128
3.2. Thiết kế, chế tạo và kết nối hệ thống đo lực cắt
3.2.1. Các thông số cơ bản của hệ thống
- Bộ cảm biến: Gồm có 2 mũi tâm đóng vai trò là phần tử đàn hồi trên đó có dán các tenzo điện trở (Gọi tắt là lực kế) hình 3.5.
A A 20 20 150 N02 60 ° x y φ16 φ8 31 ,2 0,1 +_ _+0, 1
Hình 3.5. Cấu trúc thân cảm biến và phần tử biến dạng. Một số thông số kỹ thuật của thân cảm biến và phần tử biến dạng:
- Vật liệu chế tạo thép 40X, tôi cải thiện đạt 20-25 HRC - Độ không đồng tâm ≤ 0,02/L
- Các kích thớc cơ bản chọn nh hình 3.8.
- Chuyển vị lớn nhất tại đầu mũi tâm Ymax =2,3 àm - Độ cứng Cy = 24,68 N/àm
- Bộ khuyếch đại Card DBK16 (Mỹ)
+ Số kênh đo: 2 kênh tơng thích với hệ Daqbook 216 + Độ khuyếch đại x100 đến x1200
+ Kiểu khuyếch đại: cả cầu, 1/2 cầu và 1/4 cầu + Trở kháng đầu vào; 100MΩ
+ Nguồn điện kích thích: 12VDC, 50 mA/kênh
- Bộ chuyển đổi ADC: Bộ vi điều khiển MSC-51 điều khiển hoạt động của bộ chuyển đổi tơng tự – số. (Hình 3.6)
Hình 3.6. Sơ đồ chức năng bộ chuyển đổi tơng tự – số (ADC)
+ Kết nối với máy tính xách tay, máy PC qua cổng song song hoặc với PC-Card.
+ Tín hiệu vào tơng tự
+ Bộ chuyển đổi ADC 100kHz, độ phân giải 32 bit, độ chính xác ±0,025FS
+ Tốc độ lấy mẫu 106 mẫu/s + Môi trờng làm việc 00 đến 500C - Thiết bị hiển thị: Máy tính, máy in
- Phần mềm điều khiển và xử lý thông tin: Sử dụng phần mềm DASYlab7.0 – 32 bit của hãng IOtech có chức năng đo lờng, điều khiển, phân tích, ghi số liệu và thiết kế mô phỏng quá trình đo.
3.2.2. Thiết kế, chế tạo lực kế
Để đo lực cắt khi gia công trên máy mài tròn ngoài, ta sử dụng 2 mũi tâm làm phần tử đàn hồi trên đó có dán các tenzo điện trở.
Nguyên lý đo: Trong quá trình mài, các thành phần lực cắt cần đo (lực pháp tuyến Py, lực tiếp tuyến Pz) thông qua chi tiết gia công 2 làm biến dạng
mũi tâm 3 (hình 3.1). Biến dạng này sẽ làm thay đổi điện trở của các tenzo đợc dán trên hai mũi tâm (hình 3.5), do đó sẽ làm thay đổi dòng điện qua tenzo. Sự thay đổi dòng điện này đợc lấy làm tín hiệu đo.
Độ lớn cực đại của các lực cần đo trong quá trình mài tinh theo tính toán lý thuyết trên máy mài GU-20.25A nh sau:
- Lực tiếp tuyến: PZmax = 60 N dùng để xác định công suất khi mài; - Lực xuyên tâm: Pymax = 100 N vuông góc với bề mặt làm việc.
Sử dụng phần mềm ANSYS để kiểm nghiệm chuyển vị của phần tử biến dạng (Hình 3.7). Kết quả kiểm nghiệm chuyển vị Ymax = 1,1àm
Hình 3.7. Kiểm nghiệm chuyển vị của phần tử biến dạng sử dụng phần mềm ANSYS
Trong khi mài phôi đợc gá lên hai mũi tâm, hai mũi tâm lắp chặt với thân cảm biến vì vậy kết cấu của thân cảm biến phải đủ độ cứng vững để trong quá
trình mài không làm ảnh hởng đến độ chính xác của sản phẩm và đồng thời phải đủ độ nhạy để đo đợc hai thành phần lực Py, Pz do đá mài tác dụng lên phôi nh trên hình 3.1.
