Hệ thống thực nghiệm

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔ HÌNH MA SÁT TRONG MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌ C XY LANH KHÍ NÉN

3.1.1. Hệ thống thực nghiệm

Để đánh giá ảnh hưởng của các mô hình ma sát đến khả năng mô phỏng hệ thống TĐKN điều khiển tỉ lệ, một hệ thống TĐKN điều khiển tỉ lệ thực nghiệm sử dụng một xy lanh khí nén cần được xây dựng để đo đạc và tính toán các thông số hoạt động của hệ thống như độ dịch chuyển của pít-tông, vận tốc pít-tông, áp suất trong các khoang xy lanh và lực ma sát trong xy lanh. Các đặc tính đo đạc và tính toán từ hệ thống thực nghiệm được sử dụng để kiểm chứng các kết quả mô phỏng với các mô hình ma sát.

41  

Hình 3.1. Hệ thống truyền động khí nén sử dụng một van servo/tỉ lệđiều khiển xy lanh

nén điều khiển tỉ lệ thường sử dụng một van phân phối tỉ lệ lưu lượng 5 cửa 3 vị trí như chỉ trong Hình 3.1. Van được điều khiển bởi một tín hiệu điện áp u và tương ứng với một giá trị của u sẽ có một giá trị lưu lượng cấp qua van tỉ lệ. Thông thường, nếu van được chế tạo đối xứng thì cửa cấp khí và xả khí trên van bằng nhau. Do đó, việc thay đổi lưu lượng cấp vào và xả ra mỗi khoang xy lanh sẽ bị hạn chế bởi việc điều khiển thông qua một tín hiệu u của một van. Do đó, để nghiên cứu được ảnh hưởng của mô hình ma sát với nhiều chế độ làm việc khác nhau về vận tốc chuyển động của pít-tông và áp suất khác nhau trong các khoang của xy lanh khí nén, nghiên cứu này lựa chọn phương án sử dụng hai van tỉ lệ lưu lượng điện khí nén điều khiển xy lanh khí nén tác dụng hai phía.

Thiết bị thí nghiệm được lắp đặt tại Phòng 207 nhà C8 – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội từ tháng 8 năm 2015. Thời gian thực hành thí nghiệm từ tháng 10 năm 2015 đến tháng 4 năm 2021. Hình 3.2 và 3.3 là sơ đồ nguyên lý và hình ảnh hệ thống TĐKN thực nghiệm sử dụng trong nghiên cứu này. Hệ thống này bao gồm: thiết bị nguồn khí nén, bộ chuẩn bị nguồn khí nén, một xy lanh khí nén, hai van tỉ lệ lưu lượng điện - khí nén (và hai bộ khuếch đại tín hiệu của van) và các phần tử điều khiển (01 cảm biến vị trí, hai cảm biến áp suất khí nén, một máy vi tính, một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (A/D) và số sang tương tự (D/A). Xy lanh khí nén có đường kính pít-tông 25 mm, đường kính cần pít-tông 10 mm và hành trình 300 mm được lắp đặt cố định theo phương ngang trên một tấm phẳng làm bằng thép. Đầu cần pít-tông được nối với một tải M có thể trượt trên thanh dẫn hướng. Tải được thay đổi từ 0.5 đến 5 kg. Chuyển động của pít-tông được điều khiển bằng hai van điều khiển tỉ lệ lưu lượng điện – khí nén. Van 1 được nối vào khoang không

42  

Hình 3.2. Sơđồ nguyên lý hệ thống TĐKN điều khiển tỉ lệ thực nghiệm

Hình 3.3.Ảnh hệ thống TĐKN điều khiển tỉ lệ thực nghiệm

có cần pít-tông của xy lanh và Van 2 được nối với khoang có cần pít-tông của xy lanh. Các van tỉ lệ khí nén này được điều khiển bằng tín hiệu điện u1 và u2 với điện áp thay đổi từ 0 đến 5 V. Hình 3.4 và 3.5 là hình ảnh, ký hiệu, đặc tính và sơ đồ nguyên lý hoạt động của van tỉ lệ với mã van VEF3121-02. 

