Tối ưu hóa thiết kế và chế tạo thực nghiệm tay quay con trượt linh hoạt

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TÊN ĐỀ TÀI TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM TAY QUAY CON TRƯỢT LINH HOẠT Nếu đƣợc uốn cong để làm khác có ý nghĩa sử dụng “compliance” hay “flexibility” Nếu nhƣ linh hoạt cấu kiện cho phép bị uốn cong đồng thời giúp thực cơng việc hữu ích khác cấu linh hoạt (compliant mechanism) Ý tƣởng việc sử dụng cấu linh hoạt thiết kế sản phẩm đƣợc bắt g p, nhƣng nhà thiết kế truyền thống sử dụng máy để vận hành Họ thƣờng d ng phận cứng ho c cứng tuyệt đối liên kết lại với khớp quay hay lề ho c khớp trƣợt Nhƣng quan sát tự nhiên, thấy ý tƣởng hoàn toàn khác với phận cứng tuyệt đối đƣợc kết nối Hầu hết di chuyển chúng mềm dẻo thay cứng nhắc, chuyển động đến từ việc uốn cong phận linh hoạt Khóa luận tốt nghiệp giải vấn đề kỹ thuật thiết kế, tối ƣu hóa chế tạo cấu tay quay trƣợt đàn hồi Qua sinh viên sử dụng phần mềm Solid Work ANSYS để thiết kế mơ cấu Bên cạnh mơ hình cấu sau thiết kế đƣợc tối ƣu hóa phƣơng pháp Taguchi dựa độ bền mỏi Cuối c ng cấu tay quay trƣợt đàn hồi tối ƣu đƣợc chế tạo thực nghiệm kiểm tra với kết sai số tối đa %, gần với kết mô Do điều kiện trang thiết bị hỗ trợ thời gian nghiên cứu không cho phép thực kích thƣớc micrometer, đề tài tập trung vào việc thiết kế chế tạo đƣợc mơ hình tay quay trƣợt đàn hồi kích thƣớc milimeter Trong tƣơng lai đề tài đƣợc phát triển làm sở cho việc thiết kế cấu đàn hồi phức tạp kích thƣớc micrometer ABSTRACT OPTIMAL DESIGN AND EXPERIMENTAL MANUFACTURE OF A SLIDERCRANK COMPLIANT MECHANISM If something bends to what it is meant to do, then it is compliant If the flexibility that allows it to bend also helps it to accomplish something useful, then it is a compliant mechanism The idea of using compliant mechanisms in products is catching on, but traditionally when designers need a machine that moves, they commonly use very stiff or rigid parts that are connected with hinges or sliding joints But when we look at nature we see an entirely different idea from rigid parts connected at joints - most moving things in nature are very flexible instead of stiff, and the motion comes from bending the flexible parts This thesis solves a technical problem is to design, optimize and manufacture a slider-crank compliant mechanism Whereas, students used ANSYS and Solid Work softwares to design and simulate the structure Besides a model of mechanism after the design has been optimized by Taguchi method based on the fatigue life Finally the optimum slider-crank compliant mechanism was fabricated and experimentally tested with the maximum error is about 4% which is very close to the simulation results Due to the condition of the equipment supporting and research time not allow micrometer in size, the thesis only focused on the design and manufacture the prototype of a compliant slider-crank mechanism in millimeter-size In the future this topic will be developed as the basis for the design of the more complex compilant mechanisms in micrometer-size ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu 1.