Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 32 (2014): 65-71 THIẾT KẾ CƠ ĐIỆN TỬ MÁY NÉN ĐƠN TRỤC PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU CƠ TÍNH TRÁI XỒI Võ Minh Trí1 Khoa Cơng nghệ, Trường Đại học Cần Thơ Thông tin chung: Ngày nhận: 31/10/2013 Ngày chấp nhận: 30/06/2014 Title: Mechatronic design of uniaxial compressor using for testing mangoes firmness Từ khóa: Máy kiểm tra vật liệu, thiết bị kiểm bền nén Keywords: Material testing machine, compressive strength tester ABSTRACT Uniaxial presser is generally used to characterize the physical properties of materials including constructional materials (soil, concrete), and food (meat, fruits) To design a presser, this research solved two fundamental problems: a mechanical system design with the appropriate transmission mechanism and an accurate control system with data acquisition module In the mechanical system, a ball-screw structure was used to generate axial motion transmitted from a stepper motor through a gearbox The microcontroller, displacement sensor, and load cell were implemented to acquire and process data then transmit the data to the graphical user interface (GUI) and to a computer for storage The design uniaxial presser has met certain required specifications with the accuracy of 48 µm in displacement and 1.95 N in force measurement The operation stability and reasonable cost of the system showed the feasibility of applying the system in measuring the mango firmness with destructive measurement methods TÓM TẮT Máy nén đơn trục thiết bị dùng phổ biến để tiến hành thí nghiệm nghiên cứu tính chất vật lý vật liệu nói chung, bao gồm xây dựng (đất, pê-tông) nguyên vật liệu ngành thực phẩm (thịt, trái cây) Để thiết kế máy nén, đề tài vào giải hai vấn đề thiết kế hệ thống khí với cấu truyền động thích hợp hệ thống điều khiển, thu thập liệu có độ xác cao Trong phần khí, hệ thống truyền động sử dụng cấu vít me đai ốc bi để tạo chuyển động tịnh tiến dọc trục, nguồn động lực cung cấp động bước thông qua hộp giảm tốc Chip vi điều khiển hệ thống cảm biến chuyển vị, cảm biến lực dùng để thu thập xử lý số liệu, sau truyền giao diện người dùng lưu trữ máy tính Kết máy nén đạt thơng số kĩ thuật định, độ xác đạt 48 µm đo biến dạng 1,95 N đo lực Khả làm việc ổn định giá thành thấp hoàn toàn phù hợp cho việc đo tính trái xồi thơng qua phương pháp đo phá hủy sử dụng phổ biến để phục vụ cho thí nghiệm kiểm tra nghiên cứu khoa học liên quan đến vật liệu Cụ thể, báo giới thiệu việc thiết kế GIỚI THIỆU Máy đo biến dạng hay gọi máy nén đơn trục dùng kiểm định vật liệu khơng mới, 65 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 32 (2014): 65-71 (2007) họ thực thí nghiệm nén 20 trái xồi sau cho thí nghiệm va đập Họ nhận thấy lực F tỷ lệ với độ biến dạng D cho độ dốc biểu đồ F-D (Hình 1) rút độ săn xồi có quan hệ với hệ số F/D số ngày thí nghiệm (X) chế tạo mơ hình máy nén đơn trục phục vụ cho mục đích nghiên cứu tính trái xồi đề tài nghiên cứu cấp trường “Bước đầu nghiên cứu độ chín xồi cát thương phẩm dùng phương pháp phân tích khơng phá hủy” Máy nén dùng thí nghiệm phá hủy để kiểm tra độ bền, độ cứng vật liệu nói chung hay cụ thể độ săn xoài nghiên cứu Kết thí nghiệm nén dùng để đối chứng với phương pháp khơng phá hủy, từ đánh giá hiệu phương pháp không phá hủy Cụ thể, họ tính độ săn xoài Nam Dokmai là: F / D 27.56 1659e1.4 E X 4.2 