vật liệu.
1.3 Mục đích
1.3.1 Mục đích chung
Tính toán – thiết kế - chế tạo lại máy thử sức bền vật liệu ứng dụng vít me bi và
động cơ bước, bộ phận cảm biến lực, phần cứng giao tiếp giữa thiết bị đo và máy tính,
phần mềm đọc và hiển thị kết quả đo.
1.3.2 Mục đích cụ thể
 Tính toán, thiết kế, chế tạo lại máy thử sức bền (chỉ chế tạo phần
thử kéo).
 Chọn bộ phận cảm biến lực.
 Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại tín hiệu điện.
 Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch nguồn cung cấp.
 Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch công suất điều khiển động cơ.
 Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch chuyển đổi AD.
 Tính toán, thiết kế, chế tạo mạch giao tiếp với máy tính.
 Thiết kế và viết phần mềm có thể đọc được số liệu vào, xử lý tín
hiệu, hiển thị kết quả đo, xuất kết quả đo sang phần mềm Excel,

vẽ đồ thị.
1.3.3 Giới hạn
Bước đầu cho đo lực và biến dạng ở tấm thép chịu kéo.
Lực tác dụng lên mẫu thử tối đa: 10 kN.

2


Chương 2
TỔNG QUAN - TRA CỨU TÀI TIỆU

2.1

MỘT SỐ MẪU MÁY THỬ SỨC BỀN VẬT LIỆU

Hình 2.1: Máy WE-600B
Thông số kỹ thật máy WE-600B
Khả năng tải lớn nhất

1000kN

Khoảng cách thử kéo lớn nhất

620mm

Khoảng cách thử nén lớn nhất

580mm

Đường kính mẫu thép tròn tối đa

∅ 6 - ∅ 45 mm

Khoảng cách gối thử uốn tối đa

600mm

Khoảng cách giữa hai trụ

600mm

Công suất motor

2.1 kW

Trọng lượng

3500 kg

Chiều dày mẫu thép dẹt

0 - 40mm

Bảng 1: Thông số kỹ thật máy WE-600B
3


Hình 2.2: Máy RGM-4300
Model

RGM-4300

Kiểm tra tải trọng tối đa

300kN

Phạm vi đo

1200N-300 KN

Chiều dài vật kiểm tra

500 mm

Chiều rộng vật kiểm tra

600 mm

Kích thước máy : (DxRxC)

1100 × 650 × 2185 mm

Công suất

3000W, 220V 50 HZ

Trọng lượng

1.500 kg

Bảng 2: Thông số kỹ thuật máy RGM - 4300
2.2 Tra cứu các phương pháp đo lực và biến dạng.
2.2.1

Đo biến dạng nhỏ bằng tấm điện trở (strain-gage)

Miếng đo biến dạng (strain-gage) là một cấu kiện điện trở, có một nền bằng giấy
cách điện hoặc bằng chất dẻo, trên nền dáng dây điện trở, hai đầu dây được hàn với hai
đoạn dây dẩn. Vật liệu của dây điện trở thường dùng là dây Cr-Niken, Cu-Niken…
Khi đo biến dạng thì dáng tấm strain-gage lên một bộ phận biến dạng, sao cho
phương của chuẩn đo trùng với phương của chuẩn đo biến dạng. Mức biến dạng của
bộ phận thông qua lớp keo được truyền sang miếng đo. Miếng đo như vậy phải chịu sự
biến động điện trở tỷ lệ với biến động chiều dài của nó.
-

Hệ số miếng đo (Gage factor)
4


Nếu bỏ qua sự thay đổi của điện trở suất

ta sẽ có sự thay đổi tương đối của điện

trở là: 
dR
R

1

2μ ε

k. ε

Trong đó k = (1+2 ) là hằng số đối với mỗi loại vật liệu làm điện trở và gọi là hệ số
nhạy của dây điện trở.
Một miếng đo lý tưởng phải có một điện trở rất lớn, một hệ số đo cực đạivà một
mức giới hạn đàn hồi cao, đồng thời không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao tác động.
Thêm vào đó, hệ số miếng đo luôn luôn bất biến cho dù mức biến dạng có lớn đến đâu
đi chăng nữa.
Để miếng đo có thể hoạt động một cách thích hợp theo sức căng cũng như sức
nén, sợi điện trở phải càng mỏng để cho lớp keo có thể truyền hoàn toàn mức biến
dạng của bộ phận sang miếng đo.
-

Nguyên lý đo bằng Strain gage:

Nguyên lý chính của đo biến dạng bằng strain gage là dùng cầu điện trở
Wheatstone.
Đối cầu Wheatstone của hình sau:

Hình 2.3: Cầu Wheatstone

Hình 2.4: Cầu Wheatstone khi3 điện trở
giống nhau
,

.