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Cấu trúc đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG II: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 11 2.1 Giới thiệu cấu đàn hồi 11 2.2 Khớp cong tròn 11 2.3 Thiết kế cấu đàn hồi thông qua độ bền mỏi 17 2.4 Tối ƣu hóa cấu đàn hồi sử dụng phƣơng pháp Taguchi 18 CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 3.1 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho mơ hình tay quay trƣợt đàn hồi 20 3.2 Phƣơng pháp Taguchi 22 3.3 Đánh giá độ bền mỏi 25 3.3.1 Phƣơng pháp số 27 3.3.2 Giả định điều kiện tải 28 3.3.3 Tính tốn giới hạn chịu đựng độ bền mỏi 31 CHƢƠNG IV: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƢU HÓA 33 4.1 Thiết kế 33 4.1.1 Cơ cấu tay quay trƣợt thông thƣờng 33 4.1.2 Khớp cong đàn hồi 34 4.1.3 Tính chất vật liệu 35 4.1.4 Phân tích đánh giá cấu tay quay trƣợt đàn đồi 36 i Trƣờng hợp “ppl” 38 ii Trƣờng hợp “pps” 38 iii Trƣờng hợp “pss” 39 GVHD: TS Lê Minh Tài Trang ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt iv Trƣờng hợp “sps” 40 v Trƣờng hợp “spl” 41 vi Trƣờng hợp “sss” 42 4.2 Tối ƣu hóa mơ hình thiết kế 43 4.2.1 Hàm mục tiêu thông số đầu vào 43 4.2.2 Phân tích tỉ số S/N 46 CHƢƠNG V: CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM 49 5.1 Thiết lập thí nghiệm 49 5.2 Đo độ chuyển vị x 51 5.3 So sánh thực nghiệm mô 51 CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 54 6.1 Tổng quan kết luận 54 6.2 Hƣớng phát triển 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 GVHD: TS Lê Minh Tài Trang ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cơ cấu tay quay trƣợt đàn hồi cong tròn 11 ệ 12 Thông số hình học k 13 13 ối xứ 13 K lõm 14 14 hỗn hợp 15 15 2.10 Chiều dài trục nhỏ thẳng 16 16 17 18 Hình 2.14 Mơ hình trục nhỏ dài 18 khâu đàn hồi tuyệt đối 19 19 Hình 3.1 Kỹ thuật chia lƣới FEA 21 Hình 3.2 Quan hệ độ bền mỏi số chu kỳ 26 Hình 3.3 Đƣờng cong mỏi hợp kim nhôm 27 Hình 3.4 Kiểm tra mỏi dầm quay R.R 27 27 k 28 Hình 3.7 Đặt lực mơ hình phần tử hữu hạn 29 Hình 3.8 Tải ngịch đảo hồn toàn 29 Hình 3.9 Ứng suất rung động 30 Hình 3.10 Đồ thị hiệu chỉnh Goodman 30 Hình 4.1 Sơ đồ thiết kế 33 Hình 4.2 Mơ hình cấu tay quay trƣợt thơng thƣờng 33 Hình 4.3 Mơ hình khớp cong đàn hồi 35 Hình 4.4 Cấu trúc tế vi hợp kim nhôm 6061-T651 36 Hình 4.5 Sáu hình dạng cấu khơng thay đổi lực 37 38 Hình 4.6 Cơ cấu với phân đoạn dài linh hoạt 38 Hình 4.7 Cơ cấu với khớp cong đàn hồi 39 Hình 4.8 Cơ cấu với hai khớp cong đàn hồi liên tục 40 Hình 4.9 Cơ cấu với hai khớp cong đàn hồi 41 GVHD: TS Lê Minh Tài Trang ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt Hình 4.10 Cơ cấu kết hợp khớp cong đàn hồi khâu dài linh hoạt 42 Hình 4.11 Cơ cấu đàn hồi hồn tồn 43 Hình 4.12 Đồ thị tỉ số signal to noise (S/N) trung bình 48 Hình 5.1 Mơ hình chế tạo 49 Hình 5.2 Thiết bị thí nghiệm 50 Hình 5.3 Thí nghiệm đo độ chuyển vị x 51 Hình 5.4 Sự biến dạng độ dịch chuyển cấu đàn hồi tối ƣu 52 Hình 5.5 Sơ đồ so sánh thực nghiệm mơ 53 GVHD: TS Lê Minh Tài Trang ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thông số lƣới 22 Bảng 3.2 Dãy giá trị lệch 22 Bảng 4.1 Đặc tính hợp kim nhơm 35 Bảng 4.2 Thành phần hóa học hợp kim nhơm 6061-T651 36 Bảng 4.3 Các thông số xử lý mức độ tƣơng ứng 44 Bảng 4.4 Sắp xếp thí nghiệm dùng dãy trực giao L9 44 Bảng 4.5 Giá trị cụ thể thí nghiệm 45 Bảng 4.6 Kết thí nghiệm tỉ số S/N 46 Bảng 4.7 Bảng đáp ứng S/N theo độ bền mỏi 47 Bảng 5.1 Giá trị chuyển vị đầu 52 GVHD: TS Lê Minh Tài Trang ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT S/N Signal to Noise MEMSs Micro Electro Mechanical Systems FEM Finite Element Method FEA Finite Element Analysis GVHD: TS Lê Minh Tài