TỔNG QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Cuộc cách mạng khoa học và công nghệ vào những năm 50 của thế kỷ XX đã tạo ra sự thay đổi lớn trong lĩnh vực công nghệ vật liệu, đặc biệt là sự ra đời của kính - một vật liệu trong suốt mang tính cách mạng Kiến trúc hiện đại gắn liền với việc sử dụng kính đã mở ra nhiều ý tưởng sáng tạo, kết hợp giá trị nghệ thuật và khoa học Sản phẩm từ kính trong xây dựng không chỉ thể hiện sự tinh tế mà còn mang đến vẻ đẹp sang trọng và đẳng cấp cho công trình.
Khả năng chịu uốn và ứng suất uốn là những tiêu chuẩn quan trọng trong lĩnh vực đo lường và thí nghiệm, giúp nâng cao độ an toàn cho sản phẩm Việc xác định chính xác các thông số này không chỉ phản ánh tình trạng phát triển kinh tế xã hội mà còn góp phần vào sự phát triển và hội nhập quốc tế của đất nước Trong bối cảnh toàn cầu hóa, phát triển công nghiệp, đặc biệt là ngành Cơ điện tử, trở thành vấn đề chiến lược Việc áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật và chuyển giao công nghệ tiên tiến là cần thiết để hiện đại hóa ngành công nghiệp, với mục tiêu đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại.
Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ tôi trong việc nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn đề tài "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy kiểm tra ứng suất uốn của kính cường lực theo tiêu chuẩn BS EN 1288-3" Sự hỗ trợ này giúp tôi phát triển kỹ năng và kiến thức cần thiết để thực hiện dự án một cách hiệu quả.
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy kiểm tra ứng suất uốn của kính cường lực theo tiêu chuẩn BS EN 1288-3 ” có ý nghĩa to lớn trong nền khoa học công nghệ nước nhà Đề tài phản ánh việc áp dụng các thành tựu của khoa học kỹ thuật vào đời sống, tạo động lực cho vấn đề nghiên cứu khoa học thực tiễn. Đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy kiểm tra ứng suất uốn của kính cường lực theo tiêu chuẩn BS EN 1288-3 ” là một thí dụ điển hình cho việc liên kết giữa các lĩnh vực cơ khí, điện công nghiệp, điều khiển lập trình,…góp phần đưa sản phẩm đi vào phục vụ công nghiệp sản xuất Việt Nam hiện nay để chuyên môn hóa, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, hiệu quả làm việc Thiết thực hơn nữa, đề tài đã tạo sự liên kết giữa Nhà trường và Doanh nghiệp, hỗ trợ việc kiểm tra chất lượng sản phẩm trong môi trường công nghiệp
1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:
1.3.1 Trong nước: chưa có công ty nghiên cứu sản xuất
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại máy đo và kiểm tra ứng suất uốn với các phương pháp đo đa dạng cho nhiều loại vật liệu khác nhau Các hãng sản xuất nổi tiếng như Instron và Wilson Hardness cung cấp những thiết bị này Hầu hết các máy đo đều sử dụng nguồn động lực điện kết hợp với cơ cấu cơ khí khuếch đại lực, hoặc tích hợp điện với thủy lực để đạt được công suất cao và lực lớn.
Máy kiểm tra ứng suất nén kính cường lực Inspekt S 50 theo tiêu chuẩn DIN
EN 1288-3 cho phép tải tối đa 50kN, sử dụng truyền động thủy lực, kích thước khu vực kiểm tra 1300x650mm
Hình 1.1: Máy kiểm tra ứng suất nén Inspekt S 50
Máy kiểm tra kéo nén 318 Family Test Machine có khả năng tải lên đến 600kN với độ chính xác tải đạt 0.5% Thiết bị này hoạt động với tốc độ 300mm/phút và tốc độ lấy mẫu 1kHZ (1000 mẫu/giây) Máy được điều khiển bằng điện và sử dụng động cơ servo truyền động vít-me, mang lại hiệu suất cao cho các bài kiểm tra.
Hình 1.2: Dòng máy kiểm tra kéo nén 318 Family Test Machine
Máy thử độ bền nén CDT 1504 là thiết bị lý tưởng cho việc kiểm tra cường độ nén của các vật liệu xây dựng như gạch, ngói và xi măng, đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế như ASTM, EN, ISO và TCVN Với bộ truyền động Servo điều khiển trục vít-me và hệ thống điều khiển dữ liệu DCS-300, máy có khả năng tải lên đến 50kN, độ chính xác đạt 1% và tốc độ nén 50mm/phút Công suất tiêu thụ điện của máy là 1.5kW, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và hiển thị kết quả thông qua phần mềm PowerTest.
Hình 1.3: Dòng máy thử độ bền nén CDT 1504
1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nắm vững quy trình tính toán, thiết kế, chế tạo và điều khiển máy kiểm tra ứng suất uốn cho kính cường lực, tuân thủ theo tiêu chuẩn BS EN 1288-3.
1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.5.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy kiểm thủy lực; tính toán thiết kế hệ thống điện điều khiển, hệ thống thủy lực, thu thập dữ liệu; thiết kế giao diện đảm bảo tính ổn định của hệ thống Bên cạnh đó, tiến hành lắp ghép kiểm tra rồi mới đưa vào thực tế sử dụng Đối tượng tìm hiểu:
- Các tài liệu liên quan đến tính toán, thiết kế máy và lắp ghép
- Các tài liệu về cơ cấu truyền động, truyền động điện, hệ thống điều khiển bằng điện – thủy lực
- Các tài liệu liên quan đến loadcell, biến tần, cảm biến, PLC, động cơ AC ba pha, thiết bị thủy lực, phần mềm labview
Nghiên cứu và thiết kế máy kiểm tra ứng suất uốn của kính cường lực theo tiêu chuẩn BS EN 1288-3 là một sản phẩm chuyên biệt nhằm phục vụ cho việc kiểm tra chất lượng trong sản xuất Đề tài này có tính ứng dụng cao trong lĩnh vực sản xuất, do đó cần thực hiện nghiên cứu sâu về các vấn đề liên quan để đáp ứng nhu cầu của công ty.
Tính toán hệ thống thủy lực và lựa chọn xy lanh thủy lực là bước quan trọng trong thiết kế Nghiên cứu hình dáng và kích thước khung đỡ phải đảm bảo khả năng nâng đỡ, tính cứng vững và hoạt động ổn định cho cơ cấu chịu tải 5 tấn Các mẫu kính cường lực được kiểm tra có kích thước lần lượt là 460x360x6mm, 460x360x8mm, 460x360x10mm và 460x360x12mm.
