Thiết kế chế tạo thiết bị đo độ lớn bán kính cong ở các khối vật thể có biên dạng tròn

Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đê

Trong giai đoạn đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay, hội nhập
quốc tế về khoa học và công nghệ đóng vai trò quan trọng trong việc góp phần thiết
lập vị thế mới của Việt Nam và được xác định là một động lực thúc đẩy các hoạt động
khoa học và công nghệ trong nước, nhằm khai thác có hiệu quả thành tựu khoa học và
công nghệ của thế giới, thu hút nguồn lực và công nghệ nước ngoài để nâng cao và
phát triển trình độ khoa học và công nghệ, góp phần phát triển kinh tế - xã hội và từng
bước hội nhập vào nền kinh tế tri thức của thế giới.
Trong quá trình sản xuất, thiết kế từ các qui mô nhỏ đến qui mô lớn thì quá
trình đo đạt đóng vai trò rất quan trọng. Thước cặp, thước panme dùng để xác định
kích thước độ lớn bán kính của vật thế khối cầu có kích thước nhỏ. Đối với vật thế
khối cầu có kích thước lớn hơn (bán kính > 10 cm) vẫn có thước cặp hay thước Panme
chuyên dùng, nhưng với kích thước lớn hơn khó vận chuyển và giá thành tương đối
cao. Đối với một số chi tiết dạng tròn không cấu tạo có đủ đường kính nên vì thế khó
dùng một số loại thước đo thông thường để xác định đường kính. Trường hợp vật thể
chỉ có một cung, thì rất ít thiết bị có thể xác định được độ lớn của cung đó. Nếu có thì
thao tác rất tốn thời gian và giá thành đầu tư cho công nghệ rất tốn kém. Nắm bắt được
nhu cầu đo giá trị độ lớn bán kính cong. Vì vậy đề tài thiết kế chế tạo thiết bị đo giá trị
độ lớn bán kính cong hiển thị dạng kỹ thuật số là nhu cầu nhất thiết. .
1.2 Mục đích đê tài
Thiết kế chế tạo thiết bị đo độ lớn bán kính cong ở các khối vật thể có biên
dạng tròn có cấu tạo không đủ đường kính:
Thiết bị cầm tay để đo độ lớn bán kính cong khác nhau (với R > 40mm).
Xuất kết quả sang màn hình hiển thị phục vụ cho quá trình đo đạt, kiểm tra.

1

1.3 Giới hạn đê tài.
Chỉ thông qua một số phân tích về mặt động học để thiết kế, bỏ qua tính bền
của các chi tiết.
Các chi tiết đa số là các chi tiết sẵn có ngoài thị trường.
Thiết bị được chế tạo bằng vật liệu đơn giản.
Sai số của thiết bị thước đo bán kính cong ±0,16 mm
1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đê tài
Có thể dùng làm tài liệu nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực đo đạt thiết kế chế
tạo các sản phẩm trong nghành cơ khí, kĩ thuật, xây dựng …

Chương 2
2


TỔNG QUAN
2.1

Tổng quan vê thiết bị đo bán kính cong
Các kết cấu có dạng hình tròn hoặc cung tròn không thể dùng Pame để xác

định độ lớn bán kính vì kích thước quá lớn hoặc không có điểm gốc để đo.
Thiết bị đo bán kính cong được ra đời, trong đó một số công ty lớn trên thế
giới như:

R10

INSIZE
(Áo),
Shahe
(Trung

Quốc), …
Với thiết
bị

trên, hoàn

Hình 2. 1: Môt sô vât thê cung tron co câu tao không đu đương kinh

toàn khắc

phục được nhiều khó khăn trong quá trình đo đạt các vật thể dạng tròn không cấu tao
có đủ đường kính, vật thể chỉ có một cung hoặc các vật thể hình tròn có kích thước lớn
mà một số thước như thước Pame, thước cặp không thể đo được.
Với sai số là ±0,1mm, dải đo bán kính: 40-700mm, độ phân giải: 0,01mm.
Đồng hồ đo độ lớn bán kính cong có thể đo được cung lồi và lõm. Dựa vào độ dài của
cung (W) và độ tịnh tiến của đầu trục đo (H) để xác định bán kính của cung tròn qua
công thức:
R= W^2/(8*H) + H/2

