Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ điều khiển máy khảo nghiệm ma sát phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu tại trường Đại học Nha Trang

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 21 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY KHẢO NGHIỆM MA SÁT PHỤC VỤ CÔNG TÁC GIẢNG DẠY VÀ NGHIÊN CỨU TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG DESIGN AND FABRICATION OF TRIBOLOGY TESTING MACHINE CONTROLLER USED FOR TEACHING AND RESEACH AT NHA TRANG UNIVERSITY Trần Văn Hùng1 Ngày nhận bài: 04/9/2012; Ngày phản biệ n thông qua: 06/6/2013; Ngày duyệt đăng: 10/12/2013 TÓM TẮT Bài báo này tóm tắt kết quả thiết kế và chế tạo bộ điều khiển máy khảo nghiệm ma sát, bộ điều khiển giúp người nghiên cứu quan sát quá trình thay đổi các thông số như lực ma sát, lực ép nhiệt độ,... Bộ điều khiển thiết kế có khả năng điều khiển vận tốc trượt nhờ sử dụng thuật toán PID điều khiển tốc độ động cơ. Bằng cách sử dụng các phương pháp xử lý mẫu đã loại bỏ các giá trị nhiễu nên kết quả đo được tin cậy và chính xác hơn. Từ khóa: bộ điều khiển máy khảo nghiệm ma sát, giải thuật PID ABSTRACT This article presents the design and fabrication of tribology testing machine controller, the controller can help the researchers to observe the changing process of parameters such as friction, force, temperature, ect.. The controller is able to control the sliding velocity by using PID algorithm to drive the speed of the electric motor. By using sample processing methods to reduce noise, so the measurement results are more reliable and accurate. Keywords: tribology testing machine controller, PID algorithm 1 KS. Trần Văn Hùng: Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang I. ĐẶT VẤN ĐỀ Ma sát ngoài (khô) giữa các bề mặt tiếp xúc là hiện tượng cực kỳ phức tạp, nó bị chi phối bởi nhiều yếu tố như sự tác động của các yếu tố sử dụng: tải trọng, tốc độ trượt và đặc biệt là tính chất của vật liệu cũng như đặc tính hình học của bề mặt tiếp xúc [1]. Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước đưa ra các mô hình toán để mô tả hiện tượng ma sát, nhưng cho đến nay chưa có mô hình nào có thể mô tả một cách đầy đủ các mối quan hệ trong quá trình ma sát. Các mô hình đưa ra chỉ có thể giúp ta hiểu phần nào bản chất của hiện tượng, còn nhiều vấn đề phải bàn vì các thông số đưa ra trong các phương trình rất khó xác định và lựa chọn chính xác cho mỗi trường hợp. Bản thân các thông số này cũng thay đổi trong quá trình ma sát do sự tương tác qua lại giữa các thông số cơ nhiệt động học và tác động của môi trường hóa học. Vì vậy, công cụ tốt nhất để xác định được hệ số ma sát của cặp lắp ghép là thực nghiệm. Với phương pháp và tiêu chuẩn thực nghiệm khác nhau giá trị của hệ số ma sát của cùng một cặp lắp ghép cũng có thể là các giá trị khác nhau. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013 22 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Đến nay đã có những thuyết và các công thức được đưa ra để tính toán giá trị hệ số ma sát, nhưng chúng rất phức tạp. Các tham số trong các công thức tính hệ số ma sát là các thông số động, chúng biến đổi theo không gian và thời gian, thường có tác động tương hỗ lẫn nhau, nên việc áp dụng các mô hình toán này gặp nhiều khó khăn và trong quá trình thực hiện dễ gặp các sai lầm có tính hệ thống. Phương