Tom tat luan an: Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.

Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.Nghiên cứu nâng cao trình độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM NGUYỄN VĂN KHIỂN NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CƠ CẤU ĂN DAO DÙNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số chuyên ngành: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2022 Cơng trình hoàn thành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS PHẠM HUY HOANG Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS PHẠM HUY TUÂN Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Cấp Trường họp Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM vào ngày tháng năm DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ I Các cơng trình cơng bố luận án: Nguyen, V.-K., et al., Reliability-Based Multi-Objective Optimization Design Combined NSGA-II Algorithm and Pseudo-Rigid-Body Method for Compliant Mechanisms, Mechanism and Machine Theory, (SCI, Q1, IF: 4.93) (Under Review)(2022) Nguyen, V.-K., et al., Optimization design of a compliant linear guide for high-precision feed drive mechanisms, Mechanism and Machine Theory, 165 (2021) 104442 (SCI, Q1, IF: 4.93) Huy-Tuan Pham, Van-Khien Nguyen, Khac-Huy Nguyen, Quang-Khoa Dang, TrungKien Hoang, Son-Minh Pham “Optimization Design of a 2-DOF Compliant Parallel Mechanism Using NSGA-II Algorithm for VibrationAssisted Milling”, I A Parinov et al.(eds.), Advanced Materials, Springer Nature, Cham, Switzerland, 2020 ISBN: 978-3-030- 45119-6 pp 469-478 (Scopus) Nguyen V.K., Pham H.H., Huy-Tuan Pham., 2018, “Multi-objective Optimization of a Linear Flexure-Based Mechanism Using Pseudo Rigid-Body Diagram Analysis and FEABased Response Surface Methodology,” Modern Environmental Science and Engineering, Volume 4, No 5, pp 469-475 (ISSN 2333-2581) (EI) Van-Khien Nguyen, Duy-Luong Tuong, Huy-Tuan Pham, Huy-Hoang Pham, 2018, "Design and Optimization of a New Hollow Circular Flexure Hinge for Precision Mechanisms", Applied Mechanics and Materials, Vol 889, pp 337-345, (ISSN: 1662-7482) (EI) Nguyễn Văn Khiển, Ngơ Nam Phương, Phạm Huy Hồng, Phạm Huy Tuân, 2017, “Thiết kế tối ưu mô cấu đàn hồi dùng làm khuếch đại cấu tạo vi chuyển động” Tạp chí Phát triển Khoa học & Công nghệ, (ISSN: 1859-0128), tập 20, số K5- 2017, pp 5-12 Nguyễn Văn Khiển, Phạm Huy Hồng Phạm Huy Tn, “Tối ưu hóa đa mục tiêu cấu ăn dao xác dùng kết hợp phương pháp Taguchi, giải thuật gene phương pháp đáp ứng bề mặt,” Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội, 8-9/12/2017, trang 1062-1070, (ISBN: 978-604-913-719-8) Khien-Van NGUYEN, Hoang-Huy PHAM, Tuan-Huy PHAM, 2017, "Multi-objective Optimization of a Linear Flexure-Based Mechanism Using Pseudo Rigid-Body Diagram Analysis and FEA-Based Response Surface Methodology",The 3RD ASEAN Smart Grid Conference and The 5th International Conference on Sustainable Energy (3RD ASGC - 5TH ICSE), Ho Chi Minh City University of Technology, – December 2017, Vietnam, pp 142 - 149 Van Khien Nguyen, Huy Tuan Pham and Huy Hoang Pham, 2017 “Optimal Design of Flexure Mechanism Using Gene Algorithm and Taguchi–Based Sensitivity Analysis”, IEEE International Conference on Systems Science and Engineering, July 21-23, HCM city, Vietnam, pp 412 – 41 (Scopus) 10 Nguyễn Văn Khiển, Phạm Huy Hoàng, Phạm Huy Tuân, 2015 "Cơ cấu đàn hồi hướng ứng dụng", Hội nghị Khoa học - Công nghệ Tồn quốc Cơ khí lần thứ IV, Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 06/11/2015, tập 2, pp 778-786 II Các cơng trình cơng bố khác có liên quan đến hướng nghiên cứu: Pham Huy Tuan, Nguyen Van Khien, and Mai Van Trinh, 2014 “Shape Optimization And Fabrication Of A Parametric Curved-Segment Prosthetic Foot For Amputee”, J Science & Technology, Technical Universities, Vol 102, pp 89-95 Pham, H.T., Nguyen V.K., 2013 “A Monolithic Flexural-Based Prosthetic Foot For Amputee”, Journal of Engineering Technology and Education, National Kaohsiung University of Applied Sciences, Vol 9, pp 461 467 (EI) HT Pham, MN Le, VK Nguyen, 2015 "Design of a Multi-Axis Fully Compliant Prosthetic Foot for Amputee", The 4th International Conference on Sustainable Energy (4th ICSE), pp 223-228 Pham Huy Tuan, Nguyen Van Khien, 2012 “A Monolithic Flexural-Based Prosthetic Foot For Amputee” The 2012 International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2012), HCM city University of Technical Education, Sept 29th – 30th, HCM city, Vietnam III Số lượng văn bảo hộ sở hữu trí tuệ cấp (nếu có) TT Tên nội dung văn Năm cấp văn bằng: 05/07/2022 Bộ Khoa Học Công Nghệ - Cục Sở Hữu Bằng sáng chế: Bàn chân giả với khớp mắt cá chân đa trục Trí Tuệ Bằng độc quyền sáng chế số: 32899 IV Các đề tài NCKH theo hướng nghiên cứu tham gia:  Đề tài cấp Bộ, trường trọng điểm/NCS: TT Tên đề tài / Lĩnh vực ứng dụng Năm Đề tài cấp Trách nhiệm Cấp Bộ Thanh viên 2020 Dành cho NCS Chủ nhiệm 2019 Dành cho NCS Chủ nhiệm 2018 Dành cho NCS Chủ nhiệm Nghiên cứu cơng nghệ gia cơng có dao động hỗ trợ giúp nâng cao suất độ xác gia cơng