Trang ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu Cơ cấu đàn hồi thiết bị liên kết linh hoạt dùng để truyền lực chuyển động phụ thuộc vào biến dạng thành phần cấu Chúng thƣờng đƣợc làm từ vật liệu đàn hồi để thực chuyển động cần thiết Cơ cấu đàn hồi đƣợc xác định nhƣ hoàn tất khâu đàn hồi thành phần Sử dụng khớp linh hoạt cấu trúc cấu có nhiều lợi nhƣ là: khơng gây tiếng ồn, không cần lắp ráp, không cần dầu bôi trơn Các khớp loại bỏ diện khe hở, khoảng trống ma sát Một ƣu điểm cấu đàn hồi làm cho cấu có độ xác cao chúng đƣợc xây dựng dạng khối mà làm giảm thời gian lắp ráp nhƣ việc chế tạo dễ dàng Cơ cấu đàn hồi đƣợc nghiên cứu tập trung dựa khớp linh hoạt trở nên ngày rộng rãi ứng dụng, ví dụ nhƣ thiết bị đo lƣờng khí kỹ thuật xác Hơn nữa, cấu trúc ngun khối hồn tồn thích hợp cho hệ thống vi điện tử (MEMSs) lắp ráp đặc biệt thiết bị y sinh Từ quan điểm trên, cấu tay quay trƣợt đàn hồi đƣợc phát triển nghiên cứu Một số chức đƣợc trình bày nhƣ bên dƣới: Để tạo lực không đổi phạm vi xử lý xác mà đƣợc sử dụng mài hàn kích thƣớc siêu nhỏ, kết nối điện cơng tắc điện kích thƣớc micro Các cấu tay quay trƣợt chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, nhƣ đƣợc thể Hình 1.1 Hình 1.1 Cơ cấu tay quay trƣợt thông thƣờng GVHD: TS Lê Minh Tài Trang ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt Cơ cấu tay quay trƣợt thứ phổ biến lĩnh vực cấu máy Một số báo khoa học phân tích thiết kế cấu đàn hồi Theo tác giả Tanik [1], góc truyền cấu tay quay trƣợt đàn hồi đƣợc nghiên cứu ơng ta Góc truyền thông số ảnh hƣởng đến chất lƣợng truyền động Demirel Tolga Emirler [2] giới thiệu sử dụng thiết kế lạ cấu tay quay trƣợt đàn hồi nhƣ động phát động điều khiển lực Hiệu làm việc khớp đƣợc làm tăng thay đổi hình học Do đó, ba loại khớp đàn hồi với hình dáng hình học khác (khớp lề, khớp mỏng khớp tròn chữ V) đƣợc nghiên cứu Theo Pavlovic et al [3] khớp tròn chữ V đƣợc lựa chọn cho thiết kế cấu đàn hồi đƣợc chế tạo đơn giản Hơn nữa, khớp tròn chữ V đƣợc xác định cách đầy đủ bở R WE) Cùng với nhữ ất lớn hiệu làm việc, cấu với phần linh hoạt giới hạn nhiề ớc Giới hạn ỗi ộ bền mỏi cần phải đƣợc gia tăng suốt trình chuyển động, hình thái học thiết kế cấu phải đƣợc tối ƣu hóa Có nhiều phƣơng pháp để xây dựng mơ hình cho việc dự ỏi Trong năm gần đây, số báo nghiên cứu ỏi Chẳng hạn nhƣ Dirksen et al [4] tố ạt phƣơng pháp topo Những với hình dáng hình chữ nhậ ợc kiểm nghiệm Trong khả ề ết phân tích nhữ ến thiết kế "an tồn" so với nhữ nhấ [5] hình thức tối ƣu hóa cấu trúc đƣợc gọi phƣơng pháp đồng để thiết kế cấu trúc linh hoạt Dựa kết nghiên cứu trƣớc đây, luậ cân nhắc lự cho thiết kế Những kích thƣớc hình dáng hình học khớp tròn ảnh hƣởng trực tiếp đến độ bền mỏi hệ thống Vì thế, việc tìm kích thƣớc tối ƣu củ cần thiết Nhiều phƣơng pháp nhƣ Taguchi, thuật toán di truyền, mạ ợc sử dụng để tối ƣu hóa Trong đó, Taguchi phƣơng pháp đơn giản, hiệu cho việc tố ền mỏi Tóm lại, khóa luận ết kế ấu tay quay trƣợt đàn hồi sử dụng khớp tròn Trƣớc tiên, sử dụng phần mềm ANSYS để mơ tìm mơ hình phù hợp cấu tay quay trƣợt đàn hồi Kế tiếp phƣơng pháp Taguchi đƣợc áp dụng để xác định thông số quan trọng củ ể tăng độ bền mỏi GVHD: TS Lê Minh Tài Trang ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt đƣợc xử lý cách sử dụng phƣơng pháp thống kê theo tỉ số signal-to-noise (tín hiệuâm thanh) Ngồi ra, phƣơng pháp Taguchi thiết kế thí nghiệm đƣợc dùng