3

(2. 1)


Đơn vị : mm

Hình 2. 2: Đông hô đo đô lơn ban kinh cong cua INSIZE
(Nguôn : datasheet Radius Gauge INSIZE)
2.2 Một số linh kiện sử dụng trong đê tài
2.2.1 Encoder

Cấu tạo của encoder như (hình 2. 3), trong đó bao gồm: một đĩa tròn xoay
được quay quanh trục. Trên đĩa có các vạch được mã hoá, hai cảm biến chiếu lên mặt
đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có vạch, đèn led không chiếu xuyên qua. Và chỗ có vạch,
đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa đặt mắt cảm biến. Với
các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua sẽ được mắt cảm biến xác nhận có
chiếu xuyên qua đĩa tròn hay không. Số xung vuông đếm tăng lên liên tục thể hiện số
lần ánh sáng chiếu xuyên qua đĩa tròn xoay.
Encoder là tên gọi chung để chỉ các thiết bị mã hóa. Trong thực tế có rất nhiều
loại và hình thức encoder khác nhau. Thông thường, đối với các chuyển động quay,
encoder dùng để quản lý vị trí góc của một điã quay, bánh xe, hay trục động cơ, hoặc
bất kì thiết bị quay nào cần xác định góc của nó.
4


Encoder được chia làm 2 loại: absolute encoder và incremental encoder.
Absolute encoder là encoder tuyệt đối, nghĩa là tính hiệu ta nhận được chỉ rõ
ràng vị trí của encoder, không cần phải xử lý thêm.
Tuyệt đối encoder là encoder mã hóa gia tăng (encoder tương đối), thường chỉ
có tối đa là 3 vòng lỗ. Nếu encoder có càng nhiều lỗ trên đĩa thì thông tin nhận được
càng chính xác. Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1 đơn
vị, do đó loại này có tên là tuyệt đối encoder (encoder mã hóa gia tăng).
Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder
Nguyên lý cơ bản của encoder là một đĩa tròn xoay quay quanh trục, trên đĩa
có các lỗ (hoặc rãnh). Dùng đèn led chiếu lên mặt đĩa. Khi quay, chỗ không có lỗ
(rãnh) thì đèn không thể chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh) thì đèn sẽ chiếu xuyên
qua. Phía mặt bên kia của đĩa được đặt một cảm biến thu. Với các tín hiệu có hoặc
không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay
không.
Giả sử trên đĩa có n lỗ, thì mỗi lần cảm biến thu nhận được n lần tín hiệu đèn

led thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng.
Encoder tương đối
Độ phân giải của encoder là một thông số rất quan trọng. Làm thế nào để biết
đĩa quay được 1/2, 1/4 hay 1/n vòng chứ không phải chỉ biết đĩa đã quay được một
vòng.Với một số nhị phân có 2 bit, chúng ta sẽ có 4 trạng thái. Điều đó nghĩa là với
một số nhị phân 2 bit, chúng ta có thể chia đĩa thành 4 phần bằng nhau, và khi quay
chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến ¼ vòng. Tương tự, với một số nhị phân n
bít, ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/2n vòng.
Cách thức để xác định 2n trạng thái của đĩa encoder:
Ở đĩa encoder có 2 vòng đĩa. Ở vòng trong cùng có một rãnh rộng bằng 1/2
đĩa, vòng phía ngoài có 2 rãnh đối diện nhau. Cần 2 led phát để phát xuyên qua 2 vòng
lỗ và 2 cảm biến thu quang.
Giả sử ở vòng lỗ thứ nhất (vòng trong), cảm biến thu đang nằm ở vị trí có lỗ
hở thì tín hiệu nhận được từ mắt thu sẽ là 1. ở vòng lỗ thứ hai, cảm biến thu đang nằm
ở vị trí có lỗ hở thì tín hiệu nhận được sẽ là 1. Kết hợp 2 bit ta được số nhị phân 11,
chúng ta sẽ xác định được đĩa quay đang nằm ở góc phần tư phía trên bên phải.
5


Nếu đĩa quay có 10 vòng lỗ thì ta sẽ quản lí được vị trí chính xác đến 1/2 10
vòng (1/1024 vòng), hay còn gọi là dộ phân giải của encoder là 1024 xung trên vòng
(pulse per revolution – ppr).
Encoder tuyệt đối
Lợi thế của encoder tuyệt đối thể hiễn rõ rệt trong trường hợp góc quay nhỏ
và động cơ không quay nhiều vòng. Khi đó việc xử lý encoder tuyệt đối trở nên dễ
dàng cho người dùng. Chỉ cần đọc giá trị là chúng ta có thể biết ngay vị trí góc của

Hình 2.3 : Đĩa Encoder.
trục quay. Tuy nhiên, nếu động cơ quay nhiều vòng thì điều này không có lợi, bởi vì
khi đó ta phải xử lý đếm số vòng quay của trục.

