Nghiên cứu tính toán, thiết kế gối điện tử hoạt động dựa trên hiệu ứng áp trở

Cơ học & Điều khiển thiết bị bay P. T. Hà, , “Nghiên cứu tính toán, thiết kế gối điện tử dựa trên hiệu ứng áp trở.” 102 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ GỐI ĐIỆN TỬ HOẠT ĐỘNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG ÁP TRỞ Phạm Thanh Hà1*, Đào Mộng Lâm2, Vũ Khánh Xuân1, Nguyễn Đức Dũng3, Đào Xuân Việt3, Lê Hữu Thắng 4 Tóm tắt: Bài báo giới thiệu tổ hợp gối đàn hồi và các tem biến dạng được ứng dụng vào việc điều khiển trạng thái cân bằng đòn cho các máy chuẩn lực kiểu cánh tay đòn và máy chuẩn mô men lực tải trực tiếp. Nó đã giải quyết được những vấn đề còn tồn tại trước đây đối với các chuẩn lực và mô men truyền thống. Bài báo cũng đề cập đến nguyên lý cơ bản của hình dạng và vật liệu để thiết kế gối đàn hồi. Biến dạng cơ học của gối đàn hồi được xác định bằng mô phỏng toán học sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Các tem biến dạng được sử dụng để chuyển đổi gối đàn hồi thành cảm biến lực điện tử (được gọi là gối điện tử), để đo biến dạng của gối đàn hồi cho việc điều khiển trạng thái cân bằng đòn đối với các máy chuẩn lực kiểu cánh tay đòn và máy chuẩn mô men lực tải trực tiếp. Công trình sẽ có những ứng dụng quan trọng đối với việc sản xuất chuẩn đo lường lực và mô men lực có độ chính xác cao. Từ khóa: Đo lường lực, Đo lường mô men lực, Gối đàn hồi, Gối điện tử. 1. MỞ ĐẦU Lĩnh vực đo lường lực, mô men lực đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực sản xuất, công nghiệp, dịch vụ và nghiên cứu khoa học công nghệ. Để đảm bảo tính chính xác trong đo lường lực, mô men lực và sự liên kết đo lường thì việc xây dựng được các chuẩn đo lường có cấp độ chính xác cao trong lĩnh vực lực và mô men lực là yêu cầu bắt buộc. Dẫn xuất tới chuẩn đầu trong lĩnh vực đo lường lực là các quả cân chuẩn. Tuy nhiên các quả cân chuẩn không thể có khối lượng quá lớn mà phạm vi đo lường lực, lại đòi hỏi một phạm vi khá rộng, giá trị đo lớn. Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng hệ khuếch đại lực thông qua hệ thống các cánh tay đòn, tỉ lệ lực được khuếch đại bằng tỉ lệ chiều dài hai cánh tay đòn. Trước đây người ta sử dụng hệ thống dao-gối cơ khí (prizma) hay vòng bi cơ khí đặc biệt (ball bearing) để làm trục quay cho hệ thống cánh tay đòn, tuy nhiên các hệ thống này có các hạn chế lớn nhất là sự ma sát, mài mòn, lệch trục,... dẫn tới khó đạt độ chính xác cao cũng như sự ổn định theo thời gian không đảm bảo. Gần đây, một số Viện đo lường lớn trên thế giới và các nhà khoa học đã xây dựng hệ khuếch đại lực dựa trên gối đàn hồi được điều khiển tự động hóa (gối điện tử), từ đó các nhược điểm của các hệ khuếch đại lực trước đây đã được khắc phục, đồng thời độ chính xác đo có thể tăng lên một bậc [1, 2]. Hình 1 mô tả hình dạng và các kích thước của một gối đàn hồi và các lực tác dụng lên các hướng của gối Fx, Fy, Fz theo các hướng Ox, Oy, Oz; góc quay αz quanh trục quay Oz tạo ra do mô men Mz. Hình 2 mô tả một hệ thống khuếch đại lực thông qua hệ thống cánh tay đòn dùng gối điện tử, lực có thể được khuếch đại theo tỉ lệ l/a ~ (10  50) lần. Gối điện tử này có ưu điểm là không có sự trượt, di chuyển hay ma sát tại tâm quay mà chỉ có sự biến dạng cơ học tại tâm quay khi có sự chênh lệch mô men lực hai phía cánh tay đòn. Khi đòn ở trạng thái cân bằng thì tổng mô men trên đòn bằng 0 hay phương trình cân bằng mô men có dạng: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 103 ∑ M = Mquả cân - Mlực = 0  Mquả cân = Mlực  Fquả cân  l = Flực  a Flực = Fquả cân  l/a (1) trong đó, Flực, Fquả cân lần lượt là các lực có điểm đặt ở phần cánh tay đòn ngắn (a) và cánh tay đòn dài (l); và Mquả cân và Mlực là các mô men tương ứng. Vấn đề biến dạng cơ học của gối đàn hồi (elastic hinge) đã có nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực cơ khí [3-10]. Việc sử dụng gối đàn hồi thay thế các hệ dao gối, vòng bi,... trong lĩnh vực đo lường lực và mô men lực là một thành tựu của các nhà khoa học đo lường. Tuy nhiên khi này sẽ có nhiều vấn đề kỹ thuật nảy sinh như đo lường độ biến dạng tại tâm quay của gối đàn hồi một cách chính xác, biến thông tin biến dạng đàn hồi thành tín hiệu điện tử để đưa vào hệ thống điều khiển, tự động hóa nhằm đảm bảo hệ số khuếch đại lực của đòn và nâng cao độ chính xác của phép đo,... Các vấn đề nói trên cần đầu tư rất nhiều công sức nghiên cứu, phát triển. Mặc dù đã có những chuẩn đo lường lực và mô men lực sử dụng nguyên lý nói trên, tuy nhiên các thiết kế, nguyên lý chi tiết được các hãng sản xuất giữ kín, không công bố trên các tạp chí khoa học, công nghệ. Một số công bố đa phần mang tính giới thiệu và kết quả ứng dụng cuối cùng [1, 2]. Trong công trình này, dựa trên nguyên lý cơ bản nhất là sử dụng gối đàn hồi cho hệ khuếch đại lực bằng cánh tay đòn, nhóm nghiên cứu bước đầu nghiên cứu, tính toán thiết kế gối điện tử bao gồm phần tính toán biến dạng cơ học bằng giải tích và mô phỏng của gối đàn hồi, phương pháp đo độ biến dạng cơ học tại tâm quay của gối. Trên cơ sở đó, điện tử hóa gối đàn hồi thành cảm biến lực, từ đó gia công xử lý tín hiệu biến dạng uốn thành tín hiệu điện để điều khiển hệ thống đòn khuếch đại lực (điều chỉnh thăng bằng đòn). Hình 1. Hình dạng, các kích thước của một gối đàn hồi và các lực tác dụng Fx, Fy, Fz theo các hướng Ox, Oy, Oz của gối; mô men lực Mz làm quay một góc αz quanh trục quay Oz. Hình 2. Cơ cấu hệ thống đòn khuếch đại lực dùng gối điện tử[1]. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT Do mong muốn giảm ma sát quay, hệ gối đàn hồi được quan tâm nhiều trong các ứng dụng có độ chính xác cao, một số lĩnh vực cơ khí, máy động lực tại Việt Nam đã Cơ học & Điều khiển thiết bị bay P. T. Hà, , “Nghiên cứu tính toán, thiết kế gối điện tử dựa trên hiệu ứng áp trở.” 104 nghiên cứu về đối tượng này, tuy nhiên không nhiều và đặc biệt là không phải để hướng tới làm các bản lề, tâm quay cũng như ứng dụng trong chuẩn đo lường lực và mô men lực. Khái niệm gối điện tử và gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng sử dụng gối đàn hồi là khái niệm