Nghiên cứu thiết kế và kết nối hệ thống đo lực cắt trên máy mài tròn ngoài

44
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐO LỰC CẮT 
TRÊN MÁY MÀI TRÒN NGOÀI
A STUDY ON DESIGN AND CONNECTION OF CUTTING 
FORCE MEASUREMENT SYSTEM ON CYLINDRICAL 
GRINDING MACHINE
 Trần Hải Đăng, Nguyễn Thị Liễu
Email: dangctts@gmail.com 
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 20/4/2018 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 14/6/2018 
Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2018
Tóm tắt
Mài là một phương pháp gia công tinh được sử dụng rất phổ biến trong ngành chế tạo máy. Đồng thời 
mài cũng là một quá trình phức tạp, các thông số đầu vào của quá trình mài đều ảnh hưởng đến chất 
lượng mài. Do đó, thực nghiệm là một trong các biện pháp hiệu quả để xác định chính xác các thông 
số trong quá trình mài. Bài báo này trình bày phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, xác định giá trị 
của lực cắt trên bề mặt của chi tiết gia công thông qua việc thiết lập hệ thống đo, sử dụng phần mềm 
DASYlab7.0 có chức năng đo lường tự động và ghi dữ liệu.
Từ khóa: Phương pháp mài; mài tròn ngoài; hệ thống đo; thông số đo; lực cắt.
Abstract
Grinding is a finish machinery method commonly used in the machine-building industry. At the same 
time grinding is a complex process, the input parameters of the grinding process affect the quality 
of grinding. Therefore, experiment is one of the effective measures to accurately determine parameters 
during grinding. This paper presents an empirical research for determining the value of the cutting force 
on the surface of the machining part through the establishment of a measuring system in combination with 
the use of the DASYlab7.0 software which has function of automatic measurement and data recording.
Keywords: Grinding method; external grinding; measuring system; measuring parameters; cutting force.
1. GIỚI THIỆU
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật 
trên thế giới trong lĩnh vực cơ khí, mài được 
coi là nguyên công gia công tinh sau khi đã 
được gia công bằng tiện, phay, bào sau nhiệt 
luyện [1] nhằm nâng cao độ chính xác về kích 
thước và độ nhẵn bóng bề mặt của chi tiết gia 
công. Ưu điểm cơ bản của quá trình mài là dễ 
đạt được độ chính xác kích thước, độ chính xác 
hình dáng hình học chất lượng bề mặt gia công 
theo yêu cầu. Hơn nữa, mài còn có thể gia công 
được các vật liệu có độ cứng cao đã qua nhiệt 
luyện với lượng dư gia công nhỏ, đạt năng suất 
và hiệu quả kinh tế cao nhất mà các phương 
pháp khác khó có thể thực hiện được [2]. Để 
khảo sát được vấn đề này cần phải mô hình hóa 
quá trình cắt, có nhiều mô hình đã được đưa ra 
[3, 4], một số hãng đã giới thiệu về hệ thống đo. 
Tuy nhiên, các hệ thống này có giá thành quá cao 
không phù hợp với điệu kiện kinh tế nước ta. 
Việc nghiên cứu xây dựng hệ thống thí nghiệm đo 
lực cắt trong quá trình mài để đảm bảo các yêu 
cầu kỹ thuật và mang lại hiệu quả kinh tế cao. 
2. TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
Điều kiện thí nghiệm gồm: máy mài tròn ngoài, 
mẫu thí nghiệm, đá mài, dụng cụ sửa đá, phương 
pháp mài, chế độ sửa đá, chế độ cắt [5], cụ thể:
- Máy mài tròn ngoài: Sử dụng máy mài tròn ngoài: 
GU-20.25A SHIGIYA của Nhật Bản.
- Mẫu thí nghiệm mài: Mẫu thí nghiệm được chế 
tạo từ thép 45 và được tôi cứng 45÷47 HRC
- Đá mài: Sử dụng đá mài của Nga ký hiệu 
€K25CM2, kích thước của đá 305x50x127 mm.
Người phản biện: 1. GS.TS. Trần Văn Địch 
 2. TS. Vũ Hoa Kỳ
45
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018
- Dụng cụ sửa đá: Đầu sửa đá kim cương loại 1 
hạt có kích thước ∅12 x 40 mm.
- Phương pháp mài: Mài tròn ngoài có tâm chạy 
dao dọc.
- Chế độ sửa đá: Tốc độ quay trục chính: nđ = 
2000 vg/ph, bước tiến dọc: Ssđ = 1 m/ph, chiều 
sâu cắt: tsđ = 0,015 mm/htđ.
