Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nuôi cấy vi sinh vật

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường Đại học bách khoa Hà nội
--------------------

Luận văn thạc sĩ khoa học
Ngành: Kĩ thuật Điện tử

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy nuôi
cấy vi sinh vật

Dương Hữu quang

hà nội 2006


Mục Lục
Mở đầu.

1

Chương I. Tổng quan.

4

I.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
I.2. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của
chúng tôi
Chương II. Nội dung nghiên cứu trước thiết kế.
II.1. Các chỉ tiêu yêu cầu của sản phẩm:

4

7
10
10

A. Yêu cầu thực tế của máy.

10

B. Các chỉ tiêu cụ thể và thông số của phần lắc.

11

C. Các chỉ tiêu cụ thể và thông số của phần ổn nhiệt.

12

II.2. Tính toán thông số và lựa chọn phương án thiết kế:

12

A. Tính toán thông số cho phần lắc.

12

B. Tính toán thông số cho phần ổn nhiệt.

24

C. Tính toán thông số cho phần mạch điều khiển.

30

a) Phần đo tốc độ:

30

b) Phần điều khiển tốc độ motor:

38

c) Phần điều khiển ổn nhiệt:

39

d) Phần đo nhiệt độ:

43

e) Đáp ứng một số yêu cầu của khách hàng về phần
điều khiển máy.
D. Tổng kết lựa chọn phương án thiết kế
Chương III: Thiết kế chi tiết máy.

45
47
49

III.1. Sơ đồ khối:

49

III.2. Chức năng các khối:

50

III.3. Thiết kế chi tiết từng khối:

51

III.4. Các kết quả đạt được.

86

Kết luận.

88

Tài liệu tham khảo

89

Phụ Lục.

90


Mục Lục hình vẽ
Hình II.1: Máy lắc ổn nhiệt của hÃng SHELLAB (Mỹ):
Hình II.2: Bảng thông số kỹ thuật của máy lắc ổn nhiệt hÃng SHELLAB
Hình II.3: Máy Lắc của hÃng IKA (Đức):

Hình II.4: Bảng thông số kỹ thuật của máy lắc IKA.
Hình III.1: Mô hình đề xuất
Hình III.2: Mô tả chuyển động lắc tròn
Hình III.3: Mô tả kết cấu trục lệch tâm
Hình III.4: Trục lệch tâm và các mô men chuyển động
Hình III.5: Mô tả cơ cấu bi bát
Hình III.6: Mô tả kết cấu ba tầng trượt trên nhau
Hình III.7: Mô tả kết cấu nhiều trục lệch tâm
Hình III.8: đường đặc tính vận tốc - điện áp motor 1 chiều
Hình III.9: đường đặc tính vận tốc - điện áp motor xoay chiều
Hình III.10: đường đặc tính vận tốc tần số motor xoay chiều
Hình III.11: Mô hình buồng gia nhiệt nóng
Hình III.12: nguyên lý tấm làm lạnh bán dẫn
Hình III.13: hình dạng tấm làm lạnh bán dẫn
Hình III.14: Sử dụng tấm làm lạnh bán dẫn
Hình III.15: Sơ đồ khối hệ thống làm lạnh.
Hình III.16: Mô tả phương pháp thu phát hồng ngoại
Hình III.17: Cảm biến khi không bị chắn
Hình III.18: Cảm biến khi bị chắn
Hình III.19: xung tạo được khi motor quay
Hình III.20:Hình vẽ biểu thị sai số của phương pháp đếm xung
Hình III.21:Hình vẽ biểu thị sai số của phương pháp đo chu kỳ xung
Hình III.22: Hình vẽ sơ đồ khối chỉ ra một số điểm có thể lấy tín hiệu phản hồi.
Hình III.23: Sơ đồ phương pháp tăng giảm điện áp
Hình III.24: Sơ đồ phương pháp băm xung điều khiển công suất
Hình III.25: Mô tả phương pháp gia nhiệt
Hình III.26: dòng khởi động máy nén
Hình III.27: Sơ đồ khối chuyển đổi tương tự số
Hình III.28: Sơ đồ khối chuyển đổi tương tự số theo tần số
Hình III.29: Kết nối máy tính.

