Thiết kế cảm biến đo lực phẳng sử dụng cơ cấu đàn hồi

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ ĐOÀN TẤT THẮNG THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐO LỰC PHẲNG SỬ DỤNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2010 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, ngồi nổ lực thân, tơi nhận nhiều giúp đỡ, động viên từ gia đình, thầy cơ, bạn bè đồng nghiệp Tơi xin chân thành cảm ơn thầy TS Phạm Huy Hoàng, giáo viên hướng dẫn khoa học, người đưa ý tưởng người tận tình giúp đỡ, góp ý bảo cho tơi suốt q trình làm luận văn cơng việc Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Tuấn Kiệt góp ý lời khuyên thầy giúp tơi nhiều q trình thực nghiệm Tôi xin cảm ơn quý thầy cô Khoa Cơ khí Trung tâm Đào tạo Bảo dưỡng cơng nghiệp giúp tơi có thêm nhiều kiến thức q tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành tốt khóa học luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy ThS Trương Công Tiễn góp ý cho tơi nhiều q trình điều chỉnh thiết kế để chế tạo Tôi xin cảm ơn hai bạn Lê Quang Ngọc Dụng Văn Thân giúp đỡ, góp ý cho tơi nhiều suốt trình tạo mạch khuếch đại tiến hành thực nghiệm Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn sâu sắc cho bố mẹ, em gái vợ cưới dành cho tơi nhiều tình cảm nguồn động viên to lớn tơi suốt q trình học tập Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2010 Võ Đồn Tất Thắng CK-SĐH 2008 i TĨM TẮT Luận văn trình bày thiết kế cảm biến đo lực phẳng sử dụng cấu đàn hồi Phần tử đàn hồi cảm biến thiết kế thành khối đối xứng hợp phần tử mềm Biến dạng lực tạo phần tử đàn hồi chuyển qua strain gauge tính tốn giá trị lực cần đo Luận văn trình bày việc xác định độ nhạy cách bố trí strain gauge phần tử đàn hồi Quá trình thực nghiệm cho thấy sai khác mô thực tế giúp định hình phương thức hạn chế sai số Lý thuyết strain gauge khớp mềm nghiên cứu liên quan trình bày Chương Thiết kế hình dạng phần tử đàn hồi cảm biến trình bày Chương Việc mô xác định độ nhạy cảm biến vị trí dán strain gauge trình bày Chương Việc phân cứng phần tử đàn hồi trình bày Chương Quá trình thực nghiệm trình bày Chương Chương trình bày kết luận hướng phát triển đề tài ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Khớp mềm lề Hình 1.2 Khớp mềm tịnh tiến Hình 1.3 Khớp mềm khơng gian dị tâm đồng tâm Hình 1.4 Khớp cầu mềm Hình 1.5 Sơ đồ khối chuyển đổi điện tem biến dạng Hình 1.6 Cấu trúc tem điện trở Hình 1.7 Cấu tạo tem điện trở kim loại Hình 1.8 Các trục biến dạng tem điện trở Hình 1.9 Cấu tạo tem bán dẫn Hình 1.10 Mạch cầu trở kháng khái quát mạch thay Thevenin 11 Hình 1.11 Mạch cầu đo biến dạng sử dụng tem đo 12 Hình 1.12 Vị trí xác tem đo 12 Hình 1.14 Tem điện trở dán vào vật cần đo lực 16 Hình 1.14 Cảm biến lực DOF dùng Stewart Platform T.A Dwarakanath 17 Hình 1.15 Cảm biến lực DOF dùng Stewart