tóm tắt THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN TRÊN TRỤC QUAY

Thiết bị đo lường thường được phân thành các nhóm như: đo lường nhiệt, đo lường áp suất, đo lường lực và mô men, đo lường độ cứng, đo lường độ dài, đo lường các chỉ tiêu hóa lý, đo dung

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay với sự phát triển của khoa học, công nghệ Dụng cụ đo lường đã

có những bước tiến lớn về chất lượng, kết cấu và sự thuận tiện khi sử dụng Cụthể như về độ chính xác phép đo, phương pháp đo, cơ chế hiển thị kết quả đo,khả năng tích hợp với máy in, máy vi tính, khả năng thu phát không dây

Thiết bị đo lường thường được phân thành các nhóm như: đo lường nhiệt,

đo lường áp suất, đo lường lực và mô men, đo lường độ cứng, đo lường độ dài,

đo lường các chỉ tiêu hóa lý, đo dung tích, đo khối lượng, đo bức xạ hạt nhân…

Thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay dựa trên nguyên lý mạch cầuwheatston, tín hiệu đầu ra từ các cảm biến biến dạng được kết nối với bộkhuyếch đại 3B18 của hãng Analog divices, vi xử lý Ardunio đã giảm đáng kểcông việc tính toán thiết kế cơ khí, tăng độ chính xác của thiết bị

Kết quả của đề tài sẽ là cơ sở để thiết kế chế tạo các thiết bị đo mô menxoắn, ứng dụng các strain gauge vào công tác đo biến dạng trên trục quay, lựachọn bộ khuyếch đại và xử lý tín hiệu đo cho mạch cầu hai tay và mạch cầu 4tay (Half- Bridge và full-Bridge)

2 Mục đích nghiên cứu đề tài

Thiết kế chế tạo thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay dải đo 0 500Nm

Nm-3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

* Đối tượng nghiên cứu:

- Các loại strain gauge

-Thiết kế trục chịu xoắn thuần túy

- Nguyên lý mạch cầu wheatston

- Kỹ thuật gắn strain gauge trên trục quay, kết nối ngõ ra của straingauge với bộ khuyếch đại và bộ vi xử lý;

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài

* Ý nghĩa khoa học của đề tài:

-Xây dựng và thử nghiệm được công nghệ dán strain gauge trên bề mặttrục chịu xoắn bằng nhôm Lựa chọn và thử nghiệm thành công sử dụng straingauge với bộ khuyếch đại và bộ vi xử lý;

Xác định được môđul 3B18 khuyếch đại tín hiệu điện áp vô cùng bé từstrain gauge để có thể hiển thị được kết quả đo mô men xoắn.

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN

TRÊN TRỤC QUAY

1 Giới thiệu về thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay

Thiết bị đo mô men xoắn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp

và chế biến chế tạo, sửa chữa như: thiết bị cầm tay, thử động cơ máy công cụ,…

Đa số các thiết bị đo mô men xoắn chủ yếu được nhập khẩu từ các nước:

Mỹ (hãng Futex), Anh, Ấn Độ, Trung Quốc Các thiết bị này sử dụng phươngpháp đo biến dạng trên trục quay để tính ra mô men xoắn Biến dạng trên trụcquay được xác định nhờ các strain gauge dán trên trục và hoạt động dựa theonguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Gia công và chế tạo những thiết bịnày tương đối phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao

Thiết bị đo mô men xoắn hiệu có trên thị trường có thể chia làm 2 loại:Thiết bị đo mô men xoắn tĩnh và thiết bị đo mô men xoắn động

Mô men là một lực quay, mô men xoắn coi là tĩnh nếu nó không có giatốc góc Ví dụ như các mô-men xoắn sinh ra bởi một lò xo đồng hồ sẽ là mộtmô-men xoắn tĩnh Tuy nhiên việc xác định mô men tĩnh và mô men động cònphụ thuộc vào vị trí đo Ví dụ mô-men xoắn được sinh ra bởi động cơ xe ô tô sẽ

có cả hai loại tĩnh và động Nếu mô-men xoắn được đo ở trục khuỷu sẽ là mômen động, vì nó có dao động lớn do mỗi khi nhiêu liệu cháy trong xi lanh sẽsinh ra lực tác dụng lực lên đầu piston làm trục khuỷu quay Nếu mô-men xoắnđược đo các ổ trục nó sẽ gần như tĩnh vì quán tính quay của bánh đà và bộtruyền dẫn sẽ làm giảm mức độ dao động