Hình III.30: Sơ đồ khối toàn máy
Hình III.31: Sơ đồ chân của IC vi điều khiển 16f877a.
Hình III.32: Giải thích chức năng các chân của VĐK 16f877a
Hình III.33: Sơ đồ khối của vi điều khiển Pic 16f877a
Hình III.34: Sơ đồ phân chia vùng bộ nhớ chương trình theo địa chỉ của vi điều
khiển Pic 16f877a
Hình III.35: Sơ đồ địa chỉ thanh ghi dữ liệu.
Hình III.36: Chức năng cụ thể của các chân trong cổng A.
Hình III.37: Chức năng cụ thể của các chân trong cổng B.
Hình III.38: Chức năng cụ thể của các chân trong cổng C.
Hình III.39: Chức năng cụ thể của các chân trong cæng D.

Trang
4
5
6
6
11
12
13
14
15
16
17
20
21
23
23
25
26

27
27
29
31
32
33
35
36
37
40
41
42
42
44
45
47
49
51
52
54
54
55
56
57
57
58


Hình III.40: Chức năng cụ thể của các chân trong cổng E.
Hình III.41: Sơ đồ thời gian trong chế độ thứ cấp và chức năng của các chân

trong chế độ này
Hình III.42: Sơ đồ khối bộ định thời 0.
Hình III.43: Sơ đồ khối bộ định thời 1
Hình III.44: Sơ đồ khối của bộ định thời 2
Hình III.45: Sơ đồ khối chế độ bắt giá trị định thời
Hình III.46: Sơ đồ khối của chế độ so sánh (CCP)
Hình III.47: Sơ đồ khối chế độ điều chế độ rộng xung.
Hình III.48: Sơ đồ khối chế độ SPI
Hình III.49: Sơ đồ khối chế độ I2C
Hình III.50: Sơ đồ khối của khối chuyển đổi tương tự số.
Hình III.51: Sơ đồ bộ so sánh.
Hình III.52: Sơ đồ nguyên lý của bộ so sánh trong chế độ điện áp định sẵn
bằng chương trình.
Hình III.53: Nguyên lý phương pháp quét LED
Hình III.54: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị LED theo phương án chốt ghi dịch.
Hình III.55: Sơ đồ chân DS1307
Hình III.56: Sơ đồ khối của IC DS1307.
Hình III.57: địa chỉ dữ liệu thời gian và RAM dữ liệu
Hình III.58: Bố trí dữ liệu thời gian.
Hình III.59: Giản đồ xung truyền dữ liệu DS1307.
Hình III.60: Biến tần 0.75KW của hÃng Toshiba
Hình III.61: Mô tả cụ thể của biến tần
Hình III.62: Mô tơ xoay chiều ba pha có hộp giảm tốc đầu ngang
Hình III.63: kết cấu tạo chuyển động lắc
Hình III.64: Rơ le bán dẫn
Hình III.65: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển ổn nhiệt
Hình III.66: Nguyên lý hệ thống làm nóng
Hình III.67: Nguyên lý hệ thống làm lạnh
Hình III.68: Buồng nuôi cấy

58
59
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
76
77
79
79
80
80
81
82
83
84
85

1

Mở đầu
Đề tài tôi trình bày trong luận văn này là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo
máy nuôi cấy vi sinh vËt øng dơng cho ngµnh sinh häc vµ ho¸ häc”.
Trong nỊn kinh tÕ cđa n­íc ta hiƯn nay, ngành công nghệ sinh học, hoá học
đang là một trong sáu hướng mũi nhọn phát triển kinh tế. Trên thực tế, hai ngành
này đà đóng góp nhiều thành tựu trong quá trình phát triển của nền kinh tế nước
ta. Hàng năm, ngành nông nghiệp đà có được nhiều thuận lợi từ các kết quả
nghiên cứu của hai ngành này như: cải thiện giống lúa, phân bón, thuốc trừ sâu
hại, thức ¨n ch¨n nu«i. C«ng nghƯ sinh häc ViƯt Nam cịng có thành tựu to lớn
trong việc nghiên cứu virus gây bệnh trong dịch viêm đường hô hấp cấp, sự phát
triển của các ngành khác như thực phẩm, dịch vụ, vật liệu,.... đều liên quan chặt
chẽ tới hai ngành sinh học và hoá học.
Có vai trò quan trọng như vậy đối với nền kinh tế nước ta nhưng sinh học và
hoá học cũng gặp không ít khó khăn, một trong các khó khăn của hai ngành này
là trang thiết bị phục vụ cho ngành cần khá nhiều và và hầu hết do các hÃng nước
ngoài cung cấp với giá thành khá đắt, việc bảo hành, bảo trì cho trang thiết bị lại
phức tạp và thường tốn thời gian. Có thể lấy ví dụ một phòng thí nghiệm nhỏ
phục vụ cho công nghệ sinh học với các thiết bị ngoại nhập giá thành thiết bị có
thể lên tới 5 tỷ VND, việc sửa chữa bảo dưỡng lại phụ thuộc các hÃng thiết bị
nước ngoài.
Trong hoàn cảnh như vậy ngành công nghệ sinh học và hoá học khó có thể
phát huy hết tiềm năng chất xám của người nghiên cứu để phục vụ tèt nhÊt cho
nỊn kinh tÕ cđa n­íc ta.


