LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHẤP HÀNH PIEZO SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐO CHUYỂN VỊ KIỂU TIẾP XÚC

LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHẤP HÀNH PIEZO SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐO CHUYỂN VỊ KIỂU TIẾP XÚC

1 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Tên đề tài: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHẤP HÀNH PIEZO SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐO CHUYỂN VỊ KIỂU TIẾP XÚC Programming to control piezo actuator and contact displacement sensor 2 Mục lục Mục lục 2 TÓM TẮT ĐỀ TÀI 3 I. Tổng quan về piezo 5 II. Piezo Actuator 9 III. Giao tiếp với cảm biến 13 IV. Lập trình giao diện 16 V. Mô hình thí nghiệm 30 VI. Kết quả thí nghiệm 32 Tài liệu tham khảo: 33 3 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Hiện nay, cơ cấu chấp hành piezo được dùng khá phổ biến trong các lĩnh vực : y học, gia công chính xác, lắp ráp chính xác, MEM-NEM…Có nhiều hãng cung cấp loại thiết bị này như Piezomechanik [1], Thorlab [2], Norliac [3],… Tuy nhiên, việc sử dụng các cơ cấu chấp hành như trên có một số vấn đề khó khăn như sau: (1) Loại cơ cấu chấp hành này chỉ mới phổ biến với nhưng chủng loại điều khiển không hồi tiếp (openloop control)(Hình 1) [2]. Hiện nay ta việc điều khiển cơ cấu chấp hành piezo chủ yếu thông qua lệnh điều chỉnh điện áp, người sử dụng rất cần có tín hiệu phản hồi (feedback) cho phép điều khiển actuator đạt độ chính xác. Các chủng loại điều khiển có hồi tiếp (feedback control) (Hình 2) chưa có nhiều, giới hạn về hành trình và lực đẩy, đồng thời có giá thành đắt hơn rất nhiều lần so với các chủng loại không hồi tiếp [3]. Hình 1: Cơ cấu chấp hành Piezo không hồi tiếp Hình 2: Cơ cấu chấp hành Piezo có hồi tiếp (2) Các hãng chế tạo chỉ cung cấp thiết bị phần cứng và phần mềm dạng chương trình thực thi (file .EXE) đơn giản mà không đưa ra chương trình có thư viện hàm điều khiển. Điều này gây khó khăn trong việc sử dụng. Nếu sẵn có các loại cảm biến chính xác thì việc lập trình điều khiển có hồi tiếp cho cơ cấu chấp hành sử dụng cảm biến sẵn có ở bất kỳ loại nào miễn độ chính xác đạt mức yêu cầu là rất cần thiết và cho phép sử dụng cơ cấu chấp hành tốt hơn. 4 Tại Trung tâm Đào tạo Bảo dưỡng công nghiệp hiện đang có cảm biến đo chuyển vị (Hình 3) với độ chính xác cao (độ phân giải 0,2 µm), đồng thời ở đấy cũng có cơ cấu chấp hành piezo (Hình 4, 5). Trong điều kiện trên, việc lập trình điều khiển có hồi tiếp cho cơ cấu chấp hành piezo là khả thi và rất cần thiết cho việc sử dụng hiệu quả cơ cấu chấp hành này. Hình 3: Cảm biến đo chuyển vị Hình 4: Cơ cấu chấp hành Piezo Hình 5: Driver cho cơ cấu chấp hành Piezo Kết quả của việc lập trình trên có thể ứng dụng trong cơ cấu tạo chuyển động thẳng độ phân giải dưới µm (Hình 6) [4]. 