23 1. Cơ cấu chấp hành áp điện Piezo 2. Cơ cấu đàn hồi/mềm
3. Vị trí gá dao
4. Cảm biến đo chuyển vị GT2-H12K 5. Bàn thí nghiệm
6. Driver điều khiển cơ cấu chấp hành áp điện Piezo MDT694A 7. Bộ chuyển đổi cảm biến chuyển vị GT2-71 MCN
8. Board điều khiển và thu thập dữ liệu STM32F407
9. Mạch khếch đại điện áp ngõ ra điều khiển 0-3V0-10V 10. Mạch chuyển đổi dòng áp 4-20mA 0-10V
3.1.2. Nguyên lý hoạt động của cơ cấu ăn dao
Cơ cấu ăn dao chính xác là thiết bị định vị có độ chính xác cao thường được tích hợp vào các máy công cụ giúp điều khiển dụng cụ cắt khi thực hiện các bước gia công tinh và siêu tinh. Dịch chuyển của đầu dao khi này chỉ nằm trong phạm vi micromet hoặc thậm chí dưới micromet. Khi phải thực hiện các yêu cầu khắt khe này, hệ thống truyền động truyền thống bằng các khâu cứng và các bộ truyền thông thường không thể đảm nhận được do luôn tồn tại khe hở và độ rơ giữa các khớp truyền động. Cơ cấu chấp hành PZT là thiết bị có thể tạo nguồn dẫn động vơ cùng chính xác. Tuy nhiên, hành trình tối đa của loại cơ cấu này cũng bị hạn chế ở phạm vi nhỏ. Ý tưởng thiết kế của cơ cấu ăn dao chính xác là sử dụng cơ cấu mềm để khuếch đại nguồn dẫn động từ PZT. Hình 3.3 mơ tả kết cấu tổng thể của cơ cấu. Cơ cấu này kết hợp cả cơ cấu đòn bẩy và cơ cấu bốn khâu bản lề để đảm nhận nhiệm vụ đặt ra. Trong thiết kế này cơ cấu đòn bẩy được sử dụng hai lần với mục đích khuếch đại chuyển vị. Cơ cấu bốn khâu bản lề vừa làm nhiệm vụ gia tăng độ cứng vững, giảm chuyển động theo của cơ cấu và cũng được dùng để khuếch đại một phần cho chuyển động đầu vào. Trong nghiên cứu này khớp đàn hồi dạng bán nguyệt được chọn để tổng hợp cơ cấu. Loại khớp này có các ưu điểm như ứng suất tập trung nhỏ, tâm quay của khớp bán nguyệt gần như khơng chuyển vị, có khả năng truyền chuyển động chính xác,
24
đơn giản dễ chế tạo hơn nhiều so với các loại khớp khác như ellipse, parabolic hay hyperbolic.
Cung cấp một điện áp cho cơ cấu chấp hành PZT làm nó chuyển vị và tác động vào cơ cấu đàn hồi/mềm. Cơ cấu đàn hồi/mềm sẽ đóng vai trị như một bộ truyền động khuếch đại biên độ chuyển vị. Kết quả cuối cùng là tạo được chuyển động tại đầu ra của cơ cấu ăn dao, đưa dao đi một lượng ăn dao tinh cỡ micrometer.
3.2. Các thành phần thiết bị trong mơ hình thực nghiệm
Sau khi khảo sát các thiết bị sẵn có, kế thừa từ nghiên cứu trước của nhóm của như: cơ cấu chấp hành áp điện PAS015 hãng THORLAB (Hình 3.2), cơ cấu đàn hồi/mềm (hình 3.3), Driver điều khiển cơ cấu áp điện PAS015 (Hình 3.5) cảm biến chuyển vị GT2-H12K (Hình 3.6) chuyển vị có bộ chuyển đổi (Hình 3.7) với ngõ ra analog (0-10V) tác giả đề suất sử dụng Board STM32F407 Discovery thiết bị điều khiển; chuyển vị cơ cấu bàn dao được đo bằng cảm biến GT2-H12K và dữ liệu chuyển vị theo thời gian của cảm biến được thu thập bằng chức năng ADC của board STM32F407 Discovery, giá trị ADC này được chuyển đổi thành giá trị chuyển vị và truyền lên máy tính thơng qua giao tiếp UART, dữ liệu sẽ được lưu thành file dùng để phân tích hệ thống và thiết kế bộ điều khiển.
3.2.1. Cơ cấu chấp hành áp điện Piezo
Thiết bị nguồn chuyển động cho cơ cấu bàn dao trong mơ hình của nghiên cứu này có mã PAS015 (Hình 4.2) do hãng THORLABS sản xuất với các thông số như trong Bảng 1:
25
Hình 3.2: Hình dạng của cơ cấu chấp hành áp điện PAS015 hãng THORLAB
Bảng 3.1: Các thông số cơ bản của cơ cấu chấp hành áp điện Piezo PSA015 hãng THORLAB
Thông số Giá trị
Mã sản phẩm PAS015
Hành trình 100µm
Độ phân giải chuyển động 0,1µm
Lực lớn nhất có thể tạo ra 5000(N)
Độ cứng của Piezoelectric actuator 49 N/μm
Điện dung 18µF
Điện áp điều khiển 0÷75V
Do các mảnh Piezo chỉ có chuyển vị rất nhỏ nên để tạo ra chuyển vị 100um PAS015 gồm 10 mảnh vật liệu Piezo ghép lại để cho chuyển vị lớn hơn.
Cơ cấu chấp hành PAS015 sẽ được cố định một đầu vào khối L, khối là này sẽ được cố định vào mặt bàn thí nghiệm. PAS015 cịn được dẫn hướng bằng cách đặt giữa 2 khối V, 1 khối cố định xuống bàn thí nghiệm.
3.2.2. Cơ cấu đàn hồi/mềm
Cơ cấu đàn hồi là sự kết hợp của các khớp đàn hồi hay các thanh mảnh đàn hồi Hình 3.3, khi chúng biến dạng do độ mềm của vật liệu tạo ra các chuyển động nhỏ cỡ micron (µm). Cơ cấu này được được chế tạo bằng cách cắt khoét một phần
26
tấm nhôm nguyên khối với biên dạng là các đường cong toán học. Do cấu tạo từ tấm nguyên khối nên khớp đàn hồi không tồn tại các nhược điểm của các bộ truyền động khác như: ma sát, tiếng ồn, mài mịn, phải bơi trơn và khe hở.