Bao gồm file Doc + PPT Đề tài: Rigid Body, Flexible Body, and Micro Electromechanical Systems 1. Giới thiệu. Áp dụng các hệ thống đa thành phần trong việc xây dựng các thiết bị trên cạn, trên không, ứng dụng trong không gian, ứng dụng hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) trong lĩnh vực cơ sinh học. Một hệ thống đa thanh phần bao gồm các thanh phần cứng và đàn hồi, các thành phần khâu,khớp chủ động và bị động, các phần tử ghép nối.12 Bước đầu tiên trong phân tích động học của một hệ vật lý thực là mô hình hóa các thành phần của nó. Động lực học hệ nhiều vật được biểu diễn bằng tập hợp các phương trình chuyển động. Phương trình chuyển động của một hệ nhiều vật có thể được phân tích theo những cách khác nhau dựa trên các phương pháp có sẵn như: Phương pháp NewtonEuler, nguyên tắc công ảo...,Hệ thống điều phối (Descartes, Lagrange). Các phương trình động lực học của hệ nhiều vật được biểu thị bằng nguyên lý của Jourdain và phương pháp nhân Lagrange.Số lượng phương trình tăng lên khi số nhân lagrange được sử dụng. Hơn nữa, khi có sự thay đổi ở trong cấu hình, quy trình trên phải lặp lại một lần nữa. Điều này thúc đẩy Karnopp và Margolis phát triển một cách tiếp cận hệ thống để mô hình hóa các cơ chế phẳng bằng cách sử dụng đồ thị Bond Graph. Đồ thị Bond Graph cung cấp các mô hình nhỏ gọn, cung cấp lực động không chính xác do không chính xác biểu diễn quán tính quay và lực tác dụng. Ngắn bọn, tổng quan hơn xo với phương pháp cũ ( xác định mô hình bằng các mô phỏng, thử nghiệm…) . Trong báo cáo này, ta sẽ tìm hiểu, tiếp cận đồ thị Bond Grap, các thành phần cứng (Gigid body), thành phần linh hoạt( Flexible body) và hệ thống vi cơ điện tử (MEMS)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BÁO CÁO HỌC PHẦN: HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ THÔNG MINH Đề tài: Rigid Body, Flexible Body, and Micro Electromechanical Systems Giảng viên hướng dẫn : TS.Hoàng Hồng Hải Học viên thực : Trần Văn Dũng SHHV : 20202432M Hà Nội, 1/2021 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 Giới thiệu Hệ thống đa thành phần hệ phẳng 2.1 Mơ hình liên kết cứng phẳng 2.2 Mơ hình hóa khớp quay 2.3 Mơ hình hóa thành phần trượt 2.4 Mô hình hóa thiết bị truyền động thủy lực 2.5 Hệ thống đa thành phần không gian 11 Hệ thống mơ hình linh hoạt (Flexible body systems) 12 3.1 Dầm (Beam) 12 3.2 Mơ hình dầm Euler-Bernouli 13 3.3 Hiệu ứng áp điện 16 MEMS and Micro Electromechanical Systems 18 3.1 Các thiết bị MEMS 18 3.2 Micromirro 18 3.3 Micromotor 21 3.3.1 Động chuyển động trượt quán tính (Inertial Sliding Motion Motor) 21 3.3.2 “Động sâu đo” (Inchworm motor) 22 3.3 Micropumps 24 Kết luận 28 Tài liệu tham khảo 28 Giới thiệu Áp dụng hệ thống đa thành phần việc xây dựng thiết bị cạn, không, ứng dụng không gian, ứng dụng hệ thống vi điện tử (MEMS) lĩnh vực sinh học Một hệ thống đa phần bao gồm phần cứng đàn hồi, thành phần khâu,khớp chủ động bị động, phần tử ghép nối.12 Bước phân tích động học hệ vật lý thực mơ hình hóa thành phần