Ngoài ra khi thiết kế encoder tuyệt đối, nếu đòi hỏi độ chính xác càng cao thì
cần càng nhiều vòng lỗ, dẫn đến sự giới hạn về kích thước của encoder, bởi vì việc gia
công chính xác các lỗ quá nhỏ là không thê thực hiện. Ngoài ra việc bố trí dãy đèn led
và cảm biến thu cũng chiếm một diện tích rất lớn trong trường hợp này.
Tuy nhiên, điều này đã được khắc phục bằng tuyệt đối encoder một cách khá
đơn giản. Vì vậy, tuyệt đối được sử dụng nhiều trong những ứng dụng hiện đại.
Nguyên lý hoạt động của tuyệt đối encoder: tuyệt đối encoder sẽ tăng một đơn
vị khi có một lần lên xuống của cạnh xung, nghĩa là khi led quét qua một lỗ thì
encoder sẽ tăng một đơn vị trong biến đếm.

6


Để đếm được số vòng động cơ đã quay và hạn chế sai số xung tích lũy (trong
trường hợp có rung động không thể kiểm soát có thể gây ra sai số xung đếm được ở
encoder), một lỗ định vị được thêm vào để đếm số vòng quay của encoder (hình dưới)

Hình 2.4: Vong quay Encoder
(Nguôn: Giao trình kỹ thuật đo lương, Th.s Trần Kim Ngà)
Đặt hai đèn led lệch nhau ở vòng lỗ hoặc sử dụng 2 vòng lỗ và 2 cảm
biến thu phát để xác định chiều quay của động cơ.

Hình 2.5 : Xac định chiều quay bằng cach sử dụng 2 vong lỗ và 2 bộ cảm biến thu - phat.

7


2.2.2 Mạch vi điêu khiển dùng IC ATMega 328P

ATmega 328 thuộc dòng vi điều khiển AVR, là một vi điều khiển 8-bit được

a

b

a, Mach nguyên lý IC ATMEGA 328.
b, Mach vi điều khiên Arduino Pro Mini sử dụng IC ATMEGA 328
Hình 2. 6: Mach vi điều khiên Arduino
chế tạo bằng công nghệ CMOS tiêu thụ năng lượng thấp, dựa trên việc cải tiến cấu trúc
RISC. Bằng cách tiêu tốn ít năng lượng hơn trong 1 một chu kỳ clock, ATmega 328
đạt được thông lượng xấp xỉ 1 MIPS trên 1 MHz cho phép các nhà thiết kế hệ thống
tối ưu hoá điện năng tiêu thụ trong khi tốc độ xử lý cao hơn.
Nhân AVR tích hợp một cấu trúc phong phú với 32 thanh ghi đa dụng, được
nối trực tiếp với Arithmetic Logic Unit (ALU). Với cấu trúc trên thì hiệu suất mã hoá
8


cao hơn trong khi thông lượng nhanh hơn gấp 10 lần so với cấu trúc của vi điều khiển
con-ventional CISC
Board Arduino Pro Mini 5V 16MHz mặc định sử dụng nguồn 5V và IC
ATmega328 chạy ở xung nhịp 16MHZ. Nhưng trên board có sẵn ngõ vào RAW để cấp
nguồn thông qua mạch điều áp. Nguồn vào cho ngõ RAW có thể từ 3. 3V - 12V (max
12V)
ATmega328
Nguồn vào đề nghị : 6-9V
Dòng tối đa chân 5V : 500mA
Dòng tối đa chân 3.3V : 50mA
Dòng tối đa chân I/O : 40mA
14 chân Digital I/O (6 chân PWM)
8 chân Analog Inputs

