Kí hiệu YP-5025-4Z Cơng suất 1000 W
Xuất xứ Trung quốc Biên độ 8 μm
Tần số cộng hưởng 25 kHz Điện dung 13000 ÷ 14000 pF
3.3.2 Thiết kế chi tiết
Bộ phận có ảnh hưởng trực tiếp đến tần số làm việc của hệ thống là đầu khuếch đại, trên đó mang ống kẹp (Collet) và mũi khoan. Thiết kế chi tiết gồm các bước sau:
- Chọn vật liệu chế tạo đầu khuếch đại;
- Tính tốn sơ bộ nhằm xác định kích thước đầu khuếch đại;
- Xác định kích thước gá lắp Collet trên đầu khuếch đại và kích thước gá kẹp mũi khoan trên Collet.
Chọn vật liệu
Vật liệu chế tạo đầu khuếch đại là hợp kim nhôm-titan Ti-6Al-4V. Đây là vật liệu có độ bền cao, đặc tính truyền âm tốt. Đa số các đầu khuếch đại thương mại sử dụng vật liệu này. Nếu kết quả tính phù hợp với các đầu khuếch đại thương mại có sẵn, việc điều chỉnh kết cấu trực tiếp trên đó sẽ hiệu quả hơn.
Collet và mũi khoan là các sản phẩm thương mại. Loại vật liệu và các đặc tính cơ học, đặc tính truyền âm của các chi tiết được thống kê trong bảng 3.2.
Bảng 3.2 Đặc tính cơ học và đặc tính truyền âm của đầu khuếch đại, ống kẹp, mũi khoan
Chi tiết Vật liệu Mô đun đàn hồi
– E (GPa) Tỉ khối (kg/m3)
Vận tốc truyền âm (m/s)
Đầu khuếch đại Ti-6Al-4V 113,8 4430 5068
Ống kẹp Thép 1065 200 7850 5048
Tính tốn sơ bộ kích thước
Hình 3.9 mơ tả các kích thước chính cần xác định của đầu khuếch đại, ống kẹp và mũi khoan. Đầu khuếch đại (1) có đường kính lớn D1, đường kính nhỏ D2, tương ứng với các chiều dài L1, L2. Ống kẹp (2) có đường kính D3 được kẹp trong lỗ khoét trên D2 nhờ vít 4. Mũi khoan (3) có đường kính d được kẹp trong ống kẹp (2).
Hình 3.9 Các kích thước chính của đầu khuếch đại biên độ đã gắn collet và mũi khoan
Đường kính hai bậc trụ của đầu khuếch đại được lựa chọn dựa trên hai điều kiện:
- Đường kính D2 đủ khơng gian tạo lỗ lắp ống kẹp có đường kính D3=12 mm; - Đường kính D1 xấp xỉ đường kính đầu ra của bộ chuyển đổi.
Do vậy, D1 và D2 được chọn lần lượt là 54 và 31 mm.
Kích thước chiều dài hai bậc trụ được tính tốn sơ bộ dựa trên lý thuyết truyền sóng (chẳng hạn, xem trong [109-111]), sử dụng cho thanh vật liệu rắn đồng nhất, có tiết diện khơng đổi. Cho đến nay vẫn chưa có cơng thức tính chính xác cho các kết cấu xấn rãnh, khoét lỗ, tạo ren và các kết cấu phục vụ gá lắp khác. Do vậy, việc tính tốn sơ bộ này chỉ nhằm xác định khoảng kích thước phù hợp, sau đó tiến hành kiểm chứng bằng kỹ thuật phân tích phần tử hữu hạn.
Q trình tính tốn được tóm tắt dưới đây, các cơng thức tính tốn được lấy từ các tài liệu tham khảo vừa nêu.