- Về phần thiết kế hệ thống điện – thủy lực:
Để đảm bảo hiệu suất và tiết kiệm năng lượng, cần tính toán và lựa chọn các thiết bị điện điều khiển tối ưu Đồng thời, việc lựa chọn thiết bị thủy lực phù hợp với áp suất làm việc cũng rất quan trọng Cuối cùng, thiết kế và thi công hệ thống điện điều khiển cần tuân thủ các tiêu chuẩn công nghiệp để đảm bảo chất lượng và an toàn.
- Về phần thiết kế giao diện:
Lựa chọn phương pháp thu thập dữ liệu về máy tính, thiết kế giao diện thân thiện với người sử dụng
1.6.1 Cơ sở phương pháp luận
- Căn cứ vào lý thuyết của tiêu chuẩn BS EN 1288-3
- Căn cứ vào lý thuyết về lực, ứng suất, sức bền của vật liệu kính
- Căn cứ vào lý thuyết thủy lực, cơ cấu nén
- Căn cứ vào lý thuyết truyền nhận dữ liệu qua giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ
- Vận dụng linh hoạt các kỹ thuật điều khiển vào thực tiễn sản xuất
1.6.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Tham khảo tiêu chuẩn về kiểm tra ứng suất uốn của kính cường lực BS EN 1288-3
Tham khảo tài liệu về hệ thống dẫn động, cơ cấu, nguyên lý hoạt động của các cơ cấu
Nghiên cứu tài liệu liên quan đến thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí, thiết bị điện và thủy lực, cũng như biến tần điều khiển hệ thống là rất quan trọng Bên cạnh đó, việc áp dụng phương pháp thiết kế mạch điều khiển bằng điện và thủy lực, cùng với các phương pháp thu thập dữ liệu, sẽ giúp nâng cao hiệu quả trong quá trình phát triển và ứng dụng công nghệ.
Tham khảo ý kiến giáo viên hướng dẫn kết hợp tìm hiểu tài liệu liên quan trên Internet
Thực nghiệm với Loadcell trụ nén
Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy kiểm tra ứng suất uốn của kính cường lực theo tiêu chuẩn BS EN 1288-3" có ý nghĩa quan trọng trong việc áp dụng thành tựu khoa học kỹ thuật vào thực tiễn, thúc đẩy nghiên cứu khoa học trong nước Đây là ví dụ điển hình cho sự liên kết giữa các lĩnh vực cơ khí, điện công nghiệp và điều khiển lập trình, nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành sản xuất Việt Nam Hơn nữa, đề tài cũng tạo ra sự hợp tác giữa Nhà trường và Doanh nghiệp, góp phần vào việc kiểm tra chất lượng sản phẩm trong môi trường công nghiệp.
1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:
1.3.1 Trong nước: chưa có công ty nghiên cứu sản xuất
Hiện nay, thị trường có nhiều máy đo và kiểm tra ứng suất uốn với các phương pháp đo đa dạng cho nhiều loại vật liệu Những hãng sản xuất nổi tiếng như Instron và Wilson Hardness cung cấp các thiết bị này Hầu hết các máy đo sử dụng nguồn động lực chính là điện, kết hợp với cơ cấu cơ khí khuếch đại lực hoặc hệ thống thủy lực, nhằm tạo ra công suất cao và lực lớn.
Máy kiểm tra ứng suất nén kính cường lực Inspekt S 50 theo tiêu chuẩn DIN
EN 1288-3 cho phép tải tối đa 50kN, sử dụng truyền động thủy lực, kích thước khu vực kiểm tra 1300x650mm
Hình 1.1: Máy kiểm tra ứng suất nén Inspekt S 50
Máy kiểm tra kéo nén 318 Family Test Machine có khả năng tải lên đến 600kN với độ chính xác tải đạt ±0.5% Thiết bị này vận hành với tốc độ 300mm/phút và tốc độ lấy mẫu 1kHz (1000 mẫu/giây), được điều khiển bằng điện và sử dụng động cơ servo truyền động vít-me.
Hình 1.2: Dòng máy kiểm tra kéo nén 318 Family Test Machine
Máy thử độ bền nén CDT 1504 là thiết bị lý tưởng cho việc kiểm tra cường độ nén của các vật liệu xây dựng như gạch, ngói và xi măng, đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế như ASTM, EN, ISO và TCVN Thiết bị sử dụng bộ truyền động Servo với trục vít-me, cùng với bộ điều khiển DCS-300 để thu thập dữ liệu và hiển thị kết quả thông qua phần mềm PowerTest CDT 1504 có khả năng tải tối đa 50kN, độ chính xác đạt 1%, tốc độ nén 50mm/phút và công suất tiêu thụ điện 1.5kW.
Hình 1.3: Dòng máy thử độ bền nén CDT 1504
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là phát triển khả năng tính toán, thiết kế, chế tạo và điều khiển máy kiểm tra ứng suất uốn cho kính cường lực, tuân thủ theo tiêu chuẩn BS EN 1288-3.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.5.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy kiểm thủy lực; tính toán thiết kế hệ thống điện điều khiển, hệ thống thủy lực, thu thập dữ liệu; thiết kế giao diện đảm bảo tính ổn định của hệ thống Bên cạnh đó, tiến hành lắp ghép kiểm tra rồi mới đưa vào thực tế sử dụng Đối tượng tìm hiểu:
- Các tài liệu liên quan đến tính toán, thiết kế máy và lắp ghép
- Các tài liệu về cơ cấu truyền động, truyền động điện, hệ thống điều khiển bằng điện – thủy lực
- Các tài liệu liên quan đến loadcell, biến tần, cảm biến, PLC, động cơ AC ba pha, thiết bị thủy lực, phần mềm labview
Nghiên cứu và thiết kế máy kiểm tra ứng suất uốn của kính cường lực theo tiêu chuẩn BS EN 1288-3 nhằm đáp ứng nhu cầu kiểm tra chất lượng sản phẩm trong sản xuất, mang tính ứng dụng thực tiễn và chuyên môn hóa cao Đề tài này tập trung vào việc nghiên cứu và tìm hiểu các vấn đề liên quan trong phạm vi Công ty sản xuất.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào việc tính toán hệ thống thủy lực và lựa chọn xy lanh thủy lực phù hợp Đồng thời, nghiên cứu thiết kế hình dáng và kích thước khung đỡ nhằm đảm bảo khả năng nâng đỡ và tính cứng vững, đảm bảo hoạt động ổn định của cơ cấu chịu tải lên đến 5 tấn Chúng tôi cũng sẽ kiểm tra mẫu kính cường lực với các kích thước 460x360x6mm, 460x360x8mm, 460x360x10mm và 460x360x12mm để đảm bảo chất lượng và độ bền.
