Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM HỒNG NAM THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN TRÊN TRỤC QUAY LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Thái Nguyên, tháng 12 năm 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 000 PHẠM HỒNG NAM THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN TRÊN TRỤC QUAY Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số: 60520103 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Thái Nguyên, tháng 12 năm 2014 PGS.TS Ngô Nhƣ Khoa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là : Phạm Hồng Nam Sinh ngày : 01 tháng 3 năm 1981 Nơi sinh : Thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên Học viên lớp cao học khóa K14-chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy- Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Hiên đang công tác tại Sở Công Thƣơng Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan những kết quả có đƣợc trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo PGS.TS Ngô Nhƣ Khoa. Ngoài phần tài liệu tham khảo đã đƣợc liệt kê, các kết quả và số liệu thực nghiệm là do tôi thực hiện và chƣa đƣợc công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trí dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc. Thái Nguyên, tháng 12 năm 2014 Ngƣời thực hiện Phạm Hồng Nam Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5 PHẦN MỞ ĐẦU 7 1. Tính cấp thiết của đề tài 7 2. Mục đích nghiên cứu đề tài 7 3. Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài 7 4. Ý nghĩa khoa học của đề tài 7 5. Phƣơng pháp nghiên cứu 8 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN 9 TRÊN TRỤC QUAY 9 1. Giới thiệu về thiết bị đo mô men xoắn trên trục quay 9 2. Nguyên lý cơ bản đo mô men xoắn trên trục quay 12 3. Lựa chọn phƣơng án thiết kế 14 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC QUAY 17 I. Phân tích yêu cầu bài toán: 17 1. Mục đích của đề tài 17 2 Lựa chọn kiểu trục quay 17 3. Phân tích bài toán 18 II. CảM BIếN BIếN DạNG (STRAIN GAUGE) 19 1. Cấu tạo strain gauge 19 2) Phân loại strain gauge 20 3) Thông số cơ bản và các đặc trƣng của strain gauge 21 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MÔ MEN XOẮN 23 I. Thiết kế trục chịu xoắn (trục quay) 23 1. Chức năng: 23 2. Tính toán thiết kế trục 23 3) Bản vẽ thiết kế trục quay 26 II. Nghiên cứu lựa chọn strain gauge 26 III. Ứng dụng mạch cầu Wheatstone trong việc biến đổi R của strain gauge thành điện áp 28 IV. Lựa chọn bộ khuyếch đại, bộ xử lý, nguồn và màn hình hiển thị 33 1. Lựa chọn bộ khuyếch đại 33 2. Lựa chọn hệ thống xử lý dữ liệu 35 3. Màn hình hiển thị 36 4. Nguồn cấp điện áp 38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ V. Tiến hành dán strain gauge 40 1. Chuẩn bị vật tƣ, dụng cụ 40 2. Các bƣớc tiến hành dán strain gauge 41 CHƢƠNG 4. XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ BẰNG THỰC NGHIỆM 46 I. Thiết kế sơ đồ thí nghiệm 46 1. Mục đích: 46 2. Mô hình thí nghiệm 46 3. Thiết bị thí nghiệm 46 II. Kết quả thí nghiệm 47 1. Thí nghiệm khảo sát giá trị điện áp hiển thị khi đặt tải trọng đã biết. 47 2. Thí nghiệm đo mô men xoắn trên trục quay. 48 3. Đánh giá kết quả và nhận xét 49 4. Kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo 49 5. Một số hình ảnh của thiết bị 50 6. Chƣơng trình cài đặt cho bộ xử lý ardunio 53 TÀI LIỆU THAM K HẢO 57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 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. Hình 1.4 là thiết bị đo mô men xoắn loại ST2-BT spin tork của hãng Excel Air tool co.,INC Hình 1.5: Ứng dụng thiết bị đo mô men xoắn loại ST2-BT spin tork trong lắp ráp. 