V

Khi cho giá trị các điện trở R1, R2, R3 = R và cảm biến Rx là biến trở như hình vẽ, giá
trị ban đầu cảm biến là Rx = R.
5


Hiệu điện thế đầu ra của cầu là:
.

.

, V

Với giá trị mẫu thức lớn hơn rất nhiều tử thức nên ta có thể lấy gần đúng
V
2.2.2

Xác định lực bằng cảm biến lực loại áp điện

Là một cảm biến lực làm bằng một phiến thạch anh được cắt theo một hướng nhất
định. Mặt trên và mặt dưới được phủ kim loại hình thành hai điện cực. Dưới tác dụng
của một lực F trên phiến thạch anh điện tích tự do Q được sinh ra: Q = k.F , trong đó
k = 2.3.10
2.2.3

As/N.
Xác định lực bằng cảm biến lực loại áp điện

Nguyên tắc của màng sọc co giãn (tấm điện trở, strain gage) như mục 2.2.1 đã
trình bày. Một ứng dụng của nó là dùng để đo lực trong các hộp đo lực. Các màng sọc
co giãn được dán lên trên ống rỗng hình trụ có tính đàn hồi. Dưới tác dụng của lực

điện trở của các màng sọc nằm ngang lớn lên và các màng nằm dọc bé lại. Do điện thế
ra của cầu Wheatstone tỉ lệ trực tiếp với lực tác dụng, khoảng đo thay đổi từ 50N đến
5.10 N. Sai số trong khoảng 0.05%.

Hình 2.5: Hộp đo lực (loadcell) 
2.3

Tra cứu lý thuyết sức bền vật liệu

2.3.1 Mẫu thí nghiệm
 Mẫu vật liệu dẻo chịu kéo
6


Mẫu thử được gia công theo tiêu chuẩn TCVN 197:2002, mẫu thử gia công phải
có góc lượn chuyển tiếp giữa phần đầu để kẹp vào ngàm và phần song song nếu chúng
có kích thước khác nhau. Mẫu thử có chiều dày theo tiêu chuẩn là từ 0,1 mm đến 3
mm.

Hình 2.6: Cấu tạo mẫu thử
2.3.2 Đồ thị thí nghiệm và đặc trưng cơ học khi kéo của vật liệu
Đồ thị quan hệ lực - biến dạng của mẫu gồm có 3 giai đoạn

Hình 2.7: Biểu đồ khi kéo vật liệu dẻo
 Giai đoạn tỉ lệ OA:
Đồ thị là đường thẳng, quan hệ P-∆ thuần nhất bậc nhất tuân theo định luật
Hooke. Giai đoạn này kết thúc tại điểm A, tương ứng với giá trị lực kéo là
giữa lực kéo tỉ lệ

và diện tích ban đầu của tiết diện

. Tỉ số

được gọi là giới hạn tỉ lệ

. Biến dạng của thanh trong giai đoạn này nói chung là rất nhỏ.
 Giai đoạn chảy CD:
Sau một đoạn cong chuyển AC rất ngắn và có dạng khác nhau đối với các mẫu thí
nghiệm. Ở giai đoạn chảy đồ thị nằm ngang, lực tương ứng
7

không tăng nhưng biến


dạng vẫn tăng, ở giai đoạn này vật liệu không có khả năng tiếp nhận tải trọng, và tỉ số
giữa

và diện tích

là giới hạn chảy

. Biến dạng trong giai đoạn này

thường lớn hơn biến dạng trong giai đoạn tỉ lệ.
 Giai đoạn cũng cố DBG:
Quan hệ P-∆ là đường cong có độ dốc giảm dần, lực tăng thanh dài thêm, các tiết
diện thanh nhỏ dần lại. Khi lực đạt tới trị số

, tương ứng với điểm B trên đồ thị, xuất

hiện một (đôi khi hai) tiết diện giảm yếu nhất bị thắt nhỏ lại đột ngột. Ứng suất tại tiết
diện giảm nhỏ lại hay còn gọi là “ cổ thắt ” tiếp tục tăng, đồ thị đi xuống và mẫu đứt.
Tỉ số giữa

và

là giới hạn bền σ

.