- Chế độ cắt: Tốc độ quay trục đá: nđ = 2000 
vg/ph, tốc độ quay của phôi: nct = 97 vg/ph, bước 
tiến dọc: Sđ = 0,5 m/ph, chiều sâu cắt: t = 0,05 mm.
Ngoài ra, để đo lực cắt thí nghiệm, tác giả sử dụng 
thiết bị đo lực cắt gồm:
- Bộ cảm biến: Hai mũi tâm đóng vai trò là phần 
tử đàn hồi trên đó có dán các tenzo điện trở (còn 
gọi là lực kế).
- Bộ chuyển đổi ADC: Bộ vi điều khiển MSC-51 điều 
khiển hoạt động của bộ chuyển đổi tương tự - số.
- Thiết bị xuất số liệu: máy tính cá nhân, máy in.
- Phần mềm điều khiển và xử lý thông tin: sử dụng 
phần mềm DASYlab7.0 - 32 bit của hãng IOTECH 
có chức năng đo lường, điều khiển, phân tích, ghi 
số liệu và thiết kế mô phỏng quá trình đo.
3. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM
3.1. Mô hình thí nghiệm đo lực
Một trong những phương pháp đo lực cắt được 
sử dụng rộng rãi hiện nay là dùng các cảm biến 
có gắn các tenzo điện trở trên những phần tử đàn 
hồi có các hình dạng khác nhau. Thông qua việc 
đo biến dạng của các phần từ đàn hồi bằng đầu 
đo điện trở, ta có thể xác định được trị số của lực. 
Để đo lực cắt khi mài tròn ngoài ta sử dụng sơ đồ 
như hình 1.
n
n
3 2 3
4
1
P
P
Hình 1. Mô hình thí nghiệm đo lực [5, 6].
1- đá mài; 2 - chi tiết gia công; 3 - mũi tâm có gắn 
cảm biến; 4 - tốc độ truyền mômen
Chi tiết gia công (2) được gá trên hai mũi tâm (3) 
(đóng vai trò là phần tử đàn hồi). Với sơ đồ thí 
nghiệm này có sử dụng các phần mềm chuyên 
dụng để tính toán kiểm nghiệm các phần tử của 
hệ thống, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao, 
khác so với một số công trình đã nghiên cứu trước 
đây phải tính toán kiểm nghiệm bằng tay.
3.2. Thiết kế, chế tạo lực kế
Để đo lực cắt khi gia công trên máy mài tròn ngoài, 
ta sử dụng 2 mũi tâm làm phần tử đàn hồi trên đó 
có dán tenzo điện trở.
Nguyên lý đo: Trong quá trình mài các thành phần 
lực cắt cần đo (lực pháp tuyến Py, lực tiếp tuyến 
Pz) thông qua chi tiết gia công (2) làm biến dạng 
mũi tâm (3), làm thay đổi điện trở của các tenzo 
được dán trên hai mũi tâm, do đó sẽ làm thay đổi 
dòng điện qua tenzo. Sự thay đổi dòng điện này 
được lấy làm tín hiệu đo.
Độ lớn cực đại của các lực cần đo trong quá trình 
mài tinh theo tính toán lý thuyết trên máy mài GU 
- 20.25 A như sau:
- Lực tiếp tuyến: Pzmax = 60 N dùng để xác định 
công suất khi mài.
- Lực hướng kính: Pymax = 100 N vuông góc với bề 
mặt làm việc.
Sử dụng phần mềm ANSYS để kiểm nghiệm 
chuyển vị của phần tử biến dạng (hình 2). Kết quả 
kiểm nghiệm chuyển vị Ymax = 1,1 µm.
Hình 2. Kiểm nghiệm chuyển vị của phần tử biến 
dạng sử dụng phần mềm ANSYS [5]
Trong khi mài, phôi được gá lên hai mũi tâm, hai 
mũi tâm lắp chặt với thân cảm biến, vì vậy kết cấu 
của thân cảm biến phải đủ độ cứng vững để trong 
quá trình mài không ảnh hưởng đến độ chính xác 
của sản phẩm và đồng thời phải đủ độ nhạy để 
đo được hai thành phần lực Py, Pz do đá mài tác 
dụng lên phôi.
Từ những yêu cầu trên, cảm biến được thiết kế 
gồm hai phần chính là: thân cảm biến và mũi tâm. 
46
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018
Ngoài ra còn có vỏ bao bên ngoài để quá trình làm 
việc, cảm biến không bị ảnh hưởng bởi dung dịch 
tưới nguội và phoi khi mài.
Quá trình tính toán kích thước, độ bền của phần 
tử đàn hồi phải giải quyết hai vấn đề cơ bản, đó 
là: đảm bảo đủ độ cứng vững và độ biến dạng của 
thân cảm biến. 