thuần túy xuất hiện khi người ta nghĩ tới việc sử dụng gối đàn hồi làm tâm quay, bản lề thay cho các hệ dao gối cơ khí truyền thống trong chuẩn đo lường lực và mô men lực. Đây là một khái niệm và nguyên lý rất mới, và hầu như chưa có nghiên cứu nào được thực hiện tại Việt Nam. Trong các tính toán thiết kế gối điện tử, việc thiết kế cơ khí cho gối rất quan trọng vì gối cần có khả năng chịu tải trọng lớn theo chiều dọc, đồng thời gối cần có độ nhạy cao với sự biến đổi mô men quay. Độ dày vùng thắt eo t cần phải được xem xét kỹ lưỡng trên phương diện chịu tải, vì đây là vùng có kích thước mỏng nhất của hệ gối. Đồng thời, tỷ số t/R là tỷ số giữa kích thước vùng thắt eo và bán kính cong R của gối quyết định độ nhạy và độ ổn định của hệ; tỷ số này cũng thay đổi tùy theo vật liệu làm gối. Chính vì vậy, trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu tiến hành mô phỏng xem xét kỹ lưỡng tỷ số này. Khi đã thực hiện xong việc thiết kế cơ khí, sơ đồ bố trí tem biến dạng trên vùng thắt eo và sơ đồ điện tử xử lý các tín hiệu này sẽ quyết định được cơ bản cho toàn bộ hệ thống gối điện tử. Nhóm nghiên cứu đặt vấn đề xem xét sơ đồ điện tử và các mối liên hệ giữa các đại lượng đo được, nhằm điều khiển chính xác vị trí cân bằng của hệ gối điện tử khi có tải. 3. MỘT SỐ KẾT QUẢ BAN ĐẦU 3.1. Tính toán, mô phỏng độ biến dạng của gối đàn hồi Yuen et al. [9] đã tổng kết các kết quả tính toán giải tích về góc lệch αz quanh trục quay Oz của gối đàn hồi khi có sự chênh lệch mô men Mz, như mô tả tại Hình 1. Nhóm nghiên cứu này cũng đánh giá sự sai lệch của kết quả giải tích so với mô phỏng tính toán biến dạng bằng phương pháp phần tử hữu hạn, giá trị sai lệch cỡ từ 5 % đến 10 %. Các tính toán giải tích mới nhất như kết quả của Smith et al. [7] hay Schotborgh et al. [8] được trình bài tại công thức (2) và (3): (2) (3) trong đó, Izz là mô men quán tính, Mz là mô men quay quay trục z, b và t là chiều rộng và chiều dày vùng thắt eo của gối, R là bán kính của gối, E là mô đun đàn hồi, αz là góc biến dạng của gối (αz = 0 ở vị trí cân bằng). Các công thức nói trên được sử dụng để ước lượng giá trị biến dạng cơ học phục vụ việc lựa chọn vật liệu và các kích thước thiết kế của gối đàn hồi. Việc tính toán chính xác ứng suất, độ biến dạng của gối đàn hồi khi có sự chênh lệch của mô men lực hai phía cánh tay đòn được thực hiện bằng mô phỏng tính toán. Nguyên lý tính toán sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 105 bằng phần mềm ANSYS (modul structure mechanics). Hình dạng gối đàn hồi được vẽ bằng phần mềm 3D SolidWork, sau đó chia lưới và mô phỏng tính toán bằng máy tính như trình bày tại Hình 3. Để kiểm tra sự đúng đắn của tính toán, nhóm nghiên cứu đã thử mô phỏng lại một số ví dụ trước đây đã được công bố [13], ví dụ như tài liệu tham khảo [8,9] và đạt được kết quả hoàn toàn tương tự, chứng tỏ cách tính toán và mô phỏng là chính xác, có độ tin cậy cao. Sau đó các kích thước hình học, các tham số đàn hồi của vật liệu như mô đun đàn hồi (E), hệ số Poisson (v), được thay đổi để khảo sát