Thiết kế cảm biến lực với dải đo lớn kiểm soát tải trọng cho cẩu trục

Mục này đưa ra các phân tích tính toán nhằm xác định độ biến dạng của loadcell khi có lực tác dụng và đưa ra các thông số hình học, các vị trí lý tưởng cho việc dán các áp điện trở.. [r]

Thiết kế cảm biến lực với dải đo lớn kiểm soát tải trọng cho cẩu trục Design of Force Sensor with Large Range for Load Control of Cranes

Vũ Văn Quang*, Vũ Toàn Thắng

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Đến Tòa soạn: 18-7-2018; chấp nhận đăng: 18-01-2019

Tóm tắt

Nghiên cứu chế tạo hệ thống đo lực nhận quan tâm đáng kể nhà khoa học, nhóm nghiên cứu giới Các hệ thống xây dựng nhiều nguyên lý đo khác ứng dụng lĩnh vực khác Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tập trung vào việc thiết kế đơn giản cảm biến lực, dạng tế bào lực loadcell sử dụng áp điện trở để kiểm soát tải trọng cho đối tượng là cẩu trục Cảm biến lực thiết kế cho phép đo lực có độ lớn đến 10000 N với sai số tuyến tính khơng q 2% Bài báo đưa phân tích tính tốn thơng số thiết kế cho phép tạo cảm biến lực với dải đo khác

Từ khóa: Cảm biến lực, loadcell, tải trọng lớn Abstract

Researches of designing and producing force measurement systems are receiving considerable attention of scientists and research groups over the world Such systems are built under various principles and applied into different industrial fields In this research, the authors are focused on designing a simple load cell by using force tensors in order to control the load of cranes The measurement range of the sensor is up to 10000 N, with the nonlinearity under 2% The paper also provides analysis and calculation of important parameters, thus, it is allowed to manifest various sensors with similar designs but with different measured ranges Keywords: force sensor, loadcell, large load capacity

1 Đặt vấn đề

Lực*là đại lượng quan trọng

trong học mà theo đại lượng khác áp suất, gia tốc tính tốn theo Vì vậy, đo lường lực có ảnh hưởng lớn nhiều lĩnh vực kỹ thuật Nhiều nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống đo lực cho ứng dụng khác [1 - 6] Millward Rossiter [1] chế tạo hệ thống đo lực nhiều thành phần sử dụng cảm biến biến dạng strain gauge cho thí nghiệm kênh nước Molland thiết kế xây dựng hệ thống đo lực thành phần để thử nghiệm hầm gió [2] với tải thiết kế tối đa cho lực nâng lực kéo tương ứng 756 N 378 N; mô men trục x, y z 463 Nm, 237 Nm 136 Nm Joo [5] xây dựng quy trình thiết kế tổ hợp phần tử loadcell nhỏ gọn cho ứng dụng rô bốt sử dụng cấu trúc song song với tải trọng tối đa cho lực mô men 196 N 19.6 Nm Kim [6] sử dụng FEM để thiết kế cảm biến lực/ mô men bậc tự cho cánh tay rô bốt Ở nước ta nay, nghiên cứu chế tạo hệ thống đo lực chưa nhận quan tâm mức N Đ Mạnh [7] mô thiết kế chế tạo cảm biến lực – mô men bậc tự Tuy

* Địa liên hệ: Tel: (+84) 939226822

Email: quang.vuvan1@hust.edu.vn

nhiên, phạm vi đo lực cịn nhỏ, ÷ 200 N, chưa đưa địa ứng dụng cụ thể

hoặc gián tiếp tải trọng cẩu trục Việc chế tạo ứng dụng cảm biến sử dụng áp điện trở cho phép việc kiểm soát tải trọng cẩu trục mơ-đun hóa, theo đó, việc bảo dưỡng sửa chữa hệ thống trở nên khả thi dễ dàng

Bài báo trình bày thiết kế tính tốn cho cảm biến loadcell sử dụng áp điện trở với dải đo lực tác động trực tiếp từ đến 10000 N Việc bố trí cảm biến lực tỳ ròng rọc mang dây cáp kéo vật nặng cho phép ứng dụng cảm biến vào hệ kiểm soát tải trọng lớn nhiều so với dải đo lực tác động trực tiếp Thiết kế đảm bảo độ vững cảm biến tải trọng đạt tối đa Các áp điện trở dán vị trí tối ưu thân cảm biến – nơi biến dạng xảy rõ rệt nhất, giúp tăng độ nhạy cảm biến đảm bảo độ phi tuyến cảm biến không vượt %