khí 2022 Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học động lực học cho cấu đàn hồi tần số cao điều khiển Piezoactuator (T2020-06NCS) Nghiên cứu tối ưu hình dạng khớp đàn hồi cho thiết bị định vị xác khí (T2019-03NCS) Nghiên cứu nâng cao độ xác cấu ăn dao dùng cấu mềm (T2018-02NCS) Nghiên cứu thiết kế tối ưu hóa cấu xác tạo chuyển động thẳng hai bậc tự (T2019-08TĐ) 2019 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khớp mắt cá chân cấu mềm cho người khuyết tật/ y học (T2013-35TĐ) 2013 Trường trọng điểm Trường trọng điểm Thanh viên Thanh viên MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Một số nguyên nhân dẫn đến làm giảm độ xác máy cơng cụ như: sai số lắp ráp khớp nối truyền thống, khe hở mịn vít me bi, ổ lăn, Để đạt độ xác cao quy trình gia công thường đượng thực qua nhiều bước bao gồm: gia công thô, bán tinh tinh máy tiện, cuối nguyên công mài Rõ ràng sản phẩm gia cơng máy tiện có u cầu dung sai kích thước lên đến 1/1000 (mm) khơng thể sản xuất máy tiện thơng thường Khi đó, ngun cơng mài (hoặc tiện máy có độ xác cao hơn) cần phải bổ sung thêm vào quy trình cơng nghệ Tiện mang lại tốc độ sản xuất cao hơn, chi phí vốn dụng cụ hơn, thân thiện với môi trường so với mài Rõ ràng cách thực toàn quy trình gia cơng máy, thời gian chu kỳ phận giảm xuống không cần thay đổi máy cơng cụ Máy tiện có độ xác cao gần xuất để đáp ứng yêu cầu tiện xác Hạn chế chúng chi phí vốn cao, điều làm khó cho nhà máy sản xuất sở hữu máy tiện thông thường nến muốn đầu tư máy móc cao độ xác gia cơng Cũng nhiều máy móc có độ xác cao địi hỏi mơi trường đặc biệt tách rung động cách ly nhiệt, điều làm tăng thêm chi phí xây dựng nhà xưởng Để tận dụng khơng cần mua máy móc, thiết bị mới, tận dụng máy móc hệ cũ mà chế tạo sản phẩm có độ xác cao với giá thành rẻ Hệ thống hoàn chỉnh phát triển, bao gồm thiết kế tối ưu phân tích, chế tạo lắp ráp thiết bị truyền động, nhận dạng hệ thống thiết kế điều khiển, cuối thực nghiệm phịng thí nghiệm sở cơng nghiệp Mục đích nghiên cứu Thiết kế tối ưu hóa chế tạo cấu ăn dao dùng cấu đàn hồi (CCĐH) gắn bàn dao máy tiện với mục đích nâng cao độ xác cấu ăn dao, giảm độ nhám bề mặt gia công Về mặt công nghệ gia công tinh không cần bổ sung thêm ngun cơng mà đạt độ xác lên đến 1/1000 (mm) Để thực mục đích vấn đề quan tâm đề tài bao gồm: (1) Thiết kế phân tích động học động lực học cấu ăn dao (2) Tối ưu hóa dựa độ tin cậy kích thước cấu ăn dao (3) Chế tạo thực nghiệm cấu ăn dao (4) Điều khiển ấu ăn dao (5) Sử dụng cấu ăn dao gắn máy tiện máy tiện CNC để gia công vật liệu thép C45 - Nhiệm vụ nghiên cứu Xây dựng mơ hình chuyển vị, động học động lực học cấu ăn dao Tối ưu hóa thiết kế cấu ăn dao Thiết kế, chế tạo kiểm nghiệm cấu ăn dao Điều khiển cấu ăn dao thuât toán GA – PID Thực nghiệm kiểm chứng cấu ăn dao để gia công vật liệu thép C45 theo tiêu chí độ nhám bền mặt độ xác cấu ăn dao Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu sâu nghiên cứu độ xác cấu ăn dao, bỏ qua ảnh hưởng khác đến độ xác q trình gia cơng Cơ cấu ăn dao dùng CCĐH làm vật liệu hợp kim nhôm (Al7075) dùng để gắn bàn dao máy tiện MAQ CD6241X100 máy tiện CNC ECOCA SL-8 để gia công vật liệu thép C45 Hướng tiếp cận phương pháp nghiên cứu - Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mơ hình tốn, phương pháp mơ số thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Ý nghĩa khoa học - Lần đầu tiên, hệ thống dụng cụ cắt xác thiết bị cắt thử nghiệm phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước xây dựng, tạo tiền đề cho nghiên cứu sau lĩnh vực Việt Nam - Đã triển khai nghiên cứu đánh giá thực nghiệm ưu điểm cấu ăn dao dùng CCĐH so với máy tiện máy tiện CNC thông thường tiêu độ xác gia cơng, độ nhám bề mặt nhiệt độ cắt - Nghiên cứu phát triển thiết kế xây mơ hình tốn mới, mối quan hệ chuyển vị, độ cứng đầu vào đầu ra, động học động lực học cấu ăn dao - Về mặt phương pháp tính tốn thiết kế tối ưu, đề xuất giải thuật thiết kế tối ưu tổng quát nhất: (I) Giải thuật di truyền dùng TOPSIS cho khâu cứng tương đương CCĐH kết hợp: (II) Thiết kế tối ưu hóa dựa độ tin cậy: - Luận án có ý nghĩa tham khảo quan trọng việc nghiên cứu, phân tích đối tượng tương tự lĩnh vực kết cấu đàn hồi Đồng thời, kết nghiên cứu tài liệu giúp mang lại hiểu biết phương pháp mơ hình hóa, tối ưu hóa độ tin cậy điểu khiển vịng kín GA – PID phần mềm LABVIEW Ý nghĩa thực tiễn - Trên giới có nhiều cơng trình khoa học cơng bố CCĐH dùng làm định vị xác Tuy nhiên Việt Nam, lĩnh vực nghiên cứu nhiều hạn chế - Kết cho thấy sử dụng để gia công máy tiện MAQ CD6241X100 sai số vị trí mũi dao nhỏ 2,5 µm, độ nhám bề mặt 0,41µm Khi sử dụng gia cơng máy tiện CNC sai số vị trí mũi dao nhỏ 0,4 µm, độ nhám bề mặt 0,25 µm Gia công với loại máy cho thấy nhiệt độ cắt giảm đáng kể Kết giúp kéo dài tuổi thọ cho dao - Kết nghiên cứu ứng dụng trực tiếp vào sản xuất nâng cao hiệu kinh tế – kỹ thuật q trình gia cơng máy tiện Cấu trúc luận án Luận án gồm chương: Mở đầu; Chương 1: Tổng quan nghiên cứu; Chương 2: Cơ sở lý thuyết nghiên cứu; Chương 3: Thiết kế tối ưu hóa cấu ăn dao; Chương 4: Thực nghiệm điều khiển cấu ăn dao; Chương 5: Kết luận hướng phát triển CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.1.1 Cơ cấu đàn hồi (CCĐH) Cơ cấu đàn hồi (CCĐH) cho phép truyền hay biến đổi chuyển động, lực mômen Tuy nhiên không giống cấu cứng truyền thống, CCĐH thực một vài chuyển động nhờ vào biến dạng khớp đàn hồi không dựa vào khớp động thường dùng Một ví dụ cho việc chuyển đổi cấu cứng truyền thống thành CCĐH thực chức thể Hình 1.2 cho cấu kìm cộng lực Hình 1.1(b) Hình 1.2: Khớp đàn hồi với cấu tạo nguyên khối [1] (Trong đó: R: bán kính; t: chiều dày; b: chiều rộng;  : góc xoay) Hình 1: Kìm cộng lực CCĐH 1.1.2 Các ưu điểm khớp đàn hồi cấu đàn hồi Việc sử dụng CCĐH giúp giảm sai số nhờ giảm số chi tiết trình lắp ráp, đơn giản hóa q trình sản xuất có khả tăng hiệu sử dụng nhờ tăng độ xác (loại trừ khe hở khớp nối khớp truyền thống giảm mài mòn (do khơng có trượt tương đối khâu nối với nhau) Các dạng khớp nối đàn hồi cho phép tạo liên kết tương tự khớp nối truyền thống khắc phục nhược điểm khớp truyền thống Khớp lề đàn hồi cấu tạo khối vật liệu cắt khoét phần (Hình 1.5) Khớp nối đàn hồi dựa độ đàn hồi thân vật liệu khớp để tạo chuyển động Do chế tạo từ nhiều chi tiết khác nên khớp nối đàn hồi không tồn nhược điểm khớp nối truyền thống như: ma sát, mài mịn, phải bơi trơn khe hở Khớp đàn hồi Khớp đa trục cấu khuếch đại Hình 1.6: Cơ cấu đàn hồi [2] Cơ cấu khuếch đại 1.1.3 Một số cấu đàn hồi thông dụng CCĐH tạo thành từ nhiều khớp đàn hồi kết hợp lại với nhau, CCĐH có dạng đặc trưng cấu truyền thống, truyền biến đổi nhiều loại chuyển động khác (Hình 1.6) Với ưu điểm vốn có khớp nối đàn hồi, CCĐH với thiết kế nguyên khối đồng có khả truyền chuyển động xác với hiệu suất độ bền cao cấu khí truyền thống nhiều lần Do CCĐH dùng cho cấu dẫn động định vị, ứng dụng cấu đàn hồi truyền động xác, … 1.2 Các kết nghiên cứu nước Trong cơng trình [3] GS Bành Tiến Long đưa giải pháp nâng cao độ xác máy phay CNC điều khiển Trong nghiên cứu nhóm này, tiêu chí quan trọng để đánh giá chất lượng máy sai số vị trí Năm 2008, 2013 [4, 5] Phạm Huy Hoàng cộng thiết kế cấu dẫn động CCĐH với độ phân giải micron Nhưng kết giới hạn tính tốn, mơ phỏng, chưa sâu nghiên cứu thực nghiệm điều khiển ứng dụng cấu Hình 1.20 Năm 2013, 2016 [6-8] Phạm Huy Tuân cộng cải tiến thành công khớp mắt chân giả để tạo khả linh hoạt thiết kế trước Thiết kế kết hợp đàn hồi khớp đàn hồi Hình 1.22(a) Thiết kế sau tiếp tục cải tiến thành sản phẩm hồn chỉnh bàn chân giả với khớp mắt cá chân đa trục đăng ký sở hữu trí tuệ năm 2020 (Hình 1.22(b)) (a) (b) Hình 3: Bàn chân giả vật liệu POM (a) [8] đăng ký sở hữu trí tuệ (b) [9] Nhóm tác giả Thanh-Phong Dao cộng thiết kế, chế tạo tối ưu nhiều CCĐH cho vài ứng dụng hệ thống định vị xác [10, 11], … Các kết nghiên cứu nhóm chủ yếu phát triển thiết kế có khuếch đại chuyển vị lớn, nhược điểm tần số tự nhiên nhỏ, độ cứng vũng thấp, không gian thiết kế lớn Các kết nghiên cứu chưa sâu nghiên cứu mô hình tốn, điều khiển, thực nghiệm khả ứng dụng thực tế của chúng 1.3 Các kết nghiên cứu nước Ngày nay, CCĐH nghiên cứu ứng dụng rộng rãi, đóng vai trị quan trong lĩnh vực áp dụng rộng rãi kỹ thuật xác, khí xác, cấu định vị [12-14], chẳng hạn kính hiển vi lực nguyên tử, tay máy vi mô (micro/nano manipulator) gia cơng xác [15-18], cấu chạy dao xác [19-21], cấu cân chỉnh xác [22] cấu định vị nano xác 2-3 bậc tư [23-26], cấu kẹp vật cấu gắp vật siêu nhỏ [27-30], cấu tạo điều chỉnh lực [31, 32], van servo để kiểm soát chất lỏng [33] Một số ứng dụng CCĐH song ổn định như: cấu khoá micro ứng dụng quang học [34], cấu đựng đĩa CD [35], gia tốc kế dạng khóa (latching accelerometer) [36], rờ le (relay) điện [37] Bảng 1: Thông số cấu ăn dao dùng CCĐH công bố Tác giả TLTK Hành trình (μm) Tian [19] Liu [20] Li [38] Zhu [39] Wang [40] Ding [41] Liang [42] Kurniawan [43] He [44] Zhao [45] Zhou [46] 20 500 20 10,25 540 96,75 114,9 26 10,4 60,18 Chuyển vị không mong muốn (μm) Thông số Độ cứng đầu vào (N/μm) 13,1 74,76 N/mm 10,3173 22,434 3,4 0.98 6,12 50 50 16,84 13,47 Ứng suất lớn (MPa) 52 700 227 94,634 260,65 131,6 131,6 171 300 Tần số tự nhiên (Hz) 1122 109,6 1400 2000 321 156,77 316,85 480 980 1250 Nhận xét: Các kết nghiên cứu tổng hợp so sánh Bảng 1.1 cho thấy cấu ăn dao có chuyển vị khoảng – 540μm, tần số tự nhiên 156,77 – 2000Hz, độ cứng đầu vào 6,12 – 50N/μm Các kết nghiên cứu trước thường khoảng trên, thiết kế cấu ăn dao luận án chọn vùng giá trị Để tránh xảy tượng cộng hưởng cấu ăn dao với hệ thống công nghệ máy tiện (gồm máy, phôi, đồ gá, …) gia công, tần số dao động tự nhiên cấu ăn dao nên thiết kế lớn tốt Để đảm bảo cấu ăn dao hoạt động tốt gia công, ứng suất lớn thiết kế nhỏ tốt nhỏ giá trị độ bền chảy vật liệu làm cấu ăn dao Nhưng thực tế thiết kế, chuyển vị lớn tần số độ cứng thiết kế nhỏ ngược lại Đây thách thức thúc đẩy nghiên cứu luận án để tìm thiết kế có tần số tự nhiên lớn, chuyển vị lớn, độ cứng lớn ứng suất nhỏ Ngoài ra, Bảng 1.1 cho thấy nghiên cứu có chuyển động khơng mong muốn lớn hay quan tâm đến chuyển động không mong muốn, cấu định vị xác