1 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. Cụ thể 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 cầu wheatston, tín hiệu đầu ra từ các cảm biến biến dạng được kết nối với bộ khuyếch đại 3B18 của hãng Analog divices, vi xử lý Ardunio đã giảm đáng kể công 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 men xoắn, ứng dụng các strain gauge vào công tác đo biến dạng trên trục quay, lựa chọn bộ khuyếch đại và xử lý tín hiệu đo cho mạch cầu hai tay và mạch cầu 4 tay (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 Nm- 500Nm. 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 strain gauge 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 mặt trục chịu xoắn bằng nhôm. Lựa chọn và thử nghiệm thành công sử dụng strain gauge với bộ khuyếch đại và bộ vi xử lý; 2 Xác định được môđul 3B18 khuyếch đại tín hiệu điện áp vô cùng bé từ strain gauge để có thể hiển thị được kết quả đo mô men xoắn. * Ý nghĩa thực tiễn: - Kết quả của đề tài dùng làm cơ sở để thiết kế chế tạo thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay. - Sản phẩm đề tại làm dụng cụ đo mô men xoắn sử dụng trong thực hành, thí nghiệm tại trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. 3 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 phương pháp đo biến dạng trên trục quay để tính ra mô men xoắn. Biến dạng trên trục quay được xác định nhờ các strain gauge dán trên trục và hoạt động dựa theo nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Gia công và chế tạo những thiết bị này 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 gia tốc góc. Ví dụ như các mô-men xoắn sinh ra bởi một lò xo đồng hồ sẽ là một mô- men xoắn tĩnh. Tuy nhiên việc xác định mô men tĩnh và mô men động còn phụ 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 mô men động, vì nó có dao động lớn do mỗi khi nhiêu liệu cháy trong xi lanh sẽ sinh ra lực tác dụng lực lên đầu piston làm trục khuỷu quay. Nếu mô-men xoắn được đo các ổ trục nó sẽ gần như tĩnh vì quán tính quay của bánh đà và bộ truyền dẫn sẽ làm giảm mức độ dao động. Các thiết bị đo mô men xoắn ngày nay thường có cấu tạo gồm các thành phần 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. 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 1.4. 5 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 6 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. Cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A do hãng Kitsler sản xuất hoạt động dựa trên nguyên lý biến áp quay. Thường được dùng trong việc giám sát kiểm tra động cơ điện. 2. Nguyên lý cơ bản đo mô men xoắn trên trục quay 7 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 khuyếch đại. Sau đó tín hiệu điện áp sau khuyếch đãi được truyền đến bộ xử lý và truyền đến màn hình hiển thị và lưu trữ dữ liệu. Toàn bộ các thiết bị trên được gắn trên trục quay. Ưu điểm: dễ dàng hiệu chỉnh, trong cơ cấu không có bộ phận chuyển động, 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 phải nạp 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 trục xoắn có thể thực hiện ngay tại xưởng cơ khí không yêu cầu các máy chuyên dùng, các thiết bị khuyếch đại, bộ xử lý và bộ lưu trữ dữ liệu có thể lựa chọn loại thích hợp được bán rộng rãi trên thị trường. STRAIN GAUGE BRIDGE BỘ KHUYẾCH ĐẠI BỘ XỬ LÝ LƯU TRỮ DỮ LIỆU 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 8 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 men xoắn và cơ cấu hãm nhờ mặt bích ở 2 đầu. Dưới tác dụng của mômen xoắn truyền từ trục động cơ đến hộp giảm tốc qua trục xoắn và đến cơ cấu hãm làm 9 trục đo biến dạng. Sự biến dạng này tỷ lệ với mô men. Như vây việc xác định được biến dạng của trục đo cũng chính là xác định mômen của cơ cấu. 10 