Các thiết bị đo mô men xoắn ngày nay thường có cấu tạo gồm các thànhphần chính như sau:

- Trục xoắn có dán strain gauge và các mặt bích để lắp lên thiết bị cần đo;

- Bộ khuyếch đại tín hiệu từ cảm biến

- Bộ xử lý tín hiệu đo, hiển thị kết quả

- Nguồn cấp điện;

- Lớp vỏ bảo vệ

Hình 1.4.

a) Một số thiết bị đo mô men xoắn tĩnh:

Hình 1 1: Cờ lê lực Tohnichi FHDS Hình 1.2: Tua vít lực STC (TOHNICHI)

Hình 1.3: Dụng cụ đo mô men để đo lực đóng, mở chai Ứng dụng: thường sử dụng cho các ngành nghề dược phẩm, công nghệ sinh học, sản phẩm dành cho người tiêu dùng, đồ uống.

Hình 1.5: Ứng dụng thiết bị đo mô men

xoắn loại ST2-BT spin tork trong lắp ráp.

Trên hình 4 là thiết bị đo mô men xoắn loại ST2-BT spin tork của hãng Excel Air tool co.,INC Hoạt động theo nguyên lý biến áp quay Sử dụng cảm biến, truyền dữ liệu bằng bluetooth, thích hợp với kiểm tra mô men xoắn đầu ra, độ chính xác ±1%, sử dụng pin để cấp điện cho cơ cấu (10 h chạy/2h xạc) Giá tham khảo: Với loại ST10N2 là 2904 USD.

b) Thiết bị đo mô men xoắn động

Hình 1.6a: Cảm biến mô men xoắn kiểu

4503 A của hãng Kitsler

Hình 1.6b: Ứng dụng cảm biến mô men xoắn trong việc kiểm tra động cơ

Hình 1.6c: Cấu tạo cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A của hãng Kitsler

Hình 1 6d: Sơ đồ của nguyên lý hoạt động của cảm biến mô men xoắn.

STRAIN GAUGE BRIDGE

BỘ KHUYẾCH ĐẠI BỘ XỬ LÝ LƯU TRỮ DỮ LIỆU

Cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A do hãng Kitsler sản xuất hoạt động dựatrên nguyên lý biến áp quay Thường được dùng trong việc giám sát kiểm trađộng cơ điện

2 Nguyên lý cơ bản đo mô men xoắn trên trục quay

Dùng strain gauge tích hợp với hệ thống chuyển đổi, lưu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay:

Các strain gauge được gắn trên trục quay nhưng khác là nguồn nuôi điện

áp cho mạch cầu và nhận tín hiệu điện áp từ mạnh cầu thông quay bộ khuyếchđại Sau đó tín hiệu điện áp sau khuyếch đãi được truyền đến bộ xử lý và truyềnđến màn hình hiển thị và lưu trữ dữ liệu Toàn bộ các thiết bị trên được gắn trêntrục quay

Ưu điểm: dễ dàng hiệu chỉnh, trong cơ cấu không có bộ phận chuyểnđộng, ít nhiễu động do đó đảm bảo được độ chính xác của thiết bị

Nhược điểm: Cần có lớp bảo vệ các thiết bị điện tử, thường xuyên phảinạp pin do phải cấp nguồn điện áp nuôi bộ hiển thị và lưu trữ dữ liệu

Phương án dùng strain gauge tích hợp với hệ thống chuyển đổi và lưu trữ

dữ liệu gắn trên trục quay phù hợp với thực tiễn Công tác thiết kế, chế tạo trụcxoắn có thể thực hiện ngay tại xưởng cơ khí không yêu cầu các máy chuyêndùng, các thiết bị khuyếch đại, bộ xử lý và bộ lưu trữ dữ liệu có thể lựa chọnloại thích hợp được bán rộng rãi trên thị trường

Hình 1.12: Sơ đồ khối hệ thống đo mô men xoắn dùng dùng strain gauge tích hợp với hệ thống chuyển đổi bộ lưu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay

b) Cấu tạo thiết bị

Hình 1.13 Hình vẽ cấu tạo thiết bị đo mô men xoắn dùng strain gauge tích hợp với hệ thống

chuyển đổi , bộ lưu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay

Chú giải:

1: Trục chịu xoắn gắn liền mặt bích;

2: Bộ chuyển đổi và lữu trữ dữ liệu;

3: Strain gauge bridge;

4: Nguồn và bộ xử lý ARDUINO

c) Phương án lắp đặt đo mô men xoắn

Để đo mô men xoắn thì trục sẽ được nối với với cơ cấu truyền mô menxoắn và cơ cấu hãm nhờ mặt bích ở 2 đầu Dưới tác dụng của mômen xoắntruyền từ trục động cơ đến hộp giảm tốc qua trục xoắn và đến cơ cấu hãm làm

trục đo biến dạng Sự biến dạng này tỷ lệ với mô men Như vây việc xác địnhđược biến dạng của trục đo cũng chính là xác định mômen của cơ cấu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC QUAY

I Phân tích yêu cầu bài toán:

1 Mục đích của đề tài

- Thiết kế được thiết bị đo mômen xoắn trên trục quay; Chế tạo được thiết

bị thử nghiệm Nghiên cứu, lựa chọn bộ khuyếch đại, bộ lưu trữ dữ liệu và hiểnthị; Tiến hành thí nghiệm để phân tích, đánh giá các khả năng làm việc thiết bịđộng vận hành ổn định độ chính xác của thiết bị

2 Lựa chọn kiểu trục quay

Hình dáng, kết cấu của một số trục quay thường gặp trong thiết kế, chếtạo thiết bị đo mô men xoắn theo phương pháp biến dạng tiếp xúc:

a Trụ tròn đặc b Trụ tròn rỗng c Trụ tròn rỗng có vách

lõm Hình 2.1: Hình vẽ kết cấu một số trục quay thường gặp

Để có đủ diện tích dán các strain gauge lên trục ta cần đường kính ngoàicủa trục đủ lớn nhằm tạo thuận lợi cho quá trình chế tạo cảm biến Trục trụ đặcđường kính nhỏ không đáp ứng yêu cầu đặt ra Trụ tròn rỗng có vách lõm sẽ tạothuận lợi cho quá trình dán strain gauge lên trục nhưng mức độ biến dạng trêncùng bán kính không đều

Do đó tác giả lựa chọn dạng trục rỗng có mặt cắt hình vành khăn, kiểuthiết kế hình b với ưu điểm là: dễ chế tạo gia công; chịu xoắn tốt, kích thước trục

đủ lớn để thuận tiện cho việc dán các strain gauge lên trục

Nhược điểm: không thể đo được giá trị mô men xoắn thấp, độ nhạy xoắnkém Tuy nhiên dải đo của thiết bị nghiên cứu khá lớn từ 0 Nm đến 500Nm nên

có thể chấp nhận được

3 Phân tích bài toán

Sau khi lựa chọn được hình dáng trục chịu xoắn ta có bài toán như sau:Giả sử ta có trục tròn có mặt cắt hình vành khăn chỉ chịu xoắn thuần túyvới mô men xoắn M, đường kính ngoài D, đường kính trong d, chiều dài trục lnhư hình vẽ 14

Khi dán strain gauge theo phương 45o so với đường sinh của trục chịuxoắn theo nguyên lý mạch cầu Wheatston Dưới tác dụng của mô men xoắn trụcbiến dạng bị kéo hoặc nén theo phương xiên một góc 45o so với đường sinh Doứng lực và biến dạng có quan hệ với nhau và từ đó có thể xác định được ứng lựckhi đo biến dạng do nó gây ra

Hình2.2: Mô hình bài toán

Ở đây trạng thái ứng suất tại một điểm trên trục tròn chịu xoắn là trạngthái trượt thuần tuý với 1=-3= | τ|

Áp dụng định luật Húc về biến dạng dài

ε u= 1

E×(σ1 −μσ 3)= 1

E×(|τ|+|μ| τ )

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN

I Thiết kế trục chịu xoắn (trục quay)

1 Chức năng:

- Truyền mô men xoắn từ trục dẫn tới cơ cấu chấp hành

- Làm giá đỡ để lắp các thiết bị điện tử như: bộ khuyếch đại, bộ xử lý , nguồn và bộ hiển thị,

- Trục phải đảm bảo điều kiện bền khi chịu xoắn với mô men có giá trị

+ Ứng suất tiếp tại thanh tròn.