32k Flash Memory
16Mhz Clock Speed
Vì sử dụng chung dòng chip ATmega328 nên việc lập trình và thiết kế ứng
dụng hoàn toàn tương tự board Arduino Uno R3.
Khi sử dụng nguồn ngoài chúng ta sẽ cấp nguồn 6V – 9V vào chân “RAW” để
cấp nguồn nuôi cho board, chú ý là chân “RAW” chứ không phải là chân “VCC” vì
chân VCC chính là ngõ vào hoặc ra điện áp 5V của mạch, nếu chúng ta cấp nhầm
nguồn > 5V vào chân VCC sẽ gây ra cháy Chip Atmega328-AU trên board.
Arduino Pro Mini là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng
tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một
board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel.
2.2.3 IC 74HC595
74HC595 là IC ghi dịch 8 bit kết hợp chốt dữ liệu, thường được dùng trong
các mạch quét LED 7 đoạn, LED ma trận… nhằm tiết kiệm số chân vi điều khiển, có
thể mở rộng số chân vi điều khiển bằng cách mắc nối tiếp đầu vào thu dữ liệu của các
IC với nhau. 74HC595 đầu ra có 2 mức là 0 và 1 dòng khoảng 35mA, điện áp hoạt
động ≤7V. Công suất trung bình 500mW.
Thanh ghi tích lũy có 3 trạng thái ngõ ra. Tín hiệu clock riêng lẽ được tính cho
cả thanh ghi dịch và thanh ghi tích lũy. Thanh ghi dịch có thể được xóa trực tiếp. Tín
hiệu clock của thanh ghi dịch và thanh ghi tích lũy đều được kích ở mức cạnh dương.
Khi ta nối 2 chân này lại với nhau thì trạng thái thanh ghi dịch sẽ luôn là 1 xung clock
ở đầu thanh ghi tích lũy.
9


Bảng 1: Mã 7 đoạn dịch bởi IC 74HC595 cho Led anot chung và katot chung.

Số thập phân

Y

hoạt động
số

chân

Mã 7 đoạn
Anot chung

Katot chung

0

11000000

00111111

1

11111001

00000110

2

10100100

01011011

3

10110000

01001111

4

10011001

01100110

5

10010010

01101101

6

10000011

01111100

7

11111000

00000111

8

10000000

01111111

9
10010000
trọng:
Chân 1 – 7 và chân 15: Ngõ ra song song
Chân 8 : GND
Chân 16 : VCC
Chân 9 : Q7’ Ngõ ra nối tiếp

01101111

Hình 2. 7: Câu tao IC 74HC595
10

nghĩa
của một
quan


Chân 10 : (MR : Master Reset) : Chân reset ,tích cực mức thấp
Chân 11 : (SH_CP : Shift Register Clock Input) : Ngõ vào xung clock dịch nối
tiếp
Chân 12 : (ST_CP: Storage Register Clock Input) Ngõ vào xung clock ra song
song
Chân 13: (OE: Oput Enable): cho phép ngõ ra, tích cực mức thấp
Chân 14: (DS: Data Serial Input): Ngõ vào dữ liệu nối tiếp.
Đặc tính của IC ghi dịch 74HC595:

Điện áp ngõ ra: Vcc= 2 - 6V
Điện áp ngõ ra: Vi,Vo = 0 – 6V.
Điện áp mức [1]ư ngõ vào: VIHMin = 2,4V ( Vcc = 5V).
Điện áp mức [1] ngõ ra: VOH = 5V(Vcc = 5V).
Điện áp mức [0] ngõ vào : VILmax = 1,35V ( Vcc = 5V).
Điện áp mức [0] ngõ ra : VOL = 0,1V ( Vcc = 5V).
Dòng ngõ vào/ra: II, IO = ± 20mA
Tần số đáp ứng tối đa cho SH_CP và ST_CP: fmax = 100MHz
Nhiệt độ cho phép trong khoảng -400 đến 1250C
2.2.4 LED 7 đoạn
Trong LED 7 đoạn bao gồm ít nhất là 7 LED mắc lại với nhau, sao cho nó có thể
hiển thị được các số từ 0 - 9, và 1 vài chữ cái thông dụng, để phân cách thì người ta
còn dùng thêm 1 LED đơn để hiển thị dấu chấm.
LED 7 đoạn có 2 loại: Anode chung và cathode chung
Loại anode chung: Chân chung được nối Mass, để kích sáng các thanh LED phải
kích các chân còn lại với mức điện áp 1.
Loại cathode chung: Chân chung được nối vào nguồn 5V, để kích sáng các thanh
LED phải kích các chân còn lại với mức 0.
Ứng dụng LED 7 đoạn dùng để hiển thị giao tiếp với người sử dụng nhằm giám
sát, theo dõi quá trình nhất định ví dụ: thời gian, số lượng…
Anode chung
Cathode chung

11

Hình 2. 8: LED 7 đoan.


