Chương 2. Các nguyên lý chuyển đổi vμ khuếch đại
2.2. Chuyển đổi cơ khí và các phương pháp khuếch đại cơ khí
2.2.2. Các phương pháp khuếch đại cơ khí
Truyền động nêm đ−ợc dùng phổ biến trong các dụng cụ đo lỗ nhằm biến chuyển vị ngang (kích th−ớc lỗ) thành chuyển vị dọc của trục đo hoặc trong các bộ phận máy để biến đổi phương của chuyển vị, dùng kiểm tra chỉ thị của đồng hồ, độ nhạy của các chuyển đổi điện.
S
δ S
δ α/2
a) b) c)
Hình 2-6. Truyền động nêm.
Tỷ số truyền của nêm do góc nêm quyết định.
cot α2
δ g
K S = Δ
= Δ .
Trong đó α là góc nêm. Khi α giảm thì K tăng nhưng thông thường dùng trong phạm vi nhất định vì khi α lớn hoặc bé quá sẽ gây nên sai số do tr−ợt. Tuỳ theo vật liệu chế tạo có thể tính đ−ợc góc sử dụng giới hạn của nêm qua hệ số ma sát.
H×nh 2-6
Trên biểu diễn một vài kết cấu chân đồng hồ đo lỗ nhỏ. Kiểu (a) dùng cho lỗ nhỏ th−ờng; kiểu (b) dùng đo lỗ φ>3; kiểu (c) dùng đo lỗ φ<3.
Hình 2-7 mô tả thí nghiệm kiểm tra liên tục chỉ thị của đồng hồ hoặc chuyển đổi điện tiếp xúc trên kính hiển vi dụng cụ vạn năng. Đồng hồ đ−ợc gắn với giá máy, đầu đo tiếp xúc với th−ớc sin gắn trên bảng tr−ợt dọc-di chuyển dọc
đọc số nhờ kính hiển vi 2.
Hình 2-7. Thí nghiệm kiểm tra liên tục chỉ thị đồng hồ.
b. Truyền động đòn bẩy
D−ới tác dụng của lực đo P các điểm A sẽ dịch tới A', B tới B''. Ta có hệ số khuếch đại của chuyển vị nh− sau:
a b OA OB s
K = S = =
Hình 2-8. Truyền động đòn bẩy.
Độ chênh lệch của OA và OB càng lớn thì K càng lớn.
B'
s P
B
a b
A'
0 A
S
2 1
3
Để cho gọn, kết cấu thực của các cánh tay đòn bẩy thường tạo với nhau một góc nhất định. Hệ số khuếch đại (tỷ số truyền đơn) không phụ thuộc vào góc giữa 2 cánh tay đòn mà chỉ phụ thuộc vào độ lớn của 2 đòn.
Để tăng K người ta tìm các biện pháp để giảm a đến mức bé nhất, trong minhimét có thể đạt a' = 0,01mm, b= 10mm do đó K = 103.
c. Truyền động kiểu ăn khớp
Trong máy đo, phổ biến là loại đồng hồ 0,01mm hoặc 0,001mm người ta dùng nhiều truyền động kiểu ăn khớp nh− bánh răng-thanh răng, vít-đai ốc, kết hợp bộ truyền ăn khớp với bộ truyền đòn.
Hình 2-9. Sơ đồ của đồng hồ 0,01mm phổ thông.
Z Z
Z R
3 2
1
R r
L
r2
R2 R1
L r1
a
a
a) b)
c)
Hình 2-10. Truyền động kiểu ăn khớp kết hợp truyền đòn.
Hình 2-9 là sơ đồ của đồng hồ 0,01 phổ thông. Thanh răng đ−ợc chế tạo ngay trên trục đo. Khi trục đo di chuyển sẽ làm quay Z2, Z3, Z1 và kim R quay chỉ thị chuyển vị trên bảng chia. Tỷ số truyền của đồng hồ là:
2 3 1 2 3 1
2 2
Z Z tZ
R Z
Z mZ
K = R × = π ×
với: t là b−ớc răng, m là môđun của bánh răng.