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. Hình 1.7: Sơ đồ hệ nguyên lý cảm biến đo mô men xoắn dùng vành góp Hình 1.8: Hình ảnh tháo rời cảm biến mô men xoắn dùng vành góp slip ring Hình 1.9:Sơ đồ hệ nguyên lý cảm biến đo mô men xoắn dùng biến áp quay Hình 1.10: Nguyên lý cơ bản của cuộn dây bên trong Hình 1.11: Hình vẽ cấu tạo bên trong của cảm biến mô men xoắn dùng biến áp quay Hình 1.12. Hình vẽ cấu tạo thiết bị đo mô men xoắn dùng strain gauge tích hợp với hệ thống chuyển đổi , bộ lƣu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay. Hình 1.13.Hình vẽ cấu tạo thiết bị đo mô men xoắn dùng strain gauge tích hợp với hệ thống chuyển đổi , bộ lƣu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay. Hình 2.1: Hình vẽ kết cấu một số trục quay thƣờng gặp Hình2.2: Mô hình bài toán Hình 2.3: Mô tả lực tác dụng và biến dạng của dây dẫn Hình 2.4: Cấu tạo một strain gaugse điển hình Hình 3.1: Bản vẽ hình dạng và các ký hiệu kích thƣớc trên trục quay Hình 3.2: Hình biểu diễn lực tác dụng lên mặt bích của trục quay Hình 3.3. Bản vẽ thiết kế chi tiết trục quay. Hình 3.4: Phƣơng án dán strain gauge lên trục quay. Hình 3.5: Bảng thông số và hình dáng strain gauge kiểu Z23-FA-2-350-11 Hình 3.6: Mạch cầu Wheatstone Hình 3.7: Quarter-Bridge Hình 3.8 : Sử dụng dummy gauge để tránh ảnh hƣởng của nhiệt độ Hình 3.9: Ảnh hƣởng của điện trở dây dẫn ở mạch đo dạng Quarter-Brige Hình 3.10: Half-Bridge Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý của cầu 6 dây Hình 3.13: Sơ đồ khối chức năng của IC 3B18 Hình 3.14 : Ô kết nối đầu vào 3B18 Hình 3.15. Bảng mô tả chân chức năng Hình 3.17: Tùy chỉnh hệ số khuyếch đại Hình 3.18. Hình ảnh cấu tạo bộ vi xử lý andunio Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.19. Sơ đồ mạch led 7 đoạn\ Hình 3.20: Sơ đồ khối màn hình hiển thị Hình 3.21: Sơ đồ mạch nguồn Hình 3.22 : Keo dán Extra 4000-Showa và băng dính Scotch Hình 3.23. Ảnh trục mẫu sau khi gắn strain gauge. Hình 3.24. Hình ảnh kiểm tra độ nhạy xoắn của thiết bị sau khi dán strain gauge bằng màn hình hiển trị Daytronic 3570. Hình 3.25. Hình ảnh thiết bị đo mô men xoắn do học viên thiết kế, chế tạo Hình 3.26. Hình ảnh kết nối thành công strain gauge với bộ nguồn, bộ khuyếch đại, vi xử lý và màn hình hiển thị Hình 3.27. Hình ảnh lắp đặt thiết bị đo mô men xoắn trên truc quay lên bộ truyền động tạo mô men xoắn Hình 3.28. Đồ thị biểu diễn kết quả đo mô men hiển thị qua giá trị điện áp V0 Hình 4.3. Hình ảnh kiểm tra độ nhạy xoắn của thiết bị sau khi dán strain gauge bằng màn hình hiển trị Daytronic 3570. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay với sự phát triển của khoa học, công nghệ. Dụng cụ đo lƣờng đã có những bƣớc tiến lớn về chất lƣợng, kết cấu và sự thuận tiện khi sử dụng. Cụ thể nhƣ về độ chính xác phép đo, phƣơng 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 lƣờng thƣờng đƣợc phân thành các nhóm nhƣ: đo lƣờng nhiệt, đo lƣờng áp suất, đo lƣờng lực và mô men, đo lƣờng độ cứng, đo lƣờng độ dài, đo lƣờng các chỉ tiêu hóa lý, đo dung tích, đo khối lƣợng, 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 đƣợc 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 tƣợng 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 đƣợc 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; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Xác định đƣợc môđul 3B18 khuyếch đại tín hiệu điện áp vô cùng bé từ strain gauge để có thể hiển thị đƣợc 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 trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 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 đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp và chế biến chế tạo, sửa chữa nhƣ: thiết bị cầm tay, thử động cơ máy công cụ,…. Đa số các thiết bị đo mô men xoắn chủ yếu đƣợc nhập khẩu từ các nƣớc: Mỹ (hãng Futex), Anh, Ấn Độ, Trung Quốc Các thiết bị này sử dụng phƣơng pháp đo biến dạng trên trục quay để tính ra mô men xoắn. Biến dạng trên trục quay đƣợc 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 