2

Trong nghiên cứu Sinh học, Hoá học, có nhiều yếu tố trong môi trường ảnh
hưởng tới đối tượng nghiên cứu như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, độ lưu động,
thành phần môi trường... Vì vậy để tạo ra môi trường giả lập, hệ thống thiết bị
phòng thí nghiệm sinh học, hoá học có nhiều loại máy để giả lập các yếu tố môi
trường như: máy ổn nhiệt chu trình giả lập môi trường nhiệt độ biến đổi nhanh và
chính xác, tủ nuôi cây giả lập môi trường nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, máy lắc ổn
nhiệt giả lập môi trường nhiệt độ, độ lưu động, Tủ CO 2 giả lập môi trường yếm
khí...Trong đó máy lắc ổn nhiệt là một loại máy thường xuyên được sử dụng, rất
cần thiết đối với các phòng thí nghiệm. Máy lắc ổn nhiệt được các hÃng nước
ngoài cung cấp với giá thành rất cao, chế độ bảo hành sửa chữa không được tốt và
có một số đặc điểm chưa phù hợp với điều kiện khí hậu và cách sử dụng trong
nước.
Trong luận văn này, tôi xin trình bày về máy nuôi cấy vi sinh vật. Máy nuôi
cấy vi sinh vật hay còn gọi là máy lắc (shaking incubator) là một loại máy
chuyên dụng, ứng dụng chủ yếu trong nghiên cứu sinh học, hoá học. Trong
ngành sinh học, máy chuyên dùng để tạo môi trường giả lập trong quá trình nuôi
cấy các chủng vi sinh vật. Trong hoá học, máy chuyên dùng để tạo môi trường
thuận lợi cho các phản ứng hoá học.
Hiện nay, hầu hết các trung tâm trong nước đều phải nhập khẩu máy từ nước
ngoài, chi phí lắp đặt và bảo hành, bảo trì đều rất cao. Do vậy nhu cầu chế tạo ra
máy lắc trong nước là thiết thực. Bên cạnh đó, để chế tạo ra một máy lắc ổn nhiệt
hoàn chỉnh thì ngoài các vấn đề về cơ khí, nhiệt lạnh, khung vỏ, vấn đề điều
khiển các bộ phận chấp hành cũng khá phức tạp, mang tính kỹ thuật cao. Bộ điều
khiển phải điều khiển được nhiều loại tải mang tính chất khác nhau. Việc chế tạo
máy lắc trong nước đòi hỏi một sự nghiên cứu nghiêm túc và chuyên tâm. Vì


3

những lý do trên, tôi quyết định chọn đề tài tốt nghiệp của mình là nghiên cứu,

thiết kế, chế tạo máy nuôi cấy vi sinh vật ứng dụng cho ngành sinh học và hoá
học.


4

Chương I : Tổng quan.
I.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
Trong phần phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đà có liên quan
mật thiết đến đề tài của luận văn, do không tìm được đề tài nào có liên quan
trong nước, chúng tôi xin được phân tích, đánh giá một số loại máy của nước
ngoài đà có mặt trên thị trường, cụ thể ở đây là các loại máy của Đức, Mỹ là các
hÃng IKA, SHELLAB, HERAOUS...