Tuỳ theo yêu cầu của K mà bố trí số răng Z1, Z2, Z3 cho hợp lý. Cũng có thể tăng K bằng cách tăng cấp truyền. Nhưng nói chung người ta chỉ dùng đến hai cấp là cùng vì bánh răng chế tạo rất khó chính xác, chúng có sai số tích luỹ, bởi thế nếu tăng nhiều cấp truyền sai số đo sẽ rất lớn. Th−ờng ng−ời ta tăng K bằng cách kết hợp thêm bộ truyền đòn, lúc này K = K1. K2.(Hình 2-10).
Hình 2-11. Sơ đồ nguyên lý của panme.
Khi ta quay nắm quay 1 đi một vòng, trục vít sẽ dịch chuyển một b−ớc vít. Tỷ số truyền sẽ là:
t K ×D
=π
Hình 2-11 biểu diễn sơ đồ nguyên tắc của pame, là một dụng cụ đo ứng dụng nguyên lý truyền động ăn khớp vít đai ốc. Kết cấu này đ−ợc dùng nhiều trong máy đo như thước panme đo, panme đo của một số máy có giá trị chia đến 0,002mm nh− hiển vi dụng cụ, dùng làm panme dịch chuyển cho thị kính panme, bàn đo của hiển vi vạn năng...
3
t1 1
t2 2
D
1
t
1
Muốn tăng K có thể thực hiện theo hai ph−ơng án: tăng D hoặc giảm t. Phổ biến dùng t= 0,5mm, đạt giá trị chia 0,01 (tỷ số truyền K = 100x). Việc tăng D nói chung trong thiết kế ít dùng, ví dụ panme của kính hiển vi dụng cụ và hiển vi vạn năng dùng D lớn (D =48, t=0,75 để
đạt a = 0,005 với K=200x), còn việc giảm t nói chung bị hạn chế bởi sai số chế tạo ren. Thông th−ờng chỉ dùng t = 0,5mm. Nếu muốn t nhỏ hơn nữa ng−ời ta dùng cặp vít vi sai.
Hình 2-12. Sơ đồ nguyên lý vít vi sai.
Hình 2-12 biểu diễn nguyên tắc làm việc của vít vi sai: Trục vít có 2 loại b−ớc vít t1≠t2 cắt cùng chiều khi quay nắm 1 một vòng, trục vít tiến lên một đoạn t1, trong khi đó bạc mang đai ốc và đầu đo sẽ tiến lên t2. Bước tiến chung của hệ
(b−ớc tiến thực tế của đầu đo) là t = t1 - t2. Nh− thế t1 và t2 có thể cắt tuỳ ý vẫn
đảm bảo t yêu cầu. Tuy vậy t không thể nhỏ tuỳ ý đ−ợc bởi sai số chế tạo của t1 và t2 là Δ(t1- t2)= Δt12 +Δt22 có thể lớn hơn cả t yêu cầu.
l
r
A A1
A1'
b ϕ
a
R s
α
Hình 2-13. Nguyên lý truyền động ăn khớp vít-đai ốc.
Kết cấu này có −u điểm là có thể cho ta những di chuyển rất nhỏ nh−ng ít dùng làm bộ phận đo vì phạm vi đo nhỏ và sai số chỉ thị lớn. Th−ờng chỉ dùng trong các kết cấu dịch chuyển nhỏ, còn việc đo do bộ phận khác đảm nhiệm.
Hình 2-13 là sơ đồ của đồng hồ 0,01mm kiểu ứng dụng nguyên lý truyền
động ăn khớp vít - đai ốc: nếu trục vít quay tại chỗ thì đai ốc sẽ tịnh tiến. Bây giờ nếu ta để trục vít trên hai trục quay, tác dụng lực buộc đai ốc tịnh tiến, thì trục vít phải quay đi góc tương ứng. Đó là nguyên tắc làm việc của đồng hồ trục vít. Để dễ chế tạo và để giảm ma sát và tăng độ linh hoạt cho máy đo người ta dùng đai ốc.
Tỷ số truyền trong tr−ờng hợp này là : s
l a R× π
2 K =
Máy có tồn tại sai số nguyên lý. Đáng lẽ điểm A dịch đến A1 phải trên
đường trục, do chuyển động tịnh tiến nhỏ của đai ốc được thay bằng chuyển động quay với ϕ nhỏ của chốt tỳ trên đầu đòn bẩy nên A dịch đến thấp hơn A1 đoạn b gây thêm sai số góc quay Δα cho trục vít (kim chỉ thị).