43  

Hình 3.4. Hình ảnh, ký hiệu hình học, các thông số và đặc tính của van tỉ lệ lưu lượng điện – khí nén VEF3121-1-02 80

Hình 3.5. Sơđồ nguyên lý hoạt động của van tỉ lệ VEF3121-0280

Theo đặc tính này của van, nếu tín hiệu điều khiển van u1 hoặc u2 thay đổi từ 2.5 V đến 5 V (tín hiệu điện áp từ 2.5 V đến 5 V được bộ khuếch đại tín hiệu của van chuyển đổi tỉ lệ sang cường độ dòng điện tương ứng có giá trị từ 0.5 đến 1 A),

44  

các van làm việc nối cửa P với cửa A, tức là cấp khí đến khoang xy lanh. Ngược lại, nếu các tín hiệu điều khiển van u1 hoặc u2 thay đổi từ 0 đến 2.5 V (tương ứng với cường độ dòng điện từ 0 đến 0.5A), các van làm việc nối cửa A và R, cho phép khí từ khoang xy lanh xả ra ngoài khí quyển. Nếu u1 hoặc u2 = 2.5 V (tương ứng với cường độ dòng điện 0.5 A), cửa A của các van bị bịt kín (Hình 3.5), tức là không cấp khí và xả khí từ khoang xy lanh. Do đó, ta có các điều kiện hoạt động của xy lanh như sau:

 Hành trình thuận của pít tông: nếu 2.5 < u1 ≤ 5 V và 0 ≤ u2 < 2.5 V, van 1 cấp khí vào khoang xy lanh bên trái và van 2 xả khí từ khoang bên phải của xy lanh (Hình 3.2), xy lanh thực hiện hành trình thuận (pít-tông dịch chuyển từ trái sang phải);

 Hành trình nghịch của pít tông: nếu0 ≤ u2 < 2.5 V và 2.5 < u2 ≤ 5 V, van 1 xả khí từ khoang xy lanh bên trái, van 2 cấp khí vào khoang xy lanh bên phải, xy lanh thực hiện hành trình nghịch (pít-tông dịch chuyển từ phải qua trái);

 Pít tông đứng yên: nếu u1 = u2 = 2.5 V, van 1 và van 2 đóng, khí không được cấp vào khoang xy lanh hay xả ra từ khoang xy lanh.

Lưu lượng khí cấp vào mỗi khoang xy lanh hay được xả ra từ mỗi khoang của xy lanh phụ thuộc vào giá trị điện áp cấp vào u1 và u2. Do vậy, với việc sử dụng hai van tỉ lệ lưu lượng trong hệ thống đề xuất trong nghiên cứu này, lưu lượng hay áp suất trong mỗi khoang xy lanh có thể được điều khiển độc lập và do đó ta có thể khảo sát hệ thống trong nhiều điều kiện hoạt động khác nhau.

Hai bộ khuếch đại tín hiệu của van tỉ lệ được kết nối giữa bộ chuyển đổi D/A và hai van tỉ lệ. Chúng được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu điện thế thành tín hiệu cường độ dòng điện điều khiển các van tỉ lệ. Hình 3.6 là các thông số cơ bản của bộ chuyển đổi tín hiệu của van tỉ lệ. Tín hiệu điện thế đầu vào Bộ chuyển đổi từ 0 đến 5 V được chuyển đổi thành tín hiệu cường độ dòng điện tương ứng từ 0 đến 1 A.