- Về phần thiết kế hệ thống điện – thủy lực:
Tính toán và lựa chọn thiết bị điện điều khiển tối ưu cho hiệu suất năng lượng, đồng thời chọn thiết bị thủy lực phù hợp với áp suất làm việc Thiết kế và thi công hệ thống điện điều khiển cần tuân thủ các tiêu chuẩn công nghiệp để đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy.
- Về phần thiết kế giao diện:
Lựa chọn phương pháp thu thập dữ liệu về máy tính, thiết kế giao diện thân thiện với người sử dụng.
Phương pháp nghiên cứu
1.6.1 Cơ sở phương pháp luận
- Căn cứ vào lý thuyết của tiêu chuẩn BS EN 1288-3
- Căn cứ vào lý thuyết về lực, ứng suất, sức bền của vật liệu kính
- Căn cứ vào lý thuyết thủy lực, cơ cấu nén
- Căn cứ vào lý thuyết truyền nhận dữ liệu qua giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ
- Vận dụng linh hoạt các kỹ thuật điều khiển vào thực tiễn sản xuất
1.6.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
Tham khảo tiêu chuẩn về kiểm tra ứng suất uốn của kính cường lực BS EN 1288-3
Tham khảo tài liệu về hệ thống dẫn động, cơ cấu, nguyên lý hoạt động của các cơ cấu
Nghiên cứu tài liệu liên quan đến thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí, bao gồm thiết bị điện, thiết bị thủy lực, và biến tần điều khiển hệ thống Đồng thời, tìm hiểu phương pháp thiết kế mạch điều khiển điện-thủy lực và các phương pháp thu thập dữ liệu hiệu quả.
Tham khảo ý kiến giáo viên hướng dẫn kết hợp tìm hiểu tài liệu liên quan trên Internet
Thực nghiệm với Loadcell trụ nén
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Kính cường lực
Kính cường lực là loại kính được gia công qua quy trình xử lý nhiệt độ cao, với nhiệt độ đạt khoảng 650-700 độ C, sau đó nhanh chóng làm nguội bằng luồng khí lạnh Phương pháp này giúp tạo ra các ứng suất nén trên bề mặt kính, mang lại khả năng chịu lực cao và độ bền vững vượt trội.
Công ty TNHH Thiên Phú, với thương hiệu THIEN PHU GLASS, chuyên sản xuất và kinh doanh các sản phẩm kính xây dựng cao cấp như kính cường lực an toàn, kính ghép an toàn nhiều lớp, kính cường lực ghép, kính cách âm và kính cách nhiệt Sản phẩm của công ty đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế như ANSI Z97.1 của Mỹ và các tiêu chuẩn JIS R3205:2005, JIS R3206:1997 của Nhật Bản.
Kính Temper Glass có khả năng chịu lực tác động cao gấp bốn đến năm lần so với kính nổi thông thường cùng loại và độ dày, nhờ vào ứng suất nén trên bề mặt được tạo ra trong quá trình tôi kính Điều này giúp kính Temper Glass có khả năng chống lại rung chấn, sức gió lớn và va đập mạnh Theo tiêu chuẩn TCVN 7455: 2004, ứng suất bề mặt của kính 12mm không nhỏ hơn 69 Mpa.
Kính cường lực có khả năng chịu sốc nhiệt tốt, với khả năng chống chịu nhiệt độ lên đến 1500 độ C mà không bị vỡ Ngoài ra, khi kính cường lực bị vỡ, nó sẽ phân mảnh thành những hạt nhỏ, không có cạnh sắc bén, giúp giảm thiểu nguy cơ gây thương tích so với kính thường.
Tiêu chuẩn BS EN 1288-3
- Phụ lục 2: tiêu chuẩn BS EN 1288 -3
- Phụ lục 1: tiêu chuẩn BS EN 1288 -1.
Phương pháp kiểm tra
2.3.1 Thử độ bền va đập và số lượng mảnh vỡ
- Thử độ bền va đập bi rơi:
Thử va đập bi rơi được tiến hành theo nguyên tắc mô tả trong TCVN 7368 :
Một lần thử nghiệm sử dụng 6 tấm mẫu kính nguyên, sản xuất theo công nghệ tương đương với kính thành phẩm Bi thép có khối lượng 1040 g ± 10 g được thả từ độ cao 100 cm Số lượng mảnh vỡ được xác định bằng cách đếm số mảnh trong khu vực 50 mm x 50 mm Đối với kính có độ dày từ 5 mm trở lên, mẫu sẽ được phá vỡ bằng búa và đục.
- Thử độ bền va đập con lắc:
Thử va đập con lắc được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 7368:2004, với các chiều cao va đập tăng dần là 30 cm, 75 cm và 120 cm Sau khi mẫu bị vỡ, trong vòng 5 phút, tiến hành cân 10 mảnh vỡ lớn nhất và so sánh với các yêu cầu trong bảng tiêu chuẩn.
2.3.2 Đo ứng suất bề mặt của kính Ứng suất bề mặt của kính tôi nhiệt an toàn được đo bằng máy phân cực Mỗi mẫu được đo tại 5 vị trí quy định Tại mỗi điểm tiến hành đo hai giá trị lệch nhau một góc 90 0 Ứng suất của mẫu chính là giá trị trung bình của 10 số đo đó
Tại mỗi vị trí đo sẽ có 2 kết quả đo được ghi nhận là 1 , 2 Giá trị đo tại vị trí đó sẽ được tính là:
Nội ứng lực (S) tại điểm đo, được tính bằng MPa, theo công thức:
S K tg (2.2) Trong đó K là hằng số của thiết bị đo được xác định bởi nhà sản xuất, tính bằng Mpa
Hình 2.2: Mô tả vị trí đo ứng suất bề mặt
Hình 2.3: Mô tả đo ứng suất bề mặt của kính
2.3.3 Đo ứng suất uốn của kính theo tiêu chuẩn BS EN 1288-3:
Hình 2.4: Đo ứng suất uốn theo tiêu chuẩn Bs en 1288-3
F : Lực tác động lên mẫu thử
- Tính ứng suất uốn theo công thức: max 2
- Tính độ võng của kính theo công thức:
2.3.4 Đo ứng suất bằng máy kiểm tra nén
Máy kiểm tra ứng suất nén sử dụng nhiều phương pháp đo khác nhau, bao gồm đo ứng suất nén tại 4 điểm, 3 điểm và 1 điểm, với các phương án chính được trình bày dưới đây.
Hình 2.5: Một số phương án đo ứng suất bề mặt
2.4 Lý thuyết về thủy lực
Hệ thống điều khiển bằng thủy lực được ưa chuộng trong các ứng dụng có công suất lớn nhờ vào khả năng truyền tải công suất cao và lực lớn thông qua các cơ cấu đơn giản Hệ thống này còn giúp giảm khối lượng và kích thước của cơ cấu chấp hành bằng cách sử dụng áp suất làm việc cao và thiết kế gọn nhẹ Ngoài ra, vị trí các phần tử dẫn trong hệ thống không phụ thuộc lẫn nhau, đồng thời có khả năng phòng ngừa quá tải nhờ vào các van điều khiển.
