Nghiên cứu chế tạo băng thử các loại kim phun có giao tiếp máy tính

Nội dung text: Nghiên cứu chế tạo băng thử các loại kim phun có giao tiếp máy tính

1. Nghiên cứu chế tạo băng thử các loại kim phun có giao tiếp máy tính (Researching and manufacturing injectors test bench with Personal Computers communication) PGS.TS Đỗ Văn Dũng1, KS.Nguyễn Văn Lạc2 1- Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM 2- Trường Cao đẳng Bến Tre Abstract This paper presents the application of LabVIEW to communicate between PC (Personal Computers) to set designed and built an Injector’s test bench of electronic fuel injected engine. The research has focus in some aspects: + Designing an injector’s test bench with PC communication. + Using image processing functions in LabVIEW to evaluate fuel jet from injectors. + Testing and evaluating by using image processing through the injector’s jet: spray angle, pressure spray, mist spray. Product of thesis could be used for automotive repair industry and teaching. The thesis could be a good reference for students Tóm tắt Bài báo này trình bày ứng dụng của LabVIEW trong việc giao tiếp máy tính để thiết kế và chế tạo băng thử kiểm tra kim phun trên động cơ phun xăng điện tử. Các vấn đề cần nghiên cứu đã được thực hiện trong đề tài này gồm: - Thiết kế một hệ thống băng thử kim phun giao tiếp với máy tính. - Sử dụng chức năng xử lý ảnh trong LabVIEW để xử lý tia phun nhiên liệu từ kim phun. Kiểm tra và đánh giá kim phun qua việc xử lý ảnh như: góc phun, áp suất phun, độ sương của tia phun. Đồng thời, băng thử cũng được dùng để phục vụ trong công nghiệp sửa chữa ô tô, giảng dạy, nghiên cứu và học tập của giáo viên và học sinh. 1
2. 1. Giới thiệu Việc ứng dụng công nghệ thông tin vào các thiết bị kiểm tra sản phẩm trong công nghiệp hầu như đã trở nên phổ biến. Trong lãnh vực bảo dưỡng, sửa chữa ô tô cũng như trong lãnh vực đào tạo nghề; thiết bị kiểm tra, chuẩn đoán các chi tiết trên ô tô đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Việc giao tiếp giữa máy tính và thiết bị kiểm tra giúp cho người thợ thực hiện công việc một cách nhanh chóng và chính xác, trong hoạt động giảng dạy thì người giáo viên có thể chủ động trong quá trình lên lớp và việc truyền thụ kiến thức cũng như rèn luyện kỹ năng nghề cho các học viên được thuận tiện hơn. Giao tiếp gữa máy tính và các thiết bị máy móc dùng trong ngành công nghiệp ô tô đã được ứng dụng khá phổ biến nhưng việc giao tiếp giữa PC và băng thử kim phun vẫn còn hạn chế. Xuất phát từ nhu cầu thực tế, việc nghiên cứu chế tạo một băng thử kim phun với mục đích giúp cho việc kiểm tra kim phun của các loại động cơ xăng được thực hiện nhanh và chính xác. Băng thử kim phun có giao tiếp máy tính sử dụng camera để thu thập hình ảnh của tia phun nhiên liệu và xử lý hình ảnh của tia phun để đánh giá chất lượng của kim phun. Băng thử kim phun với tính năng điều khiển đơn giản hơn, giao diện trực quan hơn, đồng thời tăng cường khả năng ứng dụng của