45  

Hình 3.6. Các thông số cơ bản của Bộ khuếch đại tín hiệu của van tỉ lệ mã VEA25081 Cảm biến vị trí được sử dụng để đo vị trí dịch chuyển của pít-tông xy lanh khí nén. Cảm biến này có phạm vi đo 0 ÷ 300 mm và được lắp song song với xy lanh khí nén. Tín hiệu vị trí của pít-tông được chuyển thành tín hiệu điện thế tỉ lệ từ 0 đến 5 V. Hai cảm biến áp suất với phạm vi đo là 0 ÷1 MPa được sử dụng để đo áp suất trong hai khoang xy lanh khí nén. Tín hiệu áp suất của cảm biến được chuyển thành tín hiệu điện thế với tỉ lệ từ 0 đến 5V. Tín hiệu vị trí và tín hiệu áp suất được đọc qua máy tính thông qua bộ chuyển đổi tương tự sang số 12 bít (A/D). Máy tính gửi tín hiệu điều khiển u1 và u2 đến hai van thông qua bộ chuyển đổi số sang tương tự 12 bit (D/A). Các giá trị u1 và u2 được cho trong chương trình điều khiển. Chương trình thu thập dữ liệu và điều khiển được thực hiện bằng phần mềm Microsoft Visual C ++. Các tín hiệu được ghi lại với khoảng thời gian lấy tín hiệu mỗi lẫn là 1.16 ms. Với khoảng thời gian lấy tín hiệu 1.16 ms thì thời gian máy tương đương với thời gian thực. Bảng 3.1 tổng hợp các thiết bị chính được sử dụng trong hệ thống thí nghiệm.

46  

Bảng 3.1. Các thiết bị chính sử dụng trong hệ thống thí nghiệm

Số

TT Tên thiết bị Mã thiết bị Các thông số kỹ thuật chính

Hãng sản xuất

1 Máy nén khí PK 1090A pmax = 8 bar, Qmax = 720 l/ph PUMA

2 Bộ chuẩn bị nguồn khí nén GC 600-20 pmax = 10 bar, Qmax = 720 l/ph Airtac 3 Van tỉ lệ lưu lượng điện - khí nén VEF3121- 1-02

Áp suất lớn nhất pmax = 1 MPa, diện tích cửa lưu thông lớn nhất 12 mm2; cường độ dòng điện Imax = 1 A. SMC 4 Bộ khuếch đại tín hiệu của van VEA 250

Điện áp đầu vào: 0 ÷5 VDC Cường độ dòng điện đầu ra: 0 ÷1 A Sai số:  1% F.S SMC 5 Xy lanh khí nén CM2L25- 300 Đường kính pít-tông: 25mm, Đường kính cần: 10mm, Hành trình: 300mm SMC 6 Cảm biến áp suất PSE 540

Dải đo: 0 ÷1 MPa

Sai số đo lớn nhất: 2% F.S SMC 7 Cảm biến vị

trí LWH0300

Dải đo: 0 ÷ 300 mm

Sai số đo lớn nhất: 0.04% F.S Novotechnik

8 Bộ thu thập

dữ liệu USB4711

Vận tốc lấy mẫu lớn nhất: 150 kS/s,

Số kênh đầu vào tương tự: 16 Số kênh đầu ra tương tự: 2

Advantech 9 Máy vi tính HP EliteBook 8560W Intel (R) core (TM) i7 – 2630QM CPU; 64 bits, RAM 8GB; 2 GHz.

Helett – Packard

47  

Lực ma sát, Fr, được tính từ phương trình chuyển động của pít-tông khí nén bằng cách sử dụng các giá trị đo được của áp suất trong buồng xy lanh, giá trị tính toán gia tốc chuyển động của pít-tông và tải khối lượng quy về pít-tông như sau:

1 1 2 2

r

F  p A  p A Ma (3.1)

trong đó:

A1, A2 (m2) - diện tích hữu ích trên hai mặt tác dụng của pít-tông,

M (kg) – tải tác dụng quy về pít-tông,

a (m/s2) - gia tốc chuyển động của pít-tông.