pháp thực nghiệm với việc mô phỏng điều kiện làm việc thực tế, trong điều kiện kỹ thuật điện tử và tin học phát triển như hiện nay, đã cho những kết quả rất khả quan, không những giúp nhanh chóng xác định được giá trị của hệ số ma sát mà còn tìm được mối quan hệ giữa giá trị của thông số này với các thông số liên quan khác. C ác thiết bị khảo nghiệm về ma sát hiện nay rất phong phú, từ những thiết bị đơn giản đến các thiết bị có kết cấu phức tạp ứng dụng các công nghệ hiện đại, có khả năng khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số hoạt động, vật liệu, môi trường đến hệ số ma sát, có thể xác định được sự hao mòn cũng như hiệu quả bôi trơn đối với các cặp ma sát. II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Đối tượng nghiên cứu - Bộ điều khiển máy khảo nghiệm ma sát. 2. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được sử dụng dựa trên tính toán lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, trong đó chủ yếu vào phép “Trial and error” có định hướng. Trong nghiên cứu này, các quả cân chuẩn được sử dụng để chuẩn hóa bộ phận đo lực: bộ điều khiển sẽ hiển thị giá trị thực đo được tương ứng với từng quả cân, sau đó tìm ra các hệ số ki (i: 1→n). Từ các hệ số ki ta sẽ xác định được độ tuyến tính và hàm chuyển đổi các thông số khác được tiến hành xác định tương tự vậy. Qui trình nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển máy khảo nghiệm ma sát theo các bước sau: - Khảo sát yêu cầu kỹ thuật bộ điều khiển máy khảo nghiệm ma sát; - Tính toán các giá trị đầu vào ra, từ đó thiết kế sơ bộ hệ thống điều khiển; - Xây dựng phương án chế tạo bộ điều khiển; - Thử nghiệm, kiểm tra và hoàn chỉnh. Mô hình điều khiển theo sơ đồ sau: Hình 1. Sơ đồ điểu khiển Máy tính (computer): Thay đổi, hiển thị và gửi xuống MCU giá trị các tham số hệ thống như tốc độ, nhiệt độ dầu bôi trơn. Số liệu của hệ thống sẽ được hiển thị trên màn hình máy tính dưới dạng đồ thị, liên tục theo thời gian. Đồng thời các giá thị này sẽ được lưu trữ trên PC theo thời gian, việc này giúp người sử dụng dễ dàng xử lý sau khi khảo sát. Vi điều khiển (MCU): Nhận lệnh trên PC, đo và điều khiển tốc độ động cơ và nhiệt độ dầu. Các giá trị thực tốc độ động cơ, nhiệt độ dầu bôi trơn được tính toán, cập nhật và gửi liên tục lên PC. Cảm biến (Sensor): Cảm biến đo lực, cảm biến đo nhiệt độ, encoder. Chúng biến đổi các đại lượng vật lý không điện thành các đại lượng vật lý dưới đạng dòng, áp, và tần số để MCU nhận biết được. Cơ cấu chấp hành (Actuator): Khuếch đại, cách ly tín hiệu điều khiển từ MCU để điều khiển động cơ và bộ gia nhiệt. Thanh điện trở nhiệt sẽ gia nhiệt cho dầu bôi trơn. Từ 110VAC qua bộ điều khiển sau đó chỉnh lưu về điện DC và cấp cho động cơ, tốc độ động cơ được MCU đo dựa vào một Encoder quang gắn vào đuôi động cơ. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Thiết bị khảo nghiệm ma sát 1.1. Sơ đồ tổng thể máy khảo nghiệm ma sát Nhằm thực hiện chức năng đo đạc các thông số ma sát, máy khảo nghiệm ma sát được thiết kế có sơ đồ cấu tạo và mối tương quan các bộ phận như sau: Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 23 Hình 2. Sơ cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy khảo nghiệm ma sát 1. Khung máy 2. Giá đỡ cảm biến 3,4. Cảm biến đo tải 5. Lò xo 6,7. Ổ và gối đỡ trục chính 8. Bộ truyền động đai 9. Ống then hoa 10. Ổ đỡ và gối