hay cấu ăn dao, điều quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến độ xác sai số định vị cấu ăn dao, lý để thúc đẩy nghiên cứu luận án Các nghiên cứu có độ cứng đầu vào nhỏ, khuếch đại chuyển vị lớn dẫn đến độ cứng đầu nhỏ, cấu yếu khó đáp ứng gia công Đây lý luận án để thúc đẩy tìm kiếm thiết kế có độ cứng cao Tổng hợp điểm chung nghiên cứu trên, ta thấy (i) Về mặt thiết kế: Trong thiết kế PZT gắn trực tiếp vào CCĐH Hình 1.23 đến Hình 1.34, PZT bị phản lực ngược trực tiếp có tải gia cơng làm giảm hiệu suất hoạt động PZT cấu, làm PZT dễ bị hư hỏng Đây hạn chế nhược điểm thiết kế trên, đặc biệt làm giảm hiệu hoạt động hiệu suất cao, độ xác dịch chuyển Vậy cần thiết tìm thiết kế để khắc phục hạn chế thiết kế cấu ăn dao Trong kết nghiên cứu cho thấy thiết kế có chuyển vị lớn tần số nhỏ, ứng suất tập trung lớn, độ cứng nhỏ, chuyển vị không mong muốn lớn ngược lại Kết dẫn đến làm giảm độ xác truyền chuyển động, gây cộng hưởng, ứng suất tập trung lớn rễ xảy nứt gãy, hư hỏng q trình gia cơng, khó sử dụng thiết kế để gắn máy tiện CNC thông thường ứng dụng cho gia công cắt gọt Đây lý thúc đẩy nghiên cứu luận án tìm cấu phù hợp để hạn chế nhược điểm thiết kế Ngoài ra, nghiên cứu thường thiết kế CCĐH cách trực tiếp mà không phân tích tối ưu hóa cấu khâu cứng Luận án đề xuất phương pháp thiết kế cách tổng quát từ việc thiết kế phân tích tối ưu hóa cấu khâu cứng tương đương sau dựa thiết kế cấu khâu cứng tương đương để thiết kế CCĐH, cuối tối ưu hóa phân tích độ tin cậy CCĐH (ii) Về mặt ứng dụng điều khiển: Các nghiên cứu chủ yếu tính tốn mơ phỏng, chế tạo thực nghiệm thiên định hướng ứng dụng, nghiên cứu sử dụng cấu để gia công ứng dụng thực tế Các cấu ăn dao thường định hướng ứng dụng máy CNC xác cao để gia cơng bề mặt vi mơ có độ xác cao Trên giới việt Nam nghiên cứu ứng dụng cấu ăn dao vào máy tiện CNC thông thường a) Các phương pháp nghiên cứu CCĐH: Về mặt lý thuyết, có ba phương pháp tiếp cận tổng hợp thiết kế khác cho CCĐH Hình 1.36 (1) Các phương pháp tiếp cận dựa mơ hình tốn tĩnh học/động học: chẳng hạn mơ hình vật thể giả cứng (PRBM) [2], phương pháp ma trận [29, 47], the elastic beam theory [48, 49] định lý thứ hai Castigliano [50, 51] (2) Các cách tiếp cận khối cấu trúc [52-54] (3) Các phương pháp tiếp cận dựa sở tối ưu hóa hình học topology [30] tối ưu hóa kích thước, bao gồm: sử dụng tối ưu hóa trực tiếp dùng thuật tốn di truyền (genetical gorithm-GA), DE, PSO [31, 32, 55-57] tối ưu hóa thiết kế thực nghiệm như: Dựa thiết kế thí nghiệm Taguchi kết hợp với GA [58], phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface Methodology-RSM) [23, 59] Hình 4: Tổng hợp phương pháp thiết kế CCĐH [55] 3.4.4.3 Đánh giá thiết kế tối ưu (a) (b) (d) (c) Hình 3.12: Kết mơ phỏng: (a) chuyển vị theo y, (b) chuyển vị theo x, (c) ứng suất, (d) tần số Hình 3.14 cho thấy tần số tự nhiên 𝑓0 = 265,5 Hz phù hợp với mục tiêu toán Sai số kết mô với kết tối ưu biến thiết kế làm trịn số, để thuận tiện cho việc gia cơng Kết luận thiết kế tối ưu hóa cấu ăn dao kiểu 1: Ưu điểm: Thiết kế, tối ưu hóa mơ cấu ăn dao có độ khuếch đại chuyển vị 3, tần số tự nhiên trung bình f = 265,5 Hz, ứng suất nhỏ 43,9 MPa, chuyển động không mong muốn cấu không đáng kể Ứng suất chuyển động không mong muống nhỏ so với nghiên cứu trước, thiết kế tác giả chọn cấu bốn khâu kép mơ hình thiết kế ưu điểm thiết kế so với thiết kế trước Ứng suất tập trung nhỏ điều đảm bảo q trình gia cơng khơng xảy tượng gãy, đứt cấu cấu bị đẩy đến trạng thái vượt qua giới hạn đàn hồi không trở vị trí ban đầu hay cịn gọi khả đàn hồi Chuyển động không mong muốn không đáng kể giúp cho cấu hoạt động ln có độ xác cao vị trí định vị mũi dao gia công Kết cấu cấu kết hợp cứng khớp đàn hồi dựa cấu khâu cứng tương đương Sử dụng khuếch đại chuyển vị cấu đòn bẩy, cấu khâu lề, cấu bốn khâu lề kép giảm chuyển động không mong muốn Thiết kế tối ưu hóa cách tổng quát từ tối ưu hóa cấu khâu cứng, tối ưu hóa cấu đàn hồi 10 Định hướng ứng dụng cấu phù hợp cho gia công tinh, gắn máy xác tiến hành tiện xác micron/nano Nhược điểm: Thiết kế cấu kiểu có độ cứng đầu không cao tần số tự nhiên cấu trung bình Nhằm kế thừa phát triển ưu điểm khắc phục nhược điểm thiết kế trên, thiết kế kiểu phát triển mục luận án 3.5 Thiết kế tối ưu hóa cấu ăn dao kiểu 3.5.1 Ngun lý hoạt động Hình 3.16: Mơ hình phân tích khuếch đại dựa vào vận tốc điểm Hình 3.15 mơ tả kết cấu tổng thể cấu Cơ cấu kết hợp cấu đòn bẩy cấu bốn khâu lề để đảm nhận nhiệm vụ đặt Trong thiết kế cấu đòn bẩy sử dụng hai lần với mục đích khuếch đại chuyển vị Cơ cấu bốn khâu lề vừa làm nhiệm vụ gia tăng độ cứng vững, giảm chuyển động theo cấu dùng để khuếch đại phần cho chuyển động đầu vào Hình 3.15: Cơ cấu ăn dao xác dùng CCĐH 3.5.2 Phân tích khuếch đại cấu Gọi 𝐴𝑎𝑚𝑝 tỉ lệ khuếch đại chuyển vị đầu 𝑦𝑜𝑢𝑡 /đầu vào 𝑦𝑖𝑛 cấu Hình 3.16 𝐴𝑎𝑚𝑝 = 𝑦𝑜𝑢𝑡 𝑦𝑖𝑛 𝑉 ≅ 𝑉𝑃 = 𝑀 𝜔 𝐿 𝑂1 𝑃 𝜔1 𝐿𝑂𝑀 𝐿𝑂𝑁 𝐿𝑂1 𝑃 =𝐿 𝑂1 𝑁 𝐿𝑂𝑀 𝜔 𝐿 (trong đó: 𝜔2 = 𝐿 𝑂𝑁 ) 𝑂1 𝑁 (3.36) 3.5.3 Phân tích độ cứng theo phương pháp ma trận Việc mơ hình hóa khớp đàn hồi với DOF đảm bảo độ xác biến dạng mơ tả đầy đủ đặc tính thiết