CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hệ thống truyền động khí nén 1. Ứng dụng của hệ thống truyền động khí nén Hệ thống truyền động khí nén hiện nay được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như trong lĩnh vực công nghiệp ô tô, xây dựng, giao thông hàng hải và hàng không, ngành in, các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, dầu khí, rô-bốt, y học, v.1 là hình ảnh một số ứng dụng của các hệ thống truyền động khí nén trong các lĩnh vực khác nhau. Các hệ thống truyền động khí nén được sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm sau: Kết cấu đơn giản và dễ bảo dưỡng; Độ an toàn làm việc cao trong các môi trường dễ cháy, nổ, có thể làm việc cả trong các môi trường khắc nghiệt (phóng xạ, hóa chất…); Vận tốc hoạt động của cơ cấu chấp hành cao.
Vận tốc của pít-tông xy lanh khí nén có thể đạt 15 m/s (hoặc cao hơn) và vận tốc quay của trục ra của một số động cơ khí nén có thể lên đến 100000 vòng/phút 4; Nguồn không khí cung cấp rẻ, có sẵn và thân thiện với môi trường; Có khả năng làm việc tự động theo chương trình hoặc với điều khiển từ xa. Tuy nhiên, hệ thống truyền động khí nén có một số nhược điểm sau 1: Các hệ truyền động khí nén thường có kích thước lớn hơn so với các hệ thủy lực có cùng công suất; Tính nén được của không khí khá lớn, ảnh hưởng đáng kể tới chất lượng làm việc của hệ thống; Do vận tốc của cơ cấu chấp hành khí nén lớn hơn nên dễ xảy ra va đập ở cuối hành trình; Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước và dừng ở các vị trí trung gian…cũng khó thực hiện được chính xác như đối với các hệ thống thủy lực; 5 luan an Khi làm việc, các hệ thống khí nén cũng gây ồn hơn so với các hệ thống thủy lực… a). Trong công nghiệp ô tô 5 b). Trong lĩnh vực rô-bốt 6 c).
Trong lĩnh vực hàng không 8 e). Trong một số lĩnh vực công nghiệp khác 9 Hình 1. Hình ảnh một số ứng dụng của các hệ thống truyền động khí nén 6 luan an 1. Phân loại hệ thống truyền động khí nén Các ứng dụng của hệ thống truyền động khí nén hiện nay hầu hết được xếp vào loại hệ thống truyền động – tự động khí nén làm việc theo chu trình.
Đây là một hệ thống truyền động mà sau khi ta khởi động, hệ thống sẽ tự động làm việc, thực hiện một cách tuần tự, liên tục, nhắc lại từng bước công nghệ một, từ bước đầu tiên cho tới bước cuối cùng của chu trình công nghệ được áp đặt và khi kết thúc bước cuối thì quay trở lại bước đầu. Hệ thống chỉ dừng hoạt động khi có tín hiệu báo dừng hoặc khi có sự cố phá hủy hoạt động bình thường của nó. Khi thiết kế hệ điều khiển cho hệ thống này ta chỉ quan tâm đến việc cơ cấu chấp hành dừng đúng ở các vị trí điểm đầu, điểm cuối, một số điểm dừng trung gian xác định và thực hiện đúng chu trình hoạt động yêu cầu mà không quan tâm đến các vị trí trung gian của cơ cấp chấp hành [1]. Đối với các ứng dụng truyền động-tự động khí nén làm việc theo chu trình, các cơ cấu chấp hành có kích cỡ lớn và hành trình dài thường được sử dụng và cơ cấu chấp hành có thể hoạt động ở tốc độ cao.