Platform T.A Dwarakanath 17 Hình 1.16 Sơ đồ thu nhận liệu cho cảm biến T.A Dwarakanath 18 Hình 1.17 Thử nghiệm cảm biến T.A Dwarakanath 18 Hình 1.18 Cảm biến lực dùng Stewart Plateform R Ranganath 19 Hình 1.19 Mơ hình cảm biến Jin Zhenglin 19 Hình 1.20 Mạch cầu cho cảm biến Jin Zhenglin 20 Hình 1.22 Các mạch cầu sử dụng cảm biến Aguo Song 20 Hình 1.23 Mơ hình cảm biến Dirk Diddens 21 Hình 1.24 Mạch cầu cho cảm biến Dirk Diddens 21 Hình 1.25 Cảm biến dạng vịng 22 Hình 2.1 Phân bố biến dạng có lực tác dụng 23 Hình 2.2 Phân bố biến dạng có moment tác dụng 24 Hình 2.3 Phân bố biến dạng có lực tác dụng 24 Hình 2.4 Biến dạng mặt nhánh có lực tác dụng 25 iii Hình 2.5 Phân bố biến dạng có moment tác dụng 25 Hình 2.6 Biến dạng mặt nhánh có moment tác dụng 26 Hình 2.7 Phân bố biến dạng có lực tác dụng 26 Hình 2.8 Biến dạng bề mặt nhánh có lực tác dụng 27 Hình 2.9 Phân bố biến dạng có moment tác dụng 27 Hình 2.10 Biến dạng bề mặt nhánh có moment tác dụng 28 Hình 2.11 Phân bố biến dạng có lực tác dụng 28 Hình 2.12 Biến dạng bề mặt nhánh có lực tác dụng 29 Hình 2.13 Phân bố biến dạng có moment tác dụng 29 Hình 2.14 Biến dạng bề mặt nhánh có moment tác dụng 30 Hình 2.15 Mơ hình cảm biến 30 Hình 2.16 Các phần cảm biến 31 Hình 2.17 Sơ đồ lắp ráp 31 Hình 4.1 Cấu trúc cấu đàn hồi 44 Hình 4.2 Chuỗi nối tiếp 45 Hình 4.3 Tổ hợp song song 46 Hình 4.4 Khớp mềm dạng trịn đối xứng 48 Hình 4.5 Tổ hợp song song hai chuỗi nối tiếp 51 Hình 4.6 Mơ hình nhánh phần tử đàn hồi 52 Hình 4.7 Mơ hình phần tử đàn hồi thu gọn 53 Hình 5.1 Các phần tử cảm biến 56 Hình 5.2 Vị trí dán strain gauge cảm biến 56 Hình 5.3 Mơ hình cảm biến dán strain gauge 57 Hình 5.4 Sơ đồ khối thể quy trình thu liệu từ cảm biến 57 Hình 5.5 Mạch khuếch đại dùng INA 125 57 Hình 5.6 Cảm biến lắp lên khung để khảo sát 58 Hình 5.7 Mạch khuếch đại thu liệu với NI USB-6008 58 Hình 5.8 Điện áp đầu Fx với độ khuếch đại theo Bảng 5.4 59 Hình 5.9 Đồ thị thể quan hệ Vout theo thời gian Fx 59 iv Hình 5.10 Đồ thị thể quan hệ Fx-Vout 60 Hình 5.11 Điện áp đầu Fy với độ khuếch đại theo Bảng 5.4 60 Hinh 5.12 Đồ thị thể quan hệ Vout theo thời gian Fy 61 Hình 5.14 Điện áp đầu Mz với độ khuếch đại theo Bảng 5.4 62 Hinh 5.15 Đồ thị thể quan hệ Vout theo thời gian 62 Hình 11 Đồ thị thể quan hệ Vout- Mz 62 Hình 2.14 Biến dạng bề mặt nhánh có moment tác dụng 30 Hình 2.15 Mơ hình cảm biến 30 Hình 2.16 Các phần cảm biến 31 Hình 2.17 Sơ đồ lắp ráp 31 Hình 4.1 Cấu trúc cấu đàn hồi 44 Hình 4.2 Chuỗi nối tiếp 45 Hình 4.3 Tổ hợp song song 46 Hình 4.4 Khớp mềm dạng tròn đối xứng 48 Hình 4.5 Tổ hợp song song hai chuỗi nối tiếp 51 Hình 4.6 Mơ hình nhánh phần tử đàn hồi 52 Hình 4.7 Mơ hình phần tử đàn hồi thu gọn 53 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Hằng số tem hệ số nhiệt điện trở số kim loại làm tem Bảng 1.2 Một số đặc tính quan