băng thử kim phun vào công tác nghiên cứu (điều này các băng thử kim phun thế hệ cũ chưa làm được), đề tài “Nghiên cứu chế tạo băng thử các loại kim phun có giao tiếp máy tính” đã được chọn để nghiên cứu nhằm tạo ra một thiết bị kiểm tra thế hệ mới có ứng dụng công nghệ cao có các tính năng tốt hơn. 2. Giải quyết vấn đề Để giải quyết vấn đề nêu trên, nhóm nghiên cứu thực hiện các nội dung sau: thiết kế, chế tạo cơ khí cho băng thử, chọn camera thu nhận hình ảnh, chọn card giao tiếp, thiết kế mạch điện điều khiển kim phun, bơm xăng, lập trình LabVIEW xây dựng giao diện kết nối giữa PC và băng thử, tiến hành thí nghiệm trên băng thử kim phun. 2.1 Mô hình băng thử các loại kim phun có giao tiếp máy tính Hình 1 trình bày sơ đồ kết nối giữa PC và băng thử kim phun. Các giao tiếp giữa các bộ phận là giao tiếp 2 chiều. 2
3. mmmm Máy tính (PC) Card giao tiếp Băng thử kim phun Hình 1: Sơ đồ kết nối giữa PC và băng thử kim phun Các chi tiết của băng thử kim phun: Mạch điều khiển bơm xăng sử dụng nguồn 12V. Bơm xăng. Kim phun được điều khiển đóng ngắt bởi TIP 122. Camera thu nhận hình ảnh tia phun, kết nối với PC qua cổng USB. Giao diện trên PC phải có các thông số của băng thử kim phun cần hiển thị trên màn hình: Giá trị áp suất phun nhiên liệu, giá trị góc phun của kim phun, giá trị số lượng hạt của tia phun (độ tơi của tia phun), báo độ rò rỉ của kim phun. Để thực hiện các yêu cầu trên, card giao tiếp dưới đây đã được nhóm nghiên cứu sử dụng: Card giao tiếp USB HDL9090, card điều khiển bơm nhiên liệu và card điều khiển kim phun. Các card nêu trên được chế tạo bởi nhóm Học để làm của trường ĐH SPKT.TPHCM. Sau khi lắp ráp các card giao tiếp thành công, nhóm nghiên cứu sử dụng phần mềm LabVIEW 2009 để thiết kế giao diện hiển thị và điều khiển. 2.2 Giao diện giao tiếp giữa băng thử kim phun và PC Hình 2 trình bày giao diện điều khiển và hiển thị thông số trên PC. 3
4. Hình 2: Giao diện điều khiển và hiển thị trên PC Giao diện chính cho phép người sử dụng quan sát và kiểm tra các thông số giá trị của kim phun như giá trị áp suất phun, góc phun, độ nhuyễn của tia phun, độ rò rỉ của kim phun. PC Trên giao diện PC, người điều khiển chỉ thực hiện thao tác nhấp chuột vào nút “test” băng thử sẽ thực hiện công việc kiểm tra chất lượng kim phun. Với chức năng hoạt động của băng thử kim phun có khả năng kiểm tra các loại kim phun trên các động cơ phun xăng đa điểm. Hình 3: Băng thử các loại kim phun có giao tiếp máy tính 4
5. 2.3 Công cụ xử lý ảnh với LabVIEW Một hệ thống xử lý ảnh bao gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng cơ bản bao gồm camera, bộ chiếu sáng và thiết bị thu ảnh vào máy tính. Phần mềm rất đa dạng, trong đó LabVIEW và các toolkits xử lý ảnh nổi bật bởi khả năng lập trình tương tác cao, đưa ý tưởng, giải thuật thành ứng dụng thực tế nhanh. Toolkits LabVIEW dành cho xử lý ảnh bao gồm: - Phần mềm thu ảnh: NI Vision Acquisition Software là các driver đưa ảnh từ camera vào máy tính. Driver này hỗ trợ cả