Điều khiển các hệ thống truyền động khí nén làm việc theo chu trình thường dễ thực hiện dựa trên phương pháp điều khiển logic. Hệ thống điều khiển có thể sử dụng các phần tử khí nén, phần tử điện, hoặc kết hợp giữa điện -khí nén tùy vào nhu cầu ứng dụng. Trong thực tế, một yêu cầu thường gặp là hệ truyền động khí nén phải cho phép cơ cấu chấp hành dừng được ở các vị trí trung gian bất kỳ với độ chính xác vị trí cao ví dụ như ứng dụng hệ thống-tự động khí nén trong các máy CNC, rô bốt hỗ trợ phẫu thuật người bệnh, một số công đoạn trong dây chuyền lắp ráp tự động, máy đo đạc chính xác,… Trong những trường hợp như vậy người ta phải sử dụng các hệ truyền động khí nén điều khiển số hoặc các hệ truyền động khí nén tỉ lệ. Điều khiển vị trí độ chính xác cao tại các điểm dừng trung gian mong muốn với các CCCH khí nén của hệ thống TĐKN thường rất khó bởi vì hệ thống TĐKN được biết đến là hệ thống phức tạp và phi tuyến bậc cao do tính nén được của chất khí, đặc tính phi tuyến của van khí, và đặc biệt là do ảnh hưởng của ma sát tồn tại trong CCCH khí nén 2.
Ma sát thường tồn tại giữa các phớt làm kín của pít-tông/cần pít- tông và các bề mặt tiếp xúc của cơ cấu chấp hành khí nén và ảnh hưởng lớn đến động lực học và điều khiển của hệ thống TĐKN. Ma sát có thể gây ra chu kỳ giới hạn, các chuyển động dính-trượt không mong muốn và làm giảm hiệu suất cũng 7 luan an như chất lượng điều khiển của hệ thống TĐKN. Do đó, việc nghiên cứu hiểu rõ đầy đủ về các đặc tính ma sát trong các CCCH khí nén và xây dựng được một mô hình ma sát phù hợp đối với các CCCH khí nén là rất cần thiết để nâng cao khả năng thiết kế các hệ thống truyền động khí nén hoặc để nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống TĐKN. Trong các phần sau trình bày những nghiên cứu tổng quan về các mô hình ma sát nói chung đối với hệ thống cơ khí nói chung, các mô hình ma sát đã được đề xuất cho đến nay đối với hệ thống TĐKN nói riêng và những nghiên cứu tổng quan về mô phỏng và điều khiển hệ thống TĐKN.
Tổng quan về nghiên cứu phát triển các mô hình ma sát Hiện tượng ma sát đã được biết đến từ hàng trăm năm trước 10-12. Cùng với sự phát triển khoa học và kỹ thuật, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về ma sát và đưa ra mô hình toán học về ma sát. Đầu tiên, mô hình ma sát của Leonardo da Vinci (1493) được Guillaume Amonton (1699) đề xuất và Charles Augustin de Coulomb (1785) phát triển, được gọi là mô hình ma sát Coulomb, trong đó lực ma sát tỉ lệ thuận với lực pháp tuyến, ngược chiều chuyển động và không phụ thuộc vào diện tích mặt tiếp xúc 10-12. Mô hình ma sát Coulomb được mô tả trên Hình 1.2 và đặc tính ma sát Coulomb (FC) trên Hình 1.
Osborn Reynolds [13] giới thiệu thêm thành phần ma sát do tính nhớt của chất lỏng gây ra tỉ lệ với vận tốc. Thuật ngữ ma sát nhớt (Fv) được sử dụng cho thành phần này và đặc tính ma sát trên Hình 1. Arthur Morin [14] giới thiệu ý tưởng về lực ma sát ở trạng thái nghỉ có giá trị lớn hơn ma sát Coulomb và được gọi là ma sát Hình 1. Lực ma sát trên mặt tiếp xúc giữa hai vật: F – ngoại lực tác dụng lên vật, N – lực pháp tuyến, v – vận tốc chuyển động, Fr – lực ma sát, x – vị trí 8 luan an Hình 1.