để tính tốn mơ số Ba mức độ ba yếu tố đầu vào đƣợc sử dụng Trong tất thông số xử lý, lực, chiều rộng WR độ dày WE đóng vai trò quan trọng ảnh hƣởng đến phân bố ứng suất khớp cong Do đó, thơng số đƣợc xem xét khóa luận Sự tƣơng tác ba yếu tố đƣợc giả định không đáng kể thông tin ảnh hƣởng thu đƣợc việc thực 33 = 27 thí nghiệm Tuy nhiên, dãy trực giao Taguchi phù hợp cho ba thông số với ba cấp độ L9 để tiến hành mô nhƣ Bảng 4.3, thể mức độ khác thông số đầu vào Bảng 4.3 Các thông số xử lý mức độ tƣơng ứng Mức Mức Mức A B C WR WE 8.5 - 9.5 N 8.5 9.5 - 11 mm 10 11 0.9 - 1.1 mm 0.9 1.1 Tuổi thọ khớp cong đƣợc định ảnh hƣởng thông số xử lý sử dụng cấu tay quay trƣợt đàn hồi Một tiêu chí cần thiết khớp cong độ dày phá hủy cấu đàn hồi thƣờng xảy độ mỏng Vì vậy, việc xác định bền mỏi khớp cong suốt trình biến dạng Bảng 4.4 thể thí nghiệm đƣợc xếp theo dãy trực giao L9 Các giá trị cụ thể thí nghiệm đƣợc trình bày Bảng 4.5 GVHD: TS Lê Minh Tài Trang 44 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt Bảng 4.4 Sắp xếp thí nghiệm dùng dãy trực giao L9 Các thơng số khớp cong A B ộng WR (mm) 3 (N) 1 2 3 3 C WE (mm) 3 Độ dày khớp cong đƣợc thể Bảng 4.5 Các kết mô đƣợc thực việc sử dụng phần mềm ANSYS, đƣợc liệt kê Bảng 4.6 Phần trình bày việc phân tích tỉ số thống kê signal-to-noise để tìm kích thƣớc tối ƣu cho khớp cong tròn Bảng 4.5 Giá trị cụ thể thí nghiệm GVHD: TS Lê Minh Tài Thí nghiệm A STT Lực (N) B C Width Thickness WR WE (mm) (mm) 8.5 8.5 8.5 9 9.5 10 11 10 11 0.9 1.1 1.1 0.9 1.1 9.5 9.5 10 11 0.9 Trang 45 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt 4.2.2 Phân tích tỉ số S/N Áp dụng phƣơng trình (4.6) để tính tốn tỉ số signal-to-noise (S/N), kết đƣợc liệt kê Bảng 4.6 Bảng 4.6 Kết thí nghiệm tỉ số S/N Thí nghiệm Độ bền mỏi STT (Số S/N ) (dB) 5.76e5 115.214 5.30e6 134.49 6.06e7 155.649 2.11e6 126.498 1.92e7 145.654 8.38e5 118.468 1.09e7 140.771 4.12e5 112.305 2.17e6 126.715 Tính tốn giá trị trung bình tỉ số S/N: Tính tốn tỉ số S/N mức độ lự : Giá trị trung bình tỉ số S/N mức lực ( thí nghiệm 3) thí nghiệm 6) thí nghiệm đến 9) = (115.214+ 134.49+ 155.649)/3 = 135.1177 Giá trị trung bình tỉ số S/N mức lực ( = (126.498+ 145.654+ 118.468 )/3 = 130.3067 Giá trị trung bình tỉ số S/N mức lực ( = (140.771+ 112.305+ 126.715)/3 = 126.597 Tính tốn tỉ số S/N mức độ chiều rộng WR: Giá trị trung bình tỉ số S/N mức chiều rộng WR (thí nghiệm 1, 7) = (115.214+ 126.498+ 140.771)/3= 127.4943 Giá trị trung bình tỉ số S/N mức chiều rộng WR (thí nghiệm 2, 8) = (134.49+ 145.654+ 112.305)/3= 130.8163 Giá trị trung bình tỉ số S/N mức chiều rộng WR (thí nghiệm 3, 9) = (155.649+ 118.468+ 126.715)/3= 133.6107 GVHD: TS Lê Minh Tài Trang 46 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt Tính tốn tỉ số S/N mức độ bề dày WE: Giá trị trung bình tỉ số S/N mức bề dày WE (thí nghiệm 1, 8) = (115.214+ 118.468+ 112.305)/3= 115.329 Giá trị trung bình tỉ số S/N mức bề dày WE (thí nghiệm 2, 9) = (134.49+ 126.498+ 126.715)/3= 129.2343 Giá trị trung bình tỉ số S/N mức bề dày WE (thí nghiệm 3, 7) = (155.649+ 145.654+ 140.771)/3= 147.358 Các kết minh họa Bảng 4.7 trị trung bình S/N mức độ thông số đƣợc Bảng 4.7 Bảng đáp ứng S/N theo độ bền mỏi Tỉ S/N (dB) Mức A B C Mức Mức 137.1177 127.4943 115.329 WR 130.2067 130.8163 129.2343 WE 126.597 133.6107 147.358 Sau tất liệu đƣợc trình bày Bảng 4.7, tỉ số signal-to-noise trung bình (S/N) đƣợc vẽ Trên Hình 4.12 