xoài Chok Anan: F / D 33.10 21813e6.8 E X Trong thí nghiệm xác định độ săn trái xồi Bundit Jarimopas Udomsak Kitthawee 2.5 Hình 1: Biểu đồ đáp ứng lực nén –biến dạng mơ tả thí nghiệm nén sản phẩm quy trình sản xuất Nó liên quan đến việc thiết kế hệ thống, thiết bị sản phẩm nhằm đạt cân tối ưu cấu trúc khí điều khiển tổng thể (Steinbuch, 2013) Các yêu cầu kĩ thuật thiết kế máy đo biến dạng Yêu cầu chung Vì vậy, nhằm giải nhu cầu máy nén để thực thí nghiệm đề tài, máy nén đơn trục thiết kế chế tạo Nhận thấy hầu hết máy nén có thị trường máy vận hành tay bán tự động, tiến hành thí nghiệm đòi hỏi người thực phải tốn thời gian để thu thập liệu tính tốn nên suất hoạt động thấp, máy nén đơn trục chế tạo với tiêu chí đạt khả thu thập, xử lý lưu trữ liệu tự động xuất báo cáo theo định dạng mẫu Cơ khí xác Lực ép theo yêu cầu Điều khiển vận tốc theo thời gian Thu thập, phân tích, xuất báo cáo theo mẫu Phân bổ yêu cầu theo khối chức NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan hệ thống điện tử Khối khí xác: độ phân giải biến dạng 48 µm, lực 1,95 N cho tầm đo 10.000 N, đảm bảo độ bền chịu tải cực đại Theo giáo sư M Steinbuch, điện tử kết hợp hữu kỹ thuật khí xác, điều khiển điện tử hệ thống theo quan điểm thiết kế 66 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 32 (2014): 65-71 Lực ép theo yêu cầu: có khả tạo lực nén cực đại đến 10.000 N việc lựa chọn động có hai giải pháp là: động bước động servo Tuy nhiên, giải pháp động servo đòi hỏi phải điều khiển vịng kín đồng thời chi phí cao so với sử dụng động bước mà điều khiển vịng hở Vì thế, động bước chọn để sử dụng Điều khiển vận tốc: dãy vận tốc lựa chọn khoảng 0,001 – 6,25 mm/phút Thu thập, phân tích, xuất báo cáo theo mẫu kiểm định vật liệu định dạng Excel 2.2 Thiết kế hệ thống 2.2.1 Hệ dẫn động khí Động bước chọn động bước pha, model 23KM-K032V, độ phân giải 1,8o/bước, tốc độ tối đa khoảng 300 vòng/phút (NMB Corporation, 1998) c Hộp giảm tốc Phần khí máy nén gồm động bước để tạo lực ép cho máy, hộp giảm tốc để giảm tốc độ động tăng mô-men xoắn, lắp cố định khung khí (Hình 2) Hộp giảm tốc sử dụng để giảm tốc độ tăng mo-men cho trục nén Hộp giảm tốc sử dụng loại trục vít – bánh vít, hai trục vng góc, model F2SM-15-10-240, tỉ số truyền 240:1 (NISSEI Corporation, 2004) d Tính lực nén Máy nén sử dụng vít me đai ốc bi để chuyển đổi chuyển động xoay sang chuyển động tịnh tiến Yêu cầu thiết kế khí lựa chọn thiết kế chi tiết với kích thước thích hợp để tạo hài hòa cân xứng quan trọng phải đảm bảo sức bền khả chịu tải a Chọn vít me đai ốc bi Từ thơng số động bước, vít me đai ốc bi, hộp giảm tốc tốc độ nén tính lực nén máy sau: Đối với vít me đai ốc bi model SF1505-4, tra tài liệu kĩ thuật thông số: Trường hợp: vận tốc nén trục 1,5 mm/phút Khả chịu tải tĩnh cho phép: C0 =3110 kgf C0 = 30 478 N => Vận tốc quay trục nén: ntruc = 1, 0, vòng/phút Khả chịu tải hoạt động: C = 1280 kgf C = 12 544 N (Bước ren vít me đai ốc bi l = mm) Bước vít me đai ốc bi: 5mm/vịng Vận tốc quay trục động cơ: ndc = 0, 240 72 vịng/phút Mơ-men xoắn trục động 0,8 Nm (dựa theo biểu đồ mô-men catalog động cơ) Công suất động : Pdc Tdc ndc 9, 55 Trong đó: Tdc mô-men xoắn trục động (Nm) ndc tốc độ quay trục động (vòng/phút) 0, 72 Pdc 6, 03 W 9, 55 Hình 2: Sơ đồ nguyên lý máy nén (Kết phù hợp với thông số kĩ thuật nhà sản xuất cung cấp) b Chọn động Để máy nén hoạt động cần có động để điều