Lý thuyết về thuỷ lực
Hình 2.6: Tổn thất trong hệ thống thủy lực
2.4.1 Tính toán chọn công suất bơm dầu
Theo lý thuyết thủy lực, áp suất (P) của tải trọng trên pit-tông, lực tác dụng (F) và diện tích bề mặt tiếp xúc của pit-tông trong xy lanh thủy lực có mối quan hệ chặt chẽ với nhau.
A (2.6) Công của lực (W) được xác định như sau:
W F l P Al PV (2.7) Trong đó V là thể tích làm việc của xy lanh
Mặt khác, công suất thủy lực bằng tích áp suất và lưu lượng:
Với P ' (W), Q(m 3 /s) là lưu lượng dầu
Trong hệ thống thủy lực, mất mát công suất tương đối lớn Chính vì vậy, chọn công suất bơm dầu theo công thức sau: b '.
Sau khi lựa chọn bộ nguồn bơm dầu với công suất phù hợp, chúng ta có thể điều chỉnh lưu lượng dầu bơm bằng cách thay đổi tốc độ của máy bơm hoặc sử dụng van tiết lưu.
2.4.2 Tính toán chọn xy lanh thủy lực
Để tính toán tốc độ của pit-tông dựa trên đường kính xy lanh, cần xác định các thông số sau: D là đường kính của pit-tông, d là đường kính của cần pit-tông, A là diện tích tiếp xúc đầy đủ, và a là diện tích tiếp xúc phần khuyết Việc hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.
A a (2.12) Khi xy lanh duỗi ra, mối quan hệ giữa vận tốc và lưu lượng dầu như sau:
Hình 2.7: Mối quan hệ giữa vận tốc và lưu lượng dầu khi xy lanh duỗi ra
(2.14) Áp lực tĩnh khi duỗi ra:
(2.15) Áp lực động khi duỗi ra: d 0,9 s
F F (2.16) Với L là hành trình pit-tông, thời gian duỗi ra:
Khi xy lanh rút về, mối quan hệ giữa vận tốc và lưu lượng dầu như sau:
Hình 2.8: Mối quan hệ giữa vận tốc và lưu lượng dầu khi xy lanh rút về
(2.19) Áp lực tĩnh khi rút về:
(2.20) Áp lực động khi rút về: d 0,9 s
.(D d ).L t (2.22) Áp dụng công thức trên, với D, d, L đã biết, ta có thể điều chỉnh lưu lượng bơm theo thời gian mong muốn.
Lý thuyết về loadcell
Trong các máy móc và thiết bị đo lường, lực là thông số quan trọng để đánh giá sự an toàn và độ chính xác Hiện nay, các phương pháp đo lực phổ biến bao gồm sử dụng công thức F=ma, đo ứng suất trên bề mặt và áp suất tác động lên tiết diện Hai nguyên lý chủ yếu được áp dụng là hiệu ứng áp điện trở và hiệu ứng áp điện.
Hiệu ứng áp điện trở (piezoresistive effect) được ứng dụng chủ yếu trong việc đo lực tĩnh, áp suất và khối lượng, thông qua cảm biến áp điện trở (Strain gauge) và mạch cầu Wheatstone Nguyên tắc hoạt động của nó là chuyển đổi lực thành điện áp nhờ sự thay đổi giá trị điện trở Strain Gauge là một điện trở được thiết kế đặc biệt, với cách quấn dây cho phép tối đa hóa chiều dài trong một diện tích nhỏ.
Strain Gauge là thiết bị đo biến dạng, hoạt động dựa trên nguyên lý rằng điện trở giảm khi bị nén và tăng khi bị kéo Khi dán Strain Gauge lên bề mặt của vật thể như trục hoặc ngàm, điện trở của nó sẽ thay đổi khi vật thể chịu lực và biến dạng Giá trị biến đổi này được đo từ hai đầu dây của Strain Gauge.
Khi chịu lực, cảm biến áp điện trở thường có sự thay đổi nhỏ, vì vậy mạch cầu Wheatstone được sử dụng để đo lường do độ nhạy cao với những biến đổi nhỏ Có ba phương pháp kết nối điện trở trong mạch cầu Wheatstone: mạch cầu ẳ (quarter-bridge), mạch cầu bỏn phần (half-bridge) và mạch cầu toàn phần (full-bridge).
The quarter-bridge circuit, a variant of the Wheatstone bridge, utilizes a single variable resistor When a direct current voltage source (Vs) is applied, changes in temperature can introduce noise into the system.
Hỡnh 2.10: Mạch cầu ẳ(quarter-brigde)
Mạch cầu bán phần (half-bridge) là một dạng mạch cầu Wheatstone, trong đó có hai điện trở có thể thay đổi Khi nguồn điện một chiều Vs được cấp vào, Strain Gauge sẽ chịu tác động từ cả lực nén và lực kéo Kết quả là điện áp ra của mạch cầu bán phần sẽ thấp hơn so với mạch cầu toàn phần.
Hình 2.11: Mạch cầu bán phần (half-brigde)
(2.24) Mạch cầu toàn phần (full-brigde): Mạch cầu Wheatstone bốn điện trở thay đổi, điện do nguồn một chiều Vs cấp vào, nhiễu tự triệt tiêu nhau
Hình 2.12: Mạch cầu toàn phần (full-brigde)
Hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect) xảy ra khi lực tác động lên vật liệu áp điện, gây ra biến dạng và tạo ra điện tích trên hai bề mặt đối diện Vật liệu áp điện có khả năng kích thích đến trạng thái cộng hưởng cơ học cao, cho phép ứng dụng trong việc chế tạo máy siêu âm, bộ lọc và bộ điều khiển dao động, như thạch anh Các loại vật liệu áp điện bao gồm tinh thể thạch anh, gốm áp điện (PZT), tourmaline và Lithium niobate (LiNbO3) Trong số đó, thạch anh (Quartz) được ưa chuộng nhất nhờ tính ổn định và ứng suất bề mặt cao.
Cơ chế áp điện của thạch anh (SiO2) bắt đầu khi không có lực tác dụng, trọng tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau, dẫn đến moment lưỡng cực tổng cộng bằng không Tuy nhiên, khi có lực tác dụng, cấu trúc thạch anh bị biến dạng, khiến hai trọng tâm không còn trùng nhau, từ đó xuất hiện moment lưỡng cực và các điện tích trên bề mặt, tạo ra hiệu ứng áp điện.