Bằng cách phối hợp sự sáng tắt LED ở các đoạn tạo thành con số, thường là thể
hiện ở dạng số hệ thập phân.

Giới thiệu modul 4 Led 7 đoạn
Modul 4 led 7 đoạn là mạch tích hợp 4 Led 7 đoạn và 2 IC 74HC595. 2 IC này sẽ
làm nhiệm vụ điều khiển hiển thị và bật tắt của 4 Led 7 đoạn .

Hình 2. 9: Modul 4 Led 7 đoan
Thông số kỹ thuật
Điện áp làm việc: 3.3-5V
Chân chung: Anode
Kích thước modul 42x24x12mm
Kích thước led: 0.36”
Tích hợp IC ghi dịch chuyên dụng 74HC595
4 lổ bắt vít thuận tiện cho việc gá đặt

Hình 2.10 : Mach sơ đô nguyên lý cua modul 4 Led 7 đoan
12


Sơ đồ mạch nguyên lý modul 4 led 7 đoạn được thể hiện trên hình 2.8. 4 Led nối
chung cực âm (Anode chung) nên ta sẽ kích sáng thanh Led (a,b,c,d,e,f,g,dp) ở mức
cao. Tương ứng với mỗi chân a,b,c,d,e,f,g,dp trên mỗi led sẽ được nối chung với nhau
tạo thành những chân chung cho 4 led là a,b,c,d,e,f,g,dp.Các chân chung này được nối
vào IC ghi dịch 74HC595 được tích hợp trên modul. Mỗi chân nguồn của mỗi led sẽ
được nối với IC 74HC595 còn lại trên modul. Modul có 5 chân, 2 chân nguồn (VCC,
GND) và 3 chân điều khiển (DATA,LATCH,CLOCK). Để điều khiển được modul 4
led 7 đoạn này, ta cần cấp nguồn 3.3 ~ 5V vào chân cho modul. Sau đó nối 3 chân điều
khiển của modul vào các chân digital trên Vi điều khiển. Để xuất tín hiệu điều khiển
cho modul, ta thực hiện lệnh xuất nâng cao ( Xuất 8bit dữ liệu đã được mã hóa với mỗi
1 IC 74HC595). Với modul 4 Led 7 đoạn này, ta có thể hiển thị được đến con số hàng
nghìn.
Phương pháp điêu khiển mạch hiển thị

Phương pháp chính để đưa dữ liệu ra Led 7 đoạn: Phương pháp chốt và phương
pháp quét.
Phương pháp quét: dựa vào sự lưu ảnh ở mắt (25 hình / giây), ta cho led chớp
tắt thật nhanh với tần số ≥25 Hz, khi đó mắt sẽ không phát hiện việc chớp tắt liên tục
của Led, xem như Led đang sáng. Nối chân (loại A) chung lên nguồn và điều khiển
sáng tắt nhanh cho hai thanh b,c (các thanh còn lại tắt) Led sẽ hiển thị số 1.
Bằng cách cho luân phiên nhiều led hiển thị làm cho mắt cảm thấy nhiều led 7
đoạn sáng đồng thời, với cách này chỉ cần một bus dữ liệu nối song song cho tất cả các
led (chân a,b,c,d,e,f,g) với mỗi led được điều khiển một tín hiệu khác sao cho tại một
thời điểm chỉ có duy nhất một led bảy đoạn được phép hiển thị. Nếu tăng tần số quét
(giảm thời gian sáng mổi led) thì ta sẽ thấy 4 con led sáng cùng nhau.
Phương pháp chốt: vẫn sử dụng việc truyền bus dữ liệu tới các led như
phương pháp quét, các chân led đều có chân A chung nối sẵn lên nguồn. Mỗi led bảy
đoạn được chốt với IC. Dữ liệu từng LED sẽ truyền lên bus, ứng với dữ liệu của led
nào thì IC chốt của led đó sẽ chốt lại. Sau mỗi lượt dữ liệu xuất đầy đủ trên tất cả led
và các led sẽ sáng liên tục chứ không như phương pháp quét.
2.2.5 Arduino Pro Mini
Arduino Pro Mini là board Arduino rất nhỏ, sử dụng chip ATmega328 SMD.
13


Đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng thực tế đòi hỏi sự gọn gàng.
Board Arduino Pro Mini 5V 16MHz mặc định sử dụng nguồn 5V và IC
ATmega328 chạy ở xung nhịp 16MHZ. Tuy nhiên trên board có sẵn ngõ vào RAW để
cấp nguồn thông qua mạch điều áp. Nguồn vào cho ngõ RAW có thể từ 3.3V - 12V
(max 12V)
+ RAW: cấp nguồn thông qua mạch điều áp
+ Vcc: cấp nguồn 5V hoặc 3.3V (Lưu ý: nguồn > 5.5V sẽ gây hỏng IC)
Vì sử dụng chung dòng chip ATmega328 nên việc lập trình và thiết kế ứng
dụng hoàn toàn tương tự board Arduino Uno R3. Ngoài ra có 1 sự khác biệt nhỏ là

board Arduino Pro Mini có tới 8 cổng analog (thay vì 6 như trên Arduino Uno R3).
Trong đó 2 ngõ analog A6,A7 không thể xuất tín hiệu digital.

2.2.6 Thước quang (GS-503)
Thanh mã hoá khắc vạch mã hoá ánh sáng có thể đi xuyên qua và được quét
lên các đoạn vạch hút màu không cho bất kỳ ánh sáng nào đi qua, các đoạn vạch được
sắp xếp xen kẽ với khoảng trống. Khi thanh mã hoá chuyển động qua lại giữa hai mắt

Hình 2. 11: Board Arduino Pro Mini thực tế
cảm biến, đồng thời sẽ tạo ra các xung vuông truyền đến mạch. Căn cứ vào số xung đó
14


để xác định khoảng dịch chuyển của trục đo, phục vụ trong quá trình đo đạc để xác
định bán kính cong.

Hình 2. 12 : Thươc quang
Bảng 2 : Thông số thước quang GS-503
Mã số

GS-503

Giới hạn tịnh tiến

50 mm

Giá trị nhỏ nhất

10µm

Nguồn

4.5 – 6 VDC

Tín hiệu ra

Bảo quản: vì đây là linh kiện dễ hư hỏng cần bảo quản tốt và hạn chế tối đa
các tác động cơ học khi chế tạo.

15


2.2.7 Bộ truyên động
2

Vật liệu: thép.
3

1

4
1. Thân trục đo
2. Banh răng trục Encoder
3. Banh răng trung gian 1
4. Banh răng trung gian 2

Hình 2. 14: Sơ đô cơ câu truyền đông cua bô banh răng

Hình 2. 13: Hình dang thươc quang GS-503
Yêu cầu kỹ thuật: cần lắp đồng trục và các bánh răng phải ăn khớp với nhau,

tránh tình trạng bị kẹt răng hay trượt răng.
Số răng của bánh trung gian 1 (n1) : 100 răng
Số răng của bánh trung gian 1 (n1) : 200 răng
Số răng của bánh trục Encoder (nE) : 25 răng
16


Tỷ số truyền động I

= ==

=

Khi bánh răng trung gian 1 dịch đi 1 răng, thì bánh răng trục Encoder dịch
theo 4 răng. Bánh răng trung gian 1 quay đúng 1 vòng thì bánh răng trục Encoder quay
4 vòng theo chiều ngược lại. Với kết cấu truyền động trên và qua khảo nhiệm thục tế.
Encoder có số xung 100 đáp ứng tốt cho thiết bị này.

