Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH MA SÁT CỦA XYLANH – PISTON KHÍ NÉN TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ẨM VIỆT NAM RESEARCHING AND BUILDING AN EXPERIMENT SYSTEM TO INVESTIGATE FRICTION CHARACTERISTICS OF PNEUMATIC CYLINDER IN CONDITION OF TEMPERATURE AND HUMIDITY IN VIETNAM Nguyễn Thùy Dương1, Phạm Văn Hùng2 Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà nội duong.nguyenthuy@hust.edu.vn; 2hung.phamvan@hust.edu.vn 1,2 TÓM TẮT Xylanh – piston khí nén (XLPTKN) môđun động lực chuyển động thẳng sử dụng nhiều cấu, cụm cấu máy Đặc biệt hệ thống máy, thiết bị công nghiệp làm việc tự động với cấu hình phận động lực hệ thống thiết bị điện tử đại Việc điều khiển thay đổi áp suất lưu lượng khí v.v cho phép thay đổi lực tác dụng, vận tốc, gia tốc vị trí XLPTKN Máy công cụ CNC thiết bị điện tử đại, hệ thống thay dao cụm trục có tích hợp XLPTKN, độ xác vị trí dịch chuyển XLPTKN ảnh hưởng trực tiếp đến độ đồng tâm gá dao với trục Bài báo trình bày kết nghiên cứu xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm khảo sát đặc tính ma sát XLPTKN làm sở cho nghiên cứu tính toán thực nghiệm ảnh hưởng môi trường nhiệt ẩm Việt Nam đến đặc tính ma sát XLPTKN mô hình tính toán độ xác dịch chuyển ổ chứa dao Từ khóa: xylanh – piston khí nén, ma sát XLPTKN, đặc tính ma sát, khí hậu nhiệt đới ẩm, ảnh hưởng nhiệt ẩm đến ma sát ABSTRACT Pneumatic Cylinders (XLPTKN) is linear motion driving module which is common used in machines; especially in industrial automatic systems, with the role as driving module of these systems Changing pressure and gas flow, etc lets change the force, speed, acceleration and position of XLPTKN CNC machine tools are modern mechatronic systems, where automatic tool change and spindle are integrated with XLPTKN, therefore piston position accuracy in moving process will directly affect the concentricity between cutting tool and spindle This paper presents the result of building XLPTKN friction characteristics measuring system, which is basis for calculating and experimentation on the effect of temperature and humidity environment Vietnam to friction characteristic of XLPTKN, a very important factor in calculations model of position accuracy of tool magazine Keywords: pneumatic cylinder, friction in pneumatic cylinder, friction characteristics, tropical humidity climate, affects of temperature and humidity to friction ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, lĩnh vực tự động hóa công nghiệp nói chung chế tạo máy công cụ CNC nói riêng, việc tích hợp XLPTKN hệ thống động lực chuyển động thẳng phổ biến Tuy nhiên, độ xác vị trí cấu có tích hợp XLPTKN hệ thống nói có hạn chế định Một nguyên nhân ảnh hưởng đến độ xác vị trí XLPTKN đặc tính ma sát nó, tượng trượt bước nhảy thường xảy tốc độ dịch chuyển nhỏ 490 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính ma sát XLPTKN phòng thí nghiệm ma sát học - Viện Cơ khí ĐHBKHN triển khai nghiên cứu xây dựng Kết khảo sát đặc tính ma sát nhận thiết bị giúp cho việc tính toán mô độ xác vị trí dịch chuyển XLPTKN gần với thực tế vận hành Hiện nay, việc tính toán sai lệch dịch chuyển XLPTKN chủ yếu thực thông qua tính toán mô phần mềm chuyên dụng, đặc tính ma sát XLPTKN đưa vào với hệ số ma sát lực ma sát có giá trị không đổi suốt chu kỳ làm việc Do đó, để có tính toán mô xác hơn, thực