Hình 2.13: Cơ chế áp điện của thạch anh
Bộ chuyển đổi lực hiệu ứng áp điện ba thành phần là một thiết bị hình trụ, bao gồm ba cặp vòng tròn được ghép lại Trong đó, một cặp vòng nhạy với lực nén Fx, trong khi hai cặp còn lại nhạy với lực cắt Fy và Fz theo hướng vuông góc với Fx.
Bộ chuyển đổi lực hiệu ứng áp điện ba thành phần sử dụng vòng đệm thạch anh, được chế tạo dưới dạng các vòng đệm chỉ nhạy với các thành phần lực của thạch anh Diện tích bề mặt của vòng đệm quyết định giới hạn trên của dải đo lực, do đó, các vòng đệm có đường kính khác nhau được sản xuất để phục vụ cho các dải đo khác nhau Để mở rộng phạm vi sử dụng cảm biến, có thể siết chặt vòng đệm bằng đai ốc nhằm thiết lập ứng lực ban đầu.
Hình 2.15: Vòng đệm thạch anh
Loadcell là thiết bị chuyển đổi lực thành tín hiệu điện, hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone và hiệu ứng áp điện của vòng đệm thạch anh.
Loadcell được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm nguyên lý hoạt động như loại áp điện và áp điện trở Theo lực tác động, có các loại như loadcell chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression loadcell), dạng uốn (bending), và chịu xoắn (Tension Loadcells) Về hình dạng, loadcell có thể ở dạng đĩa, thanh, trụ, cầu, cầu bi, cầu trụ và dạng chữ S Cuối cùng, theo ngõ ra, loadcell được chia thành loadcell analog và loadcell digital.
Loadcell là thiết bị đo lường có các thông số đặc trưng quan trọng, trong đó độ nhạy (S) được xác định là điện áp ngõ ra khi Vex=1V và khối lượng tối đa Mmax được đặt lên loadcell Điện áp ngõ ra của loadcell được tính toán theo một công thức cụ thể, giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
V M (2.26) Độ phân giải của ADC (Step-size) là giá trị điện áp nhỏ nhất làm ngõ ra bộ chuyển đổi ADC thay đổi một giá trị ref ref
(2.27) Độ chính xác của thiết bị đo R (Resolution) là sự thay đổi nhỏ nhất của đại lượng cần đo làm thiết bị đo thay đổi
Điện áp ngõ ra của Loadcell thường rất nhỏ, do đó cần phải khuếch đại để nâng cao độ phân giải của bộ chuyển đổi ADC và cải thiện tỉ số giữa tín hiệu và nhiễu (SNR) Mạch khuếch đại được sử dụng cho Loadcell thường được thiết kế theo các tiêu chuẩn nhất định để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Tín hiệu từ Loadcell cần được xử lý qua mạch lọc để loại bỏ nhiễu không mong muốn trước khi khuếch đại và chuyển đổi qua bộ chuyển đổi ADC Việc sử dụng các mạch lọc phù hợp là rất quan trọng trong quá trình thu thập dữ liệu.
Hình 2.18: Mạch lọc tần số thấp
Hình 2.19: Mạch lọc tần số cao
Hình 2.20: Mạch lọc thông giải Hầu hết trong các thiết bị thu thập dữ liệu đã tích hợp sẵn các mạch khuếch đại và mạch lọc.
Lý thuyết về cảm biến tiệm cận siêu âm
Cảm biến tiệm cận siêu âm có 4 phần chính:
Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm (Transducer / Receiver):
Bộ phận so sánh (Comparator)
Mạch phát hiện (Detector Circuit)
Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi, bộ phận so sánh tính toán khoảng cách bằng cách so sánh thời gian phát, nhận và vận tốc âm thanh
Mạch điện ngõ ra (Output):
Tín hiệu ngõ ra từ cảm biến có thể là digital hoặc analog Cảm biến digital cung cấp thông tin về sự hiện diện của đối tượng trong vùng cảm nhận, trong khi cảm biến analog cung cấp thông tin về khoảng cách giữa đối tượng và cảm biến.
Hình 2.21.: Các thành phần của cảm biến tiệm cận siêu âm
2.6.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm
Hình 2.22 Sóng âm thanh phản hồi khi đối tượng (mục tiêu) là chất rắn, chất lỏng
Kỹ thuật cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên vận tốc âm thanh ổn định Thời gian mà sóng âm thanh di chuyển từ cảm biến đến đối tượng và trở lại tương ứng với khoảng cách đo được Do đó, cảm biến siêu âm thường được ứng dụng trong việc đo khoảng cách một cách chính xác.
Cảm biến công nghiệp thường hoạt động ở tần số từ 25 kHz đến 500 kHz, trong khi các cảm biến y tế hoạt động với tần số từ 5 MHz trở lên Tần số hoạt động của cảm biến có mối quan hệ tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện; ví dụ, với tần số 50 kHz, phạm vi hoạt động có thể lên tới 10 m, trong khi tần số 200 kHz chỉ cho phép phạm vi hoạt động tối đa 1 m.
Vùng hoạt động: là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách phát hiện lớn nhất và nhỏ nhất
Cảm biến tiệm cận siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần bề mặt cảm biến gọi là “khu vực mù” (blind zone)
Kích thước và vật liệu của đối tượng ảnh hưởng trực tiếp đến khoảng cách phát hiện tối đa của cảm biến tiệm cận siêu âm, như được minh họa trong hình 2.24.
Hình 2.24: Khoảng cách hoạt động lớn nhất của cảm biến tiệm cận siêu âm với các đối tượng khác nhau
2.6.2 Cảm biến tiệm cận siêu âm loại có thể điều chỉnh khoảng cách phát
Một số cảm biến ngõ ra analog cho phép người dùng điều chỉnh khoảng cách phát hiện, giúp từ chối việc phát hiện các đối tượng ở một khoảng cách nhất định Điều này mang lại sự linh hoạt trong việc thiết lập mức độ nhạy của cảm biến.
Để ngăn chặn cảm biến phát hiện đối tượng di chuyển vào vùng hoạt động của nó, có thể tạo một lớp vỏ bằng chất liệu không phản xạ sóng âm thanh.
Lý thuyết chọn lựa các thiết bị điện
Xác định tổng công suất thiết bị tiêu thụ điện: P (Watt)
Xác định điện áp hoạt động: U (Volt)
Xác định dòng điện hoạt động: I (Ampere) Đối với điện một chiều:
(2.34) Đối với điện xoay chiều ba pha:
(2.35) Tiến hành tra bảng theo tiêu chuẩn để chọn dây dẫn và dòng điện
Bảng 2.1: Dòng điện và tiết diện dây dẫn theo chuẩn IEC 60439-1
Giá trị dòng điện (A) Tiết diện dây dẫn ( mm 2 )
Chọn MCB thỏa điều kiện sau:
Tổng quan về Labview
LABVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một môi trường ngôn ngữ đồ họa mạnh mẽ, giúp tối ưu hóa giao tiếp đa kênh giữa con người, thuật toán và thiết bị So với các ngôn ngữ lập trình như C hay Visual Basic, LABVIEW mang đến sự linh hoạt và hiệu quả trong việc phát triển ứng dụng và quản lý dữ liệu.