Chương 3
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Nội dung nghiên cứu
Thời gian gian thực hiện từ tháng 2 đến tháng 5 năm 2016.
Đề tài được thực hiện tại xưởng thực tập CK6 bộ môn Cơ Điện Tử - khoa Cơ Khí
Công Nghệ - Trường Đại Học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh.
Nội dung nghiên cứu tập trung vào điều khiển trạng thái hoạt động của thiết bị đo
bán kính cong. Cách thức truyền và nhận dữ liệu giữa Arduino với các cảm biến, IC
74HC595, …
Thiết kế chế tạo thiết bị đo giá trị độ lớn bán kính cong với giới hạn sau:
Giải đo: R ≥ 4 cm (với chân giá 40 mm).
Thời gian thao tác ngắn trên mọi mặt cong.

Thiết bị phải hoạt động tốt ở mọi môi trường khắc nghiệt (như xưởng cơ khí,
phòng thí nghiệm, ..) .
Thời gian pin hoạt động: 100h.
3.2 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu phương pháp cách cấu tạo nên thiết bị đo bán kính cong.
Phương pháp xử lý số liệu từ cảm biến truyền sang mạch vi xử lý và xuất kết quả
dạng số sang mạch hiển thị.

17


10

Sử dụng phương pháp quét và thanh ghi dịch để hiển thị giá trị bán kính cong để
tiết kiệm chân của vi điều khiển.

4

Chương 4
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Nguyên lý hoạt động thiết bị đo bán kính cong
Thiết bị đo bán kính cong được thiết kế ở (hình 4.1). Đầu trục đo (1) di động
và hai chân cố định (2) dùng để đo nhiều bán kính cong khác nhau. Gọi B là đầu trục
đo (1) di động, A và C là hai đầu cố định (2). Mũi A, C được thiết kế cố định và có
khoảng cách không đổi, trong khi đó mũi B có thể dịch chuyển tịnh tiến theo phương
z. Để khống chế trục đo C tự quay quanh trục z bảng thiết kế có bố trí rãnh chống xoay
(4). Thân thanh trục đo (3) được gắn với thanh khắc vạch mã hoá chiều dài (5), khi
thanh trục đo (3) dịch chuyển qua hai mắt cảm biến (8). Tuỳ vào số lượng xung vuông
và độ tương quan hai pha từ cảm biến, hai cảm biến truyền tín hiệu về mạch xử lý (10)
để xác định chiều dịch chuyển và khoảng cách dịch chuyển của mũi trục đo (1). Tại

đây, mạch xử lý (10) tiến hành tính toán và xử lý số liệu xuất ra giá trị độ lớn cung tròn
5
lên màn hình LED (8). Lò xo (7) giữ cho đầu đo di động luôn chạm lên bề mặt cong
khi đo, đồng thời đưa đầu đo về vị trí 0 trước sau quá trình đo. Vị trí 0 khi 3 mũi đo A,
B, C cùng thẳng hàng với nhau trong mặt phẳng.
Dựa vào tiếp xúc ba đầu A, B, C được đặt trên mặt phẳng và điều chỉnh sao
cho ba điểm thẳng hàng. Tiếp đó cho 3 đầu A, B, C tiếp xúc với bề mặt chi tiết có cung
tròn hoặc hình tròn. Lúc đó, đầu B di chuyển, đầu A và C cố định. Khoảng dịch chuyển
của đầu B di động so với vị trí ban đầu, thông qua công thức (4.1) xác định được giá
trị bán kính cong của vật thể.
4.1
Thông số thiết kế của bộ thước đo giá trị bán kính cong

18


6 dụng thực tế, các yêu cầu kỹ thuật của bộ
Từ kết quả khảo sát và yêu cầu sử
thước đo giá trị bán kính cong được đề nghị như sau:
Thiết bị phải hoạt động tốt ở môi trường khắc nghiệt (như xưởng cơ khí,
phòng thí nghiệm,..)
Thời gian thao tác ngắn trên mọi mặt cong
Giải đo: R ≥ 40 mm (với chân giá 40mm)
Thời gian pin hoạt động: 100h
Nguyên tắc xác định bán kính cong
Để xác định độ lớn giá trụ bán kính cong cần dựa vào sự tương quan vị trí 3
điểm A, B, C với nhau từ đó tìm ra độ rộng cung tròn (W) và độ cao (H). Theo tính
toán, độ lớn bán kính được xác định qua công thức:
R = (W2)/(8H) + H/2
(4.1)

