Hcmute nghiên cứu tối ưu hóa hình dạng khớp đàn hồi cho các thiết bị định vị chính xác trong cơ khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SINH NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA HÌNH DẠNG KHỚP ĐÀN HỒI CHO CÁC THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC TRONG CƠ KHÍ MÃ SỐ: T2019-03NCS SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2019 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN NGHIÊN CỨU SINH NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA HÌNH DẠNG KHỚP ĐÀN HỒI CHO CÁC THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC TRONG CƠ KHÍ Mã số: T2019-03NCS Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Văn Khiển TP HCM, 12/2019 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN NGHIÊN CỨU SINH NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA HÌNH DẠNG KHỚP ĐÀN HỒI CHO CÁC THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC TRONG CƠ KHÍ Mã số: T2019-03NCS Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Văn Khiển Thành viên đề tài: PGS.TS Phạm Huy Tuân TP HCM, 12/2019 Luan van MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, nghiên cứu nước công bố 1.1.1 Các nghiên cứu nước 1.1.1.1 Các nghiên cứu nước 1.1.1.2 Các nghiên cứu nước 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 10 1.5.1 Cách tiếp cận 10 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 10 CHƯƠNG 11 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Phương pháp tối ưu hóa 11 2.1.1 Phương pháp đáp ứng bề mặt 11 2.1.2 Phương pháp đáp ứng bề mặt ANSYS 11 CHƯƠNG 18 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 18 3.1 Ý tưởng yêu cầu thiết kế 18 3.1.1 Ý tưởng thiết kế 18 Luan van 3.1.2 Yêu cầu thiết kế 19 3.2 Lựa chọn vật liệu 19 3.3 Phương án thiết kế 21 3.3.1 Phương án 21 3.3.2 Phương án 22 3.3.3 Phương án 23 3.4 Lựa chọn phương án 24 CHƯƠNG 25 THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA 25 4.1 Nguyên lý hoạt động 25 4.2 Thiết kế tối ưu hóa 25 4.2.1 Thiết kế 26 4.2.2 Tối ưu hóa 28 4.2.3 Xây dựng RSM cho khớp mềm 29 4.2.4 Kết tối ưu 31 4.2.5 Kết mô 32 CHƯƠNG 36 CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG 36 5.1 Chế tạo 36 5.1.1 Phương pháp chế tạo 36 5.1.2 Vật liệu 36 5.1.3 Chế tạo 36 5.2 Thực nghiệm 38 5.2.1 Mơ hình thí nghiệm khớp mềm 38 5.2.2 Thực nghiệm 39 5.2.3 Hướng ứng dụng 42 CHƯƠNG 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 6.1 Kết luận 46 Luan van 6.2 Kiến nghị 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 50 THUYẾT MINH VÀ HỢP ĐỒNG ĐỀ TÀI NCKH 51 Luan van DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT/ KÍ HIỆU KHOA HỌC FEA: Phương pháp phần tử hữu hạn MEMS: Hệ thống vi điện tử RSM: Phương pháp đáp ứng bề mặt CCD: Phương pháp thiết kế tổng hợp trung tâm MRR: Số dư tương đối lớn RMSE: Sai số trung bình RRMSE: Sai số trung bình tương đối RMAE: Sai số tuyệt đối lớn RAAE: Sai số tuyệt đối trung bình FEM: Phương pháp phân tích tuyến tính, phi tuyến, nhiệt, mỏi LCD: Màn hình tinh thể lỏng E: Mô đun đàn hồi vật liệu ρ: Khối lượng riêng vật liệu : Hệ số Poisson vật liệu : Ứng suất vật liệu α: Góc giới hạn tâm quay Luan van DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1 Bài tốn tối ưu hóa đa mục tiêu (Phương pháp đáp ứng bề mặt) 27 Bảng 4.2 Thiết kế thí nghiệm kết tính tốn tương ứng 30 Bảng 4.3 Kết phương pháp đáp ứng bề mặt 30 Bảng 4.4: So sánh ứng cử viên 32 Bảng 4.5: So sánh thiết kế ban đầu thiết kế tối ưu 32 Bảng 5.1: Kết thí nghiệm mơ lực, chuyển vị khớp mềm 40 Luan van DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Khớp lề đàn hồi Hình 1.2: Khớp bán nguyệt (3D) Hình 1.3: Một số khớp mềm lề đơn giản xem xét Hình 1.4: Hình dạng khớp nối mềm đàn hồi bo trịn góc (Fillet) Hình 1.5: Hình dạng hình học khớp mềm lề parabolic (hyperbolic) Hình 1.6: Khớp mềm bo trịn góc Hyperbolic Hình 1.7: Cơ cấu khuếch đại vi sai Hình 1.8: Khớp chân giả sử dụng cấu đàn hồi Hình 1.9: Kết mô CGM Hình 1.10: (a) Khớp bán nguyệt; (b) Cơ cấu ăn dao xác Hình 3.1: Sơ đồ thiết kế khớp mềm 19 Hình 3.2: Biểu đồ số Sy/E 20 Hình 3.3: Mẫu thiết kế 21 Hình 3.4: Mẫu thiết kế 22 Hình 3.5: Mẫu thiết kế 23 Hình 4.15: Điều kiện biên điểm đặt lực 25 Hình 4.16: Thiết kế khớp mềm 26 Hình 4.17: Lưu đồ thuật tốn tối ưu hóa đa mục tiêu 29 Hình 4.18: (a) Mối quan hệ hàm mục tiêu điểm thiết kế 31 Hình 4.19: Mơ chia lưới phần tử hữu hạn với FEM 33 Hình 4.20: Mô ứng suất lớn khớp 33 Hình 4.21: Mơ chuyển vị lớn khớp 33 Hình 4.22: Biểu đồ chuyển vị ứng suất khớp 34 Hình 4.23: Biểu đồ độ cứng độ xác khớp 35 Hình 5.1: Bản vẽ khớp mềm 2D 36 Hình 5.2: Bản vẽ khớp mềm 3D 37 Luan van Hình 5.3: Khớp mềm sau gia công 37 Hình 5.4: Mơ hình thí nghiệm đàn hồi 38 Hình 5.5: Mơ hình thí nghiệm đàn hồi thực tế sau gá đặt (khi chưa chịu tác dụng lực) 39 Hình 5.6: Mơ hình thí nghiệm khớp mềm chịu lực tác dụng 40 Hình 5.7: Biều đồ lực – chuyển vị khớp mềm kiểm tra thực nghiệm 41 Hình 5.8: Cơ cấu định vị bậc tự với khớp đàn hồi bán nguyệt [19] 42 Hình 5.9: Đề xuất thử thay khớp mềm vào cấu định vị bậc tự 43 Hình 5.10: Mơ tần số cấu định vị bậc tự 43 Hình 5.11: Mơ ứng suất lớn cấu định vị bậc tự 44 Hình 5.12: Mơ chuyển vị lớn cấu định vị bậc tự 44 Luan van 5.2 Thực nghiệm 5.2.1 Mô hình thí nghiệm khớp mềm Mơ hình thí nghiệm khớp mềm đàn hồi thực thí nghiệm uốn mẫu vật liệu khác Trong thí nghiệm tác giả sử dụng chức uốn mơ hình thí nghiệm khớp mềm đàn hồi để kiểm tra chuyển vị ứng suất đầu khớp mềm cho khớp mềm chịu lực tác dụng khoảng 10N (hình 5.4) (a) (b) Hình 5.4: Mơ hình thí nghiệm đàn hồi Để đảm bảo mơ hình thí nghiệm Hình 5.4 khơng bị ảnh hưởng rung động đo, mơ hình đặt bàn máy Phay Ngun lý hoạt động mơ hình thí nghiệm đàn hồi trình bày sau: Đầu đo Panme (0.01) tác dụng lực vào bàn trượt Để bàn trượt chuyển động song phẳng, bàn trượt gắn trực tiếp trượt bi (gồm phận trượt trượt) có độ xác cao Nhật sản xuất, bàn trượt có gắn Loadcell thơng qua núm vặn thân Panme, đầu đo Panme tịnh tiến đẩy bàn trượt phía trước Loadcell tịnh tiến phía trước đồng thời tác dụng lực vào khớp mềm (giá trị lực hiển thị thông qua hình máy tính hình LCD), từ ta xác định khoảng lực tác dụng vào khớp