Gọi là độ dài bước sóng siêu âm truyền qua đầu khuếch đại, c1 là vận tốc truyền âm của vật liệu đầu khuếch đại, là vận tốc góc của dao động siêu âm, 1 và 2 tương ứng là dịch chuyển của một chất điểm tại tọa độ x = 0 và tại mặt mút nhỏ L = /2, E và
lần lượt là mô đun đàn hồi và khối lượng riêng của vật liệu đầu khuếch đại, khi đó dịch chuyển dọc của các chất điểm tại mặt cắt có vị trí x bất kỳ được xác định như sau:
x 1 x 2 x cos cos t 0 x / 4 c (L x) cos cos t / 4 x / 2 c (3.15)
Hệ số khuếch đại của đầu khuếch đại được xác định theo công thức sau:
1 2 1 2 S S (3.16)
Trong đó: S1 và S2 là diện tích tiết diện ngang tại mặt mút lớn và mặt mút nhỏ
Vận tốc truyền sóng âm của vật liệu đầu khuếch đại (Ti-6Al-4V) là 5068 m/s, do đó xác định được chiều dài tổng của đầu khuếch đại là:
1 1 Horn c 5068 L 101, 36 mm 2 2 f 2 25000 (3.17)
Trong đó: f = 25 kHz là tần số rung siêu âm phát ra từ bộ chuyển đổi.
Vị trí của nút có biên độ dao động bằng khơng (node = 0), nơi sẽ được dùng để cố định đầu khuếch đại với đồ gá, được xác định từ điều kiện sau:
node 1 2 1 L cos 0 L L 50, 7 mm c 2 (3.18)
Các kích thước L3 và L4 được xác định nhằm thu được biên độ rung lớn nhất ở đầu mũi khoan. Sử dụng phương trình (3.15) với các giá trị tốc độ truyền âm trong vật liệu ống kẹp và vật liệu mũi khoan lần lượt là 5048 m/s và 4994 m/s, thu được L3 = 50 mm và L4 = 58 mm.
Xác định chính xác kích thước
Hệ thống rung động siêu âm làm việc tốt nhất khi các kết cấu gá lắp thêm không làm thay đổi tần số làm việc của bộ chuyển đổi. Do đó, các kích thước và kết cấu thực của cụm chi tiết đầu khuếch đại, ống kẹp và mũi khoan phải đảm bảo tần số dao động ở
vẫn chưa cho phép tìm lời giải trực tiếp cho bài toán dạng này. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong môi trường CAE (Computer Aided Engineering) thường được sử dụng để giải quyết vấn đề hiệu chỉnh kích thước và kết cấu. Một số phần mềm thường được sử dụng như Abaqus, ANSYS v.v. Các bước hiệu chỉnh được tiến hành như sau:
Dựng mơ hình khối rắn 3D cho cơ hệ trong môi trường CAE; Khai báo các thông số về đặc tính vật liệu;
Khai báo các điều kiện biên như nhiệt độ, ràng buộc;
Phân tích dao động riêng (Modal Analysis) nhằm chọn Mode dao động dọc trục; Kiểm tra nếu giá trị tần số dao động riêng đạt yêu cầu; nếu không tiến hành điều
chỉnh kích thước và phân tích lại cho đến khi đạt yêu cầu;
Sau khi phân tích dao động riêng đạt yêu cầu, tiến hành phân tích điều hịa (Harmonic Analysis) nhằm khẳng định dao động của cơ hệ khi chịu tác động của lực điều hịa; nếu khơng đạt yêu cầu, có thể tiến hành tinh chỉnh tiếp.
Nguyên tắc điều chỉnh kích thước đầu khuếch đại nhằm đạt được tần số dao động riêng được chỉ ra như sau [112]:
Giảm chiều dài các bậc trụ sẽ làm tăng tần số dao động riêng và ngược lại;
Khoét bỏ vật liệu (tạo rãnh, hốc) ở khối tâm làm giảm tần số dao động riêng. Trong nghiên cứu này, phần mềm ANSYS® 15 được sử dụng để tinh chỉnh kết cấu. Trước hết, mơ hình 3D của đầu khuếch đại, ống kẹp và mũi khoan được dựng trong mơi trường AutoDesk Inventor®, sau đó chèn vào ANSYS.