Động lực học hệ nhiều vật biểu diễn tập hợp phương trình chuyển động Phương trình chuyển động hệ nhiều vật phân tích theo cách khác dựa phương pháp có sẵn như: Phương pháp Newton-Euler, nguyên tắc công ảo ,Hệ thống điều phối (Descartes, Lagrange) Các phương trình động lực học hệ nhiều vật biểu thị nguyên lý Jourdain phương pháp nhân Lagrange.Số lượng phương trình tăng lên số nhân lagrange sử dụng Hơn nữa, có thay đổi cấu hình, quy trình phải lặp lại lần Điều thúc đẩy Karnopp Margolis phát triển cách tiếp cận hệ thống để mơ hình hóa chế phẳng cách sử dụng đồ thị Bond Graph Đồ thị Bond Graph cung cấp mơ hình nhỏ gọn, cung cấp lực động khơng xác khơng xác biểu diễn qn tính quay lực tác dụng Ngắn bọn, tổng quan xo với phương pháp cũ ( xác định mơ hình mơ phỏng, thử nghiệm…) Trong báo cáo này, ta tìm hiểu, tiếp cận đồ thị Bond Grap, thành phần cứng (Gigid body), thành phần linh hoạt( Flexible body) hệ thống vi điện tử (MEMS) Hệ thống đa thành phần hệ phẳng Một hệ thống khí hệ phẳng coi bao gồm thành phần,vật thể cứng nhắc (Rigid body), giàng buộc với thông qua khớp nối Trọng tâm phát triển mơ hình đồ thị Born Graph khớp quay phân bố trọng lượng khớp lăng trụ khớp trượt Xây dựng mơ hình đồ thị Born graph thích hợp cần thiết để tạo mơ hình mơ tính tốn tốt tính tốn xác tải trọng động 2.1 Mơ hình liên kết cứng phẳng Hình Lược đồ liên kết cứng phẳng Hình 2: Đồ thị bond graph liên kết cứng Sử dụng khung cố định mơ hình liên kết cứng liên kết chuyển động với hệ quy chiếu thông phép biến đổi vận tốc thích hợp Sự dịch chuyển điểm i liên kết cứng biểu thị chuyển vị thẳng (xG,yG) trọng tâm mặt phẳng xy góc 𝜃𝐺 trọng tâm trục Z sau: Xét liên kết cứng với khớp nối (hình 2) Từ đồ thị Bond Graph này, ta mở rộng mơ hình với số lượng thành phần liên kết thông qua khớp nối 2.2 Mơ hình hóa khớp quay Khớp quay thành phần hệ thống khí, để kết nối hai thành phần , ta cần tính tốn lực momen khớp Hình 3: Liên kết cứng thành phần khớp Trong : 𝑟𝑐𝑐 bán kính đường trịn hở 𝛿𝑖𝑗 khoảng cách tức thời tâm bulong lỗ liên kết tương ứng Hình Đồ thị Bond Graph khớp quay với khe hở liên kết Ban đầu, giả định khớp linh hoạt khơng có ma sát.Các phần tử C R mơ hình hóa lượng tích trữ tiêu tán chuyển động tương đối vật cứng Kết tồn gần Flow tất liên kết kết nối với phần tử khớp từ thành phần hệ thống khớp nối có xu hướng trở thành khớp nối đơn giản Ở trường hợp ta chưa xem xét khe hở mơ hình, nhiên tính di động lắp giáp cấu khe hở cần thiết, Các tác động khe hở làm mài mịn nhanh chóng,rung động khơng mong muốn, tiếng ồn máy … Tác động đàn hồi khe hở làm phát sinh lực khơng liên tục khớp Tính linh hoạt liên kết làm giảm lực tác động khớp có khe hở Từ liên hết cứng thể Hình 3, khơng có khoảng trống cặp liên kết, giá trị rcc khơng, Khi tham số 𝛿𝑖𝑗 >rcc, tác động cặp liên kết mơ hình hóa cách chuyển giá trị độ cứng Kij giảm chấn Rij (hình 4) đến giá trị danh nghĩa chúng không Ma sát hai liên kết mối nối mơ hình hóa phần tử R, phần tử R thể điều chỉnh cách điều chỉnh ma sát bôi trơn, nhớt