design a machine in industry

1. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY KHẢO
NGHỆM MA SÁT ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH PHỤC VỤ CÔNG TÁC
GIẢNG DẠY VÀ NGHIÊN CỨU TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
DESIGN AND FABRICATION OF TRIBOLOGY TESTING MACHINE CONTROLLER
USED FOR TEACHING AND RESEACHING AT NHA TRANG UNIVERSITY
Trần Văn Hùng
Khoa Cơ khí – Trường Đại học Nha Trang
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ma sát ngoài (khô) giữa các bề mặt tiếp xúc là hiện tượng cực kỳ phức tạp, nó bị chi phối bởi nhiều
yếu tố như sự tác động của các yếu tố sử dụng: tải trọng, tốc độ trượt và đặc biệt là tính chất của vật liệu
cũng như đặc tính hình học của bề mặt tiếp xúc ([1]).
Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước đưa ra các mô
hình toán để mô tả hiện tượng ma sát, nhưng cho đến nay chưa có mô hình nào có thể mô tả một cách đầy
đủ các mối quan hệ trong quá trình ma sát. Các mô hình đưa ra chỉ có thể giúp ta hiểu phần nào bản chất
của hiện tượng, quan hệ về lượng, còn nhiều vấn đề phải bàn vì các thông số đưa ra trong các phương
trình rất khó xác định và lựa chọn chính xác cho mỗi trường hợp. Bản thân các thông số này cũng thay đổi
trong quá trình ma sát do sự tương tác qua lại giữa các thông số cơ nhiệt động học và tác động của môi
trường hóa học.
Chính vì lẽ đó, trong kỹ nghệ hiện nay công cụ tốt nhất để xác định được hệ số ma sát của cặp lắp
ghép là thực nghiệm. Với phương pháp và tiêu chuẩn thực nghiệm khác nhau giá trị của hệ số ma sát của
cùng một cặp lắp ghép cũng có thể có có các giá trị khác nhau.

2. II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Cách tiếp cận
Nhằm thực hiện chức năng đo đạc các thông số ma sát, máy khảo nghiệm ma sát được thiết kế có sơ
đồ cấu tạo và mối tương quan các bộ phận như sau:
Hình 1. Sơ cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy khảo nghiệm ma sát
1. Khung máy
2. Giá đỡ cảm biến
3,4. Cảm biến đo tải
5. Lò xo
6,7. Ổ và gối đỡ trục chính
8. Bộ chuyền động đai
9. Ống then hoa
10. Ổ đỡ và gối đỡ trục chính
11. Trục then hoa gắn mẫu thử
12. Mẫu thử
13. Đối mẫu thử
14. Vít me điều chỉnh đối mẫu thử và gây tải
15. Tay quay
16. Trục gá cảm biến đo lực ma sát
17. Cảm biến đo lực ma sát
18. Gối đỡ, cần gá đối mẫu thử
19. Trục, gá đối mẫu thử
20. Vít me căng đai
21. Động cơ biến tần
22. Vít me điều chỉnh thanh gá cảm biến mòn
23. Thanh gá cảm biến mòn
24. Bơm và thùng chứa vật liệu bôi trơn
25. Điện trở gia nghiệt vật liệu bôi trơn

3. 2. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp kế thừa: phân tích và nghiên cứu các kết quả đã công bố, áp dụng tối đa và hợp lý các
kết quả nghiên cứu trên vào đề tài.
Phương pháp tối ưu: xác định yêu cầu kỹ thuật của máy đưa ra nhiều phương án thiết kế lựa chọn
phương án thiết kế hợp lý để đạt được kết quả tốt nhất.
Phương pháp thực nghiệm: theo các kết quả nghiên cứu lý thuyết đã phân tích, xây dựng sơ đồ
nguyên lý phù hợp với thực tế và thử nghiệm để hoàn chỉnh máy.
Phương pháp nghiên cứu: dựa trên tính toán lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, trong đó chủ yếu
vào phép “Trial and error”. Đây là phương pháp sử dụng rất nhiều trong những trường hợp hệ thống điều
khiển chịu tác động bởi nhiều yếu tố.
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
1. Thiết bị khảo nghiệm ma sát
a. Máy thử nghiệm ma sát
Hình 2. Máy thử nghiệm ma sát
b. Thông số kỹ thuật
- Vận tốc trượt: 0 đến 4m/s
- Lực ma sát: 150N
- Cảm biến mòn: ±2 mm, sai số ±5 micron
- Lực tải trọng: 980 N
- Lực gây tải (lực pháp tuyến): 1500 N
- Nhiệt độ vật liệu bôi trơn: 1500C
- Thùng chứa vật liệu bôi trơn và bơm
- Công suất bộ phận gia nhiệt: 800 W
- Nhiệt độ dầu: 0-1500
C
- Đường kính mẫu thử quay (số 1): 75 mm
- Kích thước mẫu trượt (số 2): hình cầu đường kính 12,7mm, trụ đường kính 3mm hoặc hình nêm,
lăng trụ.
- Ghép nối máy tính: USB port.
- Phần mềm: TRIBOLOGY NTU
- Động cơ DC servo: 110VDC; 1,5 kW
- Kích thước: dài 490 mm, rộng 380mm, cao 900 mm, trọng lượng: 90kg