2 Thiết kế cảm biến

Lợi dụng nguyên lý nâng vật nặng cẩu trục, cảm biến thiết kế bố trí chịu áp lực rịng rọc tác dụng sức căng dây cáp kéo vặt nặng (Hình 1)

Hình Sơ đồ bố trí loadcell tác dụng lực căng dây cẩu trục

1 Hệ thống áp lực dầu kéo giữ dây cáp 2 Ròng rọc cố định lắp thân cẩu trục 3 Ròng rọc cố định đặt tỳ lên thân cảm biến lực 4 Cảm biến lực

5 Tải trọng cần nâng M

Theo sơ đồ bố trí cảm biến, loadcell thay chịu tác dụng trực tiếp trọng lượng vật nâng M, với giả thiết co dãn dây cáp không đáng kể, lực tác dụng lên loadcell Fnđược xác định :

2 sin

Fn  T 

Trong đó: T - lực căng dây, trọng lượng vật nặng; M - khối lượng vật nặng; g – gia tốc trọng trường; α – góc nâng dây

Như vậy, thay đo trực tiếp trọng lượng vật nặng, với việc thiết lập góc nâng dây α hợp lý, cảm biến loadcell thiết kế áp dụng cho

hệ giám sát tải trọng lớn nhiều so với dải đo hạn chế cảm biến

Hình thể mơ hình 3D cảm biến loadcell với dạng dầm cố định đối xứng Mơ hình có kết cấu đơn giản, khơng hạn chế việc thiết kế kích thước nhằm phục vụ nhu cầu tải trọng lớn tùy ý Lực tỳ rịng rọc tác động vào mặt loadcell Bởi có ngàm nằm bên cho lực tác dụng lên thân loadcell, lực chia cho ngàm, mơ hình có độ cứng vững cao Việc lắp đặt loadcell mặt phẳng tạo chắn ổn định cho loadcell Mơ hình thiết kế tạo cặp kéo nén dầm giống nên sử dụng áp điện trở để thu biến dạng dầm Bốn áp điện trở strain gauge dán lên vị trí ứng với vùng kéo nén lớn loadcell, sau kết nối mạch điện theo nguyên lý mạch cầu Wheatstone để thu độ nhạy tốt

Hình Mơ hình 3D cảm biến loadcell

3 Xây dựng mơ hình tính tốn thiết kế cảm biến lực

Mục đưa phân tích tính tốn nhằm xác định độ biến dạng loadcell có lực tác dụng đưa thơng số hình học, vị trí lý tưởng cho việc dán áp điện trở

Một số ký hiệu dùng tính tốn, tương ứng thơng số hình học mơ tả Hình

E - Mô đun Young, N/m2.

F - Lực đặt lên dầm vào điểm cuối, N Foverload - Lực tải lớn nhất, N

Frating - Lực đánh giá loadcell, N

M - Mô men đặt lên dầm điểm cuối, Nm

Mb(x) - Mô men đặt dầm khoảng cách x, Nm.

I – Mơ men qn tính, kgm2

H - Chiều cao dầm, m L - Chiều dài dầm, m b - Chiều rộng dầm, m

h - Tỷ lệ chiều rộng dầm b với chiều dài dầm L

Hình Các thơng số kích thước hình học thiết kế loadcell

Việc xác định thơng số hình học thực thơng qua việc tính tốn chuyển vị lớn loadcell chịu tải trọng tối đa, cho, dầm tự cao dầm hai bên lượng chuyển vị lớn nhằm chống tải

Hình thể sơ đồ biểu diễn độ biến dạng uốn cong dầm [9] Theo đó, dầm chịu lực F/2 M mô men điểm cuối Mô men uốn dầm ứng với giá trị x chạy từ đến L tính

theo cơng thức : ( )

Mb x  FxM Phương trình vi

phân chuyển vị của dầm, theo [10], : 1

( ) ( )

2

y x Fx M

EI

   (1)

với điều kiện biên : y(0)y L( )0

Dầm có mặt cắt hình chữ nhật với chiều rộng b,

chiều dày t, mơ men qn tính xác định theo công thức :

3

12 bt

I (2)