mềm (tương đương với 10N) Khoảng chuyển vị khớp mềm 38 Luan van đo Sensor tiếp xúc đo chuyển vị có độ phân giải 0.1 μm (model: KEYENCE GT2-H12K), tất liệu hiển thị thông qua hình máy vi tính hình LCD Dữ liệu từ máy tính xuất dạng file excel, liệu sử dụng để vẽ đồ thị thông qua phần mềm MATLAB, Excel, Minitab 5.2.2 Thực nghiệm Quá trình thực nghiệm kiểm tra chuyển vị khớp mềm thực mơ hình thí nghiệm đàn hồi thơng qua điều khiển máy tính Mẫu thí nghiệm khớp mềm (hình 5.4b) cố định vào mơ hình thí nghiệm đàn hồi bulon lục giác M6 Khớp mềm chịu lực tác dụng từ Loadcell (khoảng 10N), để đo chuyển vị đầu khớp mềm ta gá đặt cho đầu đo Sensor đo chuyển vị tiếp xúc với khớp mềm vị trí chưa chịu tác động lực tác dụng, khớp mềm chịu lực tác dụng Sensor nhận tín hiệu chuyển vị hiển thị hình thơng qua máy tính hình LCD Hình 5.5: Mơ hình thí nghiệm đàn hồi thực tế sau gá đặt (khi chưa chịu tác dụng lực) 39 Luan van Hình 5.6: Mơ hình thí nghiệm khớp mềm chịu lực tác dụng Bảng 5.1: Kết thí nghiệm mơ lực, chuyển vị khớp mềm Lực Uy (Thí nghiệm) Uy (Mơ phỏng) (N) (μm) (μm) 0,31 1,4 1,42 0,55 2,6 2,51 1,06 5,1 4,84 1,9 9,1 8,68 2,58 12,4 11,79 2,88 13,8 13,16 3,32 15,9 15,17 4,13 19,8 18,87 4,65 22,2 21,25 5,16 24,7 23,58 5,57 26,7 25,45 6,49 31 29,65 7,06 33,8 32,26 7,61 36,4 34,77 8,1 38,8 37,01 8,6 41,2 39,30 9,14 43,9 41,76 40 Luan van 9,87 47,4 45,10 9,95 47,8 45,46 10,01 48,1 46,15 Hình 5.7: Biều đồ lực – chuyển vị khớp mềm kiểm tra thực nghiệm Kết từ mơ hình thí nghiệm thể biểu đồ hai đường thẳng (hình 5.7), từ biểu đồ ta nhận thấy đường mô (Simulation) dạng liên tục phía kết q trình phân tích, mơ tối ưu hóa khớp mềm phương pháp đáp ứng bề mặt phần mềm ANSYS, đường cịn lại (Experiment) q trình kiểm tra thực nghiệm khớp mềm sau chế tạo Trong đường hiển thị q trình thực nghiệm có giá trị chuyển vị lớn so với giá trị đường thẳng mô Sự chênh lệch q trình tính tốn mơ không bị ảnh hưởng sai số cộng dồn như: Sai số vật liệu, sai số máy, sai số gia công, sai số gá đặt, sai số thiết bị đo, thực nghiệm lại bị ảnh hưởng sai số Q trình thiết kế, mơ phần mềm ANSYS tìm chuyển vị khớp mềm tính tốn được: Uy = 46,15 µm, việc kiểm tra thực nghiệm với thông số tối ưu 41 Luan van hóa ta nhận kết chuyển vị đầu khớp mềm là: U y = 48,1 µm So sánh hai kết cho thấy sai số khoảng 4,054%, trường hợp sai số nhỏ 5% nên kết tin cậy 5.2.3 Hướng ứng dụng Để tìm hiểu khả ứng dụng khớp đàn hồi mới, tác giả thử thay số khớp bán nguyệt cấu đàn hồi bậc tự dùng bàn định vị xác Shyh-Chour Huang Thanh-Phong Dao (2016) [19] hình 5.8 Hình 5.8: Cơ cấu định vị bậc tự với khớp đàn hồi bán nguyệt [19] Cơ cấu với số khớp thay để kiểm tra khả ứng dụng thực tế đề xuất hình 5.9a hình 5.9b 42 Luan van (a) (b) Hình 5.9: Đề xuất thử thay khớp mềm vào cấu định vị bậc tự Hình 5.10, hình 2.11, hình 5.12 thể kết mơ kiểm tra đặc tính khớp đàn hồi cấu đàn hồi bậc tự Loại cấu tích hợp vào cấu ăn dao xác (a) khớp ngồi (b) khớp Hình 5.10: Mơ tần số cấu định vị bậc tự 43 Luan van (a) khớp ngồi (b) khớp Hình 5.11: Mơ ứng suất lớn cấu định vị bậc tự (a) khớp (b) khớp Hình 5.12: Mơ chuyển vị lớn cấu định vị bậc tự Kết mô hình 5.10, hình 5.11, hình 5.12 kiểm tra đặc tính khớp đàn hồi với trường hợp thay khớp phía ngồi (tần số: 1367 Hz, ứng suất: 351.68 Mpa, chuyển vị: 128,25 µm) thể hình 5.9a, trường hợp thay khớp phía (tần số: 1370,9 Hz, ứng suất: 352,48 Mpa, chuyển vị: 132,95 µm) thể hình 5.9b vào cấu định vị bậc tự do, kết cho thấy kết hợp khớp khớp bán nguyệt cấu cho kết cải thiện so với cấu ban đầu hình 5.8 (tần số: 740,90 Hz, ứng suất: 132,34 Mpa, chuyển vị: 115,16 µm) 44 Luan van Kết luận: Khớp mềm ứng dụng vào cấu truyền chuyển động khí xác cỡ micro, cấu ăn dao, bàn máy bậc tự do, cấu ổn định lực số ứng dụng sinh học, ví dụ khả ứng dụng vào cấu bàn máy bậc tự 45 Luan van CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận  Kết nghiên cứu tác giả đề xuất phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu mới, phương pháp đáp ứng bề mặt với mơ hình hồi quy Kriging phần mềm ANSYS Phương pháp thiết kế tối ưu mở hướng thiết kế ứng dụng lĩnh vực kỹ thuật, hứa hẹn đem lại nhiều điều tiện ích thiết kế  Kết hợp hai mô đun ANSYS APDL ANSYS Workbench phần mềm ANSYS để thiết kế, tối ưu hóa mơ  Thiết kế loại khớp mềm với chuyển vị lớn ứng suất tập trung nhỏ khớp mềm có đảm bảo độ phân giải tương đương với khớp mềm có  Một phân tích phần tử hữu hạn tiến hành để phân tích biến thiết kế ảnh hưởng đến hàm mục tiêu mong muốn chuyển vị theo trục y độ cứng khớp  Kết mô cho thấy khớp đàn hồi có tính tốt khớp chế tạo vật liệu hợp kim Nhôm kết hợp với vật liệu Silicone độ cứng khớp tăng 34,44%  Đã chế tạo thực nghiệm loại khớp mềm sử dụng vật liệu Nhôm (7075 T6)  Trong tương lai khớp ứng dụng vào cấu truyền chuyển động khí xác cỡ micro, cấu ăn dao, bàn máy bậc tự do, cấu ổn định lực số ứng dụng sinh học 6.2 Kiến nghị 46 Luan van  Khi gia công theo phương pháp cắt dây cho khớp mềm, cần điều chỉnh dây cắt cho gia công lần đạt kích thước xác (tránh trường hợp gia cơng nhiều lần cắt làm tăng khả sai số gia công cho khớp mềm)  Sử dụng vật liệu khác cho việc thiết kế, chế tạo khớp mềm giúp tăng phạm vi ứng dụng cho khớp mềm  Xét đến rung động cộng hưởng trình hoạt động nhằm mục đích giảm sai số, tăng độ xác cho khớp mềm  Áp dụng kết hợp thuật toán phương pháp tối ưu để nâng cao tính hiệu làm tăng độ tin cậy cho tốn nghiên cứu sau  Mẫu khớp đàn hồi ứng dụng vào cấu truyền chuyển động khí xác cỡ micro, cấu ăn dao, bàn máy bậc tự do, cấu ổn định lực ứng dụng sinh học  Hạn chế nghiên cứu mơ khớp mềm có sử dụng kết hợp hai loại vật liệu Nhôm (7075 - T6) Silicone Nhưng chưa chế tạo thực nghiệm có kết hợp hai loại vật liệu này, hướng nghiên cứu tiết theo luận văn 47 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J.M Paros, L Weisbord, How to design flexure hinges, Machine Design 25 (1965) 151–156 [2] W Xu and T King, Flexure hinges for piezoactuator displacement amplifiers: flexibility, accuracy, and stress considerations, Precis Eng 19(1), 4–10 (1996) [3] S T Smith, et al., Elliptical flexure hinges, Rev Sci Instrum 68(3), 1474–1483 (1997) [4] N