4. 2. Mạch điều khiển
a. Nguồn nuôi vi điều khiển
Nguồn cho MCU là nguồn 5VDC, sự hoạt động ổn định của MCU phụ thuộc rất lớn vào nguồn cấp.
C 1 6
1 0 0 0 u F
C 1 7
1 0 4
C 1 8
4 7 0 0 u F
C 1 9
1 0 4
U 3
L M 7 8 0 5
V I
1
GND
2
V O
3
+ 5 V
D 1 2
R E D
R 1 0 1 k
- +
D 1 3
1 A
J 9
P o w e r V X L
1
2
Hình 3. Nguồn 5VDC
Nguồn cấp có thể AC hoặc DC, với điện áp từ 7V – 15V. Nguồn vào được chỉnh lưu thành một
chiều và được là phẳng nhờ hai tụ C16 và C17. Nhờ IC ổn áp LM7805 đầu ra số 3 luôn ổn định là 5VDC.
Ngoài nguồn 5VDC cấp cho vi điều khiển còn cấp nguồn ±12VDC để nuôi bộ khuếch đại. Sử dụng
2 IC LM7812 và LM7912 để ổn áp đầu ra ([4]).Power+
C 1
4 7 0 u F
C 2
4 7 0 u F
C 3
1 0 4
C 4
1 0 4
C 5
4 7 0 u F
C 6
4 7 0 u F
C 7
1 0 4
C 8
1 0 4
- +
D 1
1 A
J 1
P o w e r
1
2
3
+ 1 2 V
- 1 2 V
U 2
L M 7 8 1 2
1
V I
2
G N D
3
V O
U 4
L M 7 9 1 2
1
V I2
G N D
3V O
D 2 1 A
D 3 1 A
P o w e r -
Hình 4. Nguồn ±12VDC
b. Bộ điều khiển trung tâm
Đây là khối xử lý trung tâm, chương trình thực thi sẽ được nạp vào trong MCU. Để hoạt động được
MCU cần thạch anh dao động, và mạch reset lúc bắt đầu cấp nguồn ([2], [5]).
+ 5 V
i n d i c a t e _ p o w e r
+ 5 V
V D K _ O u t 0 1
V D K _ O u t 0 5
R 3 0 0
V D K _ O u t 0 4
A l a r m
V D K _ O u t 0 6
R 4 0 0
E n c o d e r _ 0 2
+ 5 VJ 5
S l a v e
1
2
3
4
E n c o d e r _ 0 2
E n c o d e r _ 0 1
+ 5 V
R D _ L C D
E N _ L C D
R S _ L C D
+ 5 V
E n c o d e r _ 0 1
D B 4 _ L C D
M a s _ R X D
J 2
S l a v e
1
2
3
4
i n d i c a t e _ p o w e r
Y 1
8 M H z
M a s _ T X D
C 1
1 u
C 2
1 0 0 n
C 6
1 0 0 n
U 1
A T M E G A 3 2
P B 0 / X C K / T 0
1
P B 1 / T 1
2
P B 2 / I N T 2 / A I N 0
3
P B 3 / O C 0 / A I N 1
4
P B 4 / S S
5
P B 5 / M O S I
6
P B 6 / M I S O
7
P B 7 / S C K
8
R E S E T
9
V C C
1 0
G N D
1 1
X T A L 2
1 2
X T A L 1
1 3
P D 0 / R X D
1 4
P D 1 / T X D
1 5
P D 2 / I N T 0
1 6
P D 3 / I N T 1
1 7
P D 4 / O C 1 B
1 8
P D 5 / O C 1 A
1 9
P D 6 / I C P
2 0
P D 7 / O C 2
2 1
P C 0 / S C L
2 2
P C 1 / S D A
2 3
P C 2 / T C K
2 4
P C 3 / T M S
2 5
P C 4 / T D O
2 6
P C 5 / T D I
2 7
P C 6 / T O S C 1
2 8
P C 7 / T O S C 2
2 9
A V C C
3 0
A G N D
3 1
A R E F
3 2
P A 7 / A D C 7
3 3P A 6 / A D C 6
3 4P A 5 / A D C 5
3 5P A 4 / A D C 4
3 6P A 3 / A D C 3
3 7P A 2 / A D C 2
3 8P A 1 / A D C 1
3 9P A 0 / A D C 0
4 0
+ 5 V
C 5 2 7 pR 1
1 0 K
D 2
4 1 4 8
C 8
1 u
+ 5 V
R e s e t
+
C 3
4 . 7 u
C 7
1 0 0 n
M a s _ R X D
M a s _ T X D
C 4 2 7 p
A I _ 0 3
J 3 6
A D C
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 0
A I _ 0 2
A I _ 0 1
A I _ 0 4
J 1
P r o g r a m
1
2
3
4
5
6
M O S I
R e s e t
S C K
M I S O
M I S O
M O S I
S C K
+ 5 V
R D _ L C D
D B 4 _ L C D
R S _ L C D
S C K
E N _ L C D
M I S O
M O S I
J 3
L C D
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1 0
+ 5 V
J 4
K e y p a d
1
2
3
4
5
6
7
8
R 3 3
5 0 3
Hình 5. MCU