đỡ trục chính 11. Trục then hoa gắn mẫu thử 12. Mẫu thử 13. Đối mẫu thử 14. Vít me điều chỉnh đối mẫu thử và gây tải 15. Tay quay 16. Trục gá cảm biến đo lực ma sát 17. Cảm biến đo lực ma sát 18. Gối đỡ, cần gá đối mẫu thử 19. Trục, gá đối mẫu thử 20. Vít me căng đai 21. Động cơ biến tần 22. Vít me điều chỉnh thanh gá cảm biến mòn 23. Thanh gá cảm biến mòn 24. Bơm và thùng chứa vật liệu bôi trơn 25. Điện trở gia nghiệt vật liệu bôi trơn Hình 3. Máy thử nghiệm ma sát Thông số kỹ thuật - Vận tốc trượt: 0 đến 3m/s. - Lực ma sát: 150 N. - Cảm biến mòn: ±2mm ± 0.1mm. - Lực tải trọng: 980 N. - Lực gây tải (lực pháp tuyến): 1500 N. - Nhiệt độ vật liệu bôi trơn: nhiệt độ phòng - 1500C. - Công suất bộ phận gia nhiệt: 800 W. - Đường kính mẫu thử quay (số 1): 75 mm. - Kích thước mẫu trượt: hình cầu Ø12,7mm, trụ Ø 3mm hoặc hình nêm, lăng trụ. - Ghép nối máy tính: Cổng USB. - Phần mềm: TRIBOLOGY NTU. - Động cơ DC servo: 110VDC; 1,5 kW. - Kích thước: dài 490mm, rộng 380mm, cao 900mm. - Trọng lượng: 90kg. 1.2. Hình ảnh máy thử nghiệm ma sát Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013 24 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG 2. Mạch điều khiển Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Để hoạt động được MCU cần thạch anh dao động và mạch reset lúc bắt đầu cấp nguồn [2], [5]. Mạch khuếch đại và cách ly: Tín hiệu từ MCU được cách ly với nguồn 110VAC và 220VAC. Tín hiệu điều khiển từ MCU được cách ly qua optotriac. Tín hiệu điều khiển trực tiếp tới triac. Trước khi đưa ra động cơ, nguồn được chỉnh lưu về một chiều qua cầu điốt. Điện trở gia nhiệt cho dầu thì cấp trực tiếp nguồn từ Triac [4]. Bên cạnh đó, do tín hiệu đầu ra của Loadcell nhỏ và vi sai nên nó cần phải qua một bộ khuếch đại vi sai với hệ số k lớn [5]. Nguồn: Nguồn cho MCU là nguồn 5VDC. Sự hoạt động ổn định của MCU phụ thuộc rất lớn vào nguồn cấp. Nguồn cấp có thể là AC hoặc DC, với điện áp từ 7V – 15V. Nguồn vào được chỉnh lưu thành một chiều và được là phẳng bằng tụ hóa. Nhờ IC ổn áp LM7805 đầu ra số 3 luôn ổn định là 5VDC. Ngoài nguồn 5VDC cấp cho vi điều khiển còn cấp nguồn ±12VDC để nuôi bộ khuếch đại. Sử dụng 2 IC LM7812 và LM7912 để ổn áp đầu ra [4]. Bộ điều khiển trung tâm: Đây là khối xử lý trung tâm, chương trình thực thi sẽ được nạp vào trong MCU. Hình 4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Hình 5. Giao diện điều khiển 3. Chương trình điều khiển máy Giao diện điều khiển Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 25 Có thể thay đổi nhiệt độ dầu và tốc độ động cơ trên PC, đồng thời các giá trị thực sẽ được cập nhật và hiển thị liên tục. Lực ma sát, tải tác dụng, kích thước mòn cũng được cập nhật liên tục lên PC với tần số 2 lần/giây. Ngoài ra chúng còn được hiển thị trên đồ thị để tiện theo dõi và so sánh sự thay đổi giá trị trong một khoảng thời gian. Các thông số có thể quan sát trên đồ thị tại một thời điểm bất kỳ dựa vào thanh bar thời gian. Bên cạnh đó có thể thay đổi giá trị/một ô hiển thị qua thanh bar bên trái màn hình. Xử lý số liệu và lưu trữ: Các giá trị sẽ tự động lưu vào bảng Excel để người dùng tiện sử dụng trong quá trình nghiên cứu và xử lý số liệu. Trước khi lưu trữ, các số liệu đã được xử lý sơ bộ với các thuật toán và phần cứng. Quá trình này giúp giảm nhiễu để các chuyên gia phân tích dễ dàng hơn. Điều khiển tốc độ động cơ: Điều chỉnh