Từ những yêu cầu trên cảm biến đợc thiết kế gồm hai phần chính là: thân cảm biến và mũi tâm. Ngoài ra còn có vỏ bao bên ngoài để quá trình làm việc cảm biến không bị ảnh hởng bởi dung dịch tới nguội và phoi khi mài.
Quá trình tính toán kích thớc, độ bền của phần tử đàn hồi phải giải quyết hai vấn đề cơ bản đó là: đảm bảo đủ độ cứng vững và độ biến dạng của thân cảm biến. Trong trờng hợp này phần tử cảm biến tem biến dạng sử dụng tổ hợp các biến dạng chịu uốn. Để đảm bảo độ nhạy của cảm biến và không gian để đấu dây, phía giữa thân cảm biến đợc khoan rỗng. Việc tính toán độ nhạy và thiết lập mạch cầu cảm biến của phần tử biến dạng sử dụng phần mềm tính toán chuyên dụng cho các cảm biến tem biến dạng Transcalc của hãng KYOWA (hình 3.8 ữ hình 3.11)
Hình 3.8. Tính toán độ nhạy và thiết lập mạch cầu cảm biến đo lực theo phơng Y sử dụng phần mềm Transcalc 1.11
Hình 3.9. Kiểm nghiệm độ nhạy của cảm biến theo phơng Y
Hình 3.10. Tính toán độ nhạy và thiết lập mạch cầu cảm biến đo lực theo phơng Z sử dụng phần mềm Transcalc 1.11
Hình 3.11. Kiểm nghiệm độ nhạy của cảm biến theo phơng Z
Tuy nhiên, để có đợc một cảm biến đo ổn định và tuyến tính trong miền làm việc cần thiết phải có những biện pháp bằng thực nghiệm và kinh nghiệm thực tế trong chế tạo cảm biến đo.
3.2.3. Thiết lập các mạch cầu cảm biến và chọn vị trí dán tem
Mạch cầu cảm biến có thể chứa một, hai, bốn tem điện trở hoặc nhiều hơn tuỳ thuộc vào độ lớn của lực cần đo, độ chính xác mong muốn và ảnh hởng của các tác động bên ngoài.
Chiều biến dạng của các tem phụ thuộc vào kết cấu của phần tử biến dạng và vị trí dán tem. Các tem biến dạng của cảm biến đợc sắp xếp trên phần tử biến dạng, trong đó bốn tem điện trở vừa đóng vai trò là tem đo vừa có tác dụng tự bù trừ nhiệt (hình 3.12).
Trong mạch cầu này, vì các tem đã đợc chọn là đồng nhất cho nên: R1 =
Hình 3.12. Mạch cầu điện trở với bốn tem vừa đo vừa tự bù trừ nhiệt
Nếu nh điều kiện lý tởng của cầu đợc thoả mãn R1. R3 = R2. R4, nghĩa là điện áp ra của cầu bằng không (Ura = 0). Chênh lệch điện áp ra của cầu ∆Ura có thể viết theo biểu thức sau:
( R R R R )( n) R U U g g g g g ra ra = ∆ −∆ +∆ −∆ − ∆ 1 4 1 2 3 4 [1] (3.1)
Trong đó (1 - n) là hệ số phi tuyến, với n là số phi tuyến. Trong thực tế giá trị này có thể rất bé song nó vẫn luôn tồn tại, do đó gây khó khăn trong việc thao tác căn chỉnh cầu. Tuy nhiên, bằng những giải pháp thực nghiệm ta có thể khống chế cầu cảm biến làm việc ở những đoạn tuyến tính mong muốn.