Lobontiu, et al., Corner-Filleted Flexure Hinges, J Mech Des 123(3), 346352 (2001) [5] N Lobontiu, et al., Design of symmetric conic-section flexure hinges based on closed-form compliance equations, Precis Eng 26(2), 183–192 (2002) [6] R Lin, et al., Hybrid flexure hinges, Rev Sci Instrum 84, 085004 (2013) [7] Phạm Huy Hoàng, Trần Văn Thùy, Thiết kế hình dạng mơ hoạt động cấu dẫn động với độ phân giải micro, Tạp chí Phát Triển Khoa Học Công Nghệ, 2008, số 3, Tập 11 [8] Pham Huy-Tuan, V.K Nguyen, and V.T Mai, Shape optimization and fabrication of a parametric curved segment prosthetic foot for amputee, Journal of Science and Technology: Technical Universities Vol 102, pp 89-95, 2014 [9] Van-Khien Nguyen, Huy-Hoang Pham, Huy-Tuan Pham Optimal Design of High Precision Compliant Guide Mechanism Using Gene Algorithm and Taguchi–Based Sensitivity Analysis, Proceedings of the International Conference on System Science and Engineering 2017 (ICSSE 2017) [10] Nguyễn Văn Khiển, Phạm Huy Hoàng Phạm Huy Tuân Tối ưu hóa đa mục tiêu cấu ăn dao xác dùng kết hợp phương pháp Taguchi, giải 48 Luan van thuật gene phương pháp đáp ứng bề mặt Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội, 8-9/12/2017 Tập Cơ học Máy, (2017) [11] Howell L.L, Compliant mechanisms, New York, Wiley, 2001 [12] Qiaoling Meng, “A Design Method for Flexure-Based Compliant Mechanisms on the Basis of Stiffnessand Stress Characteristics”, Ph.D Thesis, 2012, University of Bologna [13] Lobontiu N., Compliant Mechanisms: Design of Flexure Hinges CRC Press, Boca Raton, FL, 2003 [14] Linß, S., et al., The influence of asymmetric flexure hinges on the axis of rotation, in: 56th International Scientific Colloquium, Ilmenau, Germany, 2011 [15] Anirvan DasGupta, Vibrations of Structures, Lecture No # 31 Dynamics of Curved Beams, Department of Mechanical Engineering Indian Institute of Technology, Kharagpur, 2018 [16] ANSYS, “Workbench User's Guide,” [17] Kutner, M., et al., Applied Linear Statistical Models, McGraw-Hill, 5th Ed, 2004, pp 2-27 [18] Shyh-Chour Huang and Thanh-Phong Dao, Design and Computational Optimization of a Flexurebased XY Positioning Platform using FEA-based Response Surface Methodology, (2016) 49 Luan van CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 50 Luan van THUYẾT MINH VÀ HỢP ĐỒNG ĐỀ TÀI NCKH 51 Luan van Luan van ... PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN NGHIÊN CỨU SINH NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA HÌNH DẠNG KHỚP ĐÀN HỒI CHO CÁC THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC TRONG CƠ KHÍ Mã số: T2019-03NCS... PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN NGHIÊN CỨU SINH NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA HÌNH DẠNG KHỚP ĐÀN HỒI CHO CÁC THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC TRONG CƠ KHÍ Mã số: T2019-03NCS Chủ nhiệm đề tài: ThS... bị định vị xác khí 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu tối ưu hình dạng loại khớp đàn hồi cho thiết bị định vị xác khí Các thơng số vật liệu dùng mơ vật liệu