ma sát khô Tương tự cho độ cứng xoắn giảm chấn khớp mơ hình hóa cấu trúc 1-C-R Đây lợi đồ thị Bond Graph, phương pháp để xây dựng thành phần mơ hình cách phù hợp 2.3 Mơ hình hóa thành phần trượt Hình Mơ hình thành phần trượt Các thành phần trượt thành phần khó hệ thống khí, phát sinh phương trình chuyển động phi tuyến tính Khi mơ hình hóa khơng xác thành phần Trượt tạo lực qn tính khơng Do đó, ta biểu diễn mơ hình hóa thành phần qua đồ thị Bond graph Điểm mạnh mơ hình biểu diễn lực hướng tâm, lực tiếp tuyến tác dụng điểm khác mơ hình mà khơng cần tính tốn Từ hình 5, Ta có: Vận tốc điểm đầu điểm cuối (𝐸𝐶 𝐸𝑃 )của mơ hình trượt hệ phẳng tính: Chiều dài tức thời điểm đầu cuối (𝐸𝐶 𝐸𝑃 ): Đạo hàm theo thời gian: Vận tốc pháp tuyển tiếp tuyến điểm tiếp xúc (hình 5): Vận tốc pháp tuyển tiếp tuyến điểm tiếp xúc (hình 5): Hình Đồ thị Bond Graph thành phân trượt Từ đồ thị trên, điểm nối đại diện cho điểm có Vận tốc khác nhau, khối lượng (Mp, Mc) điểm trơ ì trượt tương ứng phần tử I nối với điểm biểu diễn vận tốc tâm khung quán tính Phần tử MTF sử dụng để tổng hợp ràng buộc lực tiếp điểm 01 02 Phần tử MTF với modul 𝜇7 𝜇8 sử dụng để tính tốn vận tốc tương đối pitton xy lanh điểm tiếp giáp ma sát pitton xy lanh mô bới phần tử R (rf) điểm nối 2.4 Mơ hình hóa thiết bị truyền động thủy lực Để mơ hình hóa hệ truyền động thủy lực, ta cần xem xét đến vấn đề sau: - Mơ hình hóa hệ thống van servo -Mơ hình điều khiển van cửa vị trí - Mơ hình xy lanh thủy lực -Xây dựng cấu cấu thành -Xây dựng đồ thị Bond Graph - Thiết kế điều khiển Bộ truyền động thủy lực ứng dụng giải công việc nặng, yêu cầu tạo lực lớn tốc độ cao, độ bền độ cứng cao Hệ thống thủy lực servo bao gồm xy lanh servo, điều khiển, tải trọng cấu điện thủy lực Hình Mơ hình xy lanh thủy lực Hình Đồ thị Bond Graph liên kết pitton xy lanh thủy lực Vận tốc pháp tuyến vận tốc tiếp tuyến điểm tiếp xúc 01 02: Chiều dài 𝑙𝑎𝑐 điểm đầu cuối Esc Esr là: Đạo hàm theo thời gian: 10 Phương trình điều chỉnh hồn chỉnh dạng đạo hàm: Trong đó, F(z,t) phân bố lực bên ngồi Hình 11 Đồ thị bond graph với dầm Euler-Bernuli Đối với trường hợp dầm đầu cố định: Ta có đồ thị bond graph: 14 Trường hợp dầm đầu cố định đầu tựa (support) Hình 12 Đồ thị bond graph dầm có đầu cố định đầu support 15 - Dầm thêm phận hỗ trợ giảm trấn Hình 13 Đồ thị bond grap dầm có thêm phận hỗ trợ 3.3 Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện đề cập đến phân cực điện tinh thể vật liệu chúng chịu lực học Hiệu ứng áp điện nghịch đảo đề cập đến ứng suất bên vật liệu dẫn đến thay đổi kích thước tinh thể tiếp xúc với điện trường 16 Vật liệu áp điện sử dụng rộng rãi chì zirconate titanate (PZT) Một số vật liệu Piezoceramic Tourmaline cho hiệu ứng nhiệt điện cao hiệu ứng áp điện, vật liệu tạo tín hiệu điện để phản ứng với thay đổi nhiệt độ tinh thể Các thiết bị Piezoceramic sử dụng làm cảm biến, thiết bị truyền động, máy phát điện đầu dò Bộ truyền động áp điện biến đổi lượng điện thành học để điều khiển chuyển động Ví dụ cơng cụ gia cơng