[σ]

2 , vậy [] = 4.500N/cm2.[] - ứng suất tiếp cho phép của vật liệu chọn là 4.500N/cm2

D0≥

3

√16×50 0009000×3,14159×(1−0 ,5554) =4,07cm; chọn D0=4,32cm, d1=2,4cm; Tính được =

d

D =0,555

- Tính mô men xoắn lớn nhất khi D 0 =4,32cm

Từ biểu thức Mmax=max││×Wp=[Wp=[]×Wp=[

Hình 3.2: Hình biểu diễn lực tác dụng lên mặt bích của trục quay

Giả sử chiều mô men như hình vẽ:

Đơn

vị Giá trị

1 Vật liệu chế tạo: Nhôm hợp kim 2014A

cm2

4500

12 Đường kính lỗ bu lông chọn d1 mm 10

Hình 3.3 Bản vẽ thiết kế chi tiết trục quay.

Vật liệu chế tạo: nhôm mác 2014A, có thành phần hóa học như sau:

Phôi được chế tạo bằng phương pháp rèn

II Lựa chọn strain gauge

Thông số chính của strain gauge lựa chọn như sau:

- Công ty sản xuất: SHOWA MEASURING INSTRUMENTS JAPAN

CO.,LTD Kiểu: Z23CO.,LTD FACO.,LTD 2CO.,LTD 350CO.,LTD 11

- Chiều dài căng: 2mm;

- Mức thay đổi điện trở: 350 ±0,3%;

- Gauge factor: 2,06±0,2%;

Hình 3.6: Mạch cầu Wheatstone Hình 3.7: Quarter-Bridge

Một cách tổng quát, cầu Wheatstone có dạng như Hình 3.6 các thành phầntrở kháng R1, R2, R3, R4 là các điện trở thuần Cầu được kích bằng nguồn điện áp

VEX, ngõ ra VO là điện thế chênh lệch giữa hai nút a và b Điện thế VO được tính

IV Lựa chọn bộ khuyếch đại, bộ xử lý, nguồn và màn hình hiển thị

1 Lựa chọn bộ khuyếch đại.

Tìm kiếm trên thị trường có bộ khuyếch đại 3B18 đáp ứng được yêu cầu

- Điện áp nguồn đặt cho cảm biến được đặt trước 10V, khi thay đổi điện trở REXT từ 300 đến 1K

Điện áp ra Vo được tính theo biểu thực sau:

VO=G.VIN

Trong đó: VO là điện áp ra; VIN là điện áp vào mạch G Hệ số khuyếch đại

2 Lựa chọn hệ thống xử lý dữ liệu

a) Chức năng bộ vi xử lý: thu thập xử lý thông tin từ cảm biến và truyền

tín hiệu đến màn hình Chuyển đổi dữ liệu từ dạng tương tự sang dạng số

b) Cấu tạo bộ vi xử lý andunio

-Bảng mạch Anduino có 14 cổng in/out (đánh số 0-13) Đây là các châncắm của Arduino có chức năng input hoặc output, tạo nên cốt lõi của thiết bị

- Có 6 chân kỹ thuật số, được đánh dấu bởi dấu ~ để thực hiện xung

- Chân 13 đặc biệt có một LED được ghép vào Việc này giúp cho việcthử nghiệm Chúng ta thể sử dụng LED có sẵn, bằng cách xuất ra chân 13 hoặc

ra các chân khác Ở phần bên phải ở dưới có một cổng analog 6 chân input.Chúng giúp đọc các giá trị của cảm biến analog

Ở bên trái là các cổng analog tương tự cổng nguồn, chỉ cần nguồn 3,3 volhoặc 5 vol

- Cuối cùng, một công tắc chuyển dùng để reset Arduino nó sẽ giúp khởiđộng lại bất kỳ chương trình nào trong bộ nhớ

- Arduino có một khoảng bộ nhớ, và nếu chương trình quá lớn, compiler

sẽ báo lỗi

Kết nối: Arduino là một thiết bị phần cứng có thể hoạt động độc lập (như

một robot), kết nối với máy tính, hoặc một thiết bị Arduino khác, các thiết bị điện tử khác