thể đồ thị S/N với ba thông số điều khiển A, B C đƣợc xem xét ba mức độ khác cho khớp cong Dựa liệu thể Hình 4.12, thơng số tối ƣu cho khớp cong lực mức độ 1, độ rộng mức độ độ dày tƣơng ứng mức ký hiệu A1B3C3 Để chứng minh khớp trịn có tuổi thọ mỏi với số chu kỳ cao, phần mô tả cách đặc biệt q trình phân tích dựa thông số tối ƣu thu đƣợc GVHD: TS Lê Minh Tài Trang 47 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 Hình 4.12 Đồ thị tỉ số signal-to-noise (S/N) trung bình GVHD: TS Lê Minh Tài Trang 48 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt CHƢƠNG V: CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM Trong năm gần đây, nhờ tiến kỹ thuật sản xuất, đặc biệt phƣơng pháp cắt dây tia lửa điện (wire-Electric Discharge Machining (EDM)), sản xuất xác biên dạng nhƣ lò xo lá, biên dạng khớp linh hoạt hình elip, khớp cong parabol hyperbol Cơ cấu tay quay trƣợt đàn hồi đƣợc chế tạo thông qua phƣơng pháp cắt dây EDM đƣợc minh họa nhƣ Hình 5.1 Độ chuyển vị xác định thực nghiệm đƣợc so sánh với kết phân tích phần tử hữu hạn Hình 5.1 Mơ hình chế tạo 5.1 Thiết lập thí nghiệm Các thiết bị đo kiểm bao gồm: lực kế, đồng hồ so rãnh trƣợt bi Mục đích thí nghiệm để đo độ chuyển vị x Lực kế đƣợc sử dụng để xác định giá trị lực cung cấp cho cấu; tải trọng tối đa 20 N Nó khơng cung cấp lực đẩy mà cịn cung cấp lực kéo lên thiết bị Đồng hồ so đƣợc sử dụng để ghi nhận độ chuyển vị trƣợt Mỗi vạch đồng hồ so tƣơng ứng với 1% Thí nghiệm phải đƣợc thiết lập bàn chống rung động Căn vào cấu tay quay trƣợt đàn hồi, đƣợc đặt bàn bắt vít, nhƣ thể Hình 5.2 Con trƣợt đƣợc đặt rãnh trƣợt bi Với hỗ trợ rãnh trƣợt bi, ma sát đƣợc loại bỏ hoàn toàn Lực kế đƣợc cố định vào rãnh trƣợt bi để trƣợt áp lực đẩy vị trí vng góc tay quay đầu vào Điểm tiếp xúc đồng hồ so chạm vào trƣợt GVHD: TS Lê Minh Tài Trang 49 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt (a) Đồng hồ đo lực (b) Mơ hình tay quay trƣợt đàn hồi (c) Đồng hồ so Hình 5.2 Thiết bị thí nghiệm GVHD: TS Lê Minh Tài Trang 50 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt 5.2 Đo độ chuyển vị x Thiết lập thí nghiệm để đo độ chuyển vị x đƣợc thể nhƣ Hình 5.3 Lực kế đồng hồ so đƣợc điều chỉnh không Trƣớc tiên, lực đƣợc áp tay quay vị trí vng góc Sau đó, sử dụng cấu vít me đai ốc để gia tăng lực, lần 0.5 N lực đạt tối đa 8.5 N Hình 5.3 Thí nghiệm đo độ chuyển vị x Khi trƣợt di chuyển, đồng hồ so hiển thị giá trị độ chuyển vị mm Những giá trị đƣợc ghi nhận đo kiểm đƣợc lặp lặp lại nhiều lần để thu đƣợc ổn định cấu Những kết thực nghiệm lần đo đƣợc sử dụng nhằm mục đích so sánh Kết đƣợc trình bày thảo luận phần 5.3 So sánh thực nghiệm mô Dữ liệu giá trị trung bình việc đo đạt ba lần thí nghiệm nhƣ thể Bảng 5.1 Các giá trị lực đƣợc tác động vị trí vng góc với tay quay đầu vào Sự dịch chuyển đầu nằm ngang tƣơng ứng với đầu tự trƣợt Từ định nghĩa cấu đàn hồi, độ dịch chuyển có đƣợc từ biến dạng cấu lớn chuyển động cấu rắn Con trƣợt di chuyển theo hƣớng X, mà khơng có dịch chuyển theo hƣớng Y khơng quay Hình 5.4 cho thấy kết biến dạng độ dịch chuyển cấu đàn hồi Các đƣờng màu đen trạng thái không biến dạng, mặt phẳng màu đỏ trạng thái biến dạng tối đa GVHD: TS Lê Minh Tài Trang 51 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt Dx Hình 5.4 Sự biến dạng độ dịch chuyển cấu đàn hồi tối ƣu Sự biến dạng đƣợc tính toán ANSYS gần với biến dạng từ cấu tay quay trƣợt đàn hồi thực nghiệm Bảng 