tiễn cần có kết khảo sát đặc tính ma sát phụ thuộc vào dịch chuyển XLPTKN điều kiện môi trường khác Bài báo trình bày kết nghiên cứu xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm khảo sát đặc tính ma sát XLPTKN điều kiện tốc độ dịch chuyển, áp suất môi trường thay đổi NÔI DUNG 2.1 Một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính ma sát XLPTKN Các cặp ma sát nói chung XLPTKN nói riêng làm việc điều kiện môi trường khí hậu Việt nam chịu tác động số yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính ma sát sau[1]: (1) Trong đó: p: áp suất v: tốc độ dịch chuyển : vectơ thông số ma sát phụ thuộc vào tính chất vật liệu, tính chất tiếp xúc, chất lượng bề mặt, yếu tố khí (nhiệt độ t, độ ẩm RH%), rung động… Trong yếu tố có yếu tố không thay đổi trình vận hành như: Tính chất ma sát tiếp xúc phụ thuộc vào chất vật liệu, chất lượng bề mặt…Vì vậy, đặc tính ma sát XLPTKN thực tiễn phụ thuộc chủ yếu vào áp suất danh nghĩa p, tốc độ dịch chuyển, điều kiện môi trường, bôi trơn … Trong thực tế, chế tạo sử dụng yếu tố ảnh hưởng thay đổi nói có tính ngẫu nhiên có ảnh hưởng khác đến đặc tính ma sát XLPTKN Do đó, cần thiết phải có hệ thống thiết bị thí nghiệm đặc thù để khảo sát đặc tính ma sát XLPTKN yếu tố p, v, môi trường thay đổi 2.2 Xác định thông số kỹ thuật hệ thống thiết bị thực nghiệm 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị thực nghiệm Trong trình làm việc XLPTKN chịu tác dụng lực dọc trục lực quán tính Trong thành phần lực dọc trục có lực ma sát Lực ma sát cản trở chuyển động XLPTKN xuất chủ yếu kết cấu gioăng cần – xylanh, gioăng piston – xylanh hình Hình Cấu tạo xy lanh –piston khí nén 491 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Căn theo sơ đồ nguyên lý cấu tạo XLPTKN hình 1, đề xuất sơ đồ động nguyên lý hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính XLPTKN thể hình Trong sơ đồ này, cụm XLPTKN đối tượng khảo sát thiết kế, lắp đặt hoàn toàn môi trường thay đổi nhiệt ẩm, nguồn động lực cấp cho chuyển động thẳng đặt bên môi trường nhiệt ẩm để tránh hư hỏng độ ẩm thay đổi có giá trị cao Tủ nhiệt ẩm sử dụng: Thiết bị BKNA1 phòng thí nghiệm ma sát học – Viện khí – Trường đại học Bách khoa Hà nội với thông số kỹ thuật sau: Dải độ ẩm RH (%): 40 - 99% ± 2% Dải nhiệt độ : 10 – 550C ±10C Dung tích: 400 x 500 x 600 mm Để đảm bảo điều kiện làm việc XLPTKN chịu lực dọc trục, bố trí đường dẫn hướng song song trục piston liên kết cứng với xylanh Trong thiết bị xylanh chuyển động tịnh tiến, piston gắn cố định với hệ thống đo dẫn động cho xylanh chuyển động tịnh tiến động servo điện thông qua cụm truyền động vít me - đai ốc bi Cảm biến đo lực ma sát CB1 thước đo dịch chuyển thẳng CB2 gá môi trường nhiệt ẩm sơ đồ nguyên lý Toàn hệ thống điều khiển cảm biến kết nối với máy tính mền phần mềm chuyên dụng Dasylab 11.0 Tốc độ dịch chuyển XLPTKN điều khiển từ máy tính thông qua điều khiển động servo (servo drive) Máy tính tiếp nhận giá trị lực ma sát lượng dịch chuyển xylanh từ cảm biến CB1 CB2 thông qua thiết bị thu nhận xử lý số liệu (ADC) Với phần mềm chuyên dụng Dasylab 11.0 cho phép hiển thị mối quan hệ lực ma sát – hành trình dịch chuyển tốc độ khảo sát; giá trị lực ma sát tĩnh Fmst, giá trị lực ma sát động Fmsđ với thời gian đạt Encoder Servo Drive Computer Servo motor ADC CB3 CB4 CB2 CB1 bkna1 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính XLPTKN CB1- Cảm biến lực, CB2- Thước đo dịch chuyển thẳng CB3- Cảm biến hành trình bên trái, CB4 – Cảm biến hành trình bên phải Việc xây dựng sơ đồ thiết bị hình có tham khảo sơ đồ nguyên lý tác giả [4,5,6] cho phép dễ dàng thay đổi ổn định tốc độ dịch chuyển XLKN thông qua mạch điều khiển động điện servo Đây điểm khác biệt so với hệ thống thiết bị tác giả [4,5,6] đề xuất Việc bố trí hệ thống cảm biến lực, thước đo dịch chuyển thẳng CB hành trình hoàn toàn bên môi trường nhiệt ẩm cho phép xác định xác quan hệ lực ma 492 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV sát – dịch chuyển tốc độ môi trường nhiệt ẩm khác đảm bảo tuổi thọ độ tin cậy hệ thống đo 2.2.2 Xác định thông số kỹ thuật hệ thống thiết bị thực nghiệm Mục đích thực nghiệm khảo sát đặc tính ma sát XLPTKN sử dụng thiết bị điện tử nói chung hệ thống thay dao tự động máy CNC cỡ trung nói riêng, nhóm đối tượng nghiên cứu XLPTKN đầu cần có đường kính piston lớn đến D = 50mm, đường kính cần d=20mm, hành trình làm việc đến 100mm, tuân theo ISO 9001- 2008, tốc độ dịch chuyển lớn vmax = 200mm/s Hệ thống khí thiết bị thực nghiệm  Hệ thống dẫn động XLKN: Sử dụng cụm truyền động vít me đai ốc bi tính toán lựa chọn theo lực tác dụng Fa, tốc độ dịch chuyển Vmax, chế độ tải fw, kiểu lắp f: - Với hệ số hiệu dụng XLPTKN 0,7 xác định lực Fa = 824N; - Bước vít me tp=5mm; - Tải trọng động vít me tính theo công thức sau [3]: Ca   60 Nm  Lt   Fa  f w 102 1/3 (2) Trong đó: Nm: số vòng quay lớn động cơ, Nm = 3000vg/phút Lt: Tuổi thọ làm việc vít me đai ốc bi, L = 25000h fw : Hệ số tải trọng, trường hợp thiết bị thí nghiệm chế độ làm việc nhẹ, chọn fw = 1.0 Do Ca=1360,4 kgf - Đường kính trục vít me tính theo công thức [3] dr  N max  L2 107 f (3) Trong đó: f: Hệ số phụ thuộc kiểu lắp đặt ổ đỡ trục vít me với kiểu lắp đặt hệ thống thiết bị thực nghiệm lắp kiểu cố định – tự do, f = 3,4 L: Tổng chiều dài vitme, L = 350 mm Thay vào công thức (3) tính dr ≥ 10,8 mm Trên sở bước vít me, đường kính tính toán sơ bộ, tải trọng động Ca, chọn vít me kí hiệu SPU2005 hãng TBI có d = 20mm, l = 5mm, Ca =1551(kgf)  Động dẫn động Công suất động tính theo công thức: (4) Trong đó: Ne: công suất động Mx : Mô men xoắn động (Nm), Mx  Fa l 2 493 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV : Hiệu suất truyền động,  = 0,9 l: Bước vít me, l =5 bước vít Trong điều kiện thiết bị thí nghiệm chọn động servo lai (Hybrid servo motor) 86HS40-EC- 1000 với thông số: Mô men xoắn T = 4Nm, Nmax = 3000 vg/phút  Hệ thống đường dẫn hướng XLKN gắn lên bàn máy dẫn hướng có đường dẫn hướng ma sát lăn Khối lượng tổng cộng tác dụng lên đường dẫn hướng: W = 15(kg) Tốc độ dịch chuyển hệ thống thí nghiệm không đổi có Vmax = 200mm/s Lực tác dụng lên block ray trượt tính: Pi(i=1~4)= 150/4 = 36,75N Tải trọng tĩnh tác dụng lên block tính theo công thức C0  P f SL (5) Trong đó: fSL = 1-3 hệ số an toàn tĩnh cho tải trọng đơn, lấy fSL =3 Do : Co = 110,25N Tải đặt lên Block ray dẫn hướng tải trọng nhẹ làm việc môi trường nhiệt ẩm máy thí nghiệm nên chọn loại block ray TRS – 15VN hãng TBI với thông số sau: C = 1206 (kgf), C0 = 2206 (kgf) Hệ thống đo thiết bị thực nghiệm Hệ thống quan trọng thiết bị hệ thống đo có nhiệm vụ đo lực ma sát biến đổi theo dịch chuyển gồm thành phần cảm biến đo lực thước đo dịch chuyển thẳng kết nối với máy tính thông qua mạch ghép nối Cảm biến đo