V Tiến hành dán strain gauge

1 Chuẩn bị vật tư, dụng cụ

a) Vật tư cần dùng

- Trục chịu xoắn: trục mẫu gia công theo đúng bản vẽ thiết kế, Số lượng

01 trục

- Băng dính loại Scotch Số lượng: 02 cuộn,

- Keo dán loại Extra 4000 Số lượng: 02 tuyp,

- Strain gauge kiểu: Z23-FA-2-350-11 hãng sản xuất: SHOWA MEASURING INSTRUMENTS CO.,LTD-JAPAN Số lượng : 02 chiếc

- Giấy ráp mịn: 02 tờ

- Dung môi làm sạch chuyên dụng, cồn 700

- Dây dẫn tín hiệu chống nhiễu: số lượng 50cm

- Cầu dẫn điện 4 chân: Số lượng 01 cầu

- Bộ khuyếch đại 3B18, bộ xử lý ardunio, nguồn cấp điện, màn hình hiển thị

- Bộ hiển thị: loại Daytronic 3570,

b) Thiết bị phục vụ thí nghiệm:

- Máy công cụ gồm: Máy tiện, máy mài, máy khoan, máy phay

- Các dụng cụ cầm tay: Máy mài, máy cắt, máy đánh bóng.

- Mỏ hàn, dây hàn, đồng hồ đo Amprobe AM-570

2 Các bước tiến hành dán strain gauge

- Bước 1: Làm sạch bề mặt trục quay bằng giấy ráp và dung môi

- Bước 2: Lấy dầu vị trí dán trên trục quay và dán Strain gauge lên trụcquay theo dấu đã vạch sẵn: Quá trình lấy dấu được thực hiện trên máy tiện đểđảm bảo độ chính xác Sau đó làm sạch bể mặt thân trục và các strain gauge lần

2 Sau khi được làm sạch bề mặt thân trục và các strain gauge được phủ bằngmột lớp keo dính Các strain gauge này sau đó được dán lên thân trục

- Bước 3: Hàn nối tạo mạch cầu: Sau khi keo khô, bóc lớp băng dính bênngoài, dùng dung môi nhẹ nhang tẩy rửa bề mặt của strain gauge Dùng mỏ hàn

và dây dẫn hàn nối tạo dây cấp nguồn vào và dây nhận tín hiệu đầu ra cho mạchcầu theo sơ đồ nguyên lý 6 dây

- Bước 4: Kết nối đầu dây tín hiệu và điện áp kích thích của mạch cầu vớimạch khuyếch đại 3B18 và bộ xử lý, nguồn nuôi và màn hình hiển thị

- Bước 5 Gá đặt các thiết bị điện tử lên trục quay

- Bước 6: Phủ slicon A900 nên bề mặt thế bị điện tử: Bề mặt dán các strain gauge và mạch điện trở của thiết bị sẽ được phủ một lớp silicon A 900 bảo

vệ straingauge, mạch điện trở và hệ thống dây điện từ khỏi tác động của độ ẩm môi trường

- Bước 7 Thí nghiệm khảo sát giá trị điện áp hiển thị khi đặt giá trị mô men đã biết

- Bước 8 Gá đặt trục quay lên bộ truyền động tạo mô men xoắn

CHƯƠNG 4

XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ BẰNG THỰC NGHIỆM

I Thiết kế sơ đồ thí nghiệm

1 Mục đích:

- Xác định giá điện áp đầu ra thông qua mô men xoắn tác dụng lên phần

từ biến dạng Đưa ra mối quan hệ giữa chúng

2 Mô hình thí nghiệm

3 Thiết bị thí nghiệm

Thực hiện tại Trung tâm sáng tạo sản phẩm, trường Đại học KT công nghiệp

- Thiết bị tạo mô men xoắn và cơ cấu hãm;

Tạo mô men

xoắn cho thiết bị

đo

II Kết quả thí nghiệm

1 Thí nghiệm khảo sát giá trị điện áp hiển thị khi đặt tải trọng đã biết.

Lần lượt áp tải mômen xoắn từ 0Nm đến 500Nm ta có bảng giá trị sau:Bảng 3 giá trị điện áp hiển thị (điện áp sau khuyếch đại) trên màn hình (Vo)

Thứ tự

Giá trị mô men xoắn M

(Nm)

Điện áp sau khuyếch đại - giá trị hiển thị (Vo) (V)

Thứ tự

Giá trị mô men xoắn M (Nm)

Điện áp sau khuyếch đại - giá trị hiển thị (Vo) (V)

Đồ thị biểu diện quan hệ điện

áp Vo và mô men xoắn