Trong trường hợp này, phần tử cảm biến tem biến 
dạng sử dụng tổ hợp các biến dạng chịu uốn. Để 
đảm bảo độ nhạy của cảm biến và không gian để 
đấu dây, phía giữa thân cảm biến được khoan 
rỗng. Việc tính toán độ nhạy và thiết lập mạch cầu 
cảm biến của phần tử biến dạng sử dụng phần 
mềm tính toán chuyên dụng cho các cảm biến tem 
biến dạng Transcalc của hãng KYOWA.
3.3. Thiết lập các mạch cầu cảm biến và chọn 
vị trí dán tem điện trở 
Mạch cầu cảm biến có thể chứa một, hai, ba, bốn 
tem điện trở hoặc nhiều hơn tuỳ thuộc vào độ lớn 
của lực cần đo, độ chính xác mong muốn và ảnh 
hưởng của các tác động bên ngoài.
Chiều biến dạng của các tem phụ thuộc vào kết 
cấu của phần tử biến dạng và vị trí dán tem. Các 
tem biến dạng của cảm biến được sắp xếp trên 
phần tử biến dạng, trong đó bốn tem điện trở vừa 
đóng vai trò là tem đo vừa có tác dụng tự bù trừ 
nhiệt hình 4.
Trong mạch cầu này, các tem đã được chọn là 
đồng nhất nên: R1 = R2 = R3 = R4 = Rg, trong đó, 
Rg là giá trị điện trở của tem [5, 6].
N°°U°
ra°°U°
2°°R
4°°R 3°°R
1°°R
Hình 3. Mạch cầu điện trở với bốn tem vừa đo 
vừa tự bù trừ nhiệt
Nếu như điều kiện lý tưởng của cầu được thỏa 
mãn R1.R3 = R2.R4, nghĩa là điện áp ra của cầu 
bằng không (Ura = 0). Chênh lệch điện áp ra của 
cầu ∆Ura có thể viết theo biểu thức sau:
trong đó: (1−n) là hệ số phi tuyến, với n là số phi 
tuyến. Trong thực tế, giá trị này có thể rất bé song 
nó vẫn luôn tồn tại, do đó gây khó khăn trong việc 
thao tác căn chỉnh cầu. Tuy nhiên, bằng những 
giải pháp thực nghiệm ta có thể khống chế cầu 
cảm biến làm việc ở những đoạn tuyến tính 
mong muốn.
Khi có lực Py tác động vào phần tử biến dạng chịu 
uốn (đồng thời cũng chính là thân cảm biến), các 
điện trở tem R2, R4 tăng, còn R1, R3 giảm. Điện áp 
là lực tác dụng vào phần tử biến dạng Ura = Ky.Py, 
trong đó Py là lực tác dụng vào phần tử biến dạng 
theo phương Y, Ky là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào 
điện áp nuôi cảm biến, độ nhạy của tem điện trở 
và kết cấu phần tử biến dạng.
Khi có lực Pz tác động vào cảm biến, trên mạch 
cầu cảm biến đo lực Pz cũng xảy ra hiện tượng 
tương tự như trường hợp Py tác động.
Các vị trí dán tem trên phần tử biến dạng được thể 
hiện trên hình 4. Tất cả các tem điện trở được dán 
trên 2 phần tử biến dạng sao cho các tem biến 
dạng dương (+) được dán cùng một phía và các 
tem biến dạng âm (-) được dán ở phía đối diện 
qua tâm của phần tử biến dạng chịu uốn.
R°°
R°°
R°°
R°°
1°°
2°°
3°
4°°
Hình 4. Vị trí dán tem trên thân cảm biến [5]
3.4. Thiết kế thiết bị xử lý tín hiệu cho cảm biến
Do bộ cảm biến phải đảm bảo độ cứng vững nên 
các cảm biến được chế tạo có độ nhạy nhỏ. Từ 
đó thiết bị xử lý tín hiệu được thiết kế, chế tạo cần 
phải có hệ số khuếch đại tương đối lớn. Bên cạnh 
đó, trong khi làm việc không thể tránh khỏi các 
loại nhiễu làm mất ổn định hệ thống đo nên khả 
năng lọc nhiễu của thiết bị cũng phải luôn được 
quan tâm.
Thiết bị xử lý tín hiệu bao gồm những phần cơ bản 
như sơ đồ sau:
47
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018
Hình 5. Sơ đồ thu thập, xử lý tín hiệu từ cảm biến
Thiết bị xử lý tín hiệu hai kênh sử dụng trong hệ 
thống đo lực trên máy mài tròn được chế tạo nhờ 
ứng dụng vi mạch khuếch đại chuyên dụng cho 
các cảm biến đo của hãng RS. Khi sử dụng vi 
mạch này thì các yêu cầu về tính ổn định, hệ số 
khuếch đại cũng như các yêu cầu về chống nhiễu 
được đảm bảo [5, 7]. 