khiển trục vít me đai ốc bi Trong điều khiển vị trí, Hiệu suất truyền hộp giảm tốc 67 h =90% Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 32 (2014): 65-71 1 Công suất trục nén: Ptruc Pdc 6, 03 0, 5, 427 W Mômen xoắn trục nén: Ttruc 9, 55 5, 427 0, Khi thực thí nghiệm nén, mẫu vật chịu lực nén trục vít khung giới hạn Vì cần tính tốn sức bền kết cấu khung giới hạn, cụ thể tính độ võng hai dầm ngang lực chịu kéo hai đứng 172, Nm Lực nén tạo trục nén: Fa T 21 l 172, 2 0, 0, 005 = 0,9 hiệu suất truyền vít me đai ốc bi 2.2.2 Khung máy Đối với hai dầm có kích thước nên cần tính tốn đối tượng Ở đây, kết tính tốn dựa phần mềm AutoCAD Mechanical 195 220 N Trong đó: l (m) bước ren vít me đai ốc bi Hình 3: Tính độ võng dầm AutoCAD Mechanical phép thép C45 (TCVN 8301: 2009) Dựa kết tính tốn phần mềm gia tải 10 000 N độ võng tối đa 29,34 µm Độ võng nhỏ hai dầm đạt điều kiện để máy hoạt động tốt mà khơng bị ảnh hưởng đến kết thí nghiệm Như vậy, hai ren thừa bền sử dụng hết tải trọng động vít me đai ốc bi (12 544 N trình bày trên) 2.2.3 Đo lường điều khiển Tính độ bền ren: Đường kính hai thanh ren 24 mm, loại thép C45, tính tiết diện là: A d2 242 Hai thông số đo đạc máy lực nén độ biến dạng cần có cảm biến để đo đại lượng Máy trang bị loadcell (Hình - a) có khả chịu tải tối đa 200 kg để đo lực nén cảm biến đo chuyển vị (Hình b) có tầm đo – 100 mm Hai cảm biến khuếch đại tín hiệu IC INA125, sau tín hiệu đưa ngõ vào analog vi điều khiển PIC16F877A để số hóa nhờ ADC 10 bít tích hợp sẵn (lần lượt Amplifier1, Amplifier2, MCU Hình 5) 452,16 mm Lực kéo tối đa tính từ cơng thức: F A F A 452,16 60 27129,6 N Trong σ = 60 N/mm2 ứng suất kéo cho 68 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 32 (2014): 65-71 nhiều chương trình để thực chức khác nhau: điều khiển hiển thị LCD, kiểm tra phím ấn, điều khiển động bước, đọc tín hiệu cảm biến xử lý để truyền máy tính Bên cạnh đó, chương trình cịn thiết kế để bảo vệ máy có vấn đề tải giới hạn hành trình trục nén Lưu đồ giải thuật tổng quát Hình a) b) Hình 4: Load cell cảm biến chuyển vị Bộ điều khiển phần quan trọng máy nén, giúp máy hoạt động điều khiển trình tương tác với người dùng Bộ điều khiển hoạt động chủ yếu dựa điều khiển chip vi điều khiển PIC16F877A, chip vi điều khiển bít hãng Microchip Sơ đồ khối điều khiển trình bày Hình 5: Bộ điều khiển nhận lệnh từ người dùng thơng qua bàn phím (Keypad 4x4) nút nhấn (Push button), hiển thị trạng thái hoạt động lên hình LCD 20x4, xuất tín hiệu qua láy (Driver) để điều khiển động bước (Stepper motor) truyền liệu máy tính theo chuẩn RS-232 (thơng qua vi mạch chuyển đổi MAX232) Ngồi ra, máy cịn bảo vệ giới hạn hành trình nhờ cơng tắc hành trình (Limit Switch) gắn bên PC MAX232 POWER SUPPLY KEYPAD 4x4 Overtravel Limit Switch PUSH BUTTON MCU (PIC16F877A) Stepper motor Driver Stepper Motor LCD 20x4 Amplifier Amplifier Hình 6: Lưu đồ chương trình Loadcell Displacement Sensor Phần mềm thu thập liệu máy tính có chức nhận liệu lực nén độ biến dạng từ điều khiển máy nén truyền thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp RS-232 Hình 5: Sơ đồ khối điều khiển Trong trình nhận liệu từ điều khiển, phần mềm vẽ lại đồ thị lực nén biến dạng mẫu thí nghiệm giao diện chương trình (Hình 8) 2.2.4 Giao diện phần mềm Hệ thống phần mềm sử dụng để điều khiển máy nén gồm phận: phần mềm nhúng vi điều khiển phần mềm thu thập liệu máy tính