Hình II.1: Máy lắc ổn nhiệt của hÃng SHELLAB (Mü):


5

Hình II.2: Bảng thông số kỹ thuật của máy lắc ỉn nhiƯt h·ng SHELLAB
Qua nghiªn cøu thùc tÕ tiÕp xóc với máy lắc của hÃng SHELLAB chúng tôi
có được những thông tin sau:
ã Máy sử dụng motor một chiều không chổi than công xuất 100W để
tạo chuyển động lắc tròn.
ã Phần gia nhiệt máy sử dụng hệ thống nén môi chất để gia nhiệt nóng
và lạnh với hệ thống van đảo chiều.
ã Phần điều khiển máy sử dụng Vi Điều Khiển Pic, điều khiển băm
xung có phản hồi với motor và đóng ngắt với máy nén dung môi.
ã Phần kết cấu lắc máy sử dụng trục lệch tâm có đối trọng để tạo
chuyển động lắc tròn, kết cấu bi bát để dẫn động.

6

Hình II.3: Máy Lắc của hÃng IKA (Đức):


7

Hình II.4: Bảng thông số kỹ thuật của máy lắc IKA.

Chúng tôi thu thập được những thông tin sau về máy của IKA
ã Máy sử dụng motor một chiều không chổi than để tạo chuyển động
lắc tròn.
ã Máy sử dụng mạch số để điều khiển và hiển thị.
ã Máy sử dụng kết cấu trục lệch tâm để tạo chuyển động lắc tròn và kết
cấu ba tầng trượt lên nhau để dẫn động.

I.2. Những vấn đề tồn tại và hướng nghiên cứu của chúng tôi.
Trước thực tế đó, chúng tôi là những cán bộ thuộc Khoa Điện Tử Viễn
Thông, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đà thực hiện việc tìm hiểu và khảo sát
lĩnh vực thiết bị phục vụ ngành công nghệ sinh học và hoá học. Sau một thời gian
tìm hiểu, chúng tôi đạt được kết luận như sau:
ã Trong các thiết bị phục vụ nghiên cứu sinh học, hoá học, có khoảng
50% số lượng thiết bị Việt Nam có thể chế tạo được ngay trong thời
điểm hiện tại, 80% số lượng thiết bị Việt Nam có thể chế tạo được
nếu đầu tư nghiên cứu.
ã Thiết bị nếu chế tạo ở Việt Nam sẽ có giá thành rẻ hơn do giảm được
các chi phí như: chi phí nhân công, chi phí chất xám, chi phí vận
chuyển và các chi phí phải trả khác: thuế nhập khẩu, phí trả chuyên

gia lắp đặt, bảo hành, bảo trì, hướng dẫn sử dụng...


8

ã Thiết bị nếu chế tạo tại Việt Nam sẽ có khả năng phù hợp hơn với
điều kiện khí hậu và con người nước ta, khả năng bảo hành bảo trì tốt
hơn.
ã Các thiết bị chế tạo tại Việt Nam sÏ cã giao diƯn tiÕng ViƯt cho phÐp
sư dơng thn tiện và dễ dàng hơn.
ã Thiết bị nếu chế tạo tại Việt Nam sẽ có khả năng nâng cấp bổ xung
chức năng phù hợp với các nghiên cứu mang đặc thù khí hậu và điều
kiện kinh tế của nước ta tốt hơn.
ã Đặc biệt các sản phẩm chế tạo tại Việt Nam với giá thành hạ sẽ tạo cơ
hội lớn hơn cho sinh viên các trường đại học và các viện nghiên cứu
được sử dụng các trang thiết bị trong quá trình nghiên cứu khoa học
ngay tại khi còn ngồi trên ghế nhà trường.
Qua các kết luận trên, chúng tôi quyết định nghiên cứu chế tạo một thiết bị
cần thiết đối với công việc nghiên cứu sinh học, hoá học, là máy lắc có ổn nhiệt
(shaking incubator) loại công suất lớn nhất dùng trong phòng thí nghiệm. Mục
đích của sản phẩm trước hết là kiểm chứng lại các kết luận trên để tiến tới chế tạo
các thiết bị khác cùng loại
Chúng tôi quyết định nghiên cứu chế tạo thiết bị này trên tinh thần nội địa
hoá tối đa, các quy trình thực hiện được đưa về gần giống sản xuất hàng loạt,
chuẩn hoá việc kiểm tra chất lượng sản phẩm, chế tạo sản phẩm cố gắng đạt tiêu
chuẩn để thương mại hoá.
Vì sản phẩm này là loại thiết bị được chế tạo mang tính chất liên ngành, để
chế tạo thành công sản phẩm cần có sự liên kết chặt chẽ giữa ba ngành Điện Tử,
Cơ Khí và Nhiệt Lạnh, thêm vào đó cần có sự hỗ trợ của ngành Sinh Häc, Ho¸