Khi có lực PY tác động vào phần tử biến dạng chịu uốn (đồng thời cũng chính là thân cảm biến), các điện trở tem R2, R4 tăng còn R1, R3 giảm. Điện áp Ura tăng tỷ lệ với lực tác dụng vào phần tử biến dạng Ura = KY.PY, trong đó PY là lực tác dụng vào phần tử biến dạng theo phơng Y, KY là hệ số tỷ lệ. Hệ số tỷ lệ KY phụ thuộc vào điện áp nuôi cảm biến, độ nhạy của tem điện trở và kết cấu phần tử biến dạng.
Khi có lực PZ tác động vào cảm biến, trên mạch cầu cảm biến đo lực PZ cũng xảy ra hiện tợng tơng tự nh trờng hợp PY tác động.
Các vị trí dán tem trên phần tử biến dạng đợc thể hiện trên hình 3.13. Tất cả các tem điện trở đợc dán trên 2 phần tử biến dạng sao cho các tem biến dạng d- ơng (+) đợc dán cùng một phía và các tem biến dạng âm (-) đợc dán ở phía đối diện qua tâm của phần tử biến dạng chịu uốn.
R1 R2 R4 R3
UN
R1
R2
R3 R4
Hình 3.13. Vị trí dán tem trên thân cảm biến
3.2.4. Thiết kế thiết bị xử lý tín hiệu cho cảm biến
Do bộ cảm biến phải đảm bảo độ cứng vững nên các cảm biến đợc chế tạo có độ nhạy nhỏ 1mv/v. Từ đó thiết bị xử lý tín hiệu đợc thiết kế, chế tạo cần phải có hệ số khuếch đại tơng đối lớn. Bên cạnh đó trong khi làm việc không thể tránh khỏi các loại nhiễu làm mất ổn định hệ thống đo nên khả năng lọc nhiễu của thiết bị cũng phải luôn đợc quan tâm.
Từ đó thiết bị xử lý tín hiệu bao gồm những phần cơ bản nh trên hình 3.14.
Hình 3.14. Sơ đồ chức năng thiết bị thu thập tín hiệu từ cảm biến Thiết bị xử lý tín hiệu hai kênh sử dụng trong hệ thống đo lực trên máy mài tròn đợc chế tạo nhờ ứng dụng vi mạch khuếch đại chuyên dụng cho các
cảm biến đo của hãng RS . Khi sử dụng vi mạch này thì các yêu cầu về tính ổn định, hệ số khuếch đại cũng nh các yêu cầu về chống nhiễu đợc đảm bảo [1].
3.2.5. Kết nối hệ thống đo lực
Tín hiệu ra từ bộ cảm biến đợc đa vào bộ khuyếch đại và xử lý tín hiệu Card DBK16. Tín hiệu tơng tự ra từ bộ xử lý tín hiệu DBK16 đợc đa vào bộ chuyển đổi A/D Daqbook 216 và đợc hiển thị trên máy tính cá nhân và máy in.
Để thực hiện phơng pháp đo, sử dụng phần mềm điều khiển và xử lý tín hiệu đo DASYlab 7.0 thiết kế đợc hệ thống đo lờng tự động và ghi dữ liệu nh hình 3.15.
Hình 3.16. ảnh hệ thống đo lực hai thành phần ttrên máy mài tròn ngoài
3.2.6. Thử nghiệm hệ thống đo lực.
-Bớc1: Sửa đá bằng đầu sửa kim cơng theo chế độ sau: - nđ = 2000 v/ph
- Ssđ = 1 m/ph - tsđ = 0,015 mm
-Bớc 2: Tiến hành mài tròn ngoài chạy dao dọc với chế độ mài sau: - Tốc độ quay trục đá: nđ = 2000 v/ph
- Tốc độ quay phôi: nct = 97 v/ph - Chiều sâu cắt: t = 0,05 mm - Bớc tiến dọc: Sd = 0,5 m/ph
Kết quả đo một hành trình khi mài đợc trình bày trên hình 3.17. Các thông số đo đợc gồm các thành phần lực Py, Pz. Trên đồ thị, trục hoành là thời gian mài (s), trục tung là lực cắt (N).