5 Hình 6: Cơ cấu tạo chuyển động thẳng độ phân giải dưới µm. I. Tổng quan về piezo 1. Lịch sử phát triển: Sự phát triển của vật liệu áp điện, thành phần, ứng dụng được phát hiện bởi những nghiên cứu trong lĩnh vực liên quan đến vật liệu cách điện. Những đặc tính vật lý quan trọng của những vật liệu này đã được biết đến một thời gian dài trước đó. Năm 1758, Carl Wilcke phát hiện ra rằng chất điện môi phân cực được; phát hiện của ông ấy đến sớm, tuy nhiên nó nhanh chóng bị lãng quên sau đó. Một dạng ban đầu của tụ điện là Leyden jar được phát minh bởi Musschen-brock vào khoảng năm 1750. Vào năm 1837, Faraday chứng minh khả năng của chất điện môi lên hiện tượng tĩnh điện. Ảnh hưởng của hiện tượng áp điện lên các tinh thể tự nhiên được phát hiện vào năm 1880 bởi anh em Jaques và Pierre Curie. Họ đã chứng minh rằng một số tinh thể nhất định có thể tích điện bằng những cách khác nhau khi chịu một lực tác dụng và ngược lại. Tuy nhiên ứng dụng của hiện tượng trên vẫn còn khó khăn. Nó chỉ bắt đầu phát triển nhanh khi mà đạt được những thành tựu nhất định trong ngành công nghiệp gốm sứ. Vào những năm 1930, sự phát triển của tụ gốm dựa trên Bari Titanat (BaTiO3) đã dẫn đến những nền tảng quyết định sự phát triển ứng dụng tính áp điện. 2. Hiệu ứng áp điện: Gốm áp điện thuộc vào nhóm vật liệu sắt điện. Vật liệu sắt điện là những tinh thể phân cực mà không cần đặt vào điện trường. Đặc tính này ổn định dưới tác dụng của nhiệt, đảo ngược chiều phân cực dưới tác dụng của một trường điện từ, được mô tả bằng một chu trình trễ như hình. Tính đảo ngược sự phân cực và sự tách biệt giữa ảnh hưởng cơ và điện là điểm quyết định ứng dụng rộng rãi của gốm áp điện. Biến dạng tăng lên khi ngoại lực tác động lên khối vật liệu áp điện sinh ra chuyển vị ở những nút mạng dương và âm tạo ra momen lưỡng cực. Đây được gọi là hiện tượng áp điện thuận. Hình 7. Ảnh hưởng của lực lên vật liệu có tính áp điện 6 Đặt một điện áp xoay chiều vào sẽ tạo ra sự thay đổi kích thước của vật liệu (ví dụ: giảm hay tăng đường kính). Nếu khối vật liệu bị kẹp chặt, tức là sự biến dạng bị ngăn cản, thì sẽ sinh ra một lực. Hiện tượng này được gọi là áp điện ngược. Hình 8. Biến dạng của vật liệu gốm áp điện khi đặt vào hai đầu một điện áp Hình 9. Một trường điện ngược chiều nếu nó vượt được sức kháng từ. Sự gia tăng trường mới đủ sức phân cực lại, nhưng theo hướng ngược lại. 3. Tương tác cơ điện: Sau đây chúng ta sẽ thiết lập mối quan hệ quan trọng giữa chất điện môi, điện cơ và áp điện, bao gồm định nghĩa các thông số. Phương trình điện cơ cơ bản Các phương trình liên hệ dưới đây chỉ áp dụng đối với trường hợp tín hiệu nhỏ. Chỉ trong trường hợp này sự phân cực có thể được mô tả bằng các phương trình tuyến tính giữa biến dạng (S) hoặc ứng suất (T) với điện trường E hoặc chuyển vị D. Mối quan hệ tuyến tính này được suy ra bằng cách sử dụng các hằng số điện môi, áp điện và tính đàn hồi. Bởi vì các hằng số này phụ thuộc vào tính dị hướng của vật liệu áp điện, do đó những đại lượng vật lý này chỉ có thể được định nghĩa bằng các ten-xơ phản ánh tính định hướng của trường điện, biến dạng cơ học… Ở dạng đơn giản, mối liên hệ cơ bản giữa tính chất điện và đàn hồi được mô tả bằng hai phương trình sau: . . . . T E D d T E S s T d E      Trong đó: D: chuyển vị 7 T: ứng suất E: điện trường S: biến dạng d: hằng số áp điện ε T hằng số điện môi (khi T hằng số) s E hằng số đàn hồi (khi E hằng số) Những hằng số áp điện liên hệ với điện trường E, ứng suất T và biến dạng S yêu cầu chỉ số định hướng. Tương tự như sự mô tả định hướng tinh thể cho gốm áp điện, vector phân cực thường được đặt song song với trục z hoặc trục thứ 3 của hệ tọa độ Đề cát theo quy tắc bàn tay phải. Những thông số định hướng được thêm các chỉ số 4, 5 và 6 tương ứng với hướng của trục x, y và z. Ứng suất cắt theo trục x, y và z và biến dạng trượt tương ứng được thêm các chỉ số 4, 5 và 6. Hình 10. Hệ trục vuông góc để mô tả vật liệu áp điện 4. Piezoelectric Actuators Như đã nói ở trên, vật liệu áp điện có thể được dùng để biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học và ngược lại. Các cơ cấu chấp hành sử dụng hiện tượng này đã trở nên phổ biến trong suốt 20 năm qua và đã góp phần thay đổi thế giới của sự định vị chính xác. Cơ cấu chấp hành áp điện (Piezoelectric Actuator, PEA) có các ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác:  Những chuyển động micromet, nanomet ở những tần số cao có thể đạt được với PEA bởi vì chuyển động của PEA được tạo ra bởi hiệu ứng tinh thể rắn.  PEA có thể được thiết kế để chịu được tải lớn (vài tấn) hoặc có thể chế tạo để tạo ra các chuyển động tần số cao vài chục kHz.  PEA cần ít năng lượng để hoạt động.  PEA không cần bảo trì. Với độ tin cậy cao, độ biến dạng 1/1000 (0.1%) có thể đạt được, ví dụ: một cơ cấu chấp hành PEA có chiều dài 100mm có thể tạo ra chuyển vị 100 micromet. Cơ cấu chấp hành gồm nhiều lớp xếp chồng theo chiều dọc 8 Đối với các cơ cấu chấp hành áp điện theo chiều dọc, điện trường trong lớp gốm được đặt song song với phương phân cực. Điều này tạo ra chuyển vị theo hướng của sự phân cực. Từng lớp riêng lẻ tạo ra chuyển vị tương đối nhỏ. Để có thể tạo ra được những chuyển vị đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật thì các cơ cấu loại xếp chồng nhiều lớp được tạo ra (từng lớp riêng lẻ được gắn nối tiếp lại với nhau và được cung cấp nguồn điện song song (xem hình 11)). Hình 11. Ghép nối tiếp các lớp piezo. Cơ cấu xếp chồng theo chiều dọc đạt được hiệu năng cao trong việc biến điện năng thành cơ năng. Chúng có thể đạt được độ biến dạng 0.1 đến 0.15%. Ứng suất đạt được lên tới 30N/mm 2 do đó có thể đạt được tải tới 10000N. Chuyển vị của Piezo Actuators loại nhiều lớp xếp chồng Chuyển vị của gốm áp điện phụ thuộc vào điện trường E, loại vật liệu áp điện và chiều dài của PEA. Tính chất của vật liệu có thể được đặc trưng bằng hệ số biến dạng d ịj . Những hệ số này mô tả mối quan hệ giữa điện trường đặt vào PEA và biến dạng cơ học sinh ra. Chuyển vị DL của cơ cấu một lớp lúc không tải được tính bằng công thức sau: DL = S*L o ~~ ±E*d ij *L o Trong đó S là biến dạng (DL/L) L o chiều dài ban đầu (m) E là cường độ điện trường (V/m) d ịj phụ thuộc đặc tính vật liệu 9 Hình 12. Hiện tượng trễ (PEA vòng mở) Hiện tượng trễ có thể được loại bỏ bằng PEA vòng kín. Tương tự như các thiết bị điện từ, PEA vòng mở cũng gặp phải hiện tượng trễ. Hiện tượng trượt (PEA vòng mở) Hình 13. Hiện tượng trượt sau khi chuyển vị 60 µm theo thời