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 hiển thị; Tiến hành thí nghiệm để phân tích, đánh giá các khả năng làm việc thiết bị động 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, chế tạo 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 ngoài của trục đủ lớn nhằm tạo thuận lợi cho quá trình chế tạo cảm biến. Trục trụ đặc đường kính nhỏ không đáp ứng yêu cầu đặt ra. Trụ tròn rỗng có vách lõm sẽ tạo thuận lợi cho quá trình dán strain gauge lên trục nhưng mức độ biến dạng trên cùng bán kính không đều. Do đó tác giả lựa chọn dạng trục rỗng có mặt cắt hình vành khăn, kiểu thiết 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 xoắn kém. Tuy nhiên dải đo của thiết bị nghiên cứu khá lớn từ 0 Nm đến 500Nm nên có thể chấp nhận được. [...]... 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 Mmax=500Nm 2 Tính toán thiết kế trục Để đảm bảo điều kiện bền và các chức năng của trục, ... tạo mô men xoắn 22 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 Tạo mô men xoắn cho thiết bị đo Đo điện áp đầu ra Quan hệ giữa mô men xoắn và điện áp 3 Thiết bị thí nghiệm Thực hiện tại Trung tâm sáng tạo. .. nghiệp - Thiết bị tạo mô men xoắn và cơ cấu hãm; - Bộ hiển thị daytronic 3570 23 Hình 4.1 Hình ảnh lắp đặt thiết bị đo mô men xoắn trên truc quay lên bộ truyền động tạo mô men xoắn 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 m men 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. .. áp và mô men là đường tuyến tính Vo Từ đó ta suy ra được phương trình biểu diễn quan hệ M-V như sau: VO=0,00254M (V) Hoặc M= 0,00254 (Nm) 2 Thí nghiệm đo mô men xoắn trên trục quay Gá đặt thiết bị đo lên trục truyền dẫn, cho trục xoắn chuyển động với tốc độ 92 vòng/phút, ta đo được các giá trị điện áp và mô men như sau: Bảng 4 Bảng giá trị hiển thị điện áp Vo và giá trị mô men tương ứng Lầ n đo 0 1... Kết luận: + Tác giả đã bước đầu đã nghiên cứu, chế tạo thành công thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay Tuy nhiên do điều kiện nghiên cứu chế tạo trong nước như là tài liệu, hệ thống phòng thí nghiệm và cả những vấn đề về tài chính còn khó khăn thiếu thốn nên độ chính xác, độ tin cậy của tín hiệu của 26 thiết bị vẫn chưa cao + Thiết kế, chế tạo mạch đo lường strain gauge, bộ nguồn, bộ khuyếch đại,... 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 túy với mô men xoắn M, đường kính ngoài D, đường kính trong d, chiều dài trục l như hình vẽ 14 Khi dán strain gauge theo phương 45 o so với đường sinh của trục chịu xoắn theo nguyên lý mạch cầu Wheatston Dưới tác dụng của mô men xoắn trục biến dạng bị kéo hoặc nén theo phương... điện áp đầu ra khi có mô men xoắn tác dụng Xây dựng được phương trình chỉ ra mối quan hệ giữa điện áp và mô men - Nghiên cứu lựa chọn bộ khuyếch đại 3B18, bộ xử lý Ardunio giảm bớt sự phức tạp trong tính toán và thiết kế phần cứng Kết quả thí nghiệm cho thấy thiết bị sau khi chế tạo đáp ứng được yêu cầu đặt ra cho bài toán xử lý tín hiệu strain gauge ứng dụng trong việc đo mô men xoắn 4 Kết luận và hướng... 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. .. ở trên, ta có bản thiết kế chi tiết trục quay như sau: 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: Mác Si Fe 2014 0,5-0,9 0,5 Cu Mn Mg Cr 3,9-5 0,4-1,2 0,2-0,8 0,1 Zn Ti 0,25 0,15 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... 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 trục quay theo dấu đã vạch sẵn: Quá trình lấy dấu được thực hiện trên máy tiện để đảm 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 . 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, . dáng 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. chế tạo những thiết bị này 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