9

Học. Chúng tôi xây dựng quy trình nghiên cứu chế tạo sản phẩm theo hướng
chuyên môn hoá từng ngành nhưng có sự thống nhất cao giữa các ngành. Nghĩa
là các ngành tham gia chế tạo có phần công việc riêng, cụ thể nhưng thiết kế của
từng ngành phải thống nhất với thiết kế của các ngành khác, tạo nên sự liên kết
chặt chẽ của từng phần thiết kế thành một khối thống nhất là sản phẩm đầu ra.


10

Chương II : Nội dung nghiên cứu trước thiết kế.
Nguyên lý hoạt động máy nuôi cấy vi sinh vật và lựa chọn phương án thiết kế chế
tạo.
II.1. Các chỉ tiêu yêu cầu của sản phẩm:
A. Yêu cầu thực tế của máy.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế là trong công việc nghiên cứu của ngành Sinh
Học và Hoá Học luôn cần phải tạo ra một môi trường phù hợp cho chế phẩm
sinh học hoặc mẫu hoá chất để chế phẩm sinh học có thể phát triển hay phản ứng
hoá học cã thĨ x¶y ra. Hai u tè ¶nh h­ëng nhiỊu nhất tới sinh phẩm và hoá
phẩm trong môi trường là nhiệt độ và độ lưu động, ngoài ra còn có các yếu tố
khác như ánh sáng, từ trường, điện trường, thành phần môi trường.... nhưng các
yếu tố này có mức độ ảnh hưởng ít hơn. Vậy để tạo ra một môi trường giả tối
thiểu cho sinh phẩm và hoá phẩm ta có thể thực hiện bằng máy lắc có ổn nhiệt.
Chức năng chủ yếu của máy là tạo môi trường động cho các bình nghiệm bằng
cách lắc tròn bình nghiệm trong một môi trường ổn định nhiệt độ. Để thực hiện
được điều đó chúng ta phải làm như sau:
-

Tạo ra một bàn giữ bình nghiệm có khả năng lắc tròn (tạo độ lưu động).

-

Toàn bộ phần bàn giữ bình nghiệm và bình nghiệm phải nằm trong một

buồng kín cách biệt với môi trường bên ngoài.
-

Nhiệt độ bên trong buồng phải có khả năng điều chỉnh được và ít bị ảnh

hưởng bởi môi trường bên ngoài.
-

Tốc độ lắc phải điều chỉnh chính xác được.


11

Mô hình đề xuất của máy như sau:

Hình III.1: Mô hình đề xuất
B. Các chỉ tiêu cụ thể và thông số của phần lắc.
Bàn lắc trong buồng phải có khả năng lắc tròn với chỉ tiêu đủ để sinh phẩm
hoặc hoá phẩm có thể hoạt động tốt nhất. Chuyển động lắc tròn là chuyển động
như sau:
Một vật chuyển động lắc tròn nghĩa là mọi điểm trên vật đó chuyển động
theo một quỹ đạo tròn bán kính như nhau nhưng vị trí tương đối của các điểm là
cố định về khoảng cách và hướng.

12

Hình III.2: Mô tả chuyển động lắc tròn
Phần lắc có nhiệm vụ tạo ra chuyển động lắc có biên độ (bán kính) từ 1 ~ 3
cm, có tốc độ điều chỉnh được trong dải từ 10 ~ 360 vòng/phút.

C. Các chỉ tiêu cụ thể và thông số của phần ổn nhiệt.
Buồng ổn nhiệt có chức năng tạo ra nhiệt độ ổn định theo ý muốn của người
sử dụng trong khoảng từ 10 ~ 50 oC. Tốc độ gia nhiệt phải đủ nhanh (trong
khoảng 30 phút có thể đạt tới nhiệt độ xa nhất). Đối với thể tích buồng chứa,
phần gia nhiệt phải đáp ứng được các chỉ tiêu trên đối với buồng gia nhiệt dung
tích 400 lít.