gian. Hiện tượng hóa già (Aging) Hiện tượng hóa già là kết quả của quá trình khử phân cực. Hóa già là vấn đề đối với các ứng dụng về cảm biến hay máy phát điện của vật liệu áp điện (hiện tượng áp điện thuận), nhưng đối với ứng dụng về cơ cấu chấp hành thì hiện tượng này được bỏ qua, bởi vì quá trình khử phân cực diễn ra mỗi khi mà một điện trường cao hơn đặt vào vật liệu. II. Piezo Actuator 1. Bộ điều khiển của Piezo Actuator Hình 14. Bộ Driver MDT694A của Piezo Actuator 10 1.1.Mặt trước: Hình 15. Mặt trước của MDT694A Mô tả: (1) INT Knob: núm xoay để điều chỉnh điện áp ngõ ra từ 0 đến 75, 100 hoặc 150 VDC. Nó cũng được dùng để offset cho ngõ vào (6): nó được cộng với EXT INPUT BNC. (2) POWER Button: dùng để mở, tắt MDT694A. (3) Voltage Limit Indicator: những đèn LED này sẽ cho người dùng biết được điện áp giới hạn. (4) 3 ½ Digit LED Display: hiển thị điện áp ra. (5) High Voltage Output: kết nối tới piezo. Điện áp ra bằng tổng của điện áp offset (do INT Knob), điện áp từ ngoài đưa vào(qua EXT INPUT) và điện áp điều khiển (qua cổng serial). (6) EXT INPUT BNC: đây là ngõ vào dùng để tác động từ bên ngoài lên áp ngõ ra. Điện áp có đưa vào có thể là 0 đến 10V với hệ số là 7.5, 10 hoặc 15V/V tùy thuộc vào cài đặt điện áp ngõ ra. 1.2.Mặt sau: Hình 16. Mặt sau MDT694A Mô tả: (1) RS232 Connector: được dùng để giao tiếp với máy tính qua chuẩn giao tiếp RS232. [...]... truyền 2.2.Lệnh ghi Lệnh gửi đi: Nhận về: Lỗi: IV Lập trình giao diện Phần mềm được dùng để lập trình giao diện điều khiển vòng kín cơ cấu chấp hành Piezo là Visual C++ 2010 Với VC++2010 chúng ta có ba cách để tạo ra một giao diện chương trình:  Dùng Windows API Đây là giao diện cơ bản mà hệ điều hành Windows cung cấp để giao tiếp giữa hệ điều hành và ứng dụng đang chạy dưới sự quản lý của nó 16  Dùng... hình 43 Nhờ vào bộ dữ liệu thu được từ cảm biến ta đã có thể điều khiển được cơ cấu piezo thông qua lệnh chuyển vị, tức là nhập vào chuyển vị mong muốn, thay vì nhập vào điện áp như trước kia Hình 43 Đồ thị giá trị chuyển vị mong muốn và giá trị thực 32 Tài liệu tham khảo: [1] http://www.piezomechanik.com/en/home/introduction/index.html?1= [2] http://www.noliac.com /Piezo_ actuators-7764.aspx [3] http://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=1280... build và chạy chương trình, ta thấy hộp thoại – chương trình của chúng ta đã xuất hiện Bước 5: tiến hành hoàn thiện lớp CGraph để thực hiện các chức năng mà người dùng mong muốn 29 V Mô hình thí nghiệm 1 Thiết kế đồ gá: Hình 40 Thiết kế phần đế base Hình 41 Thiết kế khối chữ V đỡ cơ cấu piezo 30 Hình 42 Thiết kế khối chữ V cố định cơ cấu piezo Hình 43 Thiết kế chi tiết cố định cảm biến 31 VI Kết quả... cách mà giao diện được tạo ra và kết thúc việc lập trình với một chương trình tốt hơn Bởi vì sử dụng Windows API để tạo ra giao diện là phương pháp thủ công nhất trong việc phát triển một ứng dụng, do đó chúng ta sẽ không đi vào chi tiết cách lập trình này Thư viện Microsoft Foundation Class (MFC) là một tập hợp những lớp C++ MFC được dùng với hệ điều hành Windows.e 1 Thư viện Microsoft Foundation... Windows