Hình 3.10 mô tả kết quả cuối cùng, khi tần số cộng hưởng là 24,959 Hz, rất gần với tần số phát rung 25 kHz của bộ chuyển đổi.
3.4 Chế tạo, lắp ráp và hiệu chỉnh hệ thống
3.4.1 Chế tạo, lắp ráp hệ thống
Hệ thống đã thiết kế, chế tạo được lắp ghép với bộ chuyển đổi siêu âm YP-5025- 4Z có tần số làm việc là 25 kHz được mơ tả trên hình 3.11.
Hình 3.11 Bản vẽ lắp bộ chuyển đổi và đầu khuếch đại
Do hệ thống chỉ làm việc tốt nhất khi tần số cộng hưởng của hệ bằng tần số cộng hưởng của bộ chuyển đổi là 25 kHz. Sai số về vật liệu, chế tạo, lắp ráp sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng thực của cả hệ thống. Do vậy, cần tiến hành hiệu chỉnh hệ thống sao cho tần số cộng hưởng thực của hệ gần sát với tần số cộng hưởng thiết kế.
Phương pháp thông dụng nhất được sử dụng để xác định tần số cộng hưởng của hệ thống rung siêu âm là đo trở kháng của hệ bằng thiết bị phân tích trở kháng chuyên dụng. Các thiết bị phân tích trở kháng rất đắt tiền do tích hợp thêm nhiều chức năng. Chẳng hạn thiết bị Hioki IM7581-01 có giá khoảng khoảng 300 triệu VNĐ. Do vậy, nghiên cứu này sử dụng một giải pháp tiết kiệm hơn, để đo trở kháng dựa trên nguyên lý đo cơ bản, sau đó phân tích và tính tốn xác định tần số cộng hưởng. Kết quả sau đó được so sánh kiểm chứng với thiết bị phân tích trở kháng chuyên dụng.
3.4.2 Đo kiểm bằng thiết bị phân tích trở kháng
Thiết bị phân tích trở kháng (Impedance analyzer) là dụng cụ đo các đặc tính: trở kháng-tần số, pha-tần số. Thiết bị này thường được sử dụng để xác định trở kháng cho
các đối tượng có điện trở phức tạp. Hiện nay, thiết bị phân tích trở kháng đã được thương mại hóa, có khả năng đo trong dải tần số rộng từ 1 kHz đến MKHz, trở kháng từ 0.1 Ω đến MΩ, thông số đo đa dạng và có thể kết nối với máy tính.
Hình 3.12 Đo kiểm bằng thiết bị phân tích trở kháng
Trong nghiên cứu này, đặc tính trở kháng-tần số kích thích của cơ cấu rung siêu âm trợ giúp khoan được phân tích trên máy HIOKI3532-50 LCR (hình 3.12) đặt tại khoa Vật lí, trường ĐHKH Huế. Thơng số kĩ thuật của máy được cho trong bảng 3.3.
Bảng 3. 3 Thông số kĩ thuật của thiết bị phân tích trở kháng
Model, Xuất xứ Hioki 3532-50 LRC, Nhật Bản
Giải đo 100 mΩ÷100 MΩ
Mức trở kháng đo |Z| 10,00 mΩ ÷ 200,00 MΩ Độ chính xác |Z| ± 0,08% rdg, θ: ± 0,05°
Tần số nguồn 42 Hz÷5 MHz (bước điều chỉnh 0,1 Hz÷1 kHz) Cấp độ tín hiệu đo 10mV÷5V (1MHz), 50mV÷1V (1MHz÷5MHz)
Hình 3.13 Phổ trở kháng của cơ cấu rung phân tích bằng thiết bị HIOKI3532-50 LCR
Hình 3.13 minh họa kết quả một lần đo kiểm. Có thể thấy, cách thức đo kiểm xác định tần số cộng hưởng được thực hiện khá đơn giản, nhưng yêu cầu sử dụng thiết bị
đắt tiền. Thiết bị dạng này hiện khơng sẵn có tại nhiều cơ sở nghiên cứu, do vậy cần tìm kiếm giải pháp đo kiểm khả thi hơn. Phần dưới đây sẽ trình bày giải pháp này.