Python và LABVIEW đều sử dụng các khối hình ảnh sinh động kết hợp với dây nối để xây dựng lệnh và hàm, giúp đơn giản hóa quá trình lập trình và làm cho nó trở nên khoa học hơn.
LABVIEW trở thành công cụ phổ biến trong ứng dụng thu thập dữ liệu từ các cảm biến, phát triển các thuật toán và điều khiển các thiết bị
LABVIEW là một công cụ mạnh mẽ hỗ trợ các nhà khoa học, kỹ sư và sinh viên trong việc phát triển và thực thi các ứng dụng cho mạch điện và cơ cấu chấp hành thông qua nhiều chuẩn giao tiếp như RS232, USB, TCP/IP, UDP và GPIB Nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đo lường, tự động hóa, cơ điện tử, robotics và ôtô LABVIEW cho phép kỹ sư kết nối các cảm biến và cơ cấu chấp hành với máy tính, đồng thời xử lý nhiều loại dữ liệu như tín hiệu analog, tín hiệu digital, hình ảnh và âm thanh.
Hình 2.26: Các lệnh, hàm trong LABVIEW
Tổng quan về OPC và DataSocket, PC Access
OPC (OLE for Process Control) là một tiêu chuẩn dựa trên công nghệ OLE, COM và DCOM do Microsoft phát triển cho hệ điều hành Windows Nó cung cấp một bộ tiêu chuẩn cho các đối tượng, giao diện và phương pháp trong điều khiển quá trình và tự động hóa sản xuất, giúp cải thiện khả năng tương tác giữa phần cứng và phần mềm của các nhà sản xuất khác nhau OPC hoạt động như một thông dịch viên, quy về một ngôn ngữ chung, với OPC Data Access là ứng dụng phổ biến nhất, cho phép đọc và ghi dữ liệu theo thời gian thực.
Hình 2.27: Tổng quan về OPC Server
OPC Server là phần mềm kết nối các thiết bị phần cứng như PLC, DCS, RTU và nguồn dữ liệu như Database, tạo ra định dạng dữ liệu thống nhất theo chuẩn OPC Các ứng dụng khác có thể truy cập OPC Server để thực hiện thao tác đọc và ghi dữ liệu OPC Client là phần mềm liên kết với OPC Server thông qua các giao thức nhất định để truy cập dữ liệu từ các địa chỉ trong OPC Server.
2.9.2 Giới thiệu giao thức DataSocket
DataSocket là công nghệ lập trình mới dựa trên chuẩn TCP/IP, giúp đơn giản hóa việc trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng và máy tính qua mạng Nó cung cấp giao diện lập trình hiệu năng cao, dễ sử dụng cho hệ thống đo lường và tự động hóa DataSocket cho phép đọc và viết dữ liệu từ nhiều nguồn và đích khác nhau thông qua URL, đồng thời hỗ trợ truy cập vào các Server File, FTP, HTTP, và OPC Giao thức truyền DataSocket (DSTP) cho phép trao đổi dữ liệu với mọi kiểu dữ liệu thông qua DataSocket Server Công nghệ này bao gồm hai phần chính.
DataSocket API là một giao diện mạnh mẽ cho phép giao tiếp với nhiều loại dữ liệu từ các ngôn ngữ lập trình khác nhau qua mạng Được sử dụng như một điều khiển ActiveX và là thư viện của LabWindows/CVI, DataSocket API có khả năng tích hợp vào nhiều môi trường lập trình ứng dụng như Visual Basic, Visual C++ và LabVIEW Một trong những tính năng nổi bật của DataSocket API là khả năng tự động chuyển đổi dữ liệu thành luồng Byte, giúp việc truyền tải dữ liệu trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.
Hình 2.28: Các hàm lập trình trong DataSocket
Hàm cơ bản của DataSocket cho phép mở kênh dữ liệu, thực hiện việc đọc và viết dữ liệu qua kênh đó, và đóng kênh khi không còn sử dụng DataSocket API có thể được kết hợp với nhiều chương trình khác nhau để đọc dữ liệu từ các nguồn như HTTP Server, FTP Server, Local Files và DSTP Server.
DataSocket Server là một module phần mềm hiệu quả trong việc quản lý dữ liệu tới các Client với tốc độ cao, giúp đơn giản hóa quá trình truyền thông qua mạng Internet bằng giao thức TCP/IP Nó tự động quản lý các kết nối của Client và bao gồm ba thành phần chính: Nguồn xuất dữ liệu (Publisher), DataSocket Server, và nguồn nhận dữ liệu (Subscriber).
Publishers utilize the DataSocket API to send data collected from applications to the server, while subscribers use the same API to retrieve data from the server Both publishers and subscribers act as clients of the DataSocket server.
DataSocket Server Manager hỗ trợ truyền dữ liệu qua sáu giao thức khác nhau, bao gồm ba giao thức trực tiếp (DSTP, OPC, LOOKOUT) và ba giao thức thông thường (FTP, HTTP, Files) Để thiết lập địa chỉ URL trong DataSocket, người dùng cần tuân theo các giao thức này.
DSTP (DataSocket Transfer Protocol): dstp://ServerName/Numberic
OPC (OLE for Process Control): opc://ServerName/OPCServer/ItemName LOOKOUT:
Lookout: lookout:\\ServerName\Process\Object
Mô đun DSC: lookout://ServerName/Process/Tag
FieldPoint: lookout:\\IPAddress\FP\Module\Channel
HTTP ( Hyper Test Transfer Protocol): http://www.google.com
FTP (File Transfer Protocol): ftp://server/directory/file
File: file:c\mydata\ping.wav, file:\\machine\mydata\ping.wav
2.9.3 Giới thiệu về PC Access
PC Access S7-200 là phần mềm của Siemens, cho phép truy cập dữ liệu từ PLC S7-200 qua giao thức OPC Phần mềm này hoạt động như một OPC Server, giúp các OPC Client kết nối và quản lý dữ liệu PLC Kết nối giữa PLC và máy tính có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp, trong đó sử dụng giao diện PC/PPI thông qua thiết lập PC/PG Interface là một lựa chọn phổ biến.
Người dùng có thể tương tác với các vùng nhớ của PLC thông qua các tag được tạo ra trên PC Access, với mỗi OPC-Item đại diện cho một vùng nhớ PLC và kiểu dữ liệu mà người dùng đã chọn.