Các đặc tính ma sát: a). Mô hình ma sát Coulomb (FC) kết hợp ma sát nhớt (Fv); c). Mô hình ma sát tĩnh (Fs) kết hợp mô hình ma sát Coulomb (FC) và ma sát nhớt (Fv)11 tĩnh (Fs) (Hình 1. Ma sát tĩnh chống lại các lực bên ngoài và giữ đối tượng không chuyển động.
Sự kết hợp ma sát Coulomb, ma sát nhớt (Fv) và các thành phần ma sát tĩnh (Fs) dẫn đến mô hình ma sát được sử dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật và được trình bày trên Hình 1. Các mô hình ma sát trên Hình 1.3 được coi là các mô hình ma sát cổ điển. Các mô hình ma sát cổ điển bao gồm các thành phần hoặc là hằng số hoặc tuyến tính với vận tốc. Richard Stribeck [15] đo sự phụ thuộc vào vận tốc của ma sát với ổ bi cầu và nhận ra rằng ma sát giảm khi tăng vận tốc ở giai đoạn vận tốc thấp xác định.
Hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng” Stribeck. Dạng đường cong Stribeck được trình bày trên Hình 1. Đường cong Stribeck – quan hệ giữa lực ma sát và vận tốc [15,16] 9 luan an Đường cong Stribeck được chia thành 4 giai đoạn bôi trơn khác nhau: Ma sát tĩnh, bôi trơn giới hạn, bôi trơn một phần bằng chất lỏng và bôi trơn hoàn toàn bằng chất lỏng. Giai đoạn ma sát tĩnh là giai đoạn trước khi trượt, không có sự dịch chuyển và quá trình bôi trơn chưa xảy ra.
Giai đoạn bôi trơn giới hạn là giai đoạn có sự dịch chuyển nhưng quá trình bôi trơn bề mặt mới bắt đầu xảy ra (vận tốc chưa đủ lớn để tạo thành màng bôi trơn giữa hai bề mặt tiếp xúc). Giai đoạn bôi trơn một phần bằng chất lỏng là giai đoạn bôi trơn từng phần, vận tốc chuyển động đủ lớn và cuốn chất bôi trơn chuyển động theo tạo màng bôi trơn giữa hai bề mặt tiếp xúc. Giai đoạn bôi trơn hoàn toàn bằng chất lỏng xuất hiện khi hai bề mặt bị phân cách hoàn toàn bởi lớp màng bôi trơn [16]. Một số mô hình toán học về ma sát đã được đề xuất [17] để mô tả đường cong Stribeck.
Mô hình ma sát trạng thái ổn định bao gồm thành phần ma sát Coulomb, ma sát nhớt, ma sát nhớt và ma sát tĩnh. Mô hình ma sát này được ứng dụng rộng rãi trong mô phỏng các đặc tính ma sát của hệ thống cơ khí. Mặt khác, ma sát cũng được quan sát bằng thực nghiệm là có các đặc tính động học. Các đặc tính ma sát động như: khoảng dịch chuyển trước khi trượt, chuyển động “dính – trượt”, hiện tượng “trễ”, sự thay đổi lực “đứt – gãy” và “độ trễ” như trên Hình 1.
Các đặc tính động học của ma sát có thể quan sát được bằng thực nghiệm và chỉ có thể được mô phỏng bằng các mô hình ma sát động. Dahl (1960s) 19,20 giải thích quan hệ ma sát tương tự như ứng suất trượt của các vật liệu. Đối với các vật thể chịu tác dụng để chuyển dịch rất nhỏ so với nhau, Dahl thấy rằng các vật này hồi về vị trí ban đầu. Dahl so sánh hiện tượng này với quan hệ của vật liệu đàn hồi giống như lò xo, xuất hiện như các lực liên kết giữa hai bề mặt.
Mô hình ma sát Dahl là mô hình ma sát động đơn giản bao gồm ma sát Coulomb với “độ trễ” trong thay đổi lực ma sát khi chuyển động thay đổi.