phân bố ứng suất và biến dạng đàn hồi. (a) (b) Hình 3. (a) Chia lưới chuẩn bị mô phỏng cho gối đàn hồi; (b)kết quả mô phỏng phân bố ứng suất trên gối đàn hồi. Như mô tả hình dạng gối đàn hồi tại Hình 1, tỉ số t/R là một tỉ số quan trọng trong việc thiết kế gối đàn hồi. Nếu t/R lớn, gối đàn hồi sẽ có độ cứng lớn, khó biến dạng như vậy khi chịu lực ép nén theo phương Ox hay có chênh lệch mô men Mz thì gối khá chắc chắn, nhưng độ biến dạng tại tâm quay khi này sẽ nhỏ. Ngược lại t/R nhỏ sẽ cho độ biến dạng tại tâm quay lớn, sẽ nâng cao độ nhạy, độ chính xác của hệ đo lực. Để đảm bảo gối đàn hồi không bị sai hỏng khi chịu lực nén và uốn, nhưng cũng đảm bảo độ nhạy và độ ổn định của hệ khuếch đại lực bằng cánh tay đòn, theo ước lượng giải tích dựa trên công thức (2) và (3) cũng như kết quả sơ bộ mô phỏng ban đầu, khi mô đun đàn hồi trong khoảng (200  300) GPa và hệ số Poisson trong khoảng (0.2  0.4), giá trị hợp lý của t/R nên nằm trong khoảng: 0.1 ≤ t/R ≤ 0.2 (4) Trong đó, giá trị thường được lựa chọn trong thiết kế là t/R ≈ 0.15 (giá trị nằm ở giữa miền tối ưu), kết quả này cũng phù hợp với một số ước lượng giải tích trước đây [10]. 3.2. Lựa chọn hợp kim làm gối đàn hồi Hợp kim được lựa chọn làm gối đàn hồi phải đảm bảo các yếu tố như dễ chế tạo hình dáng, bền vững với điều kiện môi trường không khí, có mô đun đàn hồi E trong khoảng (200  300) GPa như đã nói ở phần trên, có độ giãn nở nhiệt nhỏ. Qua các yêu cầu trên, cũng như tham khảo vật liệu đã làm các gối đàn hồi cho các hệ chuẩn lực [1,2] là hợp kim đúc Cr-Mo-V, nhóm nghiên cứu đề xuất lựa chọn hệ hợp kim này. Hệ hợp kim đúc Cr-Mo-V có các đặc tính chung đã được nghiên cứu, ví dụ như tại tài liệu tham khảo [12]. Cụ thể ở đây, hợp kim Cr-Mo-V (ASTM A217 Grade C12A) được lựa chọn. Các đặc tính cơ nhiệt của hệ vật liệu nói trên rất phù hợp với yêu cầu chế tạo gối đàn hồi và khá phổ biến trong lĩnh vực luyện kim. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay P. T. Hà, , “Nghiên cứu tính toán, thiết kế gối điện tử dựa trên hiệu ứng áp trở.” 106 3.3. Sơ đồ đo biến dạng đàn hồi và quá trình điều khiển tự động hóa hệ khuếch đại lực bằng gối điện tử Như hệ thống khuếch đại lực trình bày tại Hình 2, một cách gần đúng (bỏ qua các hiệu ứng biến dạng uốn trên hai cánh tay đòn và một số hiệu ứng phụ khác sẽ được vi chỉnh, hiệu chuẩn sau này), hệ khuếch đại lực sẽ cân bằng về mô men lực khi điều kiện sau thỏa mãn: F.a = mg.l (5) trong đó, F là lực cần đo hay đánh giá, m là khối lượng quả cân chuẩn, g là gia tốc trọng trường tại nơi chuẩn lực, a và l là chiều dài hai cánh tay đòn. Hình 4. Vị trí gắn tem biến dạng trên gối đàn hồi để tạo thành gối điện tử. Khi hệ chưa thỏa mãn công thức (5) tức là hệ chưa cân bằng về mô men lực, trục quay của gối đàn hồi sẽ bị lệch một góc αz như theo công thức (2) hoặc (3) tạo ra một ứng suất và biến dạng tại khu vực tâm quay của gối đàn hồi. Sử dụng 4 tem biến dạng dán lên hai mặt của gối đàn hồi như Hình 4 và sử dụng mạch cầu cân bằng (wheatstone) để biến đổi sự thay đổi điện trở của 4 tem biến dạng này thành điện áp, ở đầu ra của mạch cầu cân bằng sẽ xuất hiện một tín hiệu điện thế khác giá trị 0. Tín hiệu này được dùng để điều khiển hệ thống đòn khuếch đại lực cho đến khi tín hiệu đạt giá trị ‘0’, tức là điều kiện cân bằng thỏa mãn. Khi này hệ số khuếch đại lực được đảm bảo dẫn đến sai số (độ không đảm bảo đo) của lực cần đo sẽ được ước lượng chính xác. Hình 5. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và xử lý tín hiệu từ gối điện tử. Vấn đề nảy sinh là tại trạng thái tĩnh khi đòn ở vị trí cân bằng, không đo thì tín hiệu nói trên phải bằng không. Đây là công việc đòi hỏi một loạt nguyên công từ Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 107 thiết kế, chế tạo, thực nghiệm, căn chỉnh, bù tín hiệu,... để đảm bảo khi không có biến dạng thì tín hiệu đầu ra để đưa vào điều khiển hệ thống đòn khuếch đại lực phải đạt bằng 0. Chú ý rằng, có hai loại biến dạng khi thực hiện phép đo lực F tại tâm quay gối đàn hồi gồm: (i) biến dạng nén dọc trục (mg + F + mctđ.g) với mctđ.g là khối lượng của hai cánh tay đòn. Nếu hai nhánh cầu tem biến dạng kề nhau hoàn toàn giống nhau và căn chỉnh đúng thì hai tín hiệu này tự bù trừ nhau giữ cầu cân bằng; (ii) biến dạng cho chênh lệch mô men lực Mz, là biến dạng uốn, các tem biến dạng,... có nhiệm vụ phát hiện và thu nhận chính xác biến dạng này (hình 4, 5) [11]. Đây là tín hiệu cần thiết để điều chỉnh thăng bằng đòn. 3. KẾT LUẬN Dựa trên lý thuyết giải tích về biến dạng đàn hồi, mô hình biến dạng đàn hồi của một gối đàn hồi đã được đưa ra. Nhóm nghiên cứu bước đầu đã tiến hành mô phỏng chính xác phân bố ứng suất và biến dạng trên gối đàn hồi và lựa chọn được hình dạng tối ưu cho thiết kế gối đàn hồi sử dụng trong hệ chuẩn lực và mô men lực với t/R ≈ 0.15. Vật liệu chế tạo gối đàn hồi đã được đề xuất là hợp kim Cr-Mo- V (ASTM A217 Grade C12A), đảm bảo các yêu cầu theo nguyên lý hoạt động của gối điện tử. Nguyên lý cấu tạo và xử lý tín hiệu của gối điện tử được đề xuất. Các kết quả sơ bộ này cần thiết cho thiết kế chi tiết, hoàn chỉnh để dùng cho công tác chế tạo chuẩn đo lường lực và mô men lực dùng gối điện tử ở các nghiên cứu tiếp theo. Khi này, các chuẩn đo lường lực và mô men lực sử dụng gối điện tử với độ chính xác cao sẽ giải quyết được các hạn chế của các chuẩn truyền thống trước đây, có thể được sản xuất, sửa chữa, duy trì tốt tại Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ulrich K. and Daniel S.,“Performance of force standard machines with compensation of lever arm distortion”, ACTA IMEKO,Vol. 3, tr.19-22, 2014. [2]. Lim C. K., Bernd G. and Thomas A., “New developments in levear-amplified force standard”, XVII IMEKO World Congress Proceedings, pp. 319-323, 2003. [3]. Paros J., Weisbord L., “How to design flexure hinge”, Mach. Des. Vol. 37, pp.151-156, 1965. [4]. Tseytlin Y., “Notch flexure hinges: an effective theory”, Rev. Sci. Instrum. Vol. 73, pp. 3363-3368, 2002. [5]. Wu Y, Zhou Z., “Design calculations for flexure hinges”, Rev. Sci. Instrum. Vol. 73, pp. 3101-3106, 2002. [6]. Lobontiu N., “Compliant mechanisms: design of flexure hinges”, CRC Press, 2003. [7]. Smith S, Chetwynd D, Bowen D., “Design and assessment of monolithic high precision translation mechanisms”, J. Phys. E, Vol. 20, pp. 977-983, 1987. [8]. SchotborghW, Kokkeler F, Trager H, van Houten F., “Dimensionless design graphs for flexure elements and a comparison between three flexure elements”, Precis. Eng. Vol. 29, pp. 41-47, 2005. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay P. T. Hà, , “Nghiên cứu tính toán, thiết kế gối điện tử dựa trên hiệu ứng áp trở.” 108 [9]. Yuen Kuan Yong, Tien-Fu Lu, Daniel C. Handley, “Review of circular flexure hinge design equations and derivation of empirical formulations”, Precision Engineering, Vol. 32, pp. 63-70, 2008. [10]. Frank Dirksen, Mathias Anselmann, Tarek I. Zohdi, Rolf Lammering, “Incorporation of flexural hinge fatigue-life cycle criteria into the topological design of compliant small-scale devices”, Precision Engineering, Vol. 37, pp. 531-541, 2013. [11]. Karl Hoffmann, “An Introduction to Stress Analysis and Transducer Design using Strain Gauges”, HBM Test and Measurement, 2012. [12]. J. Dobrzański, A. Zieliński, H. Krztoń, “Mechanical properties and structure of the Cr-Mo-V low-alloyed steel after long-term service in creep condition”, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, Vol. 23, pp. 39 – 42, 2007. [13]. Phạm Thanh Hà, Nguyễn Đức Dũng, Đào Xuân Việt, Lê Hữu Thắng. “Kết quả mô phỏng gối đàn hồi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn”. Bản tin đo lường - Hội Đo lường Việt Nam. ABSTRACT SIMULATION AND DESIGN THE ELECTRICAL ELASTIC HINGE USING STRAIN GAGES In this article, the combination of elastic hinge and strain gages, which is applied to control balancing for force and torque standard machines is introduced. This has solved the previous remaining problems of the traditional force and torque standards. It also dealt with the principle of shape and material to design the elastic hinge. The mechanical deformation of elastic hinge was calculated by computting simulation using the finite element method. The strain gages were used to convert the mechanical elastic hinge into electronic force transducer (i.e. electronic hinge) in order to measure the mechanical deformation of elastic hinge for balancing force standard machines. This work has important implications for the fabrication of the high precision force and torque standards. Keywords: Force measurement, Torque measurement, Elastic hinge, Electrical elastic hinge. Nhận bài ngày 20 tháng 07 năm 2016 Hoàn thiện ngày 20 tháng 8 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 9 năm 2016 Địa chỉ: 1 Viện Đo lường Việt Nam, 8 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội; 2 Viện KH&CN Quân sự, 17 phố Hoàng Sâm, Hà Nội; 3 Viện Tiên tiến KH&CN, Đại học Bách khoa Hà Nội, số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội; 4 Phòng Đo lường, Trung tâm SMEDEC1, 8 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội; * Email: hapt@vmi.gov.vn.