5.1 cho thấy độ dịch chuyển đầu Đặc biệt, độ dịch chuyển tối đa cấu đàn hồi tối ƣu 0.92 mm, độ dịch chuyển trƣợt tính tốn ANSYS 0.90885 mm chênh lệch có 1.2% Bảng 5.1 Giá trị chuyển vị đầu (mm) 0.37423 0.4277 0.48116 0.53462 0.58808 0.64514 0.69501 0.74847 0.80193 0.85539 0.90885 GVHD: TS Lê Minh Tài （mm) (N) 0.36 0.4 0.46 0.54 0.59 0.65 0.7 0.75 0.82 0.85 0.92 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 Trang 52 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt Hình 5.5 Sơ đồ so sánh thực nghiệm mô Các kết thí nghiệm đƣợc so sánh với kết FEA sai lệch chúng đƣợc thể Hình 5.5 Sai lệch lớn thí nghiệm so với kết FEA 4% xuất giá trị lực 4.5 N GVHD: TS Lê Minh Tài Trang 53 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Tổng quan kết luận Khóa luận trình bày nghiên cứu toàn diện thiết kế cấu đàn hồi theo độ bền mỏi Việc tối ƣu hóa việc sử dụng phƣơng pháp Taguchi đƣợc thực cho mô hình để có đƣợc độ bền mỏi mong muốn Nhận xét công nghệ thiết kế cấu đàn hồi sử dụng tối ƣu hóa Taguchi để chống lại phá hủy mỏi đƣợc trình bày tài liệu khoa học Nhận xét thứ hai phá hủy mỏi vơ quan trọng khảo sát cấu đàn hồi Liên quan đến mục tiêu khóa luận này, vấn đề cụ thể đƣợc liệt kê nhƣ bên dƣới Mục tiêu 1: Thiết kế mơ hình tay quay-con trƣợt theo kiểu đàn hồi linh hoạt sử dụng kỹ thuật tối ƣu Taguchi Mục tiêu 2: Thực việc chế tạo mơ hình thực nhƣ mơ ANSYS, chứng minh độ dịch chuyển kết phân tích đƣợc liệu thực nghiệm Những mục tiêu đạt đƣợc, việc mô tả chi tiết công việc liên quan đến mục tiêu đƣợc trình bày chƣơng trƣớc Đặc biệt, chƣơng trình bày tài liệu hóa cơng trình nghiên cứu có, cung cấp cho ngƣời đọc kiến thức cấu đàn hồi, độ bền mỏi, tối ƣu hóa, v.v Các thảo luận độ bền mỏi kết luận phƣơng pháp tuổi thọ - ứng suất phù hợp cho thiết kế cấu đàn hồi Hơn chƣơng này, việc tính tốn giới hạn chịu đựng hay độ bền mỏi yếu tố đƣợc hiệu chỉnh đƣợc giải thích chi tiết Chƣơng cung cấp mơ hình thí nghiệm cho cấu đàn hồi sau chế tạo Các kết kiểm tra độ dịch chuyển mơ hình chứng minh hiệu thiết kế cấu đàn hồi theo độ bền mỏi sử dụng tiếp cận Taguchi hợp lý Kết công việc dẫn đến kết luận sau liên quan đến phƣơng pháp kỹ thuật đƣợc sử dụng để thiết kế cấu đàn hồi làm tảng phát triển cho cấu thích hợp so với tay quay trƣợt thông thƣờng Kết luận việc kiểm tra độ bền mỏi thiết kế cấu tay quay trƣợt đàn hồi sử dụng phƣơng pháp tối ƣu Taguchi hoàn toàn khả thi Thứ hai số mơ hình phù hợp đƣợc khảo sát, mơ hình thích hợp đƣợc lựa chọn Từ mơ hình này, thiết kế tối ƣu đƣợc tiến hành nhƣ công việc chế tạo mẫu thử nghiệm đƣợc thực Những kết thí nghiệm cho thấy cấu tay quay trƣợt đàn hồi thể ứng xử dịch chuyển tuổi thọ mỏi tƣơng tự nhƣ mơ hình dự đốn trƣớc FEM GVHD: TS Lê Minh Tài Trang 54 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt 6.2 Hƣớng phát triển Về hƣớng phát triển tƣơng lai, đề tài đƣợc tiếp tục phát triển để làm rõ ứng xử cấu với khâu linh hoạt khác, bao gồm độ cứng ứng suất Đồng thời, loại cấu khác nên đƣợc khảo sát tính chất cần thiết ví dụ nhƣ trạng thái lực không đổi, chẳng hạn cho ly hợp ly tâm cấu bốn Sự kết hợp ứng xử lực không đổi tiếp xúc điện cần đƣợc khảo sát để hiểu rõ ảnh hƣởng cấu đàn hồi vào hiệu suất tiếp xúc điện Minh chứng thành công lực độ dịch chuyển cấu tay quay trƣợt đàn hồi hứa hẹn tạo khả thiết kế tiếp xúc điện cho công nghệ MEMS (Micro Electric Mechanical System) Đề tài tốt nghiệp có tiềm lớn tính khả thi