Forms Đây là cơ chế phát triển ứng dụng dựa trên dạng biểu mẫu (Form) Ba cách này tạo thành một chuỗi theo mức độ giảm dần của công việc lập trình Với Windows API, chúng ta phải viết tất cả code từ đầu đến cuối – tất cả các yếu tố tạo nên giao diện chương trình được tạo ra bằng việc viết code Với MFC, có sự giúp đỡ trong quá trình tạo ra giao diện, chúng ta có thể tạo ra các điều khiển (nút nhấn,... có kèm theo CR + LF 2 Các lệnh cơ bản Chúng ta có thể gửi những lệnh do nhà sản xuất cung cấp dựa trên mã ASCII từ thiết bị ngoại vi tới module DL – RS1A 14 2.1.Lệnh đọc dữ liệu từ bộ khuếch đại của cảm biến 2.1.1 Yêu cầu: (1) Mã của lệnh (2) Xác định ID của cảm biến muốn đọc (3) Xác định mã của dữ liệu muốn đọc hoặc ghi vào bộ khuếch đại của cảm biến (4) Các ký tự điều khiển để kết thúc chuỗi Ví dụ:... con của ứng dụng khi ứng dụng có nhiều bộ dữ liệu được mở cùng lúc Hộp thoại này mặc định chọn loại ứng dụng Multiple documents, để viết chương trình của mình, em chọn loại ứng dụng Dialog based, và để các thông số khác mặc định Sau đó chọn Next 18  Trong trang tiếp theo của Wizard, - Thay đổi các thuộc tính của chương trình: có nút thu nhỏ, phóng to… - Mặc định tên của giao diện chương trình là tên... 150V trả về 2) 12 III Giao tiếp với cảm biến 1 Module giao tiếp RS-232C DL-RS1A Hình 18 Module DL – RS1A Module này dùng để kết nối cảm biến với các thiết bị như PC hoặc PLC thông qua chuẩn giao tiếp RS – 232 Các chân của module DL – RS1A Hình 19 Kết nối module DL – RS1A với thiết bị khác Chân số Ký hiệu 1 SG 2 RD (input) Nối vào chân SD của thiết bị ngoại vi thông qua cáp giao tiếp 3 SD (output) Nối vào... Microsoft Foundation Class (MFC) cung cấp một tập hợp các hàm, hằng số, kiểu dữ liệu và các lớp để đơn giản quá trình tạo ra một ứng dụng chạy trên hệ điều hành Windows Để hiện thực chức năng của nó, MFC được tổ chức theo kiểu cây phân cấp mà lớp cơ bản nhất là CObject Tất cả các lớp trong bộ MFC đều được dẫn xuất từ lớp này 1.2.Tạo chương trình bằng MFC  Chọn menu File -> New -> Project… Hình 21  Trong... để cắm dây dẫn điện cung cấp cho controller Dây dẫn pahir theo chuẩn IEC và phải có cực nối đất 1.3.Giao tiếp giữa máy tính và MDT694A MDT694A được thiết kế để có thể giao tiếp trực tiếp với máy tính qua cổng RS232 Điện áp ngõ ra của MDT694A được điều khiển trực tiếp bằng phần mềm trên máy tính Điều này giúp loại bỏ đi sự yêu cầu của các thiết bị bổ sung như máy tạo giao động, card có đầu ra analog . khiển có hồi tiếp cho cơ cấu chấp hành piezo là khả thi và rất cần thiết cho việc sử dụng hiệu quả cơ cấu chấp hành này. Hình 3: Cảm biến đo chuyển vị Hình 4: Cơ cấu chấp hành Piezo Hình. chương trình có thư viện hàm điều khiển. Điều này gây khó khăn trong việc sử dụng. Nếu sẵn có các loại cảm biến chính xác thì việc lập trình điều khiển có hồi tiếp cho cơ cấu chấp hành sử dụng cảm. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Tên đề tài: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU CHẤP HÀNH PIEZO SỬ DỤNG CẢM BIẾN ĐO CHUYỂN VỊ KIỂU TIẾP XÚC Programming to control piezo actuator and contact displacement