Chương 4 Thực nghiệm xác định tần số, biên độ rung
b. Phương pháp đo tiếp xúc
b.1. Sử dụng cảm biến khoảng cách
Phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp xác định thông số đo có sự tiếp xúc cơ học của thiết bị đo với bề mặt vật thể cần đo. R.Kazys (2000) đưa ra một thiết bị đo rung động với tần số siêu âm, sơ đồ nguyên lý minh họa như hình 4.12. Nguyên tắc vận hành của loại cảm biến này dựa vào hiện tượng giao thoa của các sóng siêu âm điều hòa giữa một bề mặt rung động và một cảm biến siêu âm. Thiết bị này chứa một bộ truyền và một bộ nhận tín hiệu siêu âm. Bộ truyền tín hiệu được gắn trên bề mặt rung cần đo. Rung động được truyền qua không khí đến thiết bị nhận tín hiệu (gắn cố đinh với giá). Tín hiệu nhận được qua bộ khuếch đại sau đó đến bộ so sánh pha (phase) dao động. Trong suốt quá trình đo, khoảng cách z giữa bề mặt đo và dụng cụ sẽ thay đổi theo tần số rung. Biên độ rung xác định được bằng cách so sánh độ lệch pha giữa tín hiệu phát và tín hiệu nhận. Qua việc calib điện áp ra so với khoảng cách dao động, có thể tìm được biên độ dao động.
b.2. Sử dụng gia tốc kế (accelerometer)
Gia tốc kế được sử dụng để xác định tốc độ dịch chuyển hoặc rung động của bề mặt vật thể. Bộ thiết bị gia tốc kế minh họa như hình 4.13. Đầu cảm biến gia tốc sẽ được gắn lên vị trí bề mặt cần khảo sát rung động. Thiết bị thu thập dữ liệu nhận tín hiệu có thể kết nối và hiển thị trên giao diện máy tính. Thông số gia tốc dịch chuyển sau đó có thể xủa lý thành giá trị vận tốc và chuyển vị của dịch chuyển theo thời gian.
Hình 4.13. Hệ thống đo gia tốc kế
Gia tốc kế thương mại thường có khoảng đo cho phép đến 10 kHz. Những model có khoảng tần số đo đến vài chục kHz thường rất hiếm và đắt tiền. Thêm nữa, việc gắn gia tốc kế lên đầu rung, đặc biệt là khi gắn lên mũi dao là rất không khả thi. Nếu gắn không chắc, sẽ phát sinh nhiệt độ cao làm hỏng gia tốc kế.
b.3. Sử dụng đồng hồ so
Đồng hồ so là một thiết bị đo cơ khí thông dụng, cho phép đo độ dịch chuyển của một bề mặt so với vị trí chuẩn. Cong (2011) [35] và Emmer, Kovacik (2014) [36] đề xuất mô hình đo biên độ rung động bằng đồng hồ so có độ phân giải 1 µm. Để xác định biên độ rung dọc trục của đầu dụng cụ cắt, một đồng hồ so được gắn cố định trên bàn máy. Ban đầu chỉnh cho đầu dò của đồng hồ so tiếp xúc với mũi dao, điều chỉnh đồng hồ về 0. Khi cho đầu rung làm việc, đầu mũi dụng cụ sẽ dao động đẩy đầu dò của đồng hồ so theo. Kim đồng hồ so sẽ dao động. Số chỉ vạch dao động xa nhất chính là biên độ rung lớn nhất. Phương án đo này cũng yêu cầu gá đặt chắc chắn và căn chỉnh chính xác.
(a) (b)
Hình 4.15. Sơ đồ đo biên độ rung cho cụm đầu rung thử nghiệm
b.4. Sử dụng panme đo ngoài
Nguyên tắc dùng panme đo ngoài để đo biên độ rung siêu âm cũng tương tự cách sử dụng đồng hồ so nói trên. Panme đo ngoài là dụng cụ xác định kích thước chính xác. Trong nghiên cứu này, biên độ rung động thực tế được xác định bằng phép đo tiếp xúc điện. Sơ đồ đo được mô tả như hình 4.16. Cụm đầu rung và panme được nối với một nguồn điện 1 chiều 6V. Khi cho đầu đo của panme chạm vào đầu mũi dao tiện sẽ làm mạch điện sẽ được đóng kín, tín hiệu điện được truyền đến bộ thu thập dữ liệu DAQ kết nối với máy tính. Để tiến hành xác định giá trị biên độ, khi chưa cấp rung, dịch chuyển đầu panme cho tiếp xúc với đầu dao. Khi tín hiệu xung điện báo thời điểm tiếp xúc, ghi nhận số đo của vạch panme. Tiếp đó, xoay núm vặn để dịch chuyển đầu panme rời xa đầu mũi dao khoảng 1-2 mm (đảm bảo chắc chắn lớn hơn biên độ rung động cần đo). Cấp nguồn kích thích rung cho đầu rung, xoay chậm núm vặn trên trục panme để đầu đo của panme tiến về phía đầu dao cho đến khi đầu đo chạm vào mũi dao (tín hiệu trên máy tính cho biết thời điểm này). Ghi nhận giá trị vạch chỉ của panme. Kết quả biên độ thu được sẽ bằng độ lệch của chỉ số vạch panme trước và sau khi cấp nguồn kích thích rung động.
4.3.2. Kết quả đo biên độ rung động
Căn cứ vào điều kiện thiết bị, dựa trên nguyên lý đo trên, tác giả tiến hành xây dựng thí nghiệm xác định biên độ bằng đồng hồ so 0.001 mm = 1 µm, minh họa như hình 4.15. Kết quả đo biên độ cho cụm đầu rung thử nghiệm cho thấy giá trị biên độ rung tại đầu mũi dao tiện thu được dao động trong khoảng 22 – 25 µm. So với giá trị lý thuyết giá trị biên độ tại mũi dao A3 = 22,1 mm, chứng tỏ biên độ rung của đầu rung đảm bảo thông số thiết kế.
Sử dụng panme 0,001 mm, tiến hành đo biên độ với các tần số kích thích khác nhau. Kết quả được minh họa trên hình 4.17.
Hình 4.17. Mô hình và kết khảo sát biên độ với các tần số khác nhau
Qua hình 4.17, có thể thấy, biên độ rung đạt giá trị lớn nhất khi tần số kích thích là 21,87 kHz, khá gần với kết quả đo kiểm tần số đã thu được. Nói cách khác, biên độ dao động lớn nhất khi cấp cho đầu rung một nguồn xung kích thích có tần số bằng tần số cộng hưởng của hệ. Giá trị biên độ đo được (khoảng 25 m) cũng khá phù hợp với giá trị thu được từ tính toán lý thuyết khi thiết kế đầu rung A3 = 22,1 µm. Hai phương pháp đo biên độ đã tiến hành cho kết quả tương tự nhau, khẳng định tính tin cậy của kết quả đo. Biên độ rung 25 m cũng đủ lớn để thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng tích cực của rung động trợ giúp gia công.
Trên đây là những đánh giá khảo sát về biên độ rung của đầu rung khi không có tải tác dụng tại đầu dụng cụ. Thực tế gia công, đầu dụng cụ cắt sẽ chịu các thành phần lực cắt tác dụng. Tính đến nay, chưa có công bố khoa học nào đánh giá ảnh hưởng của tải trọng tới giá trị biên độ rung khi cắt. Đây là một hướng cần tiếp tục đánh giá khảo sát khi ứng dụng rung động siêu âm.