Giới thiệu Toolkit Report Generation for Microsoft Office
Microsoft Word và Excel là những công cụ mạnh mẽ để tạo báo cáo Bộ công cụ Toolkit Report Generation for Microsoft Office cung cấp các chức năng linh hoạt, dễ sử dụng nhằm kiểm soát và tạo ra báo cáo cho các ứng dụng đo lường và tự động hóa Bộ công cụ này bao gồm ba phần chính: xuất báo cáo nhanh với MS Office Report, xuất báo cáo nâng cao với Word và Excel.
Với công cụ MS Office Report, người dùng có thể xuất báo cáo nhanh chóng mà không cần viết nhiều chương trình Công cụ này cung cấp hai tùy chọn thiết lập báo cáo: chế độ cơ bản với các thông số mặc định của LabVIEW, và chế độ tùy chỉnh cho phép người dùng tự tạo mẫu báo cáo theo ý muốn Việc tạo báo cáo trở nên dễ dàng và nhanh chóng với MS Office Report.
Công cụ xuất báo cáo nâng cao với Word và Excel cung cấp nhiều tập lệnh với chức năng đa dạng, bao gồm cả các tính năng cơ bản của Microsoft Office Người dùng có thể dễ dàng thêm tiêu đề, đoạn văn bản, bảng số liệu và đồ thị vào báo cáo, đồng thời điều chỉnh kích thước trang, bảng, màu sắc và kiểu chữ Hơn nữa, công cụ này còn cho phép người dùng tích hợp các hàm tính toán và nhúng chương trình Visual Basic vào báo cáo, nhằm nâng cao tính năng và tiện ích sử dụng.
Hình 2.30: Các hàm trong lập trình xuất báo cáo nâng cao Word và Excell
PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP
Yêu cầu của đề tài
- Thiết kế cơ cấu kiểm tra ứng suất uốn của kính khả năng tải 5 tấn
- Sản phẩm cần kiểm tra là kính cường lực, kích thước mẫu 460x360x6 mm, 460x360x8, 460x360x10, 460x360x12
- Xây dựng giao diện điều khiển và thu thập dữ liệu theo yêu cầu.
Phương hướng và giải pháp thực hiện
Hình 3.1: Phương án sử dụng phần cứng thu thập dữ liệu NI USB 6008
Card NI USB 6008 mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm tốc độ thu thập dữ liệu cao và khả năng kết nối đơn giản qua cáp USB Nó cũng tương thích tốt với LabVIEW và được hỗ trợ đầy đủ driver Tuy nhiên, card USB này cũng có một số nhược điểm cần lưu ý.
6008 là điện áp 5V nên dễ bị nhiễu trong môi trường công nghiệp, thiếu linh hoạt trong việc điều khiển các ngoại vi, giá thành tương đối cao
Hình 3.2: Phương án sử dụng PLC điều khiển và thu thập dữ liệu
Sử dụng PLC để điều khiển và thu thập dữ liệu mang lại nhiều ưu điểm như tính linh hoạt trong việc quản lý thiết bị ngoại vi và dễ dàng trong bảo trì, đồng thời hoạt động hiệu quả trong môi trường công nghiệp Tuy nhiên, một nhược điểm của PLC là khó khăn trong việc kết nối Kết nối giữa PLC và Labview được thực hiện theo sơ đồ giải pháp đã được trình bày.
Hình 3.3 minh họa sơ đồ khối giao tiếp giữa PLC S7-200 và Labview Khi Labview hoạt động, các đối tượng trong Labview liên kết với các OPC tag của phần mềm PC Access để gửi dữ liệu tới OPC Server PC Access khởi chạy OPC Driver nhằm kết nối với các vùng nhớ của PLC, đảm bảo rằng giao diện Labview luôn cập nhật dữ liệu từ PLC một cách liên tục.
Giao thức DataSocket sẽ tạo ra liên kết giữa Labview và PC Access thông qua Data Blinding Data Blinding gồm hai cách kết nối Shared Variable Engine và DataSocket
Hình 3.4: Phương án sử dụng đầu cân điện tử
Sử dụng đầu cân điện tử mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm tính đơn giản và độ chính xác cao Tuy nhiên, nó chỉ phù hợp cho các ứng dụng đơn giản như cân tĩnh, không yêu cầu điều khiển hay giám sát qua giao diện.
Lựa chọn phương án
Để tối ưu hóa quy trình công nghiệp và nâng cao tính tự động hóa, phương án 2 là lựa chọn lý tưởng Phương án này giúp giải quyết hiệu quả vấn đề điều khiển và thu thập dữ liệu, dựa trên sơ đồ minh họa bên dưới.
Hệ thống được mô tả bao gồm ba bước chính: đầu tiên, phần mềm thu thập dữ liệu sẽ được xây dựng trên PC bằng ngôn ngữ Labview, kết hợp với phần mềm OPC Server PC Access của Siemens Tiếp theo, tủ điện sẽ được thi công với các thiết bị như PLC, biến tần, mô đun analog và bộ khuếch đại, trong đó PLC sẽ được kết nối với Labview qua cáp PC/PPI theo mô hình điểm tới điểm chuẩn RS-485 Cuối cùng, hệ thống thủy lực cho cơ cấu ép sẽ được thi công với Loadcell và động cơ.
Trình tự công việc tiến hành
- Tìm hiểu nội dung tiêu chuẩn BS EN 1288-3
- Tìm hiểu tổng quan về kính cường lực và cơ cấu kiểm tra sức bền uốn.
- Lựa chọn phương án và giải pháp.
- Đưa ra kế hoạch chi tiết cho từng phần.
- Tính toán sơ bộ thủy lực, thiết kế sơ bộ cơ khí
- Tìm hiểu ngôn ngữ Labview
- Tìm hiểu cách liên kết PLC với Labview
- Hoàn thiện thiết kế cơ khí, xuất bản vẽ gia công, tiến hành gia công
- Đọc và xử lý tín hiệu Analog từ loadcell về PLC s7-200
-Xây dựng giao diện người dùng
- Chọn lựa thiết bị, thi công tủ điện
- Lắp ghép cơ khí, điện điều khiển
- Thực nghiệm giao diện với Loadcell
- Thực nghiệm với mẫu kính.
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
Thiết kế cơ khí
4.1.1 Tính toán chọn công suất thủy lực, bơm dầu, xy lanh
Chọn xy lanh theo thực tế có thông số như sau: D0mm, dPmm, khả năng chịu áp suất tối đa 140 kgf cm / 2 (tương đương 13.73 MPa)
Khi đó, lực tác dụng lớn nhất trên xy lanh là:
Xy lanh đáp ứng được phạm vi tải của hệ thống ép thủy lực 5 tấn (tương đương 50kN)
Dựa trên yêu cầu và phạm vi tải của hệ thống ép, bộ nguồn thủy lực được chọn có áp suất dầu tối đa là 250 kgf/cm² (tương đương 24.5MPa) Bộ nguồn này có công suất bơm dầu là 2HP (khoảng 1.5kW).