tỷ lệ (P) là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với sai lệch đầu vào. Phương pháp điều chỉnh tỷ lệ để lại một độ lệch (offset) sau điều chỉnh rất lớn. Để khắc phục ta sử dụng kết hợp điều chỉnh tỷ lệ với điều chỉnh tích phân (I). Điều chỉnh tích phân là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho độ lệch giảm tới O. Khi hằng số thời gian hoặc thời gian chết của hệ thống rất lớn điều chỉnh theo P hoặc PI có đáp ứng quá chậm thì ta sử dụng kết hợp với điều chỉnh vi phân (D). Điều chỉnh vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỷ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào [3]. Hình 6. Giải thuật điều khiển tốc độ động cơ Thuật toán xử lý mẫu đầu vào: Giá trị lấy mẫu đo được chịu rất nhiều tác động bởi nhiễu. Giá trị đo được sẽ biến thiên cho dù đại lượng (lực, nhiệt độ,) không đổi. Để giảm sai số trong quá trình đo, ngoài giảm nhiễu bằng phần cứng tôi còn sử dụng các thuật toán để xử lý mẫu đầu vào. Kết quả thu được chính xác và tin cậy hơn. Hình 7. Lưu đồ giải thuật loại nhiễu và tính giá trị trung bình Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2013 26 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Qua thực nghiệm cùng điều kiện với bảng 1, kết quả đo hệ số ma sát của thiết bị so với tiêu chuẩn BOR có khác nhau (thiết bị: 0.683; tiêu chuẩn BOR: 0.62). Bên cạnh đó giá trị đo luôn thay đổi thể hiện bề mặt tiếp xúc vật liệu không đồng đều. IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Máy được thiết kế, chế tạo phù hợp kỹ thuật công nghệ chế tạo ở nước ta. Những chi tiết quan trọng đòi hỏi độ chính xác của máy được gia công trên các máy CNC. Kết quả thử nghiệm đo hệ số ma sát của cặp ma sát thép mềm, thép mềm trên máy theo tiêu chuẩn của BOR cho thấy rằng; hệ số ma sát, tải, vận tốc trượt đo trên máy có kết quả tương đương với tiêu chẩn thử nghiệm của BOR. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu của đề tài luận văn chúng tôi xin đề xuất: Sử dụng cảm biến và bộ đo tốc độ cao, để từ đó đáng giá ma sát tại các vị trên bề mặt tiếp xúc. Viết chương trình trên máy tính để phân tích, quản lý dữ liệu từ kết quả đo. Viết chương trình mô phỏng hoạt động của máy dựa vào bộ thông số đã đo trên máy thực. 4. Thử nghiệm đo ma sát 4.1. Phương pháp Thử nghiệm theo tiêu chuẩn BOR: bảng 1 [1]. Đầu pin trượt trên vòng xuyến quay, áp lực 3.9 N, vận tốc 1.8 m/s (J.F. Archard, ASME Wear Control Handbook, M.B. Peterson and W.O.Winer, Ed., American Society of Mechanical Engineers, 1980, p 38). Bảng 1. Hệ số ma sát của kim loại trượt trên kim loại theo tiêu chuẩn BOR (môi trường không khí nhiệt độ trong phòng) Vật liệu Quy phạm kiểm tra (a) Hệ số ma sát động (μđ)Mẫu đứng yên Mẫu chuyển động Thép mềm Thép mềm BOR 0.62 4.2. Kết quả đo hệ số ma sát TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Quách Đình Liên, 2009. Ma sát và hao mòn. Trường Đại học Nha Trang. 2. Ngô Diên Tập, 2003. Kỹ thuật Vi điều khiển với AVR. NXB Khoa học và Kỹ thuật. Tiếng Anh 3. Richard C. Dorf, Robert H. Bishop, 2000. Modern control systems. Prentice Hall International. 4. Ronaid J.Tocci, Frank J.Ambrosio, 2003. Microprocessors and microcomputers hardware and sofwware. Prentice Hall International. 5. Willis J.Tompkin, Jonh G.Webster, 1998. Interfacing Sensors To The Pc. Prentice Hall International. Hình 8. Kết quả đo hệ số ma sát