II.2. Tính toán thông số và lựa chọn phương án thiết kế:
A. Tính toán thông số cho phần lắc.


13

Chúng tôi quyết định chế tạo máy lắc có thể lắc cho 40 bình 250ml bán kính
lắc 2,5 cm tốc độ tối đa là 360 vòng phút.
Để tạo được chuyển động lắc tròn cần chế tạo hai phần chính là:
- Cơ cấu truyền chuyển động: để tạo ra chuyển động lắc tròn từ chuyển
động quay tròn ta dùng cơ cấu trục lệch tâm.

Hình III.3: Mô tả kết cấu trục lệch tâm

Trong kết cấu trên buli có nhiệm vụ nhận chuyển ®éng tõ motor khiÕn cho
trôc dÉn ®éng quay. Trôc dÉn động quay kéo theo củ lệch tâm quay và trục dẫn

động chuyển động tròn xung quanh tâm của trục dẫn ®éng.


14

- Cơ cấu định hướng chuyển động: sau khi đà tạo được chuyển động lắc
tròn nhờ cơ cấu trục lệch tâm. Do có ma sát ở vòng bi bắt vào bàn lắc
nên có thể dẫn tới hiện tượng cả phần bàn lắc sẽ có thêm một thành
phần chuyển động tự xoay tròn xung quanh tâm của trục dẫn động.

Hình III.4: Trục lệch tâm và các mô men chuyển động
-

Để khắc phục hiện tượng trên ta cần thực hiện cơ cấu dẫn động có chức
năng triệt tiêu chuyển động tự xoay tròn nhưng vẫn cho phép chuyển
động lắc tròn. Thực hiện việc này ta có thể dùng ba loại kết cấu thông
dụng chúng tôi tạm đặt tên như sau:
ã Kết cấu viên bi tròn lăn trong hai bát úp vào nhau: ý t­ëng chđ
u cđa kÕt cÊu nµy lµ ta cã thể ràng buộc hai phần: phần cố định
và phần lắc chỉ cho chúng chuyển động tương đối với nhau trong
một khoảng cố định bằng kết cấu cụ thể như hình sau:


15

Hình III.5: Mô tả cơ cấu bi bát
Khi gắn kết cấu trên vào một số điểm giữa bàn lắc và bàn tĩnh ta có thể hạn
chế được chuyển động tự quay quanh trục của mình của bàn lắc. Kết cấu này có
một số ưu, nhược điểm như sau:
ã Chế tạo đơn giản.

ã Vật liệu chế tạo cần có khả năng chống mài mòn cao.
ã Khả năng chịu lực kém.


16

ã Ma sát lớn.
ã Gây tiếng ồn lớn.
ã Kết cấu ba tầng trượt trên nhau: Với ý tưởng chủ đạo là nếu ta
gắn động cho tầng thứ hai có thể chuyển động theo trục X với
tầng thứ nhất (tầng cố định) và tầng thứ ba có thể chuyển động
theo trục Y với tầng thứ hai thì tầng thứ ba có thể chuyển động
theo cả hai trục với tầng thứ nhất.

Hình III.6: Mô tả kết cấu ba tầng trượt trên nhau
Nếu gắn kết cấu này vào giữa hai tầng cố định và lắc thì ta có thể loại bỏ
được chuyển động tự quay. Sau đây là ưu, nhược điểm của kết cấu này:
ã Chế tạo không đơn giản nhưng cũng không quá phức tạp.
ã Vật liệu chế tạo cần có khả năng chịu mài mòn cao.


17

ã Ma sát lớn.
ã Gây tiếng ồn, tuy nhiên không nhiều.
ã Kết cấu nhiều trục lệch tâm: ý tưởng chủ đạo là nếu tạo thêm từ
hai trục lệch tâm nữa (ngoại trừ trục dẫn động) trở lên thì các
điểm trên bàn lắc chỉ có thể chuyển động lắc tròn mà không thể
có chuyển động tự quay.