Đặc biệt, kết thúc trình nén mẫu, phần mềm cho phép xuất file báo cáo kết thí nghiệm để lưu trữ dạng Excel (Hình 9) Đối với phần mềm nhúng vi điều khiển viết ngơn ngữ C, chia thành 69 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 32 (2014): 65-71 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ Với yêu cầu đặt dựa thực tế trang thiết bị, vật tư chế tạo máy, máy nén thiết kế chế tạo thành cơng Mơ hình hồn chỉnh máy nén Hình Bảng trình bày thông số kỹ thuật máy sau chế tạo Hình trình bày giao diện máy, giao diện cho phép giám sát trực tuyến ghi nhận liệu trình nén mẫu Trước thực trình nén, người dùng phải thực kết nối Quá trình thu thập diễn vùng điệm có liệu, nghĩa trình ghi hiển thị đồ thị bên phải bắt đầu nút khởi động trình nén mặt điều khiển máy ấn Kết thúc trình nén, kết xuất báo cáo dạng bảng kết kiểm định thiết kế trước Hình Ngồi ra, người dùng chép file lưu trữ ổ cứng máy, có định dạng bảng tính excel phục vụ cho nghiên cứu, phân tích, đánh giá kết kiểm định Hình 7: Mơ hình máy nén hồn chỉnh Bảng 1: Thông số kĩ thuật máy nén Vật liệu cấu tạo khung máy Kích thước (dài x rộng x cao) Điện áp cung cấp Hành trình nén Kích thước mẫu tối đa (chiều cao/đường kính) Khả gia tải cực đại máy Tốc độ nén Giới hạn cảm biến đo biến dạng Giới hạn cảm biến đo lực (đang sử dụng) Độ phân giải lực nén Độ phân giải biến dạng Thép CT3 550 x 470 x 1.340 mm 220 VAC 15 cm 30 cm/9 cm 12 500 N 0,001 – 6,25 mm/phút 50 mm 2.000 N 1,95 N 48 µm Hình 8: Giao diện phần mềm thu thập liệu máy tính 70 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 32 (2014): 65-71 Hình 9: Kết thí nghiệm lưu trữ thành file xuất in theo định dạng bảng kết kiểm định thiết kế trước theo qui định KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT TÀI LIỆU THAM KHẢO Đề tài thiết kế chế tạo thành cơng mơ hình máy nén đơn trục Kết cấu khí vững tính tốn dư bền, đạt thẩm mỹ định, an toàn, thuận tiện trình vận hành, máy hồn tồn nén nguyên vật liệu khác mà đảm bảo độ xác đo đạc Bundit Jarimopas Udomsak Kitthawee 2007 Firmness properties of mangoes International Journal of Food Properties, Vol 10, trang 899 – 909 ASTM - American Society for Testing and Materials, 2000 Standard Test Method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soil USA M Steinbuch, 2013 Mechatronics – The Science of intelligent machine http://www.journals.elsevier.com/mechatro nics/ truy cập ngày 13/10/2013 NSK Ltd., 2007 NSK Ball Screws Catalog Japan NISSEI Corporation, 2004 Gearbox F2SM15-15-240-S90 Japan NMB Corporation, 1998 Precision Step Motors USA Department of Mechanical Engineering – The University of UTAH Ball Screw Selection and Calculations http://www.mech.utah.edu/~me7960/lecture s.html, truy cập ngày 15/08/2013 Bộ điều khiển máy hoạt động tốt đảm bảo thao tác chọn chế độ hoạt động, đặt tốc độ, hiển thị thơng số cài đặt tình trạng hoạt động lên giao diện hình LCD khả truyền liệu máy tính Giao diện thu thập liệu máy tính ghi lại liệu tồn q trình nén đồ thị lực nén – biến dạng, cho phép nhập thông tin mẫu thí nghiệm (kích thước, độ ẩm, khối lượng riêng, tốc độ nén) để từ xuất tồn liệu file báo cáo dạng bảng tính (Excel) Quá trình vận hành thí nghiệm thực tế cho thấy khả ứng dụng máy lớn Máy nén hồn tồn đủ khả để thí nghiệm nén mẫu có độ cứng lớn mẫu đất kiểm định xây dựng, hay nhiều lĩnh vực khác khơng dừng lại mục đích nén thí nghiệm trái xoài 71