Balance Machine

 

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học  lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010  

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 Văn Duy   , Trường Đại học Bách Bách Khoa  GV H D: TS. Lê Cung, ThS. Nguyễn Văn Quyền   Khoa Sư phạm kỹ thuật, Trường Trường Đại học Bách K Khoa hoa  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.

Tổng quan 

1. 

,

. Phản lực động phụ gây nên bởi lực quán tính biến i: thiên có chu kỳ là nguyên nhân nhiều . Đồng thời, phản lực , tăng đ . 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

.

66

 

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học  lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010  

Cơ sở lý thuyết về cân bằng động 

2. 

 2.1.. Vật quay dày và nguyên tắc cân bằng động vật quay dày   2.1

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 lự c quán tính và momen lực quán tính  tác động lên vật quay, tức là å  P qt  0   và  M qt  0 . 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 nói trên.    2.2..  Phương  2.2 Phương pháp xác định định lượng mất cân bằng  bằng   Có nhiều phương pháp (I) (II) (I) a khác nhau để xác định lượng mất  b c cân bằng trên hai mặt phẳng cân  bằng (I) và (II), ở đây lượng mất FB F1 1 cân bằng được xác định thông F2 B A 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, F2  do các

FA

A

F2CB F1CB H ình 1. 1. Sơ đồ tính lượng mất cân bằng  

FA

1

F1 1

FB

Với sơ đồ trên hình 1, ta có:

F1CB F 2 CB

(1), [C l ]

1

FA   FB

suy

B

2

lượng mất cân bằng trên mặt  phẳng (I) và (II) gây ra: 

Từ

=

a a

b

c

 

(1)

F2 c

;

a

b

c

 

ra:

trong đó:

F1CB  và F2CB  là

lực đặt trên các mặt  phẳng (I) và (II) để cân bằng với các lực quán tính ly tâm. Từ F1CB  và F2CB, dễ dàng suy ra khối lượng đối trọng cân bằng và vị trí đặt đối trọng. 

MPX FILTER 

A/D SAMPLE HOLD CONVERT

FILTER 

CPU

2

1 3 4

 

5

ROM RAM DISPLAY

CLOCK 

Thiết bị cân bằng động và mạch thu nhận tín hiệu 

3. 

6

 3.1..  Sơ  3.1 Sơ đồ nguyên lý của máy cân bằng động  

KEYBOARD

H ình 2. 2. Sơ đồ nguyên lý máy cân bằng động   67

 

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học  lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010  

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  3.2 Bộ phận thu nhận nhận và xử  ý l  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.   5V

R 

Dia quay

Tin hieu xung vuong

H ình 3. 3. Sơ đồ đồ cấu cấu t o của của cảm cảm bi biến ến l c DLC DLC10 1011-5K  

H ình 4. 4. Sơ đồ cấu tạo cảm biến quang  

3.2.2. Cảm biến quang  

OMRON. Thông số kỹ thuật cơ bả n: Điện thế cung cấ p 12~24V, t ín

3XR-CE4 của hiệu ra 5V, t

hãng 

4. 3.2.3.  Mạch  Mạch thu nhận tín tí n hiệu quang

từ cảm biến lực và cảm biến

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

H ình 5. Mạch vi điều khiển

được thiết kế và chế tạo   68

 

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học  lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010  

.

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. B t đ u  - 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  H ình 6. 6. Hàm   Hàm main chương trình thu nhận tín hiệu cho card card dsPIC   B t đ u  - Nhận  Nhận dữ liệu qua c ng RS232  -Lưu chuỗi giá trị của cảm biến lực 1,2 vào t1,t2

2

đư ợc tại gối A, B: F A, FB - Tìm lực cực đại thu được - Tìm góc pha của FA, FB: A, B.

- Tí Tính nh lự lựcc m t câ cânn b ng F1, F2 - Tìm góc pha của F1, F1: 1, 2 

-C

t ccác ác giá giá trị trong trong cchu hu i t1, 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. 

Tính Um1, Um2 

Tính khối lượng mất cân bằng M1, M2 

2

K t thúc 

H ình 7. 7. Thuật toán tính lượng mất cân bằng  

Kết quả và bình luận  

4. 

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 bằ ng, giao diện chương trình 69

 

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học  lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010  

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).

H ình 8. 8. Giao diện ban đầu của chương trình

H ình 9. 9. Giao diện chương trình tính toán 

Mô hình máy thử cân bằng động được trình bày trên hình 10 và đồ thị phản lực  t ại  gối đỡ  A  A và B được mô tả trên hình 11.  

H ình 11. 11. Đồ  Đồ thị biểu diễn phản lực tại gối đỡ A và B 

H ình 10. 10. Mô hình máy cân bằng động  

Ta gắn trên mặt phẳng 1 một khối lượng m = 9g, tại vị trí góc là φ = 900, trên mặt 1 1  phẳng 2 một khối lượng m 2= 16g tại vị trí góc φ 2= 600. 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. K ết ết quả đo được từ mô hình máy cân bằng động  chế tạo  Lần thử  01

Góc lệch (Độ) 

Lượng mất cân bằng  (g.mm)

Khối lượng  mất cân bằng (g) 

φ 1 

φ 2 

U1 

U2 

M1 

M1 

90,68

58,67

385,79

678,25

9,64

16,95

70

 

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học  lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010   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

Kết luận 

5. 

Đề tài nghiên cứu đã thu được kết quả sau đây: Nghiên cứ u 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 c ảm biến lực được thực hiện khá chính xác, số mẫu lên tới 720 mẫu. Tín hiệu thu nhận được lưu trữ dưới dạ ng file text, hay đượ c 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 thiệ n 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 nhập đắt tiền. TÀI LIỆU THAM KHẢO   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  g, Nxb.  Nxb. Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.  (1986), Máy cân bằng độn độn g, [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 [1] 

Minh. [4]  Joseph Edward Shigley (1980), Theory of Machines and Mechanisms, Mechanisms, John Joseph Uicker JR. McGraw-Hill Inc., USA. [5]  Robert L. Norton (1992), Design (1992),  Design of Machinery, An introduction to the synthesis and analysis of mechanisms and machines, machines , McGraw-Hill Inc, Singapore. [6]  Ali M. Al-Shurafa (2003),  Determination of Balancing Quality Limits, Limits, Saudi Electricity Company- Ghazlan Power Plant, [email protected]. [7]  Jean Marc PUGNET,  Equilibrage des rotors rigides et flexible, flexible , Techniques de l’Ingénieur, Traité Mécanique, BM 5130-1.

71