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