nghiên cứu nâng cao độ chính xác máy thử cân bằng động cỡ nhỏ

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 66 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC MÁY THỬ CÂN BẰNG ĐỘNG CỠ NHỎ RESEARCH ON THE ACCURACY ENHANCEMENT OF SMALL DYNAMIC BALANCING MACHINE SVTH: Lê An, Phạm Văn Duy , Trường Đại học Bách Khoa GVHD: TS. Lê Cung, ThS. Nguyễn Văn Quyền Khoa Sư phạm kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa TÓM TẮT . Việc sử dụng vi điều khiển dsPIC cho phép nâng cao tần số lấy mẫu, nhờ đó nâng cao độ chính xác tính toán lượng mất cân bằng. ABSTRACT The article deals with a research on the design and manufacturing of a dynamic balancing machine, using dynamic load sensors and optical one, for calculating the unbalanced mass in thick rotating part on two choosen correction planes. Dynamic load sensors attached to the bearing supports of the machine help us determine the reaction forces generated by the unbalanced mass of the rotor. These load signals are filtered and digitized at a sampling rate which is synchronous to the rotor via an optical sensors. The received signals are stored in the dsPIC memory, then transferred to the computer in order to process and calculate the unbalanced masses and their angular locations. The use of micro-controller dsPIC contributes to the enhancement of sampling rate, so the precision of unbalanced mass calculation. 1. Tổng quan , . Phản lực động phụ gây nên bởi lực quán tính biến thiên có chu kỳ là nguyên nhân nhiều i: , tăng đ . Đồng thời, phản lực động phụ cũng góp phần i của . , quay nhanh, cần phải cân bằng các chi tiết quay. Báo cáo này nhằm , nhằm nâng cao độ chính xác của việc xác định lượng mất cân . Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 67 2. Cơ sở lý thuyết về cân bằng động 2.1. Vật quay dày và nguyên tắc cân bằng động vật quay dày Với vật quay dày, khối lượng coi như phân bố trên các mặt phẳng khác nhau và vuông góc với trục quay. Để cân bằng vật quay dày, cần phải cân bằng cả lực quán tính và momen lực quán tính tác động lên vật quay, tức là 0 qt P = å và 0 qt M . Từ đó, nguyên tắc cân bằng vật quay dày là phải dùng ít nhất hai đối trọng đặt trên hai mặt phẳng tùy chọn vuông góc với trục quay (được gọi là các mặt phẳng cân bằng). Muốn xác định đối trọng cân bằng và vị trí đặt đối trọng cân bằng, cần phải xác định được lượng mất cân bằng trên hai mặt phẳng cân bằng tùy chọn nói trên. 2.2. Phương pháp xác định lượng mất cân bằng Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định lượng mất cân bằng trên hai mặt phẳng cân bằng (I) và (II), ở đây lượng mất cân bằng được xác định thông qua việc đo giá trị và góc pha của các phản lực gối đỡ A và B. Mối quan hệ giữa phản lực tại gối đỡ A, B với các lực quán tính ly tâm F 1 , F 2 do các lượng mất cân bằng trên mặt phẳng (I) và (II) gây ra: A1 B2 F 1 F 1 FF (1) Với sơ đồ trên hình 1, ta có: a a b c ; c a b c Từ (1), suy ra: 1CB A 1 l 2CB B FF [C ] FF trong đó: F 1CB và F 2CB là lực đặt trên các mặt phẳng (I) và (II) để cân bằng với các lực quán tính ly tâm. Từ F 1CB và F 2CB , dễ dàng suy ra khối lượng đối trọng cân bằng và vị trí đặt đối trọng. 3. Thiết bị cân bằng động và mạch thu nhận tín hiệu 3.1. Sơ đồ nguyên lý của máy cân bằng động KEYBOARD CLOCK RAM ROM CPU SAMPLE HOLD A/D CONVERT MPX FILTER FILTER DISPLAY 1 2 3 4 5 6 Hình 2. Sơ đồ nguyên lý máy cân bằng động a a b c F A F B F 1 F 2 A B F 1CB F 2CB (I) (II) Hình 1. Sơ đồ tính lượng mất cân bằng (I) B 2 1 A Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 68 Hình 2 mô tả nguyên lý làm việc của mô hình máy cân bằng động được thiết kế và chế tạo. Khi tiến hành cân bằng, ta đo đồng thời giá trị và góc pha của lực từ hai gối đỡ truyền đến cảm biến 1 và 2, do các lượng mất cân bằng trên vật quay gây nên. Cảm biến quang 4 dùng để xác định tốc độ quay và vị trí của rôto. Tín hiệu từ các cảm biến được lưu trữ trong bộ nhớ của dsPIC, sau đó được truyền lên máy tính để xử lý và tính toán khối lượng mất cân bằng và vị trí góc của chúng. 