kế Ma trận mềm đầy đủ 6x6 cho khớp đàn hồi thay ma trận [3x3] đơn giản hóa, khớp đàn hồi chịu biến dạng dọc trục, uốn quay xung quanh trục Hình 3.17, Hình 3.18 11 Hình 3.18: Hệ tọa độ (a) khớp bán nguyệt (b) mơ hình tương đương khớp Hình 3.17: Mơ hình phân tích ma trận mềm Vậy ma trận độ cứng đầu vào 𝐾𝑖𝑛 đầu 𝐾𝑜𝑢𝑡 cấu 𝑂 )−1 (3.53) 𝐾𝑖𝑛 = (𝐶𝑖𝑛 𝑂 −1 (3.54) 𝐾𝑜𝑢𝑡 = (𝐶𝑜𝑢𝑡 ) 3.5.4 Phân tích động lực học cấu Trong cấu phẳng, khớp nối đàn hồi có bậc tự gồm bậc tự tịnh tiến (𝑢𝑥 , 𝑢𝑦 ) bậc tự xoay (𝜃𝑧 ) Các bậc tự thể lò xo (tịnh tiến: 𝑘𝑥 , 𝑘𝑦 xoay: 𝑘𝑧 ) Hình 3.18, Hình 3.19 Hình 3.19: Mơ hình cấu tương đương cấu đàn hồi Theo Lagrangian ta có 𝛤 = 𝑇0 − 𝑉 𝑑 𝜕Γ 𝜕Γ (3.60) ( )− = 𝑄𝑖 𝑖 = 1, 2, … , 𝑛 𝑑𝑡 𝜕𝑦𝑖̇ 𝜕𝑦𝑖 Thay phương trình (3.57) – (3.59) vào phương trình (3.60) ta tìm phương trình chuyển động tổng quát cấu có dạng: (3.61) 𝑀𝑦̈ + 𝐾𝑦 = đó: M, K, Q ma trận khối lượng, ma trận độ cứng vector ngoại lực tác dụng lên hệ Từ phương trình (3.63) ta dễ dàng xác định tần số tự nhiên 𝜔0 hệ [64] (3.63) 𝐷𝑒𝑡(𝐾 − 𝜔2 𝑀) = 3.5.5 Tối ưu hóa cấu ăn dao kiểu Dựa kết nghiên cứu [21] cho trình tối ưu hóa cấu khâu cứng tương đương tối ưu hóa CCĐH, phần thiết kế cấu ăn dao kiểu NCS đề xuất thuật toán 12 phát triển gồm bước thể Hình 3.20, thuật tốn bao gồm ba bước độc lập: (1) Tối ưu hóa cấu khâu cứng tương đương; (2)Tối ưu hóa cấu đàn hồi dùng GA; (3) Phân tích độ tin cậy: 3.5.5.1 Tối ưu hóa cấu khâu cứng tương đương Trong nghiên cứu này, tốn tối ưu hóa cấu PRBM sử dụng hàm “FMINCON” MATLAB để tối ưu hóa phương trình (3.64), điều kiện ràng buộc hàm mục tiêu chi tiết Bảng 3.7 Bảng 6: Bài tốn tối ưu hóa cấu PRBM Hàm mục tiêu: 𝑀𝑖𝑛|𝐴𝑎𝑚𝑝 − 3| Biến thiết kế: 𝐿𝑂𝑀 , 𝐿𝑂𝑁 , 𝐿𝑂1 𝑁 , 𝐿𝑂1 𝑃 Điều kiện biên: (i) Giới hạn biến thiết kế (mm) 10 ≤ 𝐿𝑂𝑀 ≤ 20 15 ≤ 𝐿𝑂𝑁 ≤ 30 10 ≤ 𝐿𝑂1 𝑁 ≤ 20 25 ≤ 𝐿𝑂1 𝑃 ≤ 40 (ii)Điều kiện ràng buộc : 𝐿𝑂𝑁 + 𝐿𝑂1 𝑁 = 40 𝐿𝑂1 𝑃 − 𝐿𝑂1 𝑁 = 20 (3.64) (3.65) (3.66) (3.67) (3.68) (3.69) (3.70) Bảng 7: Giá trị tối ưu hóa cấu khâu cứng biến thiết kế Các biến Giá trị (mm) Các biến Giá trị (mm) 𝐿𝑂𝑀 𝐿𝑂𝑁 15 25 𝐿𝑂1 𝑁 𝐿𝑂1 𝑃 15 35 3.5.5.2 Tối ưu hóa cấu đàn hồi dùng GA Bảng 8: Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu CCĐH Hàm mục tiêu: 𝑓1 = 𝑀𝑎𝑥(𝑓0 ) 𝑓2 = 𝑀𝑎𝑥 ( 𝑦𝑜𝑢𝑡 𝑦𝑖𝑛 (3.72) ) (3.73) Hàm trạng thái giới hạn (*): {𝐺(𝐹𝑖 , 𝑢𝑥 , 𝜎𝑚 ) − 𝐷0 ≤ 0} ≥ Ф(β), i = x, y, z (3.74) Độ tin cậy 𝑅 ≥ 98% Biến thiết kế: 𝑇1 , 𝑇2 , 𝑇3 Điều kiện biên: (i)Giới hạn biến thiết kế (mm) 0,4 ≤ 𝑇1 , 𝑇2 , 𝑇3 ≤ 1,5 (3.75) (ii)Độ cứng đầu vào cấu: 𝐾𝑖𝑛 ≤ 0,15𝐾𝑝𝑧𝑡 (𝐾𝑝𝑧𝑡 = 480 N/μm) (3.76) (iii)Lực căt (N) (*): 𝑔1 = 50 − 𝐹𝑧−𝐿ự𝑐 𝑐ắ𝑡 ≤ (3.77) 𝐹𝑧−𝐿ự𝑐 𝑐ắ𝑡 ~𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙(50, 10) 𝑔2 = 50 − 𝐹𝑥−𝐿ự𝑐 𝑐ℎạ𝑦 𝑑𝑎𝑜 ≤ (3.78) 𝐹𝑥−𝐿ự𝑐 𝑐ℎạ𝑦 𝑑𝑎𝑜 ~𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙(50, 10) 𝑔3 = 200 − 𝐹𝑦−𝐿ự𝑐 ℎướ𝑛𝑔 𝑘í𝑛ℎ (3.79) 𝐹𝑦−𝐿ự𝑐 ℎướ𝑛𝑔 𝑘í𝑛ℎ ~𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙(200, 50) (iv)Chuyển động khơng mong muốn theo trục x (μm) (*): 𝑔4 = 0,01 − 𝑢𝑥 ≤ (3.80) 𝑢𝑥 ~𝑁𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙(0,01, 0,005) 13 (v)Ứng suất lớn nhất: 𝜎 𝑔5 = 𝜎𝑚 ≤ 𝑦 (3.81) 𝑆𝐹 Note: (*) Các hàm bổ sung thêm phân tích độ tin cậy kết cấu Hình 3.20 Lưu đồ thuật tốn tối ưu hóa đa mục tiêu dựa độ tin cậy sử dụng cho thiết kế 3.5.5.3 Tối ưu hóa dựa độ tin cậy Hình 3.24: Mơ chuyển vị, ứng suất Hình 3.22: Đồ thị Pareto tối ưu độ tin cậy 14 Hình 3.22 biểu diễn đồ thị Pareto tối ưu độ tin cậy Mục tiêu cực đại hóa hàm 𝑓1 (tần số tự nhiên) đồng thời cực đại hàm 𝑓2 (tỷ lệ khuếch đại chuyển vị) Nghiệm thiết kế Pareto Hình 3.22 có nhiều lựa chọn điểm thiết kế ưu độ tin cậy, ưu điểm phương pháp tối ưu độ tin cậy Trong Hình 3.22 thiết kế chọn có số độ tin cậy 𝛽 = 1,986, độ tin cậy 𝑅 = 99,87 %, hàm mục tiêu 𝑓1 = 1500 Hz, 𝑓2 = 3,104, thỏa mãn yêu cầu toán đặt điều kiện ràng buộc, hàm mục tiêu độ tin cậy Kết toán tối ưu thiết kế dựa độ tin cậy tổng hợp Bảng 3.10 Bảng 9: Kết tối ưu hóa Biến thiết kế 𝑇1 𝑇2 𝑇3 𝑓1 𝑅 Gía trị (mm) 1,2 0,61 0,6 1500 Hz 99,88 % Biến thiết kế 𝑓2 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝐷𝑜𝑢𝑡 (𝐷𝑦 ) 𝛿𝑥 𝛽 Gía trị 3,104 73,2 MPa 40,0 µm µm 3,048 3.5.5.4 Đánh giá thiết kế tối ưu Hình 3.25 cho thấy tần số tự nhiên 𝑓0 = 1500 𝐻𝑧 phù hợp với mục tiêu tốn Sai số kết mơ với kết tối ưu biến thiết kế làm tròn số, để thuận tiện cho việc gia cơng Kết luận Thiết kế, tối ưu hóa dựa độ tin cậy mô cấu ăn dao có độ khuếch đại chuyển vị 3, tần số tự nhiên lớn f = 1527,4 Hz, ứng suất nhỏ 73,7 MPa, chuyển động không mong muốn cấu không đáng kể Ứng suất chuyển động không mong muống nhỏ so với nghiên cứu trước, thiết kế thiết kế đối xứng với việc sử dụng cấu bốn khâu lề kép để dẫn hướng cho dụng cụ cắt, ưu điểm thiết kế so với thiết kế trước Chuyển động không mong muốn không đáng kể giúp cho cấu hoạt động ln có độ xác cao vị trí định vị mũi dao gia công Tần số tự nhiên lớn nhờ cấu có độ cứng vững đối xứng cao, khối lượng nhẹ, nhỏ gọn, đặc biệt tốt cho việc gia công tốc độ cao Cũng tương tự thiết kế kiểu 1, kết cấu cấu kết hợp cứng khớp đàn hồi dựa cấu khâu cứng tương đương Sử dụng khuếch đại chuyển vị cấu đòn bẩy, cấu bốn khâu lề kép làm giảm