3.4.3 Đo kiểm bằng thiết bị hiện sóng số
Thiết bị hiện sóng số là một thiết bị có các chức năng tương tự các máy hiện sóng (Oscilloscope). Điểm khác biệt là thiết bị này tận dụng được bộ xử lý và màn hình máy tính nên nhiều chức năng được bổ sung và tiện dụng hơn, cụ thể là:
Tích hợp chức năng phát nguồn kích thích điện áp nhỏ tương tự các máy phát hàm; Tự động thay đổi tần số nguồn kích thích với phạm vi và bước tùy chọn;
Hiển thị và thu thập tín hiệu điện áp vào trên màn hình máy tính và ghi lại dữ liệu kết quả dưới dạng file text thông qua giao diện phần mềm đi kèm;
Kết nối và điều khiển bằng máy tính nhờ các mơ đun phần mềm thứ ba.
Hình 3.14 là ảnh chụp của thiết bị hiện sóng có chức năng kết nối với máy tính qua cổng USB, thông số kĩ thuật của thiết bị được cho trong bảng 3.4.
Hình 3.14 Thiết bị hiện sóng PicoScope Bảng 3.4 Thơng số của thiết bị hiện sóng số PicoScope Bảng 3.4 Thơng số của thiết bị hiện sóng số PicoScope
Model, Xuất xứ Pico 2204A, Anh quốc
Số kênh nhận tín hiệu 2
Tốc độ lấy mẫu 100 MS/s
Tốc độ xử lý 35 ns
Độ phân giải 8 bits
Dạng tín hiệu xuất ra Sin, nửa Sin, vng, tam giác v.v. Tần số ra 100 kHz, bước điều chỉnh 0,02 Hz Điện áp vào; điện áp ra ±20 V; ±2 V
Thiết bị hiện sóng Pico 2204A được chọn để đo tần số cộng hưởng của hệ thống rung siêu âm trong nghiên cứu này do đáp ứng các yêu cầu và phạm vi đo, giá bán thấp (khoảng 200USD). Tần số cộng hưởng được xác định dựa trên nguyên lý đo I-V [113], tiến trình đo thực hiện như sau:
Đấu nối hệ thống rung với điện trở thuần theo nguyên lý đo I-V; Kích thích hệ thống rung bằng nguồn điện áp ra của PicoScope;
Sử dụng mô đun phần mềm FRA4PS được viết riêng cho thiết bị dạng này để vẽ biểu đồ Bode, xác lập quan hệ giữa hệ số khuếch đại và tần số kích thích;
Lưu dữ liệu của biểu đồ Bode, tính tốn suy ra quan hệ trở kháng-tần số kích thích;
Xác định giá trị tần số cộng hưởng tại điểm cực trị của trở kháng. Nguyên lý đo trở kháng kiểu I-V được minh họa trên hình 3.15.
Hình 3.15 Sơ đồ đo trở kháng theo nguyên lý I-V
Trên hình 3.15, điện trở phụ Rref được mắc nối tiếp với thiết bị cần đo trở kháng (DUT- Device Under Test) có trở kháng cần đo là Zx. Giá trị điện áp nguồn VA1 và điện áp rơi trên thiết bị cần đo VA2 được đo liên tục. Góc pha giữa VA1 và VA2 chính là góc pha giữa điện áp và dịng đi qua thiết bị cần đo. Nguồn kích thích có tần số thay đổi liên tục. Trở kháng của DUT ở một thời điểm bất kỳ được xác định theo công thức sau:
2 1 1 2 2 A ref X 2 2 A A A A V R Z V 2V V cos V (3.19)
Trong đó: Rref là giá trị điện trở phụ, là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện đi qua thiết bị cần đo. Tập hợp dữ liệu thu thập được sẽ cho phép dựng đồ thị trở kháng phụ thuộc tần số kích thích, từ đó xác định được điểm cộng hưởng.