trọng tem điện trở kim loại thường dùng Bảng 1.3 Những ưu, nhược điểm chung tem biến dạng kim loại Bảng 1.4 Những ưu nhược điểm điển hình tem bán dẫn Bảng 1.5 Một số phương thức bố trí tem đo bù trừ tương ứng với ứng suất số phần tử biến dạng điển hình 14 Bảng 3.1 Biến dạng điện áp FY tác dụng 38 Bảng 3.2 Biến dạng điện áp FX tác dụng 39 Bảng 3.3 Biến dạng điện áp Mz tác dụng 39 Bảng 3.4 Tần số riêng cảm biến 40 Bảng 4.1 So sánh kết giải tích FEM 54 Bảng 5.1 Một số đặc tính cần có phần tử đàn hồi 55 Bảng 5.2 Đặc tính vật liệu làm phần tử đàn hồi – AISI 4140 55 Bảng 5.3 Thông số strain gauge SGT-1/350-TY11 56 Bảng 5.4 Độ khuếch đại kênh 58 Bảng 5.5 Giá trị trung bình điện áp ứng với lực tác dụng FX 59 Bảng 5.6 Giá trị trung bình điện áp ứng với lực tác dụng Fy 60 Bảng 5.7 Giá trị trung bình điện áp ứng với moment MZ 61 Bảng 5.8 So sánh kết mô thử nghiệm 63 vi MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi MỤC LỤC vii Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.1.1.Khớp mềm ứng dụng 1.1.2 Phương pháp đo lực 1.1.3 Tem điện trở kim loại 1.1.4 Tem điện trở bán dẫn 1.1.5 Những nguồn phát sinh sai số sử dụng tem điện trở 1.1.6 Đo lực sử dụng tem biến dạng 14 1.2 Cơng trìn liên quan 16 1.3 Mục tiêu đề tài 22 Chương 2: THIẾT KẾ PHẦN TỬ ĐÀN HỒI 23 2.1.Các phương án hình dạng phần tử đàn hồi 23 2.1.1 Phương án 23 2.1.3 Phương án 24 2.1.4 Phương án 26 2.1.5 Phương án 28 2.2 Thiết kế sơ hình dạng cảm biến 30 Chương 3: MÔ PHỎNG VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ NHẠY 32 3.1.Mơ hình hóa mơ cảm biến 32 3.2.Chọn vị trí dán strain gauge 37 3.3.Xác định độ nhạy cảm biến 38 vii Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN sánh kết đo từ cảm biến cảm biến thương mại hóa nên chưa thu kết đánh giá tốt cho cảm biến Sai số trôi điểm khơng xuất thu tín hiệu có biến dạng trước strain gauge trình dán đơng kết chất kết dính Qua đó, ta rút kết tốt đề tài phần thiết kế phần tử đàn hồi mô khảo sát độ cứng cảm biến 6.2 Hướng phát triển: Từ kết thu đề tài, tác giả đưa hướng cho đề tài để đạt cảm biến mong muốn, so sánh với cảm biến thương mại hóa (1) Sử dụng loại strain gauge nhỏ để thu kích thước cảm biến nhỏ (2) Sử dụng vật liệu làm phần tử đàn hồi tốt để giảm kích thước khớp mềm tăng độ nhạy cảm biến (3) Kiểm sốt q trình dán strain gauge để loại bỏ sai số lệch trục (4) Thêm phận hiệu chỉnh trơi điểm khơng (5) Loại bỏ tín hiệu nhiễu cách thêm mạch lọc sử dụng thiết bị có độ xác cao Trang 65 PHỤ LỤC PHỤ LỤC CÁC BẢN VẼ Trang 66 PHỤ LỤC Trang 67 PHỤ LỤC Trang 68 PHỤ LỤC Trang 69 PHỤ LỤC Trang 70 PHỤ LỤC PHỤ LỤC CÁC BẢNG TRA ĐÁNH GIÁ VẬT LIỆU LÀM CẢM BIẾN Trang 71 PHỤ LỤC (Theo http://www.measurementsgroup.com/guide/ta/sgbt/tbl3.htm) Trang 72 PHỤ LỤC PHỤC LỤC MẠCH KHUẾCH ĐẠI Trang 73 PHỤ LỤC Trang 74 PHỤ LỤC PHỤ LỤC CODE DỰNG MÔ HÌNH VÀ GIẢI