chuyển động không mong muốn tăng độ cứng vững Thiết kế tối ưu hóa cách tổng quát từ tối ưu hóa cấu khâu cứng, tối ưu hóa cấu đàn hồi, phân tích độ tin cậy ảnh hưởng lực cắt, chuyển vị đầu vào PZT ứng suất chảy vật liệu Ứng dụng cấu phù hợp cho gia công tinh, gắn máy tiện cơ, máy tiện CNC thơng thường hay máy xác tiến hành tiện xác micron/nano CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU ĂN DAO 4.1 Thực nghiệm điều khiển thiết kế kiểu 4.1.1 Kiểm tra tần số dao dao động tự nhiên Kết đo thể Hình 3.14 Trong tần số đỉnh thứ tương ứng với tần số cộng hưởng thứ 260,9 Hz Kết đo nhỏ chút so với kết mô FEA Sai lệch phần sai số gia cơng chưa hồn hảo q trình lắp đặt kết cấu 15 4.1.2 Thực nghiệm điều khiển vịng hở Hình 4.7: Hình chụp mơ hình thí nghiệm thực tế (1) CCĐH; (2) PZT; (3) NI MyRio 1900, (4) Laser sensor LK – G35; (5) Bàn dịch chuyển micro; (6) Controller LK – 3001P; (7) Driver MDT694A; (8) Máy tính; (9) Bàn cách ly rung động Kết đo chuyển vị thể Hình 4.9 Kết đo cho thấy đường đặc tính khuếch đại chuyển vị cấu thật bám tương đối sát với kết mơ Tuy nhiên cịn tồn lượng sai lệch nhỏ hai kết cách điều khiển sử dụng điều khiển vịng hở 4.1.3 Thực nghiệm điều khiển vịng kín PID-GA [65, 66] Dựa nhận xét trên, kết luận điều khiển tối ưu hóa bẳng giải thuật GA dựa hàm mục tiêu IAE: KP = 45,3166, KI = 0,00854278, KD = 0,0021357 tốt áp dụng thực nghiệm Hình 4.9: Kết đo chuyển vị điều khiển vịng Hình 4.10: Kết thực nghiệm chuyển vị hở input – output điều khiển vịng kín Kết điều khiển vịng kín thuật tốn GA – PID Hình 4.10 Hình 4.11 cho thấy giá trị đặt, giá trị thực đáp ứng dạng xung: sin, tam giác vng có sai số nhỏ 0,02 µm Điều cho thấy việc điều khiển cấu có độ xác cao khả đáp ứng tốt Bảng 4.5: So sánh kết mô thực nghiệm Biến mục tiêu Tỷ lệ khuếch đại Tần số tự nhiên (Hz) Chuyển vị (μm) Lý thuyết/ sai số (%) 3,66% 271,3 3,83% 54 3,89% Kết mô phỏng/ sai số (%) 3,0001 3,67% 265,5 1,73% 52,78 1,67% 16 Thưc nghiệm 2,89 260,9 51,9 Bảng 4.6: So sánh kết với nghiên cứu trước Các nghiên cứu Wang [67] Ding [41] Kurniawan [43] Li [68],Liang [42] Tác giả Tỷ lệ khuếch đại 1,21 unknow 2,8725 3,0001 Tần số tự nhiên (Hz) 398,8 156,77 480 200 265,5 Ứng suất max (Mpa) 53 94,636 unknown 260,65 43,9 Tần số tự nhiên, tỷ lệ khuếch đại ứng suất tập trung tối đa cấu dẫn động nguồn cấp so sánh với nghiên cứu trước Bảng 4.6 Kết so sánh cho thấy với tỷ lệ khuếch đại 3,0, cấu có tần số tư nhiên trung bình ứng suất tập trung tương đối nhỏ Đặc tính hữu ích cho khơng cấu dẫn động tiến dao có độ xác cao mà cịn có khả ứng dụng gia cơng hỗ trợ rung Kết luận: Cơ cấu ăn dao chế tạo, thực nghiệm điều khiển thuật toán GA-PID Kết thực nghiệm cho thấy sai số lý thuyết với mô thực nghiệm nhỏ như: Tỷ lệ khuếch đại chuyển vị 3,67%; tần số tự nhiên 1,73%; chuyển vị ký sinh khơng đáng kể Ngồi ra, sai số điều khiển đáp ứng vịng kín 0,02 µm Việc so sánh kết lý thuyết với mô FEA kết thử nghiệm thực tế liệt kê trên, xác minh tính hợp lệ hiệu phương pháp tối ưu hóa 4.2 Thực nghiệm điều khiển thiết kế cấu kiểu Hình 4.14: Mơ hình thực nghiểm cấu ăn dao kiểu (1) CCĐH; (2) PZT; (3) Cảm biến laser LK-G30; (4) Bàn dịch chuyển micro (5) NI MyRio 1900; (6) Bàn cách ly rung động; (7) Controller LK-3001P; (8) Driver PI E- 470.20; (9) Máy tính 4.2.1 Kiểm tra tần số dao động tự nhiên Dữ liệu đo chuyển vị phân tích phép biến đổi Fourier (FFT) kết đo thể (Hình 3.25(b)) Trong tần số đỉnh thứ tương ứng với tần số cộng hưởng thứ 1529,4 Hz Kết đo lớn chút so với kết mô FEA Sai lệch phần sai số gia cơng chưa hồn hảo q trình lắp đặt kết cấu 4.2.2 Thực nghiệm điều khiển Để kiểm tra khả hoạt động cấu, mơ hình thực nghiệm điều khiển vịng hở Hình 4.14 thực Mơ hình điều khiền vịng kín đầy đủ Hình 4.14 thơng số PID tối ưu: 𝐾𝑃 = 13,0166, 𝐾𝐼 = 0,00753268, 𝐾𝐷 = 0,0019387 Kết điều khiển vịng kín thuật tốn GA – PID Hình 17 4.17 Hình 4.18 cho thấy giá trị đặt, giá trị thực đáp ứng dạng xung: sin, tam giác vng có sai số nhỏ 0,025 µm Điều cho thấy việc điều khiển cấu có độ xác cao khả đáp ứng tốt Hình 4.16: Kết đo chuyển vị điều khiển vịng hở Hình 4.17: Kết thực nghiệm chuyển vị input – output điều khiển vịng kín 4.2.3 Kiểm tra độ cứng cấu Hình 4.19 mơ hình thực nghiệm đo lực đầu chuyển vị đầu vào/ra cấu Lực tác dụng kiểm tra thiết bị đo lực (NK – 500) độ cứng thực nghiệm liệt kê Bảng 4.7 So sánh độ cứng tính tốn phân tích, FEA kiểm tra thực nghiệm trình bày Bảng 4.7 Có thể thấy có khác biệt nhỏ kết thu Sai số phương pháp phân tích kiểm tra thực nghiệm 4,93% FEA kiểm tra thực nghiệm 4,95% Các sai số chủ yếu giả định lý thuyết khớp đàn hồi lỗi gia công WEDM chế tạo mẫu thử nghiệm, độ không đảm bảo đo hệ thống đo thực nghiệm Hình 4.19: Mơ hình thực nghiệm đo độ cứng đầu vào cấu Bảng 4.7: So sánh kết mô thực nghiệm Biến mục tiêu Tỉ lệ khuếch đại Tần số tự nhiên (Hz) Chuyển vị (μm) Độ cứng đầu vào 𝐾𝑖𝑛 (N/μm) Độ cứng đầu 𝐾𝑜𝑢𝑡 (N/μm) Lý thuyết/ sai số (%) 2,33% 1519,2 0,66% 40 2,15% 65,43 4,93% 5,21 3,87% Kế mô phỏng/ sai số (%) 3,0001 2,34% 1500,1 1,95% 39,65 1,25% 59,26 4,95% 5,23 3,50% Thực nghiệm 2,93 1529,4 39,16 62,35 5,42 