Hình 2.8: Biểu đồ khi kéo vật liệu dòn
Vật liệu dòn không có giới hạn chảy mà chỉ có giới hạn bền, biểu đồ là một
đường cong liên tục.

2.3.3

Lý thuyết tính toán thiết kế mẫu thử sức bền vật liệu

 Tính toán chọn tấm chịu kéo đúng tâm
Thanh có tiết diện hình chữ nhật:
|

| |

|

|

hay| |

|

 

;N/

Trong đó:
: Ứng suất pháp lớn nhất trên diện tích mặt cắt ngang nguy
hiểm của thanh, N/

;
8


: Tải trọng tác dụng dọc trục trên thanh, N;
:Chiều cao tiết diện nguy hiểm nhất ngoài của thanh theo trục Y,
mm;
: Chiều rộng tiết diện nguy hiểm nhất ngoài của thanh theo trục
X , mm;

Hình 2.9: Mặt cắt ngang hình chữ nhật
2.4 Tra cứu lý thuyết vitme bi

Hình 2.10: Cấu tạo vitme bi Hình 2.11: Cấu tạo mặt cắt ngang vitme bi
Như hình 2.10 cấu tạo của vitme bi gồm: 1 – Đai ốc, 2 – Các viên bi, 3 – Trục
vít, 4 – Vòng chắn bi, 5 – Đường hồi bi vể của đai ốc.
Vitme thường là loại vitme và đai ốc có tiếp xúc mặt, vitme bi là loại vitme và
đai ốc là tiếp xúc lăn.Mối ghép vít me bi và đai ốc có một đường được lắp đầy bởi
những viên bi thép. Khi trục vít xoay, những viên bi cuộn tròn trong mối ren của trục
vít và đai ốc. Điều này nhằm giảm ma sát của chúng. Bởi vì các viên bi cuối cùng sẻ

rơi ra ngoài, nên đai ốc có một đường ống dẫn về để vét những viên bi khỏi rãnh của
trục vít và đưa chúng trở lại phần đầu của đường bi ở phía cuối của đai ốc. Lực đẩy
của đai ốc thì không nặng nề nhờ những viên bi cuộn tròn, hơn là trược.
Lý thuyết tính toán:
9


Hình 2.12: Một số kích thước cơ bản của vitme bi
Kí hiệu

Chú thích
Đường kính trong trục vít

r

Bán kính rãnh lăn

d

Đường kính bi

d

Đường kính mặt trụ chia trung bình
Góc tiếp xúc giữa bi với trục vít và giữa bi với đai ốc
Bảng 3: Kích thước cơ bản của vitme bi
Các số liệu cần thiết thường dùng để tính toán thiết kế như sau :
(N) hay T (Nmm), với

là lực dọc trục tác dụng lên đai ốc, T là mô

men xoắn tác dụng lên trục vitme.
l (mm): Chiều dài làm việc của bộ truyền động vitme-bi
v (m/s) hoặc n (vòng/phú t),với v là vận tốc di chuyển của đai ốc, n là số
vòng quay của trục vitme.
(h): Thời hạn làm việc tính theo giờ
Thường khi cho biết

thì sẽ kèm theo với v, còn khi cho T sẽ kèm theo

với n.
-

Xác định đường kính trong
 
Với

-

. . .
.

:

hoặc

,

ứng suất kéo cho phép,

Tính đường kính mặt trụ chia trung bình d
10

3.
1

k

d


: Hệ số quan hệ giữa đường kính bi
ren vít, có:
-

và đường kính mặt trụ qua đáy

= 0,08 0,2

Khả năng tải động của bộ truyền

: Khả năng tải trọng động tính toán của trục vitme, kN
Q: Tải trọng tương đương được tính theo lực dọc trục, kN
: Tuổi thọ của trục vitme tính bằng triệu chu kỳ chịu tải
: Bậc đường cong mỏi tính theo tải trọng tương đương, về lý thuyết tiếp
xúc giữa trục vitme và bi là tiếp xúc điểm nên q=3
-

Tải trọng tương đương Q được tính theo công thức:
.