Công suất thủy lực thực tế:
Thực tế tổn thất trong hệ thống thủy lực lớn, khi đó công suất thủy lực hữu ích là:
4.1.2 Thiết kế hệ thống thủy lực:
Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống thuỷ lực
Hình 4.2: Mô hình thiết kế 3D hệ thống kiểm tra ứng suất uốn
Bản vẽ chi tiết: Phụ lục 4
Hình 4.3: Hệ thống kiểm tra ứng suất uốn hoàn thiện
Tính toán, thiết kế điện điều khiển
4.2.1 Tính toán chọn các thiết bị điện
Cơ cấu ép khả năng tải lớn nhất 50kN, chọn loadcell 5 tấn loại trụ nén
Loadcell tạo ra tín hiệu điện áp nhỏ, vì vậy cần chọn bộ khuếch đại để chuyển đổi tín hiệu thành dòng 4-20mA Nguồn điện cấp cho hệ thống là 24VDC, trong khi điện áp ngõ ra cung cấp cho Loadcell là 12VDC.
Chọn PLC S7-200 CPU 224CN DC/DC/DC với số I/O đáp ứng cho yêu cầu số lượng các thiết ngoại vi
Chọn Modul Analog EM 235 của Siemens đọc tín hiệu dòng và áp
Từ công suất thủy lực, xác định công suất của động cơ là 1.5kW, chọn biến tần Yaskawa V1000 1.5kW
Hình 4.4: Sơ đồ khối các phần tủ điện Bảng vẽ điện: Phụ lục 3
4.2.3 Thiết kế chương trình PLC điều khiển
Xây dựng hàm xử lý tín hiệu Analog cho Loadcell cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa khối lượng và điện áp ngõ ra Giá trị ADC cũng thể hiện tính tuyến tính tương ứng với lực tác dụng lên Loadcell Dựa vào mối quan hệ này, có hai phương pháp tuyến tính được áp dụng.
Hình 4.5: Phương pháp tuyến tính khối lượng theo thực tế
Thứ nhất, tuyến tính theo khối lượng thực tế bằng quả cân chuẩn (giới hạn tải trọng Loadcell nhỏ)
(4.3) Trong đó: m (kg) khối lượng hiện tại
M (kg) là khối lượng chuẩn, y là giá trị ADC tại m (kg), y1 là giá trị ADC khi m1=0kg, và y2 là giá trị ADC tại M kg Đặc biệt, giá trị ADC của mô đun EM235 có mối quan hệ tuyến tính theo dải giá trị.
Hình 4.6: Phương pháp tuyến tính khối lượng theo giá trị ADC của EM235
Khi đó công thức chuyển đổi giữa khối lượng và giá trị ADC như sau
Khi đọc giá trị ADC từ Loadcell, giá trị này có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 6400 khi không có tải Do đó, cần thực hiện việc bù trừ (Offset) một giá trị để hiệu chỉnh (Calib) Loadcell Công thức chuyển đổi sẽ được điều chỉnh tương ứng với quá trình này.
(4.5) Trong đó y1 là giá trị ADC khi không tải của Loadcell
Chương trình PLC điều khiển:
LD SM0.0 MOVW AIW0, VW2 ITD VW2, VD96 MOVD VD96, VD100
*D +10000, VD100 MOVD VD100, VD112 /D +32000, VD112
Thiết kế giao diện thu thập dữ liệu
Xây dựng công thức tính lực, sức bền uốn trên phần mềm Labview:
Căn cứ vào lý thuyết của tiêu chuẩn BS EN 1288-3:
Giao diện điều khiển và thu thập dữ liệu:
Hình 4.7: Giao diện giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu
Hình 4.8: Code phần mềm labview
Xây dựng các Tag liên kết giữa PLC với Labview:
Hình 4.9: Các tag liên kết giữa PLC và Labview
THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ
Thực nghiệm với 10 mẫu thử kính dày 6mm
Khoảng cách 2 gối trên (Lb)
Khoảng cách 2 gối dưới (Ls)
Fmax (kN) Ứng suất uốn σbB
Bảng 5.1: Bảng kết quả thực nghiệm với mẫu thử dày 6mm
Thực nghiệm với 10 mẫu thử kính dày 8mm
Khoảng cách 2 gối trên (Lb)
Khoảng cách 2 gối dưới (Ls)
Fmax (kN) Ứng suất uốn σbB
Bảng 5.2: Bảng kết quả thực nghiệm với mẫu thử dày 8mm
Thực nghiệm với 10 mẫu thử kính dày 10mm
Khoảng cách 2 gối trên (Lb)
Khoảng cách 2 gối dưới (Ls)
Fmax (kN) Ứng suất uốn σbB
Bảng 5.3: Bảng kết quả thực nghiệm với mẫu thử dày 10mm
Thực nghiệm với 10 mẫu thử kính dày 12mm
Khoảng cách 2 gối trên (Lb)
Khoảng cách 2 gối dưới (Ls)
Fmax (kN) Ứng suất uốn σbB
Bảng 5.4: Bảng kết quả thực nghiệm với mẫu thử dày 12mm
Mối quan hệ giữa ứng suất uốn với độ dày của kính rút ra từ thực nghiệm… 52 5.6.Mối quan hệ giữa độ võng với độ dày của kính rút ra từ thực nghiệm
Hình 5.1: Đồ thị mối quan hệ giữa ứng suất uốn với độ dày của kính
5.6 Mối quan hệ giữa độ võng của kính với độ dày của kính rút ra từ thực nghiệm:
Đánh giá
Đề tài nghiên cứu và thiết kế máy kiểm tra ứng suất uốn kính cường lực theo tiêu chuẩn BS EN 1288-3 đã được thực hiện trong khoảng thời gian 6 tháng.
Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã tham khảo nhiều tài liệu và công trình nghiên cứu cả trong và ngoài nước Đến nay, tôi đã hoàn thành đề tài với các kết quả thực nghiệm đạt yêu cầu Sản phẩm cuối cùng là máy kiểm tra ứng suất uốn của kính cường lực theo tiêu chuẩn BS EN 1288-3, được ứng dụng tại nhà máy sản xuất kính cường lực Thiên Phú.
Máy đang được thử nghiệm tại phòng thí nghiệm của công ty kính Thiên Phú Theo đánh giá, máy hoạt động ổn định với sai số chênh lệch khoảng ±5% so với số liệu mẫu của Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 3.