5. c. Mạch khuếch đại và cách ly
Tín hiệu từ MCU được cách ly với nguồn 110VAC và 220VAC. Tín hiệu điều khiển từ MCU được
cách ly qua optotriac. Tín hiệu điều khiển trực tiếp tới triac.
Trước khi đưa ra động cơ, nguồn được chỉnh lưu về một chiều qua cầu điốt. Còn điện trở gia nhiệt
cho dầu thì cấp trực tiếp từ triac ([4]).
Hình 6. Mạch cách ly và công suất
d. Mạch khuếch đại tín hiệu từ Loadcell
Do tín hiệu đầu ra của Loadcell nhỏ và vi sai nên nó cần phải qua một bộ khuếch đại vi sai với hệ số
k lớn ([5]).
Hình 7. Sơ đồ mạch khuếch đại vi sai
+ 5 V
J 2 3
P o w e r ( 1 1 0 V A C )
1
2
J 2 5 P o w e r ( 2 2 0 V A C )1
2
J 2 6
R1
2
Q 13
12
U 81
2
64
R
G 1
R
C
R 2
V D K _ O u t 0 6
Q3
12
J 2 4
M o t o r
1
2
-+
D 4U 71
2
64
R
G 1
R
C
R
V D K _ O u t 0 5

6. 3. Chương trình điều khiển máy
a. Giao diện điều khiển
Hình 8. Dao diện điều khiển
Ta có thể thay đổi nhiệt độ dầu và tốc độ động cơ trên PC, đồng thời các giá trị thực sẽ được cập
nhật và hiển thị liên tục.
Lực ma sát, tải tác dụng, kích thước mòn cũng được cập nhật liên tục lên PC với tần số 2 lần/giây.
Ngoài ra chúng còn được hiển thị trên đồ thị để tiện theo dõi và so sánh sự thay đổi giá trị trong một
khoảng thời gian.
Ta cũng có thể quan sát các thông số trên đồ thị tại một thời điểm bất kỳ dựa vào thanh bar thời
gian. Bên cạnh đó ta có thể thay đổi giá trị/một ô hiển thị qua thanh bar bên trái màn hình.
b. Xử lý số liệu và lưu trữ
Các giá trị sẽ tự động lưu vào bảng Excel để người dùng tiện sử dụng trong quá trình nghiên cứu và
xử lý số liệu.
Hình 9. Số liệu được tự động lưu trữ và xử lý theo chương trình
Trước khi lưu trữ, các số liệu đã được xử lý sơ bộ với các thuật toán và phần cứng. Quá trình này
giúp giảm nhiễu để các chuyên gia phân tích dễ dàng hơn.

7. c. Điều khiển tốc độ động cơ
Điều chỉnh tỷ lệ (P) là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với sai lệch đầu vào.
Phương pháp điều chỉnh tỷ lệ để lại một độ lệch (offset)sau điều chỉnh rất lớn. Để khắc phục ta sử
dụng kết hợp điều chỉnh tỷ lệ với điều chỉnh tích phân (I). Điều chỉnh tích phân là phương pháp điều chỉnh
tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho độ lệch giảm tới O.
Khi hằng số thời gian hoặc thời gian chết của hệ thống rất lớn điều chỉnh theo P hoặc PI có đáp ứng
quá chậm thì ta sử dụng kết hợp với điều chỉnh vi phân (D). Điều chỉnh vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh
sao cho tỷ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào ([3]).
Hình 10. Giải thuật điều khiển tốc độ động cơ
d. Thuật toán xử lý mẫu đầu vào
Giá trị lấy mẫu đo được chịu rất nhiều tác động bởi nhiễu. Giá trị đo được sẽ biến thiên cho dù đại
lượng (lực, nhiệt độ,…) không đổi. Để giảm sai số trong quá trình đo, ngoài giảm nhiễu bằng phần cứng
em còn sử dụng các thuật toán để xử lý mẫu đầu vào. Kết quả thu được chính xác và tin cậy hơn.
Loại bỏ giá trị nhiễu đột biến (Noise_canceler())
Hình 11. Lưu đồ giải thuật loại bỏ giá trị nhiễu đột biến