Cũng theo sơ đồ Hình 4, mơ men M tính [9] :

1

M  FL (3)

Hình Sơ đồ biến dạng uốn cong dầm

Kết hợp điều kiện y(L) = tích phân lần (1), thu độ lệch điểm cuối dầm max=

y(0) bằng:

3 max

24 FL

EI

  (4)

Biến dạng dọc theo dầm hàm theo khoảng cách, xác định sau :

( )

( ) ( )

2

b

M x t Ft

x L x

EI EI

     (5)

Theo công thức (4), hàm (x) đối xứng qua điểm

x = L/2, nhận giá trí lớn nhỏ hai điểm tương ứng x = và x = L. Tại hai điểm này, giá trị biến dạng (x) khác dấu Như biến dạng lớn dầm xảy hai điểm: điểm đầu điểm cuối dầm Đây hai vị trí tối ưu để bố trí cảm biến áp điện trở

max (0) ; ( )

8

FtL FtL

L

EI EI

       (6)

Trong trường hợp lực tác dụng đạt tới giới hạn dải đo cho phép F = Frating, ta có :

max

8 rating

tL F EI

  (7)

Mặt khác áp điện trở ln tồn có giá trị biến dạng cho phép tối đa allow Đối với áp điện trở công nghiệp, giá trị biến dạng tương đối cho phép tối đa thường 3% [9] Mục đích thiết kế làm cho cảm biến có độ nhạy tối đa, nên max= allow, hay:

8

allow rating tL

F EI

  (8)

Thay (2) vào (8), ta có :

2

3

allow rating

L F Ebt

  (9)

Suy ra, chiều dày t của dầm xác định :

2

rating allow F t

h

 (10)

với h b ; allow E allow

L  

  ; allow- ứng suất tối

đa

Thay (10) (2) vào (4) ta :

2 max

2

9

allow allow rating

L h

F

 

  (11)

trước max, độ dài dầm L chiều dày t tính từ :

1/

max

2

3

rating

allow allow

F L

h



 

 

  

 

(12)

max

2

allow

t L

 

 (13)

Mặt khác, với cấu trúc cảm biến, toàn lực tác dụng chuyển hoàn toàn vào lực gây uốn dầm với F < Frating Trong trường hợp tải, F = Foverload, phần dôi Foverload – Frating dồn vào thành cảm biến

overload rating allow

F F  db

Do đó, khả chịu tải cảm biến xác định theo công thức :

1

overload allow rating rating

F db

F F



    (14)

Từ (14), chiều dài hai thành bên thành

d xác định thông qua hệ số khả chịu tải cảm biến theo mong muốn

( 1) rating

allow

F d

b 

 

 (15)

Thiết kế cảm biến phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật dải đo Frating, tỷ lệ tải η, độ biến dạng tối

đa áp điện trở allow Các tham số {h, L, t/L, d}

có thể xác định phương trình (11), (12), (13) (15) Chọn vật liệu thép không gỉ với E = 200

GPa, áp điện trở có biến dạng tối đa allow = 3% chiều

dài áp điện trở Bộ thơng số kích thước hình học đề xuất Bảng

Bảng Các thông số thiết kế cảm biến

L, mm d, mm b, mm t, mm δmax, mm

40 30 30 0.18

Phần mềm Ansys sử dụng để kiểm tra biến dạng loadcell với kích thước thơng số vật liệu có Kết biểu đồ phân bố ứng suất thể Hình Các điểm gần ngàm chịu ứng suất kéo nén lớn nhất, đó: vị trí 1, vị trí chịu kéo lớn nhất; vị trí 2, vị trí chịu nén lớn

Hình Phân bố ứng suất Loadcell chịu lực tác dụng

4 Thử nghiệm kiểm tra

Một mơ hình loadcell (Hình 6) chế tạo với kích thước thể Bảng

Hình Mơ hình loadcell chế tạo với dải đo ÷ 10000N

1, 2, 3, – Vị trí dán áp điện trở

Các áp điện trở strain gauge SK-06-125DR-175 [11] dán vị trí gần ngàm dán vị trí gần ngàm 1, 2, 3, (Hình 5), kết nối với tạo thành mạch cầu Wheatstone Mạch cầu cung cấp nguồn điện VDC ổn định Hiệu điện đầu mạch cầu khuếch đại 285 lần, sử dụng khuếch đại đo lường INA122 [12] Sơ đồ mạch điện biến đổi tín hiệu thể Hình 7, theo hệ số khuếch đại tùy chỉnh theo giá trị điện trở RG Thí nghiệm sử dụng máy kiểm tra tải trọng GOTECH AI-7000M với lực nén tối đa 20 kN, sai số khơng q 0.25 % để kiểm sốt thay đổi lực, dải từ đến 10000 N, tác dụng lên điểm loadcell với diện tích tiếp xúc cm2