lực: LOADCELL GSL- 301A, tải trọng 100 kg, độ xác 0,02%FS Thước đo thẳng: DTH –A, độ xác ± 0,1% RO, 100mm hãng Kyowa Tín hiệu thu từ cảm biến lực thước đo dịch chuyển thẳng xử lý chuyển đổi từ tín hiệu điện áp sang tín hiệu số thông qua chuyển đổi USB 1608 – FS truyền vào máy tính Sơ đồ kết nối phần cứng hệ thống đo thể hình Cảm biến lực m V Mạch khuyếch đại Bộ Lọc Mạch lặp điện áp Bộ Lọc V Thước đo dịch chuyển -5V In In USB 1608 FS Máy tính -5V Hình Sơ đồ kết nối phần cứng hệ thống đo  Phần mềm xử lý số liệu Thiết bị sử dụng phần mềm xử lý số liệu tự động Dasylab 11.0 phần mềm đo chuyên dụng cho phép ghi số liệu, đọc lại liệu xuất file liệu Giá trị cảm biến lực thước đo thẳng sau gia công chuyển đổi tín hiệu từ tín hiệu điện áp sang tín hiệu số đưa máy tính với chương trình đo lực ma sát theo dịch chuyển xây dựng phần mềm Dasylab 11.0 Chương trình đo ghi liệu xây dựng dựa modun phần mềm hình Mỗi lần đo lưu file liệu có định dạng (.DDF) 494 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Chương trình đo lực ma sát Trong đó: - Dev1_Ai0: Các đầu vào (0: Lực; 1: Hành trình) - Digital Fi00: Lọc nhiễu đầu vào - Action01: Chuyển chế độ chạy chương trình theo yêu cầu (Full hình chạy bình thường) -Scaling00: Set - L-Dig: Hiển thị số (điện áp lực) - LUC: Lập thang đo lực - HT: Lập thang đo hành trình - HT-Dig: Hiển thị số (điện áp hành trình) - Dig-luc: Hiển thị số giá trị lực - Recorder: Hiển thị dạng biểu đồ (lực HT theo thời gian) - Dig-HT: Hiển thị số giá trị hành trình - Write01: Lưu kết đo sang file có định dạng (.DDF) - X/Y chart00: Đồ thị “lực – hành trình” Chương trình đọc lại liệu hình cho phép chọn, đọc lại file liệu đo lưu chương trình đo, mô lại trình đo vừa thực hiển thị hình giao diện đồng thời đồ thị: Lực theo thời gian, lực theo hành trình, hành trình theo thời gian giá trị Fmst, Fmsđ Hình Chương trình đọc lại liệu 495 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hệ thống thiết bị thực nghiệm khảo sát đặc tính ma sát XLPTKN điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam xây dựng hoàn chỉnh hình Trên hình hình ảnh tổng quát hệ thống thiết bị bao gồm mô đun bản: Hệ thống khí, hệ thống đo, thiết bị nhiệt ẩm, điều khiển xử lý số liệu THIẾT BỊ NHIỆT ẨM HỆ THỐNG CƠ KHÍ HỆ THỐNG ĐO BỘ ĐK & XLSL tro l box Hình Thiết bị khảo sát đặc tính ma sát XLPTKN điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam Thực nghiệm với XLPTKN có thông số: D = 50mm, d = 20mm, hành trình làm việc đến 150mm, tuân theo ISO 9001- 2008; Với hành trình thí nghiệm L = 80mm, tốc độ dịch chuyển v = ÷100mm, áp suất buồng XL bar ÷ bar, T = 15÷ 500C, RH = 50 ÷ 99% Hình Kết thực nghiệm hiển thị hình giao diện đo 496 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Kết thực nghiệm hiển thị hình máy tính hình với điều kiện v = 15mm/s, áp suất khí quyển, T = 32,50C, RH = 50% bao gồm thông tin sau: 1- Đồ thị lực theo thời gian 2- Đồ thị hành trình theo thời gian 3- Đồ thị lực theo hành trình 4- Hiện thị giá trị đo vị trí mà trỏ Y1, Y2 trỏ đến Giá trị Max – giá trị lực ma sát tĩnh Fmst = 22,2199N Giá trị RMS – giá trị lực ma sát động Fmsđ = 15,60 N Giá trị dt – thời gian dịch chuyển (thời gian dịch chuyển ban đầu tt = 0,064s, thời gian đạt trạng thái ổn định tđ = 0,112s) Căn vào số liệu thực nghiệm thu cho thấy hệ thống thiết bị hoàn toàn đáp ứng yêu cầu thí nghiệm đề Đặc tính ma sát