xác, định vị ống kính máy ảnh, thủy lực, Van vi cơ, micromirror.v.v Cảm biến áp điện sử dụng ứng dụng khác như: cảm biến áp suất miếng cảm ứng, giám sát trình cháy động đốt trong, cảm biến chuyển vị gia tốc v.v Trong thiết bị thu lượng, lượng điện tạo bới phần tử áp điện lưu trữ, Khi lực tác dụng lên áp điện gốm sứ, điện áp tạo tia lửa điện qua khe điện cực, Hiêu ứng sử dụng bật lửa dùng nhiên liệu điện tử Vật liệu áp điện ngày sử dụng nhiều cấu trúc thông minh Bộ chuyển đổi thiết bị chuyển đổi lượng nhỏ lượng từ loại qua loại khác Một chuyển đổi áp điện có trở kháng đầu DC cao, Vì mơ hình hóa máy biến áp(TF) nguồn điện áp điều chỉnh (MSe) Bộ chuyển đổi áp điện chuyển đổi lượng điện thành tính dạng dung động, âm siêu âm Chúng hữu ích hệ vi điện tử khác Một chuyển đổi áp điện chuyển đổi lượng điện thành dao động học cực nhanh (gọi dao động siêu âm) mà tai nghe thấy Mô đun đàn hồi vật liệu áp điện thông thường vượt xa so với vật liệu kim loại Do chúng sử dụng phép đo xác Trong cảm biến áp 17 điện, phần tử cảm biến cho thấy độ lệch gần khơng đáng kể, màng mỏng có đế nặng sử dụng để đo áp suất tác động lên yếu tố theo hướng xác định MEMS and Micro Electromechanical Systems 3.1 Các thiết bị MEMS Hệ thống vi điện tử bao gồm thiết bị khí hoạt động điện có kích thước nhỏ, cỡ micromet (0,001 đến 0,1 mm) Một thiết bị MEMS bao gồm thành phần khí, xử lý trung tâm, vi xử lý, cảm biến cấu chấp hành Quá trình chế tạo thành phần hệ thống vi bao gồm Lắng đọng, tạo mẫu trình Quang khắc MEMS sử dụng kỹ thuật chế tạo hệ thống thu nhỏ, cung cấp lượng thấp, tiết kiệm không gian khối lượng Các ứng dụng MEMs: - Trong chế tạo cảm biến gia tốc, cảm biến quay hồi chuyển - ứng dụng quang công nghệ hiển thị (Display) công nghệ chuyển mạch quang (Optical switching) - Ứng dụng vô tuyến: Các ứng dụng RF MEMS bao gồm truyền thông không dây (wireless), di động (cellular), radar, vệ tinh, … - Ứng dụng đời sống: Các thiết bị sinh học chăm sóc sức khỏe(BioMEMs) 3.2 Micromirro Micromirrors sử dụng hệ thống quang học để hướng ánh sáng từ vị trí đến vị trí khác thơng qua loạt góc phản xạ MEMS quang học sử dụng ứng dụng chuyên biệt xác định hình ảnh y tế, hình chiếu, máy quét quang học vè hệ thống thông tin quang học, ứng dụng máy chiếu màu, máy chiếu rạp phim kỹ thuật số… 18 Trong máy chiếu DLP (máy xử lý ánh sáng kỹ thuật số Texas Instrument), Các mirror nhỏ kích thước hiển vi đặt ma trận chip bán dẫn gọi Digital micromirror devide (DMD) Mỗi phần tử mirror đại diện cho nhiều pixel hình ảnh phản chiếu Độ phân giải hình ảnh chiếu phụ thuộc vào số lượng mirror cách xếp chúng DMD Mỗi mirro định vị chuyển đổi phản xạ ánh sáng theo hai hướng Các góc phản xạ mirror điều khiển tĩnh động thông qua cấu truyền động làm quay mặt mirror Các thiết bị Micromirrors thực chuyển động khác pitton, quay kết hợp hai Chuyển động pitton dịch chuyển tâm mirror vng góc với mặt mirror mà khơng có chuyển động quay Chuyển động quay tâm thay đổi hướng bắt buộc chùm ánh sáng phản xạ Một ví dụ DMD MEMS kim