Bảng 4.8: So sánh kết với nghiên cứu trước Các nghiên cứu Wang [67] Tần số tự nhiên (Hz) 398,8 Tỉ lệ khuếch đại 1,21 18 Ứng suất max (MPa) 53 Ding [41] Kurniawan [43] Li [68], Liang [42] Luận án (thiết kế 1) Luận án (thiết kế 2) 156,77 480 200 265,5 1500,1 unknown 2,8725 3,0001 3,0001 94,636 unknown 260,65 43,9 73,7 Tần số tự nhiên, tỷ lệ khuếch đại ứng suất tập trung lớn cấu so sánh với nghiên cứu trước Bảng 4.8 Kết so sánh cho thấy với tỷ lệ khuếch đại 3,0, cấu có tần số tự nhiên lớn nhiều so với nghiên cứu trước đó, ứng suất tập trung tương đối nhỏ Các đặc tính hữu ích cho khơng cấu dẫn động tiến dao có độ xác cao mà cịn có khả ứng dụng gia cơng hỗ trợ rung làm việc tốc độ cao Kết luận Cơ cấu ăn dao theo thiết kế chế tạo, thực nghiệm điều khiển thuật toán GAPID Kết thực nghiệm cho thấy sai số lý thuyết với mô thực nghiệm nhỏ như: Tỷ lệ khuếch đại chuyển vị 2,34%, tần số tự nhiên 1,95%, độ cứng đầu vào đầu cấu nhỏ 5%, chuyển vị ký sinh khơng đáng kể Ngồi ra, sai số điều khiển đáp ứng vịng kín 0,025 µm Việc so sánh kết lý thuyết với mô FEA kết thử nghiệm thực tế liệt kê trên, xác minh tính hợp lệ hiệu phương pháp tối ưu hóa 4.3 Thực nghiêm gia cơng 4.3.1 Thưc nghiệm điều khiển xác máy tiện 4.3.1.1 Phân tích lựa chọn thơng số thực nghiệm Tốc độ quay: 500 v/ph; Chiều sâu cắt: 5µm; Lượng chạy dao: 0,05 mm/v 4.3.1.2 Thiết bị vật liệu thí nghiệm Hình 4.20: Thiết lập thực nghiệm cấu ăn dao máy tiện CNC (1) Cơ cấu đàn hồi; (2) (6) laser LK-G30; (3) dụng cụ cắt; (4) phơi; (5) trục chính; (7) đồ gá; (8) đài dao; (9) máy CNC; (10) Controller LK-3001P; (11) Function generator (12) Driver PI E470.20; (13) Máy tính Mô tả thực nghiệm: Cho mũi dao chạm vào phôi gia công cắt phôi cho độ nhám bề mặt phôi đạt khoảng từ 1,25 – 0,63 µm [62, 63] Sau thực tiện xác với chiều sâu cắt 5µm, vật 19 liệu thép C45 có độ cứng 23HRC, đường kính phơi 45mm, dụng cụ cắt dao hợp kim có bán kính mũi dao 0,4 đo độ xác gia cơng thiết bị cảm biến laser LK-G30 khơng tiếp xúc Hình 4.20 Hình 4.23 Bố trí thực nghiệm Hình 4.20 qua trình thực nghiệm kết đo Hình 4.21 Hình 4.22 Trong Hình 4.21 mơ hình thực tế điều khiển vịng hở gia cơng xác máy tiện CNC có sử dụng cấu ăn dao dùng CCĐH kết có độ xác cao, sai số nhỏ 0,4 µm Hình 4.22 tiện CNC khơng sử dụng cấu ăn dao kết cho thấy sai số khoảng 3,5µm điều hồn tồn so với thực tế dựa tài liệu nhà sản xuất Hình 4.21: Vị trí dao q trình gia cơng tinh chiều sâu cắt 5µm, có sử dụng cấu ăn dao Hình 4.221: Vị trí dao q trình gia cơng tinh chiều sâu cắt 5µm, khơng sử dụng cấu ăn dao 20 Hình 4.232: Thiết lập thực nghiệm cấu ăn dao máy tiện (1) Phôi; (2) dụng cụ cắt; (3) Cơ cấu đàn hồi; (4) (8) laser LK-G30; (5) đồ gá; (6) đài dao; (7) cảm biến đo nhiệt độ; (8) Trục Hình 4.24 kết gia cơng xác máy tiện có sử dụng cấu ăn dao dùng cấu đàn hồi, kết cho thấy có độ xác cao sai số nhỏ 2,5 µm Khi tiện khơng sử dụng cấu ăn dao dùng cấu đần hồi để gia cơng, kết Hình 4.25, kết cho thấy sai số khoảng 8,5µm Hình 4.24: Vị trí dao q trình gia cơng tinh chiều sâu cắt 5µm, có sử dụng cấu ăn dao máy tiện Hình 4.25: Vị trí dao q trình gia cơng tinh chiều sâu cắt 5µm, khơng sử dụng cấu ăn dao máy tiện 4.3.2 Thực nghiệm gia công đánh giá độ nhám nhiệt cắt 4.3.2.1 Gia cơng máy CNC Mơ hình hình học độ nhám bề mặt thảo luận chương đại diện cho giá trị độ nhám bề mặt lớn (𝑅𝑚𝑎𝑥 ) Tuy nhiên, số tốt giá trị độ nhám điều kiện cắt tốt nhất, tức ảnh hưởng yếu tố khác làm suy giảm độ hoàn thiện bề mặt giảm thiểu Vì chiều sâu vết cắt ln nhỏ (5 – 10µm) nên giá trị hình học 𝑅𝑚𝑎𝑥 cho phương trình sau (2.25), với bán kính mũi dao sử dụng 0,4 mm Bảng 4.9: Các giá trị độ nhám 𝑅𝑚𝑎𝑥 với tốc độ tiến dao khác thu từ phương trình (2.25) Lượng chạy dao 𝑓 (mm/v) 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 𝑅𝑚𝑎𝑥 (µm) 0,0313 0,1250 0,2813 0,5003 0,7820 Như Bảng 4.9 tốc độ tiến dao không lớn 0,05 mm/vịng mức 0,06 mm/vịng, giá trị 𝑅𝑚𝑎𝑥 vượt giá trị tối đa yêu cầu 1,25µm [62, 63] gia cơng tiện xác Do đó, tốc độ tiến dao từ 0,01 – 0,05 mm/vịng dẫn đến giá trị độ nhám bề mặt 𝑅𝑚𝑎𝑥 nhỏ 1,25 µm điều kiện cắt lý tưởng Thực nghiệm gia công máy tiện CNC ECOCA SL-8, thông số gia công dựa vào [63] Bảng 4.10, vật liệu gia cơng: Thép C45; Đường kính phơi: 50 mm Các bước tiến hành thực nghiệm 21 sau: Cho mũi dao chạm vào phôi gia công cắt phôi cho độ nhám bề mặt phôi đạt khoảng từ 1,25 – 0,63µm [62, 63] Sau thực tiện với thông số công nghệ Bảng 4.10 Bảng 4.10: Thông số công nghệ tiện xác [63] Dạng gia cơng Dụng cụ cắt Vật liệu gia cơng Tốc độ trục s (m/ph) Tốc độ tiến dao f (mm/v) Chiều sâu căt t (µm) Đường kinh phôi (mm) Gia công tinh Hợp kim Thép C45 200 – 300 0,03 – 0,05 10 50 Hình 4.26: Độ nhám bề mặt sử dụng cấu ăn dao gắn máy CNC Hình 4.26 kết thực nghiệm sử dụng cấu ăn dao dùng CCĐH, gắn đài dao máy tiện CNC thông số thực nghiệm kết Bảng 4.11 Sản phẩm gia công xong sử dụng máy đo độ nhám Mitutoyo Surftest SJ – 210 (Japan) để đo độ nhám bề mặt phơi kết đạt có độ nhám nhỏ 0,25µm lớn 0,34 µm Độ nhám 𝑅𝑎 , 𝑅𝑚𝑎𝑥 điều kiện cắt lý tưởng dựa tốc độ tiến dao bán kính mũi dao (cơng thức 2.24) Hình 4.26 Kết