XLPTKN hoàn toàn tuân theo qui luật biến thiên ma sát nói chung [1,2] Kết thu thể rõ khác biệt ma sát tĩnh ma sát động với giá trị đo cụ thể lực thời gian Các đường biểu diễn lực ma sát tương đối ổn định, biên độ biến động nhỏ, dễ dàng xác định thời điểm đặc trưng đặc tính ma sát để phân biệt ma sát tĩnh, động điều kiện thực nghiệm thay đổi KẾT LUẬN Hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính ma sát XLPTKN áp suất tốc độ thay đổi hoàn toàn tương thích với thực nghiệm có yếu tố nhiệt ẩm cao biến thiên phức tạp hệ thống đo lực đo dịch chuyển động dẫn động hoàn toàn bên môi trường nhiệt ẩm Hệ thống thiết bị thực nghiệm xác định thông số đặc trưng ma sát XLPTKN bao gồm: Quan hệ lực ma sát hành trình tốc độ dịch chuyển khảo sát, giá trị lực ma sát tĩnh Fmst, giá trị lực ma sát động Fmsđ với thời gian đạt giá trị Truyền động điều khiển tốc độ dịch chuyển thiết bị có độ xác phù hợp với thực nghiệm sử dụng mạch điều khiển động điện servo với lượng dịch chuyển tương ứng với máy công cụ CNC thước đo thẳng cho phép phát sai lệch cỡ 1µm Chương trình đo lực ma sát theo dịch chuyển xây dựng phần mềm Dasylab 11.0 drive nối ghép cho phép kết nối có hiệu thiết bị thực nghiệm với máy tính tạo điều kiện thuận lợi cho việc hiển thị kết đo xử lý số liệu thu Sai lệch lớn giá trị đo so với kỳ vọng thông số: Lực ma sát, tốc độ dịch chuyển cho thấy hoàn toàn nằm vùng giá trị cho phép, sai số 3%, thiết bị thử nghiệm BKMSXLPT-2014 đáp ứng thông số yêu cầu cần thiết cho nghiên cứu đặc tính ma sát XLPTKN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Anh Tuấn, Phạm Văn Hùng, Kỹ thuật ma sát, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007 [2] Nguyễn Doãn Ý, Giáo trình ma sát mòn bôi trơn, NXB Khoa học kỹ thuật, 2008 [3] PMI linear motion system, Precision motion industries, INC [4] Belforte G, Mattiazzo G, Mauro S Measurement of friction force in pneumatic cylinders Tribotest, 10, 2003, No.1, p.33 - 48 [5] Ho Chang, Chou Wei LAN, Chih Hao Chen, TsingTshih Tsung, Jia Bin GUO, Measurement of frictional force characteristics of pneumatic cylinders under dry and lubricated conditions, PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R 88 NR 7b 497 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [6] Xuan Bo Tran and Nguyen The Trung (2014), Friction behavior of pneumatic cylinder in Pre-sliding regime, RCMME2014 [7] M GAWLIŃSKI (2007), Friction and wear of elastomer seals Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2014, Vol VII, No.4, p.57-67 THÔNG TIN TÁC GIẢ Nguyễn Thuỳ Dương Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà nội duong.nguyenthuy@hust.edu.vn 0904.447.096 Phạm Văn Hùng Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà nội hung.phamvan@hust.edu.vn 0913.359.081 498 ... công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính ma sát XLPTKN phòng thí nghiệm ma sát học - Viện Cơ khí ĐHBKHN triển khai nghiên cứu xây dựng Kết khảo sát đặc tính ma sát. .. hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hệ thống thiết bị thực nghiệm khảo sát đặc tính ma sát XLPTKN điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam xây dựng hoàn chỉnh hình Trên... hình hình ảnh tổng quát hệ thống thiết bị bao gồm mô đun bản: Hệ thống khí, hệ thống đo, thiết bị nhiệt ẩm, điều khiển xử lý số liệu THIẾT BỊ NHIỆT ẨM HỆ THỐNG CƠ KHÍ HỆ THỐNG ĐO BỘ ĐK & XLSL tro