tƣơng đối phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao. Thiết bị đo mô men xoắn hiệu có trên thị trƣờng 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 nhƣ 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 đƣợc sinh ra bởi động cơ xe ô tô sẽ có cả hai loại tĩnh và động. Nếu mô-men xoắn đƣợc 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 đƣợc đo các ổ trục nó sẽ gần nhƣ 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 thƣờng có cấu tạo gồm các thành phần chính nhƣ 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. [...]... ARDUINO c) Phương án lắp đặt đo mô men xoắn Để đo mô men xoắn thì trục sẽ đƣợc nối với với cơ cấu truyền mô men xoắn và cơ cấu hãm nhờ mặt bích ở 2 đầu Dƣới tác dụng của m men xoắn truyền 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 Nhƣ vây việc xác định đƣợc biến dạng của trục đo cũng chính là xác định m men của cơ cấu Số hóa bởi... CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC QUAY I Phân tích yêu cầu bài toán: 1 Mục đích của đề tài - Thiết kế đƣợc thiết bị đo m men xoắn trên trục quay; Chế tạo đƣợc thiết bị thử nghiệm Nghiên cứu, lựa chọn bộ khuyếch đại, bộ lƣu 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,... trong biến mô men xoắn dùng biến áp quay 3 Lựa chọn phƣơng án thiết kế a) Lựa chọn phương án thiết kế Trên cơ sở 2 phƣơng án thiết kế đo mô men xoắn ở trên em nhận thấy phƣơng pháp dùng vành góp (slip rings) có nhiều nhƣợc điểm nhƣ đã nêu ở trên Phƣơng pháp dùng biến áp quay có nhiều ƣu điểm nhƣng khó chế tạo và đòi hỏi độ chính xác cao nên không lựa chọn thiết kế Để giải quyết bài toán đo mô men xoắn phù... loại ST10N2 là 2904 USD Hình 1.5: Ứng dụng thiết bị đo mô men xoắn loại ST2-BT spin tork trong lắp ráp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ b) Thiết bị đo mô men xoắn động Hình 1.6b: Ứng dụng cảm biến mô men xoắn trong việc kiểm tra động cơ Hình 1.6a: Cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A của hãng Kitsler Hình 1.6c: Cấu tạo cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A của hãng Kitsler Hình 1... mô men xoắn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Cảm biến mô men xoắn kiểu 4503 A do hãng Kitsler sản xuất hoạt động dựa trên nguyên lý biến áp quay Thƣờng đƣợc dùng trong việc giám sát kiểm tra động cơ điện 2 Nguyên lý cơ bản đo mô men xoắn trên trục quay a) Dùng strain gauge tích hợp với vành góp (slip ring): Phƣơng án này thƣờng đƣợc sử dụng để chế tạo thiết bị đo mô men. ..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 , đồ uống Hình 1.4 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,... dáng, kết cấu của một số trục quay thƣờng gặp trong thiết kế, chế tạo thiết bị đo mô men xoắn theo phƣơng 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 đƣờng kính ngoài của trục đủ lớn nhằm tạo thuận lợi cho quá trình chế tạo cảm biến Trục trụ đặc đƣờng kính... R L cảm biến còn có các đo n nhánh ngang có tổng độ dài lt, điện trở Rt, Các nhà sản xuất đã tiêu chuẩn hóa thông số điện trở của strain gauge với 3 mức điện trở là 120 Ω, 350 Ω và 1000 Ω, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ CHƢƠNG 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... hợp với hệ thống chuyển đổi bộ lưu trữ dữ liệu và hiển thị gắn trên trục quay Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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:... 4500 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3) Bản vẽ thiết kế trục quay Từ bảng thông số kỹ thuật của trục quay ở trên, ta có bản thiết kế chi tiết trục quay nhƣ sau: Ø 10 Hình 3.3 Bản vẽ thiết kế chi tiết trục quay Vật liệu chế tạo: nhôm mác 2014A, có thành phần hóa học nhƣ 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 đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp rèn II Nghiên cứu