cao cho ứng dụng kỹ thuật cấu lực không đổi để thiết kế công tắc điện vi Ứng dụng kỹ thuật cấu lực khơng đổi cho tiếp xúc điện cung cấp số lợi ích hiệu suất độ bền thiết bị GVHD: TS Lê Minh Tài Trang 55 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tanik E., Transmission angle in compliant slider-crank Mechanism and Machine Theory, Vol 46, 2011, pp 1623–1632 mechanism, [2] Demirel B and Tolga Emirler M., Semicompliant Force Generator Mechanism Design for a Required Impact and Contact Forces, Journal of Mechanism and Robotics, Vol 2, 2010, pp 0450011–04500111 [3] Pavlovíc N.T and Pavlovíc N.D., Compliant mechanism design for realizing of axial link translation, Mechanism and Machine Theory, Vol 44, 2009, pp 1082–1091 [4] Dirksen F., Anselmann M., Zohdi T.I and Lammering R., Incorporation of flexural hinge fatigue-life cycle criteria into the topological design of compliant small-scale devices, Precision Engineering, Vol 37, 2013, pp 531–541 [5] Ananthasuresh G.K and Kota S., Designing compliant mechanisms, Mechanical Engineering, Vol 117, No 11, 1995, pp 93-96 [6] Garcia E., Goldfarb M., Lobontiu N and Paine J S N., Corner-filleted flexure hinges, Transactions of the ASME, Vol 123, 2001, pp 346–352 [7] Lobontiu N., Compliant mechanisms: design of flexure hinges, 2002, CRC Press [8] Howell L.L., Compliant Mechanisms, John Wiley & Sons, New York, 2001 [9] Paros J.M and Weisbord L., How to Design Flexure Hinges, Machine Design, 1965, pp 151-156 [10] Meng Q., A Design Method for Flexure-Based Compliant Mechanisms on the Basis of Stiffness and Stress Characteristics, Università di Bologna, 2012 [11] Smith S.T., Badami V.G., Dale J.S., and Xu Y., Elliptical flexure hinges, Rev Scient Instru., Vol 68, 1997, pp 1474-1483 [12] Garcia E and Lobontiu N., Stiffness characterization of corner-filleted flexure hinges, Review of Scientific Instruments, Vol 75, 2004, pp 4896–4905 [13] Garcia E and Lobontiu N., Analytical model of displacement amplification and stiffness optimization for a class of flexure-based compliant mechanisms, Computers & Structures, Vol 81, 2003, pp 2797–2810 [14] Takase Y and Noda N.i., Gemeraozed stress intensity factors of v-shaped notch in a round bar under torsion, tension, and bending, Engineering Fracture Mechanics, Vol 70, 2003, pp 1447–1466 [15] Tseytlin Y M., Notch flexure hinges: An effective theory, Review of Scientific Instruments, Vol 73, 2002, pp 3363–3368 [16] O’ Malley E., Samuelson M., Lobontiu N., and Paine J S.N., Parabolic and hyperbolic flexure hinges: flexiblility, motion precision and stress characterization based on compliance closed-form equations, Precision Engineering, Vol 26, 2002, pp 183–192 [17] Zong G., Bi S., Su H., Pei X and Yu J., The modeling of cartwheel flexural hinges, Mechanism and Machine Theory, Vol 44, 2009, pp 1900–1909 [18] Zong G., Bi S., Pei X., and Yu J., The stiffness model of leaf-type isoscelestrapezoidalflexural pivots, Journal of Mechanical Design, Vol 130, No 8, 2008, pp 082303 GVHD: TS Lê Minh Tài Trang 56 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt [19] Mallik A.K., Banerjee A., and Bhattacharya B Large deflection of cantilever beams with geometric non-linearity: analytical and numerical approaches International Journal of Non-Linear Mechanics, Vol 43, 2008, pp 366–376 [20] Marsh E R., Vallance R R., and Haghighian B., “A unified geometric model