Hình 3.17. Kết quả thí nghiệm đo lực khi mài một hành trình trên máy mài tròn ngoài
Qua đồ thị ta thấy quy luật biến đổi lực cắt khi mài tròn ngoài phụ thuộc thời gian, kết quả là hoàn toàn phù hợp với lý thuyết.
Thời gian đầu, đá cha cắt các thành phần lực bằng không. Thời gian tiếp theo đá ăn vào chi tiết, do chiều dài tiếp xúc giữa đá và bề mặt chi tiết gia công tăng dần nên lực cắt tăng dần cho đến khi toàn bộ chiều rộng đá tiếp xúc bề mặt gia công thì lực cắt tăng lớn nhất. Qúa trình đá đi ra khỏi chi tiết, chiều dài tiếp xúc giữa đá và chi tiết giảm lực cắt giảm dần cho đến khi đá ra khỏi chi tiết thì lực cắt bằng không.
3.3. Thiết kế, chế tạo, kết nối hệ thống đo mòn 3.3.1. Các thông số cơ bản của hệ thống 3.3.1. Các thông số cơ bản của hệ thống
* Đầu đo Lazer ZX- LD30V
- Khoảng cách cảm nhận của đầu đo : 30 ± 2 mm - Độ phân giải: 0,25 àm
- Tốc độ đọc: 150 às - Diện tích chùm tia tại các điểm:
L (mm) 28 30 32
X (àm) 60 30 120
Y (àm) 50 40 90
- Phần mềm Smartmonitor.ver2.0
* Phần truyền động đầu đo:
- Bộ truyền vít me đai ốc tx = 1,5 mm gắn với đầu đo thực hiện chuyển động theo phơng hớng kính để điều chỉnh khoảng cách từ đầu đo đến bề mặt đá cho phép 28-32 mm
- Bộ truyền vít me đai ốc tx = 1,5 mm gắn với đầu đo thực hiện chuyển động theo phơng dọc trục để xác định vị trí đo theo bề rộng đá.
3.3.2. Nguyên lý đo:
Đầu đo laze ZX-LD30V đợc chế tạo theo nguyên lý đo phản xạ. Đầu đo có một sensor phát ra tia laze và một sensor thu nhận tia laze phản xạ lại từ bề mặt vật đo, thông qua bộ Ampliphier sẽ tính toán và đa ra kết quả đo là khoảng cách vuông góc từ bề mặt vật đo tới bề mặt đầu đo.
Loại đầu đo này thực hiện đợc khi khoảng cách từ bề mặt cần đo tới bề mặt đầu đo từ 28 – 32 mm, có thể phát hiện đợc những sai khác về khoảng cách 0,25àm. Đầu đo lazer ZX-LD30V đợc gá lên bộ dịch chuyển theo 2 phơng h- ớng kính và dọc trục đá bằng các bộ truyền vít me đai ốc tx = 1,5 mm. Tín hiệu
ra từ đầu đo đợc đa vào bộ khuyếch đại Ampliphier, đa vào máy tính qua cổng Com. Kết nối hệ thống nh hình 3.18. Sử dụng phần mềm điều khiển và xử lý tín hiệu đo Smart Monitor. Kết quả đo thu đợc qua phần mềm Smart Monitor là bảng dữ liệu excel dới dạng file excel.csv. Dữ liệu này gồm nhiều cột và nhiều thông số khác nhau nh: thời gian lấy mẫu, tín hiệu PASS, LOW hay HIGH, nh- ng để dựng lại bề mặt của đá mài và đa ra các thông số kỹ thuật thì ta chỉ cần quan tâm đến cột giá trị đo, cột giá trị này đợc tách ra và lu trữ dới tên file
test.txt. Để xử lý số liệu ta sử dụng phần mềm Matlab.