BÀI TỐN BẰNG ANSYS /PREP7 /UNITS,SI ET,1,PLANE82 KEYOPT,1,3,3 KEYOPT,1,5,0 KEYOPT,1,6,0 R,1,8e-3 ! Dat thong so be day UIMP,1,EX, , ,2.07e11, UIMP,1,DENS, , ,7839, UIMP,1,ALPX, , , , UIMP,1,REFT, , , , UIMP,1,NUXY, , ,0.2899, UIMP,1,PRXY, , , , UIMP,1,GXY, , , , UIMP,1,MU, , , , UIMP,1,DAMP, , , , BLC4,0,0,35e-3 ,12.5e-3 BLC4,0,4e-3,25e-3,8.5e-3 BLC4,9e-3,0,11e-3,1.5e-3 CYL4,4e-3,4e-3,2.5e-3 CYL4,25e-3,4e-3,2.5e-3 CYL4,30e-3,8.5e-3,2e-3 CYL4,18.5e-3,1.5e-3,1.5e-3 CYL4,10.5e-3,1.5e-3,1.5e-3 FLST,3,7,5,ORDE,2 FITEM,3,2 FITEM,3,-8 ASBA, 1,P51X FLST,3,1,5,ORDE,1 FITEM,3,9 FLST,3,1,5,ORDE,1 FITEM,3,9 ARSYM,X,P51X, , , ,0,0 FLST,3,2,5,ORDE,2 FITEM,3,1 FITEM,3,9 ARSYM,Y,P51X, , , ,0,0 FLST,3,4,5,ORDE,3 FITEM,3,1 FITEM,3,-3 FITEM,3,9 FLST,2,4,5,ORDE,3 FITEM,2,1 FITEM,2,-3 FITEM,2,9 AADD,P51X Trang 75 PHỤ LỤC BLC4,0,0,12.5e-3,35e-3 BLC4,4,0,8.5e-3,25e-3 BLC4,0,9e-3,1.5e-3,11e-3 CYL4,4e-3,4e-3,2.5e-3 CYL4,4e-3,25e-3,2.5e-3 CYL4,8.5e-3,30e-3,2e-3 CYL4,1.5e-3,18.5e-3,1.5e-3 CYL4,1.5e-3,10.5e-3,1.5e-3 FLST,3,7,5,ORDE,4 FITEM,3,2 FITEM,3,-3 FITEM,3,5 FITEM,3,-9 ASBA, 1,P51X FLST,3,1,5,ORDE,1 FITEM,3,10 ARSYM,X,P51X, , , ,0,0 FLST,3,2,5,ORDE,2 FITEM,3,1 FITEM,3,10 ARSYM,Y,P51X, , , ,0,0 FLST,2,5,5,ORDE,3 FITEM,2,1 FITEM,2,-4 FITEM,2,10 AADD,P51X SMRT,6 MSHAPE,1,2D MSHKEY,1 !* MSHKEY,0 !* CM,_Y,AREA ASEL, , , , CM,_Y1,AREA CHKMSH,'AREA' CMSEL,S,_Y !* AMESH,_Y1 !* CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !* FINISH Trang 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Stuart T Smith, 2000, Flexures Elements of Elastic Mechanisms, Gordon and Breach Science Publishers, Amsterdam, 403 pages [2] M.A Elbestawi, 1999, Force measurement (23.1-23.2), in John G Webster (EDS), The measurement instrumentation and Sensors Handbook, CRC Press, Boca Raton, pp 590-605 [3] Ken Watkins, 2005, Force, Load and Weight Sensors , in Jon S Wilson ( EDS), Sensor Technology Handbook, Elsevier, Amsterdam, pp 255-269 [4] Walt Kester , 1999, Strain, Force, Pressure, and Flow Measurements, in Walt Kester (EDS), Practical design techniques for sensor signal conditioning, Prentice Hall, USA, pp 4.1-4.14 [5] Gui-Lin Chen and Shuoyu Wang, Analysis of Sensitivity for Six-Axis Force/Torque Sensor Based on Stewart Platform, in Proceeding of the 2007 IEEE, ICMA2007, Harbin, pp 2668-2672 [6] T.A Dwarakanath, Bhaskar Dasgupta, T.S Mruthyunjaya, 2001, Elsevier, Design and development of a Stewart platform based force-torque sensor, Mechatronics 11, pp 793-809 [7] T.A Dwarakanath, D Venkatesh, 2006, Elsevier, Simply supported,‘Joint less’ parallel mechanism base force–torque sensor, Mechatronics 16, pp 565-575 [8] Krzysztof Mianowski, 2004, POLMAN-6-Axis Parallel Force-Torque Sensor for the Measurement of External Forces, in Proceeding of the 11th World Congress in Mechanism and Machine