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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu tính toán, thiết kế gối điện tử hoạt động dựa trên hiệu ứng áp trở Cơ học & Điều khiển thiết bị bay 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 Thắng4 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: 102 P. T. Hà, …, “Nghiên cứu tính toán, thiết kế gối điện tử… dựa trên hiệu ứng áp trở.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ∑ 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 Hình 2. Cơ cấu hệ thống đòn khuếch gối đàn hồi và các lực tác dụng Fx, Fy, Fz đại lực dùng gối điện tử[1]. theo các hướng Ox, Oy, Oz của gối; mô men lực Mz làm quay một góc αz quanh trục quay Oz. 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 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 103  Cơ học & Điều khiển thiết bị bay nghiên cứu về đối ...