Hình 3.19. Đầu thu phát tín hiệu laze LD-ZX30V và bộkhuyếch đại Ampliphier
Hình 3.20. Giao diện phần mềm Smart Monitor
3.3.3. Kết nối, thử nghiệm hệ thống đo mòn
Đo lợng mòn đá sau mỗi hành trình mài.
- nđ = 2000 v/ph - Ssđ = 1 m/ph - tsđ = 0,015 mm
-Bớc 2: Tiến hành đo mòn đá và xử lý số liệu
- Thực hiện đo trên một vòng chu vi của đá sau khi sửa đá. - Tốc độ quay đá: nđ=2000 v/ph
- Xử lý kết quả đo trên phần mềm Matlab.
-Bớc 3: Tiến hành mài tròn ngoài chạy dao dọc với chế độ mài sau: - Tốc độ quay trục đá: nđ = 2000 v/ph
- Tốc độ quay phôi: nct = 97 v/ph - Chiều sâu cắt : t = 0,05 mm - Bớc tiến dọc: Sd = 0,5 m/ph
Thực hiện bớc 2 và bớc 3 năm lần để đo lợng mòn đá, sau mỗi bớc tiến ngang t = 0,05mm (mài hết hoa lửa) ta dừng lại để đo lợng mòn đá.
Kết quả thí nghiệm thu đợc sau khi xử lý nh bảng 3.1
Bảng 3.1. Kết quả đo mòn đá sau mỗi hành trình TT hành trình mài Khoảng cách trung bình (mm) Lợng mòn sau mỗi hành trình mài Lợng mòn tổng cộng sau mỗi hành trình mài U (mm) Sn0 30,0024 0 0 Sn1 30,0049 0,0025 0,0025 Sn2 30,0057 0,0008 0,0033 Sn3 30,0069 0,0012 0,0045 Sn4 30,0083 0,0014 0,0059 Sn5 30,0091 0,0008 0,0067
Hình 3.21. ảnh thiết bị đo mòn trên máy mài tròn ngoài
3.4. Kết luận
- Đã thiết kế, chế tạo và kết nối đợc hệ thống đo lợng mòn của đá đáp ứng đ- ợc yêu cầu đặt ra của vấn đề cần nghiên cứu.
- Thiết kế, chế tạo và kết nối đợc hệ thống đo lực 2 thành phần: lực hớng kính Py, lực tiếp tuyến Pz trên máy mài tròn ngoài đáp ứng đợc yêu cầu đặt ra của vấn đề cần nghiên cứu.
- Các hệ thống làm việc ổn định, đảm bảo độ chính xác.
- Sử dụng các phần mềm tin học trong công việc đo lờng, lu trữ và xử lý số liệu thực nghiệm.
- Các hệ thống thí nghiệm đo mòn đá, đo lực đợc sử dụng trong việc nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hởng của mòn đá, lực mài đến chất lợng bề mặt chi tiết gia công, các chỉ tiêu này rất quan trọng và là tiền đề để điều khiển thích nghi quá trình mài.
Chơng 4 - Nghiên cứu thực nghiệm và xử lý kết quả 4.1. Xác định các biến thực nghiệm
Căn cứ vào các nghiên cứu trớc đây về mài và cơ sở lý thuyết đã trình bày ở trên, dự đoán rằng, các quan hệ T = f (sd, t ); P = f (sd, t ); Ra = f (sd, t ) đợc mô tả bởi mô hình toán học: f(sd,t) = k.sda.tb (4.1)
Tuyến tính hoá phơng trình phi tuyến bằng cách logarit cơ số e hai vế của phơng trình ta có: ln(f(sd,t)) = lnk+ alnsd + blnt
Đặt: y =ln(f(sd,t)) ; a0 =lnk ; a1 = a ; a2 = b ; x1 = lnsd ; x2= lnt
Do đó: y =a0 + a1x1 + b1x2 (4.2)
Chọn miền nghiên cứu thực nghiệm là: