CHƯƠNG 3 NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ
3.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.2.2 Thiết kế dây hợp kim nhớ hình dạng
3.2.2.1 Giới thiệu về dây hợp kim nhớ hình dạng Flexinol
Dây hợp kim Flexinol® NiTinhớ hình dạng (Hình 3.5) là tên thương mại cho một loại dây hợp kim nhớ hình dạng dùng làm thiết bị với cơ cấu chấp hình tạo ra lực tác động kéo của công ty Dynalloy, Inc, USA. Dây Flexinol được làm bằng hợp kim
(a)
(b) (c)
Đơn vị: mm
d a
b
c
ϕe
Kích thước Khoảng cho phép (mm) Giá trị lựa chọn cho thiết kế (mm)
a 2,3 đến 2,6 2,5
b 2,3 đến 2,6 2,5
c 14 đến 18 18
d 6 đến 7 6,3
ϕe 1,3 đến 1,6 1.5
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 33 Nickel và Titanium (Nitinol). Dây có đường kính nhỏ (từ 0,025mm đến 0,5mm) có thể rút ngắn từ lại khoảng từ 2% đến 5% so với chiều dài của nókhi điều khiển bằng điện hoặc đun nóng. Khả năng rút ngắn là một tính chất đặc trưng quan trọng của loại dây hợp kim nhớ hình này cho các ứng dụng truyền động donó có thể chuyển đổi cấu trúc bên trong khi ở một nhiệt độ nhất định. Dây Flexinol thương mại thường được gia công, xử lý nhiệt đặc biệt nhằm hạn chế hiện tượng mất khả năng nhớ do nhiệt độ hoặc áp suất vượt quá giới hạn.
Hình 3.5: Dây hợp kim truyền động Flexinol nhớ hình dạng [24]
Dây hợp kim Flexinol® NiTi, sản phẩm của Dynalloy Inc được chọn để sử dụng truyền động cho chấm chữ nổi vì dây Flexinol là một sản phẩm dây thương mại phổ biến hiện nay, có chi phí thấp với giá 27,5 USD cho 5 Mét dây và có khả giảm thiểu tối đa sự hao mòn khả năng nhớ hình dạng của SMA nhờ đó có tuổi thọ cao với chu kỳ nhớ tối thiểu là một triệu chu kỳ (tức là co lại và trở về hình dạng, chiều dài ban đầu hơn một triệu lần).
Hình 3.6 thể hiện khả năng dây rút ngắn từ lại khoảng từ 2% đến 5% so với chiều dài của nó khi được làm nóng. Thông thường có hai phương pháp làm nóng dây Flexinol chủ yếu là đun nóng (bằng lửa hoặc nước nóng) và một phương pháp thường được sử dụng nhiều trong các ứng dụng là sử dụng dòng điện để cấp cho dây (do dây có nội trở riêng nên nó được xem như một điện trở). Khi ở trạng thái không chịu tải cơ học, nhiệt độ thấp (nhiệt độ phòng) dây có chiều dài là . Khi làm nóng, dây sẽ co rút lại một đoạn ∆ với độ biến dạng của dây là (strain, đơn vị %), độ biến dạng có giá trị tối đa gần 5% (đường số 1 ở Hình 3.6). Khi ngừng làm nóng, nhiệt độ trên dây giảm xuống, dây sẽ dãn ra lại để trở về hình dạng ban đầu có độ dài . Quá trình phục hồi hình dạng (độ dài ban đầu) xảy ra hiện tượng trễ do độ biến dạng của dây biến thiên
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 34 theo đường số 2 ở Hình 3.6. Các thông số kỹ thuật cơ bản của dây Flexinol sử dụng trong thiết kế được trình bày trong Bảng 3.1.
Hình 3.6: Độ biến dạng của dây Flexinol dưới tác động của nhiệt độ [24]
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật cơ bản của dây Flexinol được sử dụng trong thiết kế
Thông số Giá trị
Đường kính (mm) 0.076
Điện trở tuyến tính (Ω/m) 232
Dòng điện kích hoạt (mA) 150
Nhiệt độ bắt đầu pha austenite(oC) 88 Nhiệt độ bắt kết thúc pha austenite(oC) 98 Nhiệt độ bắt đầu pha martensite(oC) 72 Nhiệt độ bắt kết thúc pha martensite(oC) 62 Lực kéo ở pha austenite (N) 0.8 Lực căng ở pha martensite (N) 0.32
3.2.2.2 Cấu tạo của một chấm nổi
Hình 3.7 và Hình 3.8 cho thấy một sơ đồ cấu tạo của của một chấm nổi trong thiết kế.
Trong đó bao gồm các chi tiết:
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 35 Đầu chấm nổi là phần tiếp xúc trực tiếp với xúc giác người sử dụng. Đầu chấm nổi được ghép nối trực tiếp vào trục truyền động chấm nổi và có thanh chắn vào lo xo nhằm để nén lò xo khi dây SMA co rút lại, đầu chấm nổi có kích thước như Hình 3.
nhằm đảm bảo quy định kích thước của một chấm nổi Braille.
- Lò xo có tác dụng tạo lực đối nghịch với lực căng của dây SMAs để cân bằng với trục chấm nổi, định vị cho chấm nổi.
- Bề mặt tiếp xúc là bề mặt để phân biệt giữa chấm nổi hiển thị hoặc không hiển thị. Ngoài ra nó còn giúp người dùng đặt tay và cảm nhận chấm nổi thông qua xúc giác.
Hình 3.7 : Cấu hình một chấm nổi
Hình 3.8: Hình dạng và kích thước của một đầu chấm nổi
Trục chấm nổi và lò xo
Bề mặt cố định chịu lực Bề mặt tiếp xúc Đầu chấm nổi
Bề mặt cố định để mở rộng kết nối với board mạch Dây SMA
Móc để kết nối dây SMA vào trục
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 36 - Cơ cấu sử truyền động dây hợp kim nhớ hình dạng SMA được đề xuất sử dụng một cấu hình chữ U ngược (dây SMA được gấp đôi lại xem như được hai sợi dây đơn). Với một cấu hình như vậy, tất cả các phần tử mở rộng kết nối dây SMA được đặt trên một mặt phẳng cố định, đơn giản hóa việc kết nối điện.
Hơn nữa, nó cho phép các dây có thể kết nối đến cơ cấu trục chuyển động, giúp dễ dàng lắp ráp và tháo gỡ để thay thế và sửa chữa khi dây SMA bị hao mòn khả năng nhớ.
3.2.2.3 Định nghĩa một số khái niệm trong quá trình truyền động của dây SMA - Trạng thái ON của chấm nổi: tương ứng với khi vị trí chấm nổi ở phía trênbề
mặt tiếp xúc và người sử dụng có thể cảm nhận được bằng xúc giác.
- Trạng thái OFF của chấm nổi: tương ứng với khi vị trí chấm nổi ở phía dưới bề mặt tiếp xúc và người sử dụng không thể cảm nhận được bằng xúc giác.
- Chiều dài ban đầu của dây SMA là chiều dài khi dây SMA đang ở pha martensite và chưa bị biến dạng (khi dây chưa kết nối vào chi tiết trục chấm nối như ở Hình 3.7a).
- Độ biến dạng là tỷ lệ giữa độ dài biến thiên của dây SMA (do tác động bởi ứng suất cơ học hay nhiệt độ khi chuyển pha) và chiều dài ban đầu của dây.
3.2.2.4 Phân tích hoạt động của dây SMA trong thiết kế
- Khi dây SMA chưa cấp điện (Hình 3.9b), dây SMA ở pha nhiệt độ thấp (demartensite). Haiđầu dây được cố định vào bề mặt chịu lực sao cho dây có dạng hình chữ U ngược như ởHình 3.9a. Phần đầu dây gập đôi có dạng đáy chữ U được lắp vào phần kết nối với thanh dẫn động (Hình 3.9b) sao cho chấm nổi bị kéo xuống và lò xo bị biến dạng một đoạn ∆ với lực đàn hồi đ . Lúc bấy giờ, dây SMA bị biến dạng dãn một đoạn ∆ với ứng suất , chấm nổi được định vị ở trạng thái ON.
- Khi chấm nổi ở trạng thái ON và đang bị biến dạng với ứng suất , cấp một dòng điện qua dây SMA. Dòng điện cung cấp nhiệt lượng làm nóng sợi dây.Khi nhiệt độ tăng đến nhiệt độ kết thúc pha austensite, dây SMA trở về hình dạng gốc ở austenitevànó và biến dạng co lại (Hình 3.6) một khoảng ∆ .
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 37 Lúc này, ứng suất căng trên sợi dây SMA là ( > ), nên lò xo bị nén thêm một đoạn ∆ , chấm nổi chuyển sang trạng thái OFF (Hình 3.9c).
- Khi ngừng cấp điện cho dây SMA có hai trường hợp xảy ra nếu thời gian ngừng cấp điện chưa đủ làm nhiệt độ trên dây giảm xuống dưới nhiệt độ bắt đầu pha austenite, chấm nổi vẫn còn ở trạng thái OFF; ngược lại thời gian ngừng cấp điện làm nhiệt độ trên dây giảm xuống dưới nhiệt độ bắt đầu pha austenite, chấm nổi chuyển về trạng thái ON.
Hình 3.9: Một chấm nổi khi (a) dây SMA chưa kết nối với chấm nổi, (b) chấm nổi ở trạng thái ON (không có dòng điện qua dây), (c) chấm nổi ở trạng thái OFF (có dòng
điện qua dây).
3.2.2.5 Xác định chiều dài tự nhiên dây SMA cần thiết để truyền động cho chấm nổi.
Ở Hình 3.9b, ta thấy lực căng của SMA ở pha nhiệt độ thấp (martensite) tác động làm lò xo bị biến dạng nén lại một khoảng ∆ nên lực đàn hồi đ cân bằng với lực căng dây . Ta có:
(a) (b) (c)
Bề mặt cố định chịu lực
Bề mặt mở rộng kết nối điện
Bề mặt tiếp xúc
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 38
đ =
⇔ ∆ =
⇔ = ∆
(3.1)
Trong đó:
- K là độ cứng của lò xo được sử dụng.
- ∆ là khoảng biến thiên ban đầu khi lò xo bị nén đo được.
- là tiết diện của dây SMA được sử dụng với đường kính 0,076mm.
- = 2 là số lượng dây SMA được sử dụng (do dây SMA trong cấu hình được gấp đôi lại).
- là ứng suất căng trên dây SMA ở pha martensite (nhiệt độ thấp).
- Đoạn ∆ trong thiết kế được xác định từ chiều cao ban đầu của chấm nổi là
= 2 . Để đúng theo quy định tiêu chuẩn chiều cao chấm nổi là 0,8mm (được đề cập ở Hình 3.4), do vậy ∆ = − 0,8 = 1,2 mm.
Khi một dây SMA được cấp điện (Hình 3.9c), dây SMA nóng lên chuyển sang pha nhiệt độ cao (austenite) vàco lại với một lực phục hồi làm lò xo bị nén thêm một đoạn ∆ . nên lực đàn hồi đ cân bằng với lực căng dây . Ta có phương trình cân bằng lực:
đ =
⇔ (∆ + ∆ ) =
⇔ = (∆ + ∆ )
(3.2)
Trong đó:
- ∆ là khoảng dịch chuyển của lò xo mong muốn khi SMA được cấp điện.
- là ứng suất căng của dây SMA ở pha austenite (nhiệt độ cao).
- Đoạn ∆ trong thiết kế là khoảng dịch chuyển mong muốn để hạ chấm nổi xuống dưới bề mặt tiếp xúc hay∆ > 0,8 . Chọn ∆ = 1 mm để đảm bảo khi ở trạng thái OFF, chấm nổi hoàn toàn nằm dưới bề mặt tiếp xúc.
Từ công thức (1) và (2) và giá trị các tham số ở Bảng 3.2, ta tính được = 85,52 MPa; = 156,79 MPa.
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 39 Để cảm nhận chấm nổi tốt bằng xúc giác,lực đ cần phải lớn hơn lực tác động của tay người sử dụng sờ vào chấm nổi.Do lực tay tác động của tay người lên màn hình chữ nổi Braille thông thường vào khoảng 0,25 [10], lò xo cần được lựa chọn có độ cứng phù hợp để đ > 0,25 .
Bảng 3.2: Các thông số cơ học của dây SMA và lò xo trong thiết kế.
Tham số Giá trị 28 GPa 75 GPa 22 GPa
Ω 400 MPa
K 0,63 N/mm
4,42. 10
∆ 1,2 mm
∆ 1 mm
Chiều dài tự nhiên của dây SMA có thể được xác định bằng công thức sau:
∆ = ∆ + ∆ = (| | + | |)
⇔ = ∆
| | + | | (3.3) Với:
- là chiều dài tự nhiên của dây SMA.
- ∆ là độ dài biến thiên của dây SMA ở nhiệt độ thấp.
- độ biến dạng của cả dây SMA ở nhiệt độ thấp.
- ∆ là độ dài biến thiên của dây SMA ở nhiệt độ cao.
- độ biến dạng của dây SMA ở nhiệt độ cao.
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 40 Trong thí nghiệm của Briggs và Ostrowski [23], độ biến dạng của dây SMA khi chịu một ứng suất tải và trong pha nhất định được xác định theo công thức sau:
= 1
+ 1
− 1
+Ω
( − 1) (3.4)
Trong đó:
- là độ biến dạng của dây SMA.
- là module suất đàn hồi (Young’s Modulus) của dây SMA ở pha martensite nhiệt độ thấp.
- là giá trị module suất đàn hồi của dây SMA ở pha austesite nhiệt độ cao.
- là ứng suất tác động lên dây tại một thời điểm bất kỳ.
- = ( + ) là là giá trị module suất đàn hồi trung của dây SMA.
- Ω là ứng suất tối đa của dây SMA khi phục hồi hình dạng gốc.
- là đại lượng đặc trưng cho mức độ chuyển đổi pha của dây SMA, khi dây SMA hoàn toàn ở pha martensite = 1, ngược lại khi SMA hoàn toàn ở pha austenite
= 0.
Khi dây SMA chưa cấp điện, dây tồn tại ở pha martensite nhiệt độ thấp, khi đó dây chịu một ứng suất 185,52MPa và 1, ta có độ biến dạng:
= = 0,3% (3.5)
Sau đó, khi dây SMA được cấp điện một khoảng thời gian đủ lâu, dây nóng lên và chuyển sang pha austenite (nhiệt độ cao). Khi đó dây chịu một ứng suất = 156,79MPa và = 0. Dây có độ biến dạng:
= −Ω
= −1,82% < 0 (3.6)
Dấu âm trong giá trị của biểu diễn cho chiều biến dạng của dây SMA là co lại, ngược lại với biến dạng giãn ra trước đó ( > 0).
Từ công thức (3.3), (3.5) và (3.6), chiều dài tự nhiên của dây SMA cần cho thiết kế là:
= ∆
| | + | |= 1
0.0212= 47,2mm
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 41 3.2.2.6 Điều khiển chấm nổi nổi bằng PWM
Nếu dây SMA được dùng để làm cơ cấu chấp hành trong các điều kiện nhiệt độ và ứng suất phù hợp (Bảng 3.3), cơ cấu chấp hành tác động sinh lực kéo này có thể được lặp lại với chu kì lên đến hàng chục triệu lần. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ hoặc ứng suất gây biến dạng đặt lên dây quá cao so với giới hạn sẽ khiến dây mất khả năng nhớ hình dạng cũng như các chu kỳ hoạt động nhớ hình dạng (co lại và trở về đúng chiều dài ban đầu) giảm xuống chỉ còn khoảng hàng trăm hoặc vài ngàn chu kỳ. Do đó quá trình cung cấp dòng điện để đun nóng dây Flexinol cần được tính toán để phù hợp với điều kiện hoạt động giúp nâng cao tuổi thọ cho dây SMA và hiệu suất hoạt động của thiết bị hiển thị chữ nổi Braille.
Bảng 3.3: Điều kiện hoạt động phù hợp của dây Flexinol [24]
Thông số Giá trị Nhiệt độ tối đa 300℃
Ứng suất tối đa 1000MPa
Cơ sở tính thời gian điều khiển chấm nổi:
Dây SMA là phần co cấu chấp hành cho việc tác động sinh ra lực kéo chấm nổi, dây có khả năng co rút lại khi ở nhiệt độ cao. Vì vậy, việc điều khiển chấm nổi chính là điều khiển sự hoạt động co lại của dây SMA bằng cách cấp điện theo nguyên tắc biến điệu độ rộng xung (PWM). Sơ đồ điều khiển một dây SMA bằng PWM được mô tả ở Hình 3.10.
Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển dây SMA bằng PWM
R0
PWM
V+
Q1 NPN
SMA wire W1
1 1 22
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 42 Dây Flexinol có đường kính khác nhau, nội trở cũng khác nhau. Điện trở của đoạn dây SMA sử dụng trong thiết kế được tính như sau:
= (3.7) Trong đó:
- là nội trở tuyến tính, do nhà sản xuất cung cấp.
- là chiều dài tự nhiên của dây SMA sử dụng (đã được tính trong nội dung mục 3.2.2.5 về “Xác định chiều dài tự nhiên dây SMA cần thiết để truyền động cho chấm nổi”)
Điện trở hạn dòng cho R0 trong Hình 3.10 được tính như sau:
= − (3.8)
Trong đó:
- V là điện thế cung cấp.
- I là dòng điện định mức đi qua dây SMA.
Do trên dây có một giá trị nội trở nhất định nên quá trình tỏa nhiệt trên dây SMA tuân theo định luật Jun-len-xơ:
ỏ = (3.9) Trong đó:
- là điện trở của đoạn dây SMA sử dụng.
- I là dòng điện đi qua dây.
- t là thời gian cung cấp dòng điện.
Lượng nhiệt tỏa ra do dòng điện sẽ cung cấp trực tiếp cho dây, làm cho dây SMA nóng lên, chuyển pha, thay đổi hình dạng. Phần nhiệt dây SMA thu vào được tính theo công thức:
= ∆ (3.10) Với:
- m là khối lượng của dây SMA sử dụng - c là nhiệt dung riêng của dây SMA.
- Δ là khoảng nhiệt độ biến thiên.
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 43 Khối lượng dây được tính dựa vào chiều dài dây sử dụng và khối lượng riêng của dây SMA:
= = (3.11) Trong đó:
- là khối lượng riêng của dây SMA.
- là tiết diện dây sử dụng có đường kính 0.076mm.
- là chiều dài tự nhiên của dây SMA sử dụng (đã được tính toán ở phần trên).
- là thể tích dây SMA sử dụng.
Do nhiệt lượng tỏa ra từ việc đốt nóng dây SMA bằng dòng điện trên được chính sợi dây hấp thụ vào. Dựa vào công thức (2.8) và (2.9), ta tính được thời gian t cần thiết để làm nóng dây đạt đến nhiệt độ mong muốn với dòng điện cung cấp:
Qtỏa = Qthu
⇔ R I t = mcΔ + ℎ ΔT
⇔ = mcΔ
R I = 0,42√Δ ( ) (3.12)
Bảng 3.4: Giá trị các thông số kỹ thuật của dây Flexinol đường kính 0.076mm [25].
Tham số Giá trị 232Ω/
I 150 mA
4,42 . 10 6.45g/cm3
m 1,34 . 10
c 0,32 J/g.℃
Điều khiển vị trí chấm nổi bằng PWM:
- Điều khiển chính xác vị trí cho các phần tử SMA làm chấp hành tác động nâng hạ chấm nổi không phải là điều cần thiết cho một thiết bị hiển thị màn hình chữ nổi [9]. Vấn đề quan tâm là điều khiển tương đối vị trí chấm nổi đến vị trí ON (tương ứng với trạng thái ON) và vị trí OFF (tương ứng với trạng thái OFF). Do đó, giữa
SVTH: Huỳnh Thế Hiển 44 hai vị trí ON và OFF trong thiết kế có một khoảng ∆ = 0,2 bù cho khoảng sai số do quá trình điều khiển nhiệt độ dây không chính xác. Khoảng bù sai số này được trình bày ở Hình 3.11.
Hình 3.11: Khoảng cách bù sai số cho điều khiển vị trí chấm nổi.
- Trong quá trình hoạt động, ứng suất căng của dây SMA khi ở pha nhiệt độ cao dây SMA lớn hơn ứng suất căng khi dây SMA ở pha nhiệt độ thấp. Vì vậy, khi được làm nóng (bằng cách xem dây như một điện trở và cấp dòng điện qua dây để làm nóng dây), dây SMA sẽ chuyển sang pha austenite, lực căng dây kéo chấm nổi dịch chuyển xuống. Nếu tiếp tục duy trì nhiệt độbằng cách cấp dòng không liên tục với chu kỳ cấp dòng và thời gian cấp dòng nhất định (theo phương pháp PWM) sẽ giữ cho chấm nổi ở trạng thái ở trạng thái OFF. Khi ngừng cấp điện, nhiệt độ trên dây giảm xuống, dây SMA chuyển về pha martensite, lực căng dây giảm lại. Dưới tác động lực đàn hồi của lò xo,chấm nổi trở về vị trí ON.
- Quá trình điều khiển hoạt động chấm nổi từ trạng thái ON sang trạng thái OFF được mô tả cụ thể qua Hình 3.12. Quá trình này xảy ra với hai giai đoạn.
o Giai đoạn một: Dây SMA được cấp điện liên tục trong khoảng thời gian t1để dây SMA nóng lên đến nhiệt độ hoàn tất việc chuyển sang pha austenite ở 98℃ [24].
0,8mm
Chấm nổi ON
Chấm nổi OFF
∆x=0,2mm