loại oxit bán dẫn (CMOS-MEMS) Hình ảnh SEM( Scanning Electron Microscope) pixel phản chiếu đơn DMD tạo Đại học Carnegie Mellon trình bày hình 14, Mirror đc kết nối với truyền động điểm để giảm thiểu chuyển động thằng (phi chuyển động) Trên mặt Mirror có hai truyền động lưỡng kim, cho chuyển động góc âm cịn lại cho chuyển động góc dương Sự xắp xếp phần tử lưỡng kim (hai mặt) micromirror thể giản đồ hình 15 19 Hình 14 Hình ảnh SEM Micromirror Hình 15 Các phần tử gia nhiệt truyền động CMOS-MEMS Hai thành phần gia nhiệt đc sử dụng: mang polysilicon điện trở suất thấp nhúng dọc theo chiều dài thiết bị truyền động để tạo nhiệt phân tán điện trở suất cao polysilicon đặt vị trí rời rạc dọc theo cấu chấp hành Mơ hình biểu diễn dạng đồ thị bond graph hình 16 Hình 16 Đồ thị Bond graph phần tử gia nhiệt thiết bị truyền động nhiệt 20 Trong phần tử RS kết hợp thành phần ddienj nhiệt Hai thành phần nhiệt RS kết nối với nút mơ hình nhiệt nhiệt dung phần tử hữu hạn mơ hình hóa Nhiệt độ cục khai thác từ nút mơ hình nhiệt biểu thị mơ men uốn nút tác dụng lên dầm 3.3 Micromotor Các loại micromotors khác sử dụng hiệu ứng áp điện Ví dụ điển hình động sử dụng máy ảnh để lấy nét, động chuyển động trượt quán tính (ISM), truyền động trượt dính, động piezo bước, v.v 3.3.1 Động chuyển động trượt quán tính (Inertial Sliding Motion Motor) Động chuyển động trượt theo quán tính biểu diễn hình 17 có khối lượng lớn M khối lượng nhỏ m nối với áp (piezo-bar) Vật nặng M tiếp xúc với bề mặt có ma sát trượt Khi piezobar kéo dài với tốc độ chậm vật nặng M chuyển động phía trước chút tác dụng ma sát trượt, vật nặng m chuyển động theo hướng ngược lại, sau đó, piezo-bar thu hẹp lại chiều dài ban đầu với tốc độ nhanh làm cho vật nặng M lùi lại khoảng cách lớn ban đầu (ta liên tưởng đến hiệu ứng sâu đo) Hình 17 Lược đồ chuyển động trượt theo qn tính 21 Hình 18 Đồ thị bond graph động ISM 3.3.2 “Động sâu đo” (Inchworm motor) Hình 19, Sâu đo lược đồ biểu diễn “Động sâu đo” cung cấp tuyến tính xác chuyển động với độ phân giải nanomet Động inchworm sử dụng truyền động áp điện để đạt bước định vị có kích thước từ nanomet đến milimet, đó, khơng gặp phải vấn đề học cấu chấp hành Động inchworm lấy cảm hứng từ hệ sinh học sâu đo (hình 19) , có chuyển động phức tạp Với mục đích mơ hình hóa mơ hình, ta đơn giản hóa chuyển động hình 19b Sự căng cứng thư giản cho nguồn dòng chảy Q, độ cứng uốn kết hợp van điều tiết (Ki Ri), Đồ thị Bond graph mơ hình biểu thị hình 20 22 Hình 20 Mơ hình động tương đương với mơ hình sâu đo đồ thị bond graph Ta xem xét trường hợp: -TH1: khơng có giảm trấn mặt đất, tức bề mặt ma sát sâu khơng thể kẹp chặt cách ta thả phần tử R đầu liên kết mơ hình đồ thị Khi đồ thị bond graph ưu tiên kết khác biệt, thấy hệ thống khơng thể kiểm sốt -TH2: Nếu có đủ ma sát tiếp xúc mặt đất sâu, biểu diễn mơ hình thơng qua đồ thị Bondgraph hình 20b, hệ thống kiểm sốt Tuy nhiên, chuyển động sâu chất tự nhiên, tư định nào, bám chặt mặt đất mà đầu thực động tác kéo đẩy Do ta cần kiểm tra