webcam (loại bus Directshow) dành cho các ứng dụng không cần phân giải cao. - Phần mềm xử lý ảnh: bao gồm 3 công cụ chính: 1. Vision Development Module (VDM): Môđun phát triển ứng dụng xử lý ảnh. Đây là thư viện các khối VI đầy đủ dành cho xử lý ảnh, ở vị trí Functions >> Vision and motion. Hình 4: Thư viện VMD Mục đích của VDM là cung cấp các khối cơ bản, ví dụ như: mở camera, chụp ảnh, biến đổi ảnh, lưu ảnh, tắt camera v.v. và các khối hàm chức năng, ví dụ: tìm cạnh, tìm vật thể, đếm vât thể, xác định màu .v.v để lập trình tạo ứng dụng. Nhờ có số lượng hàm, khối VI phong phú như vậy nên VDM linh hoạt nhất và cũng tốn thời gian tìm hiểu nhất để làm ứng dụng. 2. Vision Assistant: 5
6. Chính vì lí do trên, công cụ thứ 2 Vision Assistant sẽ giúp bạn tạo code nhanh hơn bằng phương pháp tùy chỉnh thay vì lập trình từng khối nhỏ. Vision Assistant đặt tại Functions >> Vision and Motion >> Vision Express. Hình 5: Môi trường NI Vision Assistant Khi bạn thả khối Vision Assistant lên block diagram (BD) thì cửa số Vision Assistant sẽ thể hiện như hình 4. Lúc này, bạn chỉ cần tùy chọn các bước xử lý như: tìm cạnh, tìm vật thể, điều chỉnh thông số độ sáng, tương phản v.v. Bạn có thể lưu các bước này lại để dùng lần sau. Sau khi tùy chỉnh các bước xử lý xong, bấm Finish thì bạn sẽ quay lại BD. Khối Vision Assistant tự tạo ra mã nguồn để thực hiện các thao tác bạn đã tùy chỉnh. Như vậy việc lập trình xử lý ảnh đã dễ đi rất nhiều với công cụ Vision Assistant. Bên cạnh đó, nếu muốn tham khảo mã nguồn của Vision Assistant, bạn click phải lên khối này >> Open Front Panel. Việc này giúp ta hiểu rõ code hơn và áp dụng, lập trình thêm khi cần. 3. Vision Builder for Automated Inspection (VBAI): Hai công cụ trên đã giúp việc lập trình xử lý ảnh nhanh và hiệu quả cao trong LabVIEW. Trong trường hợp bạn cần tạo ứng dụng mà hoàn toàn không muốn lập trình thì VBAI là công cụ để làm việc này. VBAI là một software độc lập với LabVIEW, dùng để tạo ứng dụng xử lý ảnh hoàn toàn bằng tùy chỉnh. 6
7. Mục tiêu của VBAI là đưa ra ứng dụng kiểm tra tự động (automated inspection) hoàn chỉnh, từ thu ảnh đến xử lý đến kết quả. (khác với mục tiêu của Vision Assistant là lập trình nhanh hơn, dễ hơn). Hình 6: Phần mềm VBAI Màn hình làm việc của VBAI khác Vision Assistant ở 3 điểm chính: Tích hợp chức năng thu ảnh vào cửa sổ các bước xử lý.Flowchart tổng quan chương trình: cửa sổ này dùng để ra quyết định. Ví dụ: nếu tìm thấy vật thể A thì làm gì tiếp theo, không thấy A thì làm gì tiếp theo. Khung các bước xử lý thể hiện các giá trị Pass/Fail và kết quả của từng bước xử lý và kết quả tổng kết.VBAI cũng có tích hợp Vision Assistant bên trong như một bước xử lý.Với các khả năng đó, VBAI có đủ khả năng để tạo ra ứng dụng Automated Inpection hoàn chỉnh. Khi cần can thiệp sâu hơn hay ứng dụng khác ngoài khả năng VBAI, bạn sẽ cần lập trình với LabVIEW, VDM và Vision Assistant. VBAI cũng có khả năng xuất ra code LabVIEW tuy nhiên code này phức tạp với code từ Vision Assistant. Và trong LabVIEW cũng có các khối VI để gọi một chương trình từ VBAI. Như vậy, bạn có thể thấy 3 công cụ trên bổ sung lẫn nhau để giúp bạn tạo ứng dụng xử lý ảnh hiệu quả nhất với LabVIEW. 7