3.2. Bộ phận thu nhận và xử lý tín hiệu trong máy cân bằng động 3.2.1. Cảm biến lực Cảm biến lực động được sử dụng trong mô hình là DLC 101-5K (hình 3) của hãng OMEGA, có khả năng chịu nén tới 5000 lb. Cảm biến lực dùng để phát hiện lực động do lượng mất cân bằng gây ra. Khi có phản lực gối đỡ do lượng mất cân bằng tác dụng vào tinh thể thạch anh sẽ sinh ra điện tích Q, làm cho tụ điên C nạp với điện thế V. Quan hệ giữa V và C theo công thức: V=Q/C. Mạch khuếch đại MOFET sẽ làm tăng tín hiệu lên, mạch này được cung cấp bởi nguồn không đổi thông qua cáp đồng trục. Tín hiệu điện thế từ thạch anh và tụ điện C được nối vào cổng của MOFET và được gửi theo đường +11V. Điện thế +11V sẽ được chặn lại bởi tụ 10µF trong nguồn cung cấp. 3.2.2. Cảm biến quang 3XR-CE4 của hãng OMRON. Thông số kỹ thuật cơ bản: Điện thế cung cấp 12~24V, tín hiệu ra 5V, t 4. 3.2.3. Mạch thu nhận tín hiệu từ cảm biến lực và cảm biến quang Đây là mođun quan trọng nhất, chịu trách nhiệm thu nhận tín hiệu từ cảm biến lực và cảm biến quang, lưu trữ trong bộ nhớ của dsPIC, sau đó truyền lên máy tính thông qua giao tiếp RS232 để xử lý tính toán lượng mất cân bằng. Mạch thu nhận tín hiệu sử dụng dsPIC30f6012A tăng khả năng thu nhận các giá trị đưa về của cảm biến. Các mảng giá trị thu được mở rộng, từ đó việc tính toán khối lượng mất cân bằng sẽ chính xác hơn. Ngoài ra, việc nâng cao các điểm đo và tí Hình 3. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến lực DLC101-5K 5V R Dia quay Tin hieu xung vuong Hình 4. Sơ đồ cấu tạo cảm biến quang Hình 5. Mạch vi điều khiển được thiết kế và chế tạo Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 69 . 3.2.4. Lưu đồ thuật toán thu nhận tín hiệu và tính toán lượng mất cân bằng Lưu đồ thuật toán thu nhận tín hiệu của card dsPIC như trên hình 6 và thuật toán tính lượng mất cân bằng của vật quay được mô tả trên hình 7. 4. Kết quả và bình luận Sau một thời gian nghiên cứu, chúng em đã thiết kế được bộ mạch sử dụng dsPIC để thu nhận tín hiệu từ các cảm biến, số mẫu có thể lên tới 720 mẫu trên một vòng quay của rôto. Phần mềm xử lý tín hiệu và tính toán lượng mất cân bằng được viết trên ngôn ngữ Visual BaSic 6.0. Phiên bản 6.0 cho phép kết nối với cơ sở dữ liệu qua sự kết hợp của ADO (Active Data Object). Lập trình thu nhận tín hiệu từ dsPIC nhờ phân mềm hỗ trợ CCSC. Sau khi chọn phương pháp bố trí các mặt phẳng cân bằng, giao diện chương trình Hình 6. Hàm main chương trình thu nhận tín hiệu cho card dsPIC Bắt đầu - Thiết lập cấu hình phần cứng - Khai báo tần số thạch anh - Thiết lập ngắt ngoài( cảm biến quang) - Thiết lập ngắt RS 232 - Thiết lập timer - Thiết lập ADC chế độ 10 bit - Khai báo biến - Cho phép ngắt RS 232 - Cấm ngắt ngoài - Cấm ngắt timer Kết thúc Hình 7. Thuật toán tính lượng mất cân bằng -Cắt các giá trị trong chuỗi t1, lưu vào mảng a và nhân với hệ số để tính ra lực. -Cắt các giá trị trong chuỗi t2, lưu vào mảng b và nhân với hệ số để tính ra lực. 2 -Nhận dữ liệu qua cổng RS232 -Lưu chuỗi giá trị của cảm biến lực 1,2 vào t1,t2 Bắt đầu 2 Tính U m1 , U m2 Tính khối lượng mất cân bằng M 1 , M 2 - Tính lực mất cân bằng F 1 , F 2 - Tìm góc pha của F 1 , F 1 : 1 , 2 Kết thúc - Tìm lực cực đại thu được tại gối A, B: F A , F B - Tìm góc pha của F A , F B : A , B . Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 70 thử cân bằng động sẽ xuất hiện (hình 8). Nhập tham số đầu vào ở mục “Nhap tham so”, bao gồm kích thước a, b, c, bán kính r 1 và r 2 của các lượng mất cân bằng. Cho rôto quay ở tốc độ cân bằng. Kết quả tốc độ rôto, thông tin về lượng mất cân bằng trên mặt phẳng (I) và (II) sẽ hiển thị trên giao diện tại các ô: “Toc do roto”, “Thong tin mat can bang MP1” và “Thong tin mat can bang MP2” (hình 9). Mô hình máy thử cân bằng động được trình bày trên hình 10 và đồ thị phản lực tại gối đỡ A và B được mô tả trên hình 11. Ta gắn trên mặt phẳng 1 một khối lượng m 1 = 9g, tại vị trí góc là φ 1 = 90 0 , trên mặt phẳng 2 một khối lượng m 2 = 16g tại vị trí góc φ 2 = 60 0 . Tiến hành nhiều lần đo và xử lý số liệu khác nhau cho cùng một vật quay, ta nhận thấy kết quả thu nhận và tính toán (bảng 1) khá ổn định và khớp với thực tế, với sai số là 6,63%. Việc thu nhận tín hiệu từ cảm biến lực được thực hiện một cách chính xác, việc sử dụng dsPIC cho phép tăng số mẫu/vòng quay (đến 720 mẫu), nhờ đó nâng cao được độ chính xác tính toán. Mạch vi điều khiển thiết kế hoạt động ổn định. Bảng 1. Kết quả đo được từ mô hình máy cân bằng động chế tạo Lần thử Góc lệch (Độ) Lượng mất cân bằng (g.mm) Khối lượng mất cân bằng (g) φ 1 φ 2 U 1 U 2 M 1 M 1 01 90,68 58,67 385,79 678,25 9,64 16,95 Hình 8. Giao diện ban đầu của chương trình Hình 9. Giao diện chương trình tính toán Hình 10. Mô hình máy cân bằng động Hình 11. Đồ thị biểu diễn phản lực tại gối đỡ A và B Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 71 02 90,68 58,67 385,79 678,25 9,64 16,95 03 90,68 58,67 385,79 678,25 9,64 16,95 04 90,68 58,67 385,79 678,25 9,64 16,95 05 90,68 58,67 385,79 678,25 9,64 16,95 5. Kết luận Đề tài nghiên cứu đã thu được kết quả sau đây: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công mạch thu nhận tín hiệu sử dụng vi điều khiển dsPIC, xây dựng được chương trình thu nhận tín hiệu từ cảm biến thông qua dsPIC, cải tiến và hoàn thiện chương trình xử lý tín hiệu nhằm tính toán lượng mất cân bằng. Việc thu nhận tín hiệu từ cảm biến lực được thực hiện khá chính xác, số mẫu lên tới 720 mẫu. Tín hiệu thu nhận được lưu trữ dưới dạng file text, hay được phân tích xử lý trực tiếp để tính toán lượng mất cân bằng. Kết quả thu nhận tín hiệu và tính toán lượng mất cân bằng khá ổn định. Giao diện giao tiếp thân thiện và thuận lợi. Việc xác định lượng mất cân bằng khá nhanh chóng. Đây là tiền đề cho các công trình nghiên cứu phức tạp hơn để có thể chế tạo những máy cân bằng động cỡ nhỏ có độ chính xác cao phục vụ cho công tác giảng dạy về cân bằng động, cũng như ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. Có thể phát triển và hoàn thiện thiết bị và chương trình, tiến tới thay thế các thiết bị ngoại nhập đắt tiền. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đinh Gia Tường, Tạ Khánh Lâm (1995), Nguyên lý máy Tập I, Nxb. Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2] Trần Doãn Tiến (1986), Máy cân bằng động, Nxb. Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. [3] Lê Đình Tuân, Võ Thái Bình, Hoàng Hữu Chung, Nguyễn Thiện Lãnh, Cân bằng tùy động monorôto, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa, thành phố Hồ Chí Minh. [4] Joseph Edward Shigley (1980), Theory of Machines and Mechanisms, John Joseph Uicker JR. McGraw-Hill Inc., USA. [5] Robert L. Norton (1992), Design of Machinery, An introduction to the synthesis and analysis of mechanisms and machines, McGraw-Hill Inc, Singapore. [6] Ali M. Al-Shurafa (2003), Determination of Balancing Quality Limits, Saudi Electricity Company- Ghazlan Power Plant, ashurafa@hotmail.com. [7] Jean Marc PUGNET, Equilibrage des rotors rigides et flexible, Techniques de l’Ingénieur, Traité Mécanique, BM 5130-1. . Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 66 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC MÁY THỬ CÂN BẰNG ĐỘNG CỠ NHỎ RESEARCH ON THE ACCURACY ENHANCEMENT. tiền đề cho các công trình nghiên cứu phức tạp hơn để có thể chế tạo những máy cân bằng động cỡ nhỏ có độ chính xác cao phục vụ cho công tác giảng dạy về cân bằng động, cũng như ứng dụng vào. phẳng cân bằng) . Muốn xác định đối trọng cân bằng và vị trí đặt đối trọng cân bằng, cần phải xác định được lượng mất cân bằng trên hai mặt phẳng cân bằng tùy chọn nói trên. 2.2. Phương pháp xác