Giá trị độ lớn bán kính cong phụ thuộc vào độ cao của (H) và độ rộng cung
(W). Với độ rộng cung (khoảng cách giữa hai điểm A và C) là không đổi, độ cao (H) là
giá trị cần xác định, độ lớn (H) càng chính xác thì độ lớn bán kính cong (R) càng chính
xác.
4.2

Mô hình chi tiết bộ thước đo giá trị bán kính cong

7

Hình 4. 2: Nguyên tắc xac định ban kinh cong
4.2.1 Hai đầu cố định của bộ phận đo bán kính cong
Hai đầu cố định: công cụ để xác định độ dài (W) của cung tròn, với hai giá cố
định
Vật liệu chế tạo: Nhôm

Khoảng cách giữa 2 chân đế có giá trị không đổi W = 80 mm
19


Yêu cầu về kỹ thuật: Chân giá cần có độ bền cao, cứng chắc, ít biến dạng bởi
các tác động bên ngoài môi trường.

III
1:3
1:3

20

102mm

4.2.2 Trục di động của bộ phận đo bán kính cong

2

1. Lỗ trụ 10mm
2. Đầu cô định

Hình 4. 3: Hai đầu cô định

80mm

1

21


Trục đo chuyển động tịnh tiến xuất phát vị trí ban đầu đến vị trí cuối cùng từ
đó ta sẽ đo được độ lớn của khoảng dịch chuyển của đầu trục đo. Giá trị độ lớn này ta
gọi là độ cao (H).
Cấu tạo: cấu tạo của trục di động thiết kế như (hình 4.4) và (hình 4.6). Trong
đó, trục đo là một thanh thép thẳng có đường kính 8 mm dài 250 mm. Đầu trục đo
được là ren và được lắp ăn khớp với đầu đo, vì thế đầu đo có thể điều chỉnh ở một giới
hạn (0 – 5 mm) để điều chỉnh trong quá trình đo đạc thuận tiện hơn. Đồng thời, hai
trục đo đều cho thanh trượt nhằm khống chế trục tự xoay quanh trục z và khống chế
chuyển động theo hai phương x và y.
Phương án 1
2
250mm

5mm
Thanh ren thẳng
Thanh trượt

1

Hình 4. 4: Trục đo trong thiết bị truyền đông tịnh tến sang truyền đông quay
Ở phương án một, cấu tạo của trục đo trong thiết bị truyền động tịnh tiến sang
chuyển động quay được thể hiện ở (hình 4.4). Gồm thanh ren thẳng (1) được chế tạo
trên thân trục đo, dùng để lắp ghép ăn khớp với bộ bánh răng truyền động trong thiết
bị. Và thanh trượt (2) lắp khớp với khe trượt trên hộp thước, nhằm khống chế trục di
động tự quay quanh trục z và khống chế phương x và y.
Vật liệu: Thép.
Yêu cầu kỹ thuật: trục có độ cứng cao, chịu được va đập, dễ lắp ráp và tháo
rời.
Phương án 2
Ở phương án hai, cấu tạo của trục đo trong thiết bị truyền động tịnh tiến sang
chuyển động tịnh tiến của thanh mã hoá được thiết kế như (hình 4.5). Gồm thanh khắc
vạch mã hoá (2) được lắp ghép với thân thanh trục đo, dùng để xác định sự dịch
22


chuyển thông qua hai mắt cảm biến. Và thanh trượt (2) lắp khớp với khe trượt trên hộp
thước, nhằm khống chế trục di động tự quay quanh trục z và khống chế phương x và y.
Vật liệu: Thép
Yêu cầu kỹ thuật: trục có độ cứng cao, chịu được va đập, dễ lắp ráp và tháo
rời.
4.2.3 Hộp vỏ hộp thước

2
m

46

m
250

1

Thanh trượt
Thanh khắc vach ma hoa

138

Hình 4. 5: Trục đo trong thiết bị truyền đông tịnh tến sang thanh ma hoa

Măt trươc

23

Hình 4.6: Câu tao vo hôp trươc

Măt sau


Cấu tạo hộp thước thiết kế như (hình 4.6), hộp thước là bộ phận chứa các linh
kiện điện tử và ghép nối các bộ phận chi tiết cơ khí lại với nhau. Bảo vệ các linh kiện
tránh các tác nhân lý hoá làm hư hỏng và giảm tuổi thọ của thiết bị.

24


Vật liệu: Nhựa.

25