Hình III.7: Mô tả kết cÊu nhiỊu trơc lƯch t©m

Khi chóng ta thùc hiƯn theo cơ cấu này thì chúng ta có thể loại bỏ được
chuyển động tự quay của bàn lắc. Sau đây là ưu, nhược điểm của cơ cấu:


18

ã Chế tạo rất phức tạp do yêu cầu độ chính xác cao.
ã Vật liệu chế tạo ít ảnh hưởng tới độ bền.
ã Ma sát nhỏ.
ã Gây tiếng ồn nhỏ.
ã Khả năng chịu lực tốt.
Do ý định của nhóm nghiên cứu chúng tôi là chế tạo phần lắc lớn nên qua
đánh giá chúng tôi thấy kết cấu nhiều trục lệch tâm là phù hợp nhất.
Sau khi lựa chọn kết cấu tạo chuyển động lắc tròn, chúng tôi xin trình bày
những tính toán để lựa chọn phần phát động tức là motor. Để tạo được chuyển
động quay tròn với các chỉ tiêu tối đa là tải tối đa là 20 Kg, bán kính lắc là
2,5cm, tốc độ tối đa là 360 vòng/phút ta có thể tính được công suất motor như
sau:
QuÃng đường một giây tải chuyển động được là:
S=V x t
Trong đó t = 1(giây) còn V là vận tốc (tính theo giây) của tải:
V = w x C = 360/60 x 0.025 x 2 x 3.14 = 0,942 m/s
=> S = 0,942 m
Để tính được công cần sinh trong một giây ta tính theo công thức: FxS
Với F = M x g = 20 x 9,8 = 196 (N)
VËy c«ng sinh ra b»ng : 0,942 x 196 = 184 J
VËy có nghĩa là công suất đủ để chạy cho tải là 184 W (chưa tính đến hiệu
xuất motor, tổn hao do ma sát, tiêu chuẩn cho độ bền)

19

Và chúng tôi lựa chọn công suất motor là 400W. Với mức công suất này
máy có thể chạy ổn định và có độ bền cao.
Có hai lựa chọn cho phần motor là motor một chiều và motor xoay chiều:
ã Các ®Ỉc tÝnh cđa motor mét chiỊu: motor mét chiỊu gåm có hai
loại chính.
o Motor một chiều có chổi than, là loại motor sử dụng cặp
điện cực than để chuyển cặp cực cho rô to. Motor này có
tốc độ cao, công suất lớn nhưng hiệu suất motor nhỏ, độ
bền thấp, gây nhiễu đường nguồn lớn. Giải pháp sử dụng
motor loại này sẽ làm cho máy có độ bền không cao.
o Motor một chiều không có chổi than, là loại motor sử dụng
mạch điện tử để chuyển cặp cực cho rô to. Motor này có
hiệu suất cao, độ bền lớn, ít gây nhiễu đường nguồn nhưng
công suất không cao và tốc độ không cao bằng loại dùng
chổi than. Giải pháp sử dụng motor loại này máy sẽ có
công suất không cao.
Motor một chiỊu cã thĨ ®iỊu chØnh tèc ®é b»ng thay ®ỉi điện áp cấp
cho motor. Dạng đặc tính điện áp - tèc ®é cđa motor mét chiỊu nh­ sau:


20

Hình III.8: đường đặc tính vận tốc - điện áp motor 1 chiều
ã Các đặc tính của motor xoay chiều: motor xoay chiỊu cịng cã
hai lo¹i chÝnh.
o Motor xoay chiỊu một pha, là loại motor chạy với điện lưới

một pha. Motor loại này có hiệu suất trung bình, độ bền
khá, công xuất nằm trong một dải rộng, nhiễu nguồn gây
ra không lớn. Giải pháp sử dụng motor này sẽ cho máy
chạy ổn định, độ bền khá.


21

o Motor xoay chiều ba pha, là loại motor chạy với điện lưới
ba pha. Motor loại này có hiệu suất cao, độ bền cao, công
suất lựa chọn trong dải rộng, nhiễu nguồn gây ra không
lớn. Giải pháp sử dụng motor này sẽ cho máy chạy ổn
định, độ bền cao.
Ta có dạng đặc tính tốc độ - điện áp của motor xoay chiều như sau:

Hình III.9: đường đặc tính vận tốc - điện áp motor xoay chiều
Với đường đặc tính như trên ta có thể thấy việc điều khiển tốc độ cho
motor xoay chiều bằng tăng giảm điện áp là không kh¶ thi. Së dÜ nh­ vËy