Science, IFTOMM'2003, pp 2056-2059 [9] R Ranganath, P.S Nair, T.S Mruthyunjaya, A Ghosal, 2004, Elsevier, A force–torque sensor based on a Stewart Platform in a near-singular configuration, Mechanism and Machine Theory 39, pp 971-998 Trang 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO [10] M Sorli and S Pastorelli, 1995, Elsevier, Six-axis reticulated structure force/torque sensor with adaptable performances, Mechatronics Vol 5, No 6, pp 585-601 [11] Jin Zhenlin , Gao Feng , Zhang Xiaohui, 2003, Elsevier, Design and analysis of a novel isotropic six-component force/torque sensor, Sensors and Actuators A 109, pp 17-20 [12] Aiguo Song, Juan Wu, Gang Qin, Weiyi Huang, 2007, Elsevier, A novel selfdecoupled four degree-of-freedom wrist force/torque sensor, Measurement 40, pp 883-891 [13] Ken-Jun Xu, Qiao-Li Li, Tao Mei, Ting Wu, 2004, Elsevier, Estimation of wrist force-torque using data fusion of finger force sensors, Measurement 36, pp 11-19 [14] Dirk Diddens, Dominiek Reynaert, Hedrik van Brussel, 1995, Elsevier, Design of a ring-shaped three-axis micro force-torque sensor, Sensors and Actuators A 4647, pp 225-232 [15] Tien-Fu Lu, Grier C I Lin, Juan R He, 1997, Elsevier, Neural-Network-Based 3D ForceTorque Sensor Calibration for Robot Applications, Engng Applic Artif Intell Vol 10, No 1, pp 87-97 [16] Nicolae Lobontiu, 2000, Compliant Mechanisms Design of Flexure Hinges, CRC Press Publishers, New York, 469 pages [17] Huy Hoang Pham and I-Ming Chen, Kinematics, Workspace and Static Analyses of 2-DOF Flexure Parallel Mechanism, , in Proceeding of the 2002 IEEE, ICARCV’02, Singapore, pp 968-973 Trang 78 LÝ LỊCH Họ tên:VÕ ĐOÀN TẤT THẮNG Ngày, tháng, năm sinh: 22/07/ 1985 Nơi sinh: Tp HCM Địa liên lạc: 1/58, Lữ Gia, P 15, Q 11, Tp Hồ Chí Minh Điện thoại : 09 84 55 71 72 Email : tatthang_vodoan@hcmut.edu.vn QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Từ 2003-2008 : Sinh viên Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh Từ 2008-nay : Học viên cao học Ngành công nghệ chế tạo máy, Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Q TRÌNH CÔNG TÁC Từ 2008- : Cán giảng dạy Trung tâm Đào tạo Bảo dưỡng Công nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh 79 ... TẮT Luận văn trình bày thiết kế cảm biến đo lực phẳng sử dụng cấu đàn hồi Phần tử đàn hồi cảm biến thiết kế thành khối đối xứng hợp phần tử mềm Biến dạng lực tạo phần tử đàn hồi chuyển qua strain... vào cảm biến phẳng ba bậc tiết kiệm chi phí cần đo lực phẳng, sử dụng cấu đàn hồi cơng trình tối ưu hóa kết cấu để cảm biến có độ cứng vững giới hạn đo độ nhạy tốt Trang 22 Chương 2: THIẾT KẾ... xét: Biến dạng tác dụng lực moment tập trung Chọn phương án làm phần tử đàn hồi cho cảm biến 2.2 .Thiết kế sơ hình dạng cảm biến: Hình 2.15 Mơ hình cảm biến Trang 30 Chương 2: THIẾT KẾ PHẦN TỬ ĐÀN