Phần mềm FRA4PS cho phép tự động thay đổi tần số nguồn kích thích, ghi nhận các giá trị tần số này và các giá trị điện áp tương ứng, tự động tính các giá trị góc pha .
Biểu đồ Bode là một dạng đồ thị mô tả ứng xử của hệ thống được khảo sát khi tần số kích thích thay đổi. Biểu đồ Bode thơng thường gồm hai đường đồ thị có trục hồnh là tần số kích thích, một đường biểu diễn tỷ số giữa biên độ ra và biên độ kích thích của tín hiệu, một đồ thị biểu diễn góc lệch pha của tín hiệu ra so với tín hiệu gốc. Tỷ lệ giữa biên độ tín hiệu ra và biên độ đưa vào gọi là hệ số khuếch đại G, thường được đo bằng đề-xi-ben (dB) và quy đổi theo quan hệ sau:
out in V G 20 log (dB) V (3.20)
Hình 3.16 Biểu đồ Bode được vẽ bằng phần mềm FRA4PS
Hình 3.16 mơ tả biểu đồ Bode, trục tung bên trái biểu diễn giá trị hệ số khuếch đại (Gain) G đo bằng dB, trục tung bên phải biểu diễn góc pha (Phase) đo bằng độ (degrees). Trục hồnh biểu diễn tần số kích thích (Frequency) trên thang đo logarit cơ số 10. Phần mềm FRA4PS cho phép lưu dữ liệu về các giá trị hệ số khuếch đại G, góc pha và logarit cơ số 10 của tần số kích thích tương ứng. Dựa vào các dữ liệu này để xác định giá trị trở kháng tương ứng với từng tần số kích thích như dưới đây.
Đặt out G 20 in
V
K 10
V
, Vout = V2, Vin = V1, công thức (2.19) được viết lại như sau:
2 ref 2 A2 A2 A1 2 A1 ref A2 X K 2Kcosθ 1 KR V cosθ V 2V V R V Z (3.21)
Bảng số liệu các giá trị log(f), G và được xử lý để chuyển đổi thành các giá trị tần số kích thích f và trở kháng Zx. Phần mềm xử lý số liệu OriginLab® 2017 được sử
dụng để giải quyết vấn đề này. Trên hình 3.17, các cột A, B và C lần lượt chứa số liệu logarit tần số (Frequency Log(Hz)), hệ số khuếch đại (Gain) và góc pha (Phase). Các cột từ D đến H là kết quả tính tốn được điền tự động từ cơng thức được nhập.
Hình 3.17 Ví dụ xử lý số liệu bằng phần mềm OriginLab
Cách xác định tần số cộng hưởng cho hệ thống rung được thực hiện như sau: đấu nối mạch như sơ đồ hình 3.15, lần lượt đấu các cực VA1 và VA2 với các kênh A và B trên PicoScope, kích thích mạch bằng nguồn phát AWG của PicoScope, chạy phần mềm FRA4PS, thiết lập khoảng [min, max] và số bước cho dải tần số cần quét, xuất dữ liệu sang phần mềm OriginLab, tính Zx theo công thức (3.21) và vẽ đồ thị quan hệ trở kháng- tần số. Đồ thị hình 3.18 mơ tả quan hệ trở kháng-tần số thu được sau khi đo.
Hình 3.18 Phổ trở kháng của bộ chuyển đổi được phân tích bằng phần mềm Originlab