'
A1
) 2 cos 1 (
2'
ϕ Rϕ R
b= − ≈
r ≈ b
2 ϕ2
r ×
Δα=arcsin arcsin(R )
Nhìn vào công thức Δα ta thấy rằng nếu góc quay ϕ càng lớn (phạm vi đo) thì sai số góc quay Δα (sai số chỉ thị sẽ càng lớn rất nhanh-tỷ lệ với ϕ2) vì thế người ta dùng hành trình hạn chế với góc chừng vài độ.
Loại th−ờng dùng có trục vít d2 = 1,6 mm; S = 3,5; a= 9,0; R = 45; l = 12 ta có tỷ số truyền K = 100 và c = 0,01mm.
d. Truyền động kiểu lò xo
Lợi dụng tính chất biến dạng đàn hồi của lò xo người ta thiết kế ra các dụng cụ đo dùng truyền động đàn hồi để thực hiện khuếch đại tín hiệu. Loại dụng cụ
đo này có rất nhiều −u điểm:
• Nhỏ gọn chắc chắn.
• Có thể điều chỉnh tỷ số truyền bằng cách thay
đổi độ cứng của lò xo.
1 2 3 4
• Không có ma sát ngoài nên không tốn năng l−ợng và không có hành tr×nh chÕt.
• Độ ổn định khá cao (ít khớp động).
Hình 2-14. Nguyên lý truyền động lò xo (đềxi katơ).
Loại dụng cụ đo dùng truyền động đàn hồi đơn giản nhất có sơ đồ nh− Hình 2-14, đó là sơ đồ của đồng hồ phần mười (đềxi katơ) có c=0,05mm phạm vi đo a=1,1mm, tû sè truyÒn K=20x.
Chi tiết cơ bản của đồng hồ là lò xo cong 3 có bán kính độ 0,3mm. Một đầu lò xo đ−ợc cố định trên vỏ máy, còn một đầu gắn với kim đo cài vào lõm côn của trục
đo. Khi trục đo di chuyển, lò xo cong sẽ quay quanh điểm cố định 2 đồng thời hình dạng lò xo cũng bị biến dạng và do đó kim quay đi một góc. Thay đổi độ dài phần cuối bị kẹp của lò xo cong có thể thay đổi tỷ số truyền của dụng cụ đo.
Loại dụng cụ đo này có nh−ợc điểm là:
• Quan hệ giữa di chuyển đầu đo và kim chỉ không tuyến tính.
• Tâm quay của kim không cố định.
Do hai nh−ợc điểm trên mà độ chính xác của đồng hồ không cao nên loại
đồng hồ này ngày càng ít đ−ợc sử dụng.
Hình 2-15 là sơ đồ của các dụng cụ đo ứng dụng tính biến dạng đàn hồi của lò xo phẳng. Dụng cụ này thường được dùng kết hợp trong máy đo đòn bẩy quang học và chuyển đổi điện tiếp xúc...
Dụng cụ gồm tấm chữ C số 1 và tấm di động theo trục đo số 2, tấm di động này đ−ợc treo trên vỏ máy nhờ cặp lò xo lá số 3. Cặp lò xo phẳng số 4 kẹp kim 5
đ−ợc gắn một đầu lên tấm 1 và một đầu lên tấm di động 2. Khi trục đo di chuyển cặp lò xo 4 một bị nén, một bị kéo làm kim 5 quay đi một góc. Riêng bộ phận này có thể đạt tỷ số truyền K =120x.
Để nâng cao độ chính xác của dụng cụ đo (tăng K) người ta kết hợp sơ đồ trên với một hệ quang để lợi dụng độ phóng đại quang đạt mục đích tăng tỷ số truyền, có thể đạt K = 1200x, thậm chí có thể đến K=20000x đó là các đồng hồ
đo Micrôzil.
Hình 2-16 là sơ đồ micrôkatơ. Nhờ ứng dụng tính chất đàn hồi của lò xo, máy đo đạt được độ chính xác rất cao đến phần mười hoặc phần trăm micrômét.
Hình 2-15. ứng dụng biến dạng
đàn hồi lò xo phẳng.
Hình 2-16. Sơ đồ ứng dụng lò xo xoắn.
Nguyên tắc làm việc của máy đo nh− sau:
Lò xo lá số 1 có tiết diện chữ nhật, khá mỏng (0,004mm ữ 0,008mm) rộng
độ 0,080 ữ 0,150mm, dài độ 30 ữ40mm, trường hợp đặc biệt tiết diện dày 0,0025
1 2
3 3 4 5
2 1
3
5 4 6 l
7
a b 8
ữ0,0045 và rộng 0,060ữ0,120. Từ bộ phận trung gian số 8 trở ra 2 đầu, lò xo đ−ợc xoắn trái chiều nhau với góc xoắn ban đầu độ 3000ữ40000. Một đầu lò xo gắn với giá máy 2, đầu kia gắn trên ổ đàn hồi số 3. Khi trục đo 4 dịch chuyển sẽ làm ổ chữ thập đàn hồi 3 quay, ổ quay làm lò xo số 1 bị kéo căng và bị dãn dài, các
điểm trên chiều rộng lò xo sẽ phải quay một góc nhất định quanh trục (lúc đó là
đ−ờng trung hoà) bởi thế kim chỉ số 6 đ−ợc gắn trên trung tâm số 8 bị xoay đi mét gãc.
Tuỳ theo kết cấu thiết kế của lò xo (chiều dầy, dài, rộng, góc xoắn ban đầu, bước xoắn) mà ta biết được đặc tính biến dạng của nó, phản ánh qua góc xoay θ trên độ dãn dài t. Chỉ tiêu θ/t quyết định hệ số khuếch đại của máy.
a b t l ×θ × π
3600
2 Hệ số khuếch đại: K =
t l θ π × 3600
Th−ờng dùng a = b nên K = 2
Thông th−ờng t = 0,01mm nên K phụ thuộc vào l và θ. Trong micrôkatơ
thường dùng θ=540, do đó K = 94,2xl. Với l = 53,02 thì K = 5000x.
Hệ số khuếch đại thường có thể đạt K =52000x hoặc trong trường hợp thí nghiệm K = 200.000x.
Hệ số khuếch đại này phụ thuộc vào đặc tính vật liệu và đặc tính cấu tạo của lỗ xoắn, ổ lò xo chữ thập (đòn bẩy). Trong phạm vi nhất định của biến dạng (phạm vi lực căng nhất định) ta sẽ có quan hệ giữa biến dạng và góc xoắn là tuyến tính. Dụng cụ đo này có −u điểm là hoàn toàn loại trừ ma sát ngoài (nhờ dùng ổ lò xo số 5) do đó có độ ổn định cao.
e. Kết hợp truyền động đòn với nivô
Nivô là một dụng cụ đo thường được dùng để kiểm tra phẳng, độ thẳng góc và đặc biệt là dùng để đo các góc nhỏ.
ở đây ta dùng một nivô cong có bán kính cho trước kết hợp với truyền động
đòn để thực hiện khuếch đại - sơ đồ nguyên lý của máy nh− Hình 2-17.
Khi trục đo di chuyển ΔS đòn sẽ quay đi một góc ϕ, bọt khí trong ni vô dịch chuyển đi một đoạn C = Rϕ đọc đ−ợc trên vạch chia của ni vô.
ϕ ϕ L R
S C
Δ ; (ϕ ®o theo ra®ian).
Tû sè truyÒn tÝnh theo K = =
L R. Cuối cùng có K =
Nhìn vào công thức tính K ở trên ta thấy sơ đồ này tương đương với một số sơ đồ truyền đòn mà trong
đó R: đòn lớn; L: đòn bé. Thường bán kính cong của nivô rất lớn nên máy
đo có thể đạt đ−ợc khuếch đại khá
lớn. Th−ờng giá trị chia trên ni vô từ 1ữ2μm, khoảng chia là 2mm. Nếu lấy c=2μm, a=2mm, R=206mm, L=100mm th× K = 2000x.
C
S
S R
L
ϕ
Hình 2-17. Truyền động đòn kết hợp nivô.
ứng dụng nguyên tắc này có thể thiết kế đ−ợc các máy đo có hệ số khuếch đại lớn song do chúng rất nhạy với chấn động và nhiệt độ nên việc sử dụng có bị hạn chế.