8. 2.4 Một số kết quả xử lý hình ảnh tia phun của kim phun Hình ảnh chụp từ camera Hình 7: Sử dụng hàm original Image Xác định góc phun của tia phun Hình 8: Sử dụng hàm Image Mask 1 Xác định độ nhuyễn của tia phun Hình 9: Sử dụng hàm Binary Image Inversion 8
9. Đếm các hạt có đường kính nhỏ hơn 6 pixel Hình 10: Đếm các hạt của hình ảnh tia phun 2.5 Các kết quả thử nghiệm kiểm tra kim phun trên băng thử Thử nghiệm được tiến hành với 4 kim phun của động cơ TOYOTA bất kỳ. Đặt giá trị góc phun kiểm tra : 200 250 hạt Áp suất rò kim phun: < 250 kPa Kết quả thử nghiệm của 4 kim phun trên các động cơ của hãng TOYOTA, băng thử đã cho các kết quả về các giá trị kiểm tra kim phun: góc tia phun, độ nhuyễn của tia phun, áp suất phun và báo độ rò rỉ của kim phun. Các kim phun được kiểm tra nhiều lần, sau đó mới ghi nhận kết quả. Băng thử đã cho được kết quả cụ thể. Tuy nhiên, có sự sai lệch giữa các lần đo nhưng sự sai lệch đó không đáng kể. Kim Lần kiểm tra phun Lần 1 Lần 2 Lần 3 Kết quả 1 G:18,7; H: 466 G:18,6; H:466 G:14,1; H:466 KĐ 2 G: 23,5; H: 337 G: 25,6; H: 337 G: 23,5; H:337 Đ 3 G: 26,7; H: 208 G: 27,4; H: 208,6 G: 23,1; H: 204 KĐ 4 G: 13,7; H: 360;R G: 10,5; H: 360,R G: 10,0; H: 360,R KĐ 9
10. G: góc phun (độ) H: số hạt/ lần phun R: báo độ rò của kim phun ( áp suất hạ về dưới 250 kPa) KĐ: không đạt, Đ: đạt. 3. Kết luận Việc ứng dụng LabVIEW và thiết kế, chế tạo thành công băng thử các loại kim phun có giao tiếp máy tính nêu trên chắc chắn sẽ giúp ích rất nhiều vào công việc bảo dưỡng sửa chữa ô tô. Ngoài ra, so với các loại băng thử kim phun hiện có, băng thử kim phun vừa trình bày có tính trực quan, tính sư phạm cao hơn.Vì vậy, băng thử cũng sẽ góp phần nâng cao chất lượng đào tạo của sinh viên chuyên ngành Công nghệ ô tô. Tài liệu tham khảo [1]. PGS - TS Đỗ Văn Dũng, Hệ thống điều khiển động cơ xăng và diesel, ĐHSPKT TP. HCM, 2008. [2]. PGS-TS Đỗ Văn Dũng, Lý thuyết điều khiển động cơ đốt trong, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh, 2009. [3]. PGS-TS Đỗ Văn Dũng, Trang Bị Điện & Điện Tử Trên Ô Tô Hiện Đại, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh, 2004. [4]. TS. Nguyễn Bá Hải,Giáo trình Lập trình LabVIEW, . [5] Ks. Nguyễn Hồ Nam, Vision Application Devolopment With LabVIEW Tutorial. [6] Lisa K. Wells , “LabVIEW for Everyone: Graphical Programming Made Even Easier”, Prentice Hall; CD-ROM edition, 1996. [7]. NI Vision Builder for Automated Inspection Tutorial [8]. [9]. Có thể tải các phần mềm ứng dụng của xử lý ảnh trong LabVIEW tại các địa chỉ sau: Links download: >> chọn Machine Vision NI Vision Acquisition Software: NI Vision Development Module: LabVIEW 2009: LabVIEW 2010: 10
11. NI Vision Builder for Automated Inspection: 11
12. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.