Hình Sơ đồ mạch điện biến đổi tín hiệu Giá trị điện áp đầu mạch điện biến đổi tín hiệu tương ứng với lực tác dụng lên loadcell thể Bảng

Bảng Bảng giá trị hiệu chuẩn cho cảm biến lực với dải đo đến 10000 N

Tải trọng đầu vào, N Điện áp đầu ra, V

1000 0.536

2000 0.917

3000 1.287

4000 1.770

5000 2.161

6000 2.551

7000 2.897

8000 3.395

9000 3.764

Sau thực tuyến tính hóa dựa kết thực nghiệm sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu, độ dốc đường thẳng tốt (Hình 8) - đặc trưng độ nhạy hệ thống cảm biến lực, xác định thực nghiệm 4.0399x10-4 V/N Độ phi tuyến

trên dải đo khơng vượt q 2% (Hình 9) Độ phi tuyến xuất liên quan đến nhiều yếu tố: vị trí dán áp điện trở khơng xác, tính thống vật liệu khơng đạt 100%, nguồn điện nuôi không ổn định, v.v Tuy nhiên khó khăn loại bỏ thơng qua q trình hiệu chuẩn cảm biến, tương tự việc thực thu nhận giá trị điện áp Bảng

Hình Đồ thị mối quan hệ điện áp đầu lực tác dụng cảm biến

Hình Sai lệch tuyến tính cảm biến dải đo

5 Kết luận

Bài báo cung cấp tính toán thiết kế cho cảm biến lực loadcell với dải đo lực đến 10000 N Phân tích tính tốn lý thuyết đưa thơng số thiết kế hợp lý tương thích với dải đo độ nhạy tối ưu cho cảm biến Các phân tích cho phép tạo cảm biến với thiết kế tương tự với dải đo lực thay đổi Thực nghiệm với mơ hình cảm biến chế tạo cho thấy, độ phi tuyến cảm biến kiểm soát mức 2% toàn dải đo với độ nhạy 4.0399x10-4

V/N Thiết kế đơn giản thông số đo lực cảm biến phù hợp với việc lắp đặt thiết bị cẩu trục sử dụng hệ thống ròng rọc, dây cáp áp lực dầu để nâng hạ vật nặng

Lời cảm ơn

Nghiên cứu hỗ trợ đề tài mã số T2016-PC-072 - trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tài liệu tham khảo

[1] A Millward, J Rossiter, The design of a multi-purpose

multi-component straingauge

dynamometer, J Strain (1983) 27–30

[2] A.F Molland, A five-component strain gauge wind tunnel dynamometer, J.Strain 12 (1) (1978) 7–13

[3] R.A.B Almeida, D.C Vaz, A.P.V Urgueira, A.R Janeiro Borges, using ring strainsensors to measure dynamic forces in wind-tunnel testing, J Sens Actuators A185 (2012) 44–52

[4] M Dubois, Six-component strain-gauge balances for large wind tunnels, J Exp.Mech 21 (1981) 401–407

[5] J.W Joo, K.S Na, D.I Kang, Design and evaluation of a six-component load cell,J Meas 32 (2002) 125–133

[6] G.S Kim, Design of a six-axis wrist force/moment sensor using FEM and itsfabrication for an intelligent robot, J Sens Actuators Phys 133 (2007) 27–34

[7] N Đ Mạnh, P P Khánh, B V Trung, B V Thành P X Khải, Mô thiết kế chế tạo cảm biến lực - momen bậc tự do, Hội nghị khoa học kỹ thuật đo lường toàn quốc lần thứ VI, ngày 21-22 tháng 5/2015, Hà Nội

[8] Tuna Balkan, A load control system for mobile cranes, Mechanics Research, Vol.23, No.4, pp 395-400, 1996 [9] Farhad Aghili, Design of a load cell with large overload capacity, Transactions – Canadian Society for Machanical Engineering 34 (3), 2010