Hình 4.26 cho thấy độ nhám bề mặt lớn dựa lý thuyết chương phương trình (2.24) hình màu xanh nằm kết tiện thực tế Độ nhám 𝑅𝑎 đường gạch gạch bậc màu đỏ nằm kết độ nhám thực nghiệm Kết thực nghiệm có độ nhám bề mặt ln lằm khoảng 𝑅𝑎 đến 𝑅𝑚𝑎𝑥 , điều cho thấy việc bố trí thí nghiệm chọn chế độ cơng nghệ nghiên cứu hợp lý Các kết thực nghiệm có độ nhám 𝑅𝑎 nhỏ giá trị 𝑅𝑎 điều kiện cắt lý tưởng Kết thực nghiệm độ nhám đạt 0,25µm vật liệu gia cơng có độ cứng trung bình 23 HRC nên gia công bị biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo dính vào mũi dao làm độ nhám bề mặt tăng Đối với tốc độ tiến dao cho, tốc độ cắt không ảnh hưởng đến độ nhám Nhưng ta giảm lượng chạy dao từ 0,05 xuống 0,03 rõ ràng độ nhám bề mặt giảm xuống từ 0,34 µm xuống 0,25 µm 4.3.2.2 Gia cơng máy tiện Thực nghiệm gia công tiện MAQ CD6241X100, máy trang bị thước quang có độ phân giải 5µm để đo hiển thị thơng số vị trí bàn dao 22 Bảng 4.12: Thơng số cơng nghệ tiện xác [63] Dạng gia cơng Dụng cụ cắt Vật liệu gia cơng Tốc độ trục s (m/ph) Tốc độ tiến dao f (mm/v) Chiều sâu căt t (mm) Đường kinh phôi (mm) Gia công tinh Hợp kim Thép C45 120 – 200 0,05 – 0,65 0,1 – 0,3 60 Hình 4.27: Thực nghiệm đo độ nhám gia cơng Hình 4.28: So sánh độ nhám bề mặt Hình 4.29: So sánh nhiệt cắt Khi sử dụng cấu ăn dao để gia công máy tiện CNC so sánh với máy tiện thông thường, kết thực nghiệm Hình 4.28, Hình 4.29 Bảng 4.11 cho thấy độ nhám bề mặt nhiệt độ cắt giảm xuống đáng kể Các cấp độ nhám thí nghiệm phần lớn tăng cấp so với tiện thường Đóng góp tiền đề để phát triển cấu ăn dao dạng gắn máy công cụ khác gia công cắt gọt, độ nhám bề mặt nhiệt độ giảm xuống đáng kể so với phương pháp gia công thông thường CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Đề tài nghiên cứu phát triển thiết kế xây mơ hình toán mới, mối quan hệ chuyển vị, độ cứng đầu vào đầu ra, động học động lực học thiết kế ứng dụng cho cấu ăn dao xác máy tiện Về mặt phương pháp tính tốn thiết kế tối ưu, đề xuất giải thuật thiết kế tối ưu tổng quát từ việc tối ưu hóa cấu khâu cứng tương đương đến tối ưu hóa CCĐH phân tích độ tin cậy: (I) Giải thuật di truyền dùng TOPSIS cho khâu cứng tương đương CCĐH kết hợp: 23 (II) Thiết kế tối ưu hóa đa mục tiêu dựa độ tin cậy với bước: Phương pháp tối ưu hóa ứng dụng để thiết kế CCĐH dùng làm cấu ăn dao với độ tin cậy 𝑅 = 99,87 % cho hàm mục tiêu tần số tự nhiên độ khuếch đại chuyển vị điều kiện không chắn liệu đầu vào/đầu tốn lực cắt gia cơng, biến thiết kế chuyển vị không mong muốn, ứng suất chảy vật liệu, tải đầu vào từ PZT tác dụng vào cấu Cơ cấu ăn dao chế tạo, thực nghiệm điều khiển thuật toán GAPID Kết thực nghiệm cho thấy sai số lý thuyết với mô thực nghiệm nhỏ 2,34% cho tỷ lệ khuếch đại chuyển vị tần số tự nhiên đầu tiên, sai số cho độ cứng đầu vào đầu cấu nhỏ 5%, chuyển vị ký sinh khơng đáng kể Ngồi ra, sai số điều khiển đáp ứng vịng kín 0,025 µm Cơ cấu ăn dao tạo chuyển vị lớn cấu ăn dao kiểu 𝐷𝑜𝑢𝑡 = 200 μm độ cứng đầu cấu ăn dao 𝐾𝑜𝑢𝑡 = 0,3055 N/µm Cơ cấu ăn dao kiểu 𝐷𝑜𝑢𝑡 = 39,65 μm độ cứng đầu cấu ăn dao 𝐾𝑜𝑢𝑡 = 5,2 N/µm Cơ cấu ăn dao sử dụng để khảo sát hiệu gia công lĩnh vực microfabrication Ứng dụng thành công phương pháp tiện xác có trợ giúp cấu ăn dao dùng CCĐH dùng để gắn bàn dao máy tiện MAQ CD6241X100 máy tiện CNC ECOCA SL-8 để gia công vật liệu thép C45 tiện xác chiều sâu cắt µm Kết cho thấy sử dụng để gia công máy tiện MAQ CD6241X100 sai số vị trí mũi dao nhỏ 2,5 µm, độ nhám bề mặt 0,41µm Khi sử dụng gia cơng máy tiện CNC sai số vị trí mũi dao nhỏ 0,4 µm, độ nhám bề mặt 0,25 µm Gia cơng với loại máy cho thấy nhiệt độ cắt giảm đáng kể Kết giúp kéo dài tuổi thọ cho dao Kết chứng minh cấu ăn dao có khả định vị xác nhanh chóng dụng cụ cắt q trình gia công lắp vào máy công cụ thông thường Hạn chế nghiên cứu: – Sử dụng thiết bị đo nhiệt, đo vùng nhiệt cắt dao – Điều khiển vịng kín q trình cắt cấu ăn dao chưa thực nghiệm gia công – Thiếu thiết bị đo lực cắt nên chưa đo lực cắt q trình gia cơng 5.2 Hướng phát triển – Tiếp tục nghiên cứu hướng ứng dụng cấu ăn dao để gia công vật liệu khác theo tiêu chí đánh giá giảm độ nhám, lực cắt nhiệt cắt – Phát triển cấu ứng dụng theo hướng định vị xác cho thiết bị – Ứng dụng cấu ăn dao để gia cơng có hỗ trợ rung đơng theo ngun lý tiện – Ứng dụng phương pháp tối ưu luận án cho toán kỹ thuật phức tạp – Về điều khiển: phát triển toán điều khiển vịng kín q trình gia cơng ứng dụng thuật toán điều khiển khác để nâng cao độ xác 24 ... high-precision feed drive mechanisms, Mechanism and Machine Theory, 165 (2021) 104442 (SCI, Q1, IF: 4.93) Huy-Tuan Pham, Van- Khien Nguyen, Khac-Huy Nguyen, Quang-Khoa Dang, TrungKien Hoang, Son-Minh Pham... 2017, Vietnam, pp 142 - 149 Van Khien Nguyen, Huy Tuan Pham and Huy Hoang Pham, 2017 “Optimal Design of Flexure Mechanism Using Gene Algorithm and Taguchi–Based Sensitivity Analysis”, IEEE International... 778-786 II Các cơng trình cơng bố khác có liên quan đến hướng nghiên cứu: Pham Huy Tuan, Nguyen Van Khien, and Mai Van Trinh, 2014 “Shape Optimization And Fabrication Of A Parametric Curved-Segment