3.5. Kết nối hệ thống đo lực
Tín hiệu ra từ bộ cảm biến được đưa vào bộ 
khuếch đại và xử lý tín hiệu Card DBK16. Tín hiệu 
tương tự ra từ bộ xử lý tín hiệu DBK16 được đưa 
vào bộ chuyển đổi A/D Daqbook 216 và được hiển 
thị trên máy tính cá nhân và máy in.
Để thực hiện phương pháp đo, sử dụng phần 
mềm điều khiển và xử lý tín hiệu đo DASYlab 7.0 
thiết kế được hệ thống đo lường tự động và ghi 
dữ liệu như hình 6.
Hình 6. Hệ thống đo lực ghi dữ liệu tự động trên máy tính
4. KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN
Kết quả đo một hành trình khi mài được trình bày 
trên hình 7. Các thông số đo được gồm các thành 
phần lực Py, Pz. Trên đồ thị, trục hoành là thời gian 
mài (s), trục tung là lực cắt (N).
Quan sát trên đồ thị cho thấy, đường đặc tính 
được chia ra thành các giai đoạn sau: ở giai đoạn 
đầu đường đặc tính là một đường thẳng nằm 
song song với trục hoành, đây là khoảng thời gian 
chưa có lực tác dụng của đá vào bề mặt chi tiết, 
ở giai đoạn 2 đường đặc tính là một đường cong, 
đây là giai đoạn tiếp xúc giữa đá với bề mặt chi 
tiết, lúc này bắt đầu xuất hiện lực cắt, ở giai đoạn 
3 lực cắt bắt đầu tăng lên do chiều dài tiếp xúc 
giữa đá và bề mặt chi tiết tăng dần, đường đặc 
tính tăng gần như tuyến tính cho đến khi toàn bộ 
chiều rộng của đá tiếp xúc với bề mặt chi tiết thì 
lực cắt đạt giá trị lớn nhất, ở giai đoạn 4 đường 
đặc tính bắt đầu giảm, đây là quá trình đá đi ra 
khỏi chi tiết, chiều dài tiếp xúc giữa đá và chi tiết 
giảm, lực cắt giảm dần cho đến khi đá ra khỏi 
chi tiết thì lực cắt bằng không, điều này cho thấy 
thông số đo được của các thành phần lực Py, Pz 
giữa đá và bề mặt chi tiết tương đối đều và khá 
ổn định.
48
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61).2018
Hình 7. Kết quả thí nghiệm đo lực khi mài một hành trình trên máy mài tròn ngoài
5. KẾT LUẬN
- Thiết kế, chế tạo và kết nối được hệ thống đo lực 
hai thành phần: lực hướng kính Py, lực tiếp tuyến 
Pz trên máy mài tròn ngoài. Hệ thống làm việc ổn 
định, đảm bảo độ chính xác.
- Sử dụng các phần mềm để xác định lực cắt lưu 
trữ là xử lý số liệu thực nghiệm.
- Hệ thống thí nghiệm đo lực được sử dụng để xác 
định ảnh hưởng của lực mài đến chất lượng bề 
mặt chi tiết gia công.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phạm Minh Đạo, Trần Anh Tuấn, Đỗ Lan Anh 
(2010). Giáo trình mài. Nhà xuất bản Lao động, 
 Hà Nội.
[2]. Lương Công Nhớ, Nguyễn Tiến Dũng (2016). 
Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc chi tiết và 
chiều sâu mài đến độ nhám bề mặt khi mài phẳng 
hợp kim 16Mn có nhiệt luyện. Tạp chí Khoa học 
và Công nghệ Hàng hải, số 46, trang 18-21.
[3]. L.N. Filimonop (1978). Old grinding wheel. 
Publishers manufacturing machinery Leningrat.
[4]. S. Markin (1989). Grinding technology theory 
and application machining with abrasive. 
Massachusetts. 
[5]. Trần Đức Quý (2007). Nghiên cứu ảnh hưởng của 
một số yếu tố công nghệ đến chất lượng bề mặt 
của chi tiết khi mài tròn ngoài. Luận án tiến sĩ kỹ 
thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
[6]. Phan Bá, Đào Mộng Lâm (2001). Đo lường-sen 
xơ. Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân.
[7]. Trần Minh Đức, Phạm Quang Đồng (2007). Hệ 
thống đo lực cắt mới trên máy mài tròn ngoài. Tạp 
chí Khoa học và Công nghệ số 3, trang 104-108.