8. Tính giá trị trung bình
Hình 12. Lưu đồ giải thuật loại tính giá trị trung bình
3. Thử nghiệm đo ma sát
a. Phương pháp
Thử nghiệm theo tiêu chuẩn BOR: bảng 1.1, [1]. Đầu pin trượt trên vòng xuyến quay, áp lực 3.9
N, vận tốc 1.8 m/s (J.F. Archard, ASME Wear Control Handbook, M.B. Peterson and W.O.Winer, Ed.,
American Society of Mechanical Engineers, 1980, p 38).
Bảng 1: Hệ số ma sát của kim loại trượt trên kim loại theo tiêu chuẩn BOR
(môi trường không khí nhiệt độ trong phòng)
Vật liệu Quy phạm
kiểm tra (a)
Hệ số ma sát động
(μđ)Mẫu đứng yên Mẫu chuyển động
Thép mềm Thép mềm BOR 0.62
b. Kết quả đo hệ số ma sát
Hình 13. Kết quả đo hệ số ma sát

9. IV. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Máy được thiết kế, chế tạo phù hợp kỹ thuật công nghệ chế tạo ở nước ta. Những chi tiết quan trọng
đòi hỏi độ chính xác của máy được gia công trên các máy CNC
Kết quả thử nghiệm đo hệ số ma sát của cặp ma sát thép mềm, thép mềm trên máy theo tiêu chuẩn
của BOR cho thấy rằng; hệ số ma sát, tải, vận tốc trượt đo trên máy có kết quả tương đương với tiêu chẩn
thử nghiệm của BOR.
Độ chính xác của các thông số khảo sát phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng các cảm biến.
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu của đề tài luận văn chúng tôi xin đề xuất tếp tục nghiên cứu chế tạo
và hiệu chỉnh để hoàn thiện máy, nhằm đạt được kết quả như mong mốn cần phải đầu tư thời gian cũng
như nguồn kinh phí.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. PGS.TS. Quách Đình Liên (2009), Ma sát và hao mòn, Đại học Nha trang.
2. Ngô Diên Tập (2003), Kỹ thuật Vi điều khiển với AVR, NXB KH&KT.
3. Richard C. Dorf, Robert H. Bishop (2000), Modern control systems, Prentice Hall International.
4. Ronaid J.Tocci, frank J.Ambrosio (2003), Microprofessors and microcpmputers hardware and
sofwware, Prentice Hall International.
5. Willis J.Tompkin, Jonh G.webster (1998), Interfacing Sensors To The Pc, Prentice Hall
International.

10. IV. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Máy được thiết kế, chế tạo phù hợp kỹ thuật công nghệ chế tạo ở nước ta. Những chi tiết quan trọng
đòi hỏi độ chính xác của máy được gia công trên các máy CNC
Kết quả thử nghiệm đo hệ số ma sát của cặp ma sát thép mềm, thép mềm trên máy theo tiêu chuẩn
của BOR cho thấy rằng; hệ số ma sát, tải, vận tốc trượt đo trên máy có kết quả tương đương với tiêu chẩn
thử nghiệm của BOR.
Độ chính xác của các thông số khảo sát phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng các cảm biến.
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu của đề tài luận văn chúng tôi xin đề xuất tếp tục nghiên cứu chế tạo
và hiệu chỉnh để hoàn thiện máy, nhằm đạt được kết quả như mong mốn cần phải đầu tư thời gian cũng
như nguồn kinh phí.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. PGS.TS. Quách Đình Liên (2009), Ma sát và hao mòn, Đại học Nha trang.
2. Ngô Diên Tập (2003), Kỹ thuật Vi điều khiển với AVR, NXB KH&KT.
3. Richard C. Dorf, Robert H. Bishop (2000), Modern control systems, Prentice Hall International.
4. Ronaid J.Tocci, frank J.Ambrosio (2003), Microprofessors and microcpmputers hardware and
sofwware, Prentice Hall International.
5. Willis J.Tompkin, Jonh G.webster (1998), Interfacing Sensors To The Pc, Prentice Hall
International.