for designing elastic pivots”, Precision Engineering, Vol 32, 2008, 278–288 [21] Howell L L and Jensen B D., “The modeling of cross-axis flexural pivots” Mechanism and Machine Theory, Vol 37, 2001, pp 461–476 [22] Bahia M.T., Marcelo Alves, M.K., and Costa J.C.A., “Topology optimization of compliant mechanisms with fatigue stress constraints”, 2006 [23] Dirksena F., Anselmanna M., Zohdi T.I., and Lammeringa R., “Incorporation of flexural hinge fatigue-life cycle criteria into the topological design of compliant smallscale devices”, Precision Engineering, Vol 37, No 3, 2013, pp 531-541 [24] Dao T.P and Huang S.C, “Optimization of Process Parameters and Fatigue Prediction for Flexure-Based Compliant Mechanism”, Journal of Engineering Technology, Vol 10, No 2, 2013, pp 204-220 [25] Dao T.P and Huang S.C., “Optimization of Flapper Compliant Mechanism Using Fuzzy Logic Combined Taguchi Method”, Applied Mechanics and Materials, Vol 300-301, 2013, pp 710-713 [26] Dao T.P and Huang S.C., “An Optimal Study of a Gripper Compliant Mechanism Based on Fuzzy- Taguchi Method”, Applied Mechanics and Materials, Vol 418, 2013, pp 141-144 [27] Hroncová D., Binda M., Sarga P., and Kicák F., “Kinematical analysis of crank slider mechanism using MSC Adams/View”, Procedia Engineering, Vol 48, 2012, pp 213222 [28] Khemili I and Romdhane L., “Dynamic analysis of a flexible slider–crank mechanism with clearance”, European Journal of Mechanics A/Solids, Vol 27, 2008, pp 882–898 [29] Dao T.P and Huang S.C., “Design and Analysis of Compliant Rotary Joint”, Applied Mechanics and Materials, Vol 372, 2013, pp 467-470 [30] Budynas R.G., Shigley's Mechanical Engineering Design, 2011, McGraw-Hill, New York [31]http://www.mscsoftware.com/training_videos/patran/Reverb_help/Fatigue%20Users%20 Guide/images/fat_theory_09.png [32] Choi K.B and Kim D.H., “Monolithic parallel linear compliant mechanism for two axes ultraprecision linear motion”, Review of Scientific Instruments, Vol 77, No 1–7, 2006, pp 065-106 [33] Chang S.H and Du B.C., “A precision piezodriven micropositioner mechanism with large travel range”, Review of Scientific Instruments, Vol 69, No 4, 1998, pp 1785– 1791 [34] Yong Y.K and Lu T.F., “Comparison of circular flexure hinge design equations and the derivation of empirical stiffness formulations”, IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, 2009 [35] Taguchi G, Chowdhury S and Wu Y., “Taguchi’s quality engineering handbook”, MI: John Wiley, 2005 GVHD: TS Lê Minh Tài Trang 57 ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt [36] Ribeiro A.S and Jesus A.M.P., “Fatigue Behaviour of Welded Joints Made of 6061T651 Aluminium Alloy”, School of Sciences and Technology, University of Trás-osMontes and Alto Douro Portugal [37] ANSYS Workbench 13 Documentary, 2010 GVHD: TS Lê Minh Tài Trang 58 ... ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt CHƢƠNG IV: THIẾT KẾ, MƠ PHỎNG VÀ TỐI ƢU HĨA 4.1 Thiết kế Điểm mấu chốt thủ tục thiết kế cấu tay quay trƣợt thiết kế khớp cong... ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt phẩm thiết kế quy trình xử lý phải đặc biệt ý đến điều kiện môi trƣờng Tiếp theo thiết kế phát triển sản phẩm chế tạo phải... đó, đƣợc kết hợp với phƣơng pháp Taguchi để tối ƣu hóa làm tăng GVHD: TS Lê Minh Tài Trang ĐATN: Tối ƣu hóa thiết kế chế tạo thực nghiệm tay quay trƣợt linh hoạt Công việc chế tạo mẫu thực đƣợc