: Hệ số tải trọng,

-

=1,0 – 1,2 với tải trọng không có sự va chạm

Tính ổn định của bộ truyền

: Hệ số an toàn tính toán về ổn định
: Tải trọng tới hạn (N), xác định dựa vào độ mềm của vít λ

µ - Hệ số phụ thuộc phương pháp cố định các đầu trục vítme theo hình 6.3
l - Chiều dài tính toán của trục vítme theo hình
i - Bán kính quán tính của tiết diện trục vítme 

⁄4
J - Mô men quán tính của tiết diện trục vítme
64
= 2 4, hệ số ổn định cho phép

11

0,4

0,6


Hình 2.13: Sơ đồ xác định µ và l
2.5 Tra cứu tài liệu về động cơ bước

Hình 2.14 : Động cơ bước
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với
đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng
để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành
các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rotor có khả năng cố định rotor
vào các vị trí cần thiết.
Động cơ bước quay theo từng bước nên có độ chính xác cao về mặt điều khiển.
Chúng làm việc nhờ vào các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào
stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số
làn chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự
chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cữu và biến từ trở (cũng
có loại động cơ hỗn hợp nhưng không khác mấy so với động cơ nam châm vĩnh cữu)

12


Hình 2.15: Cấu tạo động cơ bước

Hình 2.16: Sơ đồ dây quấn động cơ bước đơn cực
Động cơ bước đơn cực với 5, 6 dây hoặc 8 dây đầu ra thường được quấn như
hình trên. Khi dùng các đầu nối trung tâm thường được nối với cực dương của nguồn
cung cấp, hai đầu còn lại nối với cực âm để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó.
Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng. Trong
đó động cơ nam châm vĩnh cữu 1.8 độ mổi bước là thông dụng nhất, vì độ chính xác
cao và động cơ được thiết kế nhỏ gọn tùy theo công suất, còn động cơ 15 độ và 7,5
độ là khá lớn, ngoài ra người ta còn chế tạo ra động cơ nam châm vĩnh cữu có số
bước là 1,8 độ đến 0,72 độ.
Hai nửa của một cuộn không được kích cùng một lúc.

13


2.6 Tra cứu hộp giảm tốc
Ngày nay có rất nhiều loại hộp giảm tốc sử dụng các bộ truyền như: Trục vít
bánh vít, bánh răng thẳng, bánh răng nghiêng, bánh răng nón…dưới đây là ảnh về hộp
giảm tốc sử dụng trục vít bánh vít trên thị trường hiện nay.

Hình 2.17: Hộp giảm tốc trục vít bánh vít một cấp TE-U
Chức năng của hộp giảm tốc: Dùng để giảm tốc độ của động cơ khi truyền
qua hộp giảm tốc, tăng tỷ số truyền.
2.7 Tra cứu các phương pháp giao tiếp giữa máy tính và máy đo
2.7.1 Các phương pháp giao tiếp giữa máy tính và máy đo
 Giao tiếp qua cổng RS-232 (cổng COM)
 Giao tiếp qua cổng song song (cổng máy in LPT)
 Giao tiếp qua cổng USB
2.7.2 Giao tiếp qua cổng RS-232 (cổng COM)
Cổng nối tiếp được sử dụng truyền tải dữ liệu hai chiều giữa máy tính
và thiết bị ngoại vi, có các ưu điểm sau:
-

Khoảng các truyền xa hơn truyền song song

-

Số dây kết nối ít hơn

-

Có thể truyền không dây dùng hồng ngoại

-

Có thể ghép nối với vi điều khiển hay PLC

Đầu cắm có 9 chân và còn gọi là DB9 như hình 2.18:

14


Hình 2.18: Cổng RS 232 (COM)
Cổng song song RS-232 có: thanh ghi dữ liệu, thanh ghi trạng thái, thanh
ghi điều khiển.
Chân Tín hiệu

Mô tả

1

DCD

DE phát hiện sóng mang

2

RxD

Dữ liệu nhận

3

TxD

Dữ liệu truyền

4

DTR

DTE sẵn sàng làm việc

5

GND

Nối đất

6

DSR

DCE sẵn sàng làm việc

7

RTS

DTE yêu cầu truyền dữ liệu

8

CTS

DCE sẵn sàng nhận dữ liệu

9

RI

Báo chuông

Bảng 4: Bảng chi tiết chân cổng giao tiếp
2.8 Tra cứu linh kiện điện tử
2.8.1

Vi xử lý (ATMega 16)

15