khả điều khiển chế độ -TH3: cho phần tử nhỏ sâu bị hư hại đầu nó, sâu bám vào đầu cịn lại sau có hệ thống tổng thể điều khiển Hình 21 Đồ thị Bondgraph với trường hợp khác mơ hình sâu đo 23 Ngun lý hoạt động động inchworm lấy cảm hứng từ sâu đo 3.3 Micropumps Micropumps thiết bị máy bơm phi Cơ, hoạt động dựa hiệu ứng điện động học(MHD-Magnetohydrodynamic) hiệu ứng điện hóa(ECM-Electrochemical Machining) v.v để vận chuyển chất lỏng có kích thước nhỏ Micropumps ứng dụng chẩn đốn y tế, giải mã trình tự gen, sản xuất hóa học, khám phá thuốc,protomics…Micropumps thành phần thiết yếu quan trọng thiết bị microfluidic (Kênh dẫn vi lưu) có sẵn loại micropumps học dựa lực tĩnh điện, điện từ, khí nén, nhiệt khí nén áo điện, 24 chúng tin cậy áp suất giảm lớn qua van chiều độ bền học thấp thành phần khí Trong báo cáo này, tìm hiểu khuếch AC dựa nguyên tắc MHD phát triển thành công chế tạo cách sử dụng UVLIGA (In thạch bản, mạ điện tạo khn với nguồn sáng cực tím) Ngun lý MHD dẫn động chất lỏng lực Lorentz ,khi dòng điện cung cấp cho vật dẫn từ trường, lực lorentz trực giao với dòng điện từ trường tạo dòng điện.Khi điện trường đặt qua chất lỏng dẫn điện lấp đầy hai điện cực đối diện kênh, vận chuyển ion dẫn đến vận chuyển điện tích dịng điện chạy qua dung dịch điện phân Nếu đặt từ trường bên ngồi vng góc với phương ion lực Lorentz tạo phần tử chất lỏng tạo chênh lệch áp suất đẩy chất lỏng chạy dọc theo kênh.Nguyên tắc minh họa sơ đồ hình 22 Hình 22 Nguyên lý làm việc MHD Micropumps Việc cung cấp điện chiều cho điện cực dẫn đến vấn đề xuất bọt khí q trình điện phân chất lỏng Do đó, sử dụng nguồn xoay chiều với tần số đủ cao qua hai điện cực đối diện vi khuếch đại Nguồn AC tạo lớp kép điện cực kim loại (tương tự tụ điện) Bằng cách chất lỏng bơm vào theo cách tương tự mà khơng có hiệu ứng điện phận 25 Hình 23 Đồ thị Bondgraph khớp nối miền thủy lực điện MHD Micropumps Trong đó, P,Q,e i tương ứng chênh lệch áp suất chất lỏng, thể tích chất lỏng tốc độ dịng chảy, điện áp qua điện cực dòng điện qua cực chất lỏng Dịng chất lỏng mơ hình hóa mạch điện tương đương có điện cảm, điện dung dung kháng Sự chênh lệch áp suất áp dụng cho mạch thông qua quay hồi chuyển nguồn dịng Tuy nhiên, Mơ hình tụ điện lớp chưa hoàn thiện Tụ điện lớp thường mơ hình hóa mạch tương đương Randles có mơ hình đồ thị bondgrah hình 24 Trong đó: - es điện áp đặt điện cực - Khả chống dòng điện từ điện cực chất lỏng điện trở hoạt động Rs -Rc điện trở ohmic chất lỏng 26 - Rct điện trở phân cực Hình 24.Mạch tương đương Randles đồ thị Bondgraph 27 Kết luận Thông qua báo cáo môn học này, em đạt kết quả: - Nắm thành phần hệ điện tử thông minh, ứng dụng thành phần - Xây dựng đồ thị Bondgraph mơ hình hóa hệ thống khí - Hiểu thêm kiến thức xây dựng mơ hình khí khối cứng (Rigid body) , khối linh hoạt (Flexible body), Công nghệ vi điện tử (Mems) thành phần Micromechanical Có kiến thức tảng để tiếp cận học phần sau chương trình học tốt Tài liệu tham khảo Intelligent mechatronic systems book- Spinger 28