Tính cấp thiết của đề tài
Cơ cấu mềm đã trở thành một phần quan trọng trong đời sống hàng ngày và được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ vào những ưu điểm vượt trội Nó đóng vai trò thiết yếu trong nghiên cứu thực tiễn, mở ra cơ hội cho các sản phẩm và thiết bị thiết kế sáng tạo và hiệu quả hơn Tính linh hoạt trong cấu trúc cho phép thiết kế các chi tiết sản phẩm phức tạp, thích ứng tốt với môi trường và nhu cầu sử dụng cụ thể, từ đó cải thiện tính năng và hiệu suất sản phẩm, đồng thời giảm chi phí sản xuất và bảo trì.
Giải pháp thay thế các cơ cấu cứng truyền thống như bản lề, khớp nối và bánh răng giúp tối ưu kích thước và trọng lượng thiết bị Điều này rất quan trọng cho các ứng dụng yêu cầu sự nhỏ gọn và nhẹ, đặc biệt trong lĩnh vực robot, thiết bị y tế và công nghiệp hàng không vũ trụ.
Cơ cấu mềm có thiết kế đơn giản với ít bộ phận cơ khí chuyển động, mang lại độ tin cậy và tuổi thọ cao hơn so với cơ cấu cứng Sự giảm thiểu bộ phận cơ khí không chỉ giảm thiểu nguy cơ hỏng hóc mà còn giảm thiểu nhu cầu bảo trì, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu sự ổn định và đáng tin cậy như thiết bị y tế và công nghiệp Hơn nữa, cơ cấu mềm cho phép chuyển đổi chuyển động một cách liên tục và mượt mà, đồng thời duy trì độ chính xác cao mà không gây ra sự mất mát năng lượng lớn.
Cơ cấu mềm là một cơ chế tiềm năng với nhiều ưu điểm nổi bật, rất thích hợp cho nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ định vị chính xác sử dụng công nghệ khuếch đại mềm.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Cơ cấu mềm góp phần quan trọng trong việc nghiên cứu và giúp hiểu rõ hơn về các nguyên tắc và lý thuyết cơ học đằng sau chúng
Chế tạo cơ cấu mềm yêu cầu kiến thức sâu rộng về vật liệu và kỹ thuật sản xuất để tạo ra các sản phẩm linh hoạt, chính xác và đáng tin cậy Nghiên cứu vật liệu cung cấp thông tin quan trọng về đặc tính cơ học và độ bền, trong khi nghiên cứu kỹ thuật sản xuất đảm bảo quy trình chế tạo diễn ra chính xác và hiệu quả.
Nghiên cứu cơ cấu mềm cung cấp mô hình, phương pháp tính toán và công cụ cần thiết để phân tích và thiết kế các cơ cấu linh hoạt Điều này tạo nền tảng cho sự phát triển công nghệ mới và cải tiến công nghệ hiện có Hiểu biết về cơ cấu mềm và ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực sẽ thúc đẩy sự tiến bộ và phát triển nghiên cứu khoa học toàn cầu.
Bộ định vị chính xác sử dụng cơ cấu mềm là một ví dụ tiêu biểu về công nghệ này, giúp nâng cao hiểu biết về tính chất và nguyên lý hoạt động của cơ cấu mềm Nghiên cứu và phát triển lĩnh vực này không chỉ góp phần vào lý thuyết mà còn mở ra cơ hội cho những ứng dụng nghiên cứu mới đầy tiềm năng.
Bộ định vị chính xác sử dụng cơ cấu mềm có tính linh hoạt cao, phản hồi lực tốt và khả năng định vị chính xác, phù hợp với các yêu cầu di chuyển và tương tác Nó được ứng dụng trong việc định vị các vật thể vi mô hoặc nano trong các ngành công nghiệp như điện tử, chất bán dẫn và công nghệ sinh học Ngoài ra, bộ định vị này còn hoạt động như một hệ thống cách ly rung động, hấp thụ và giảm thiểu rung động để bảo vệ hiệu suất của các thiết bị nhạy cảm Thêm vào đó, nó cũng được sử dụng trong các nghiên cứu sinh học, như nghiên cứu tính chất cơ học của mô và phát triển thiết bị giả lập bộ phận cơ thể.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc cải tiến và tối ưu hóa thiết kế bộ định vị sử dụng cơ cấu khuếch đại mềm một bậc tự do mới, với cấu trúc 5 tầng và 10 cần đẩy khuếch đại chuyển vị Mục tiêu là nâng cao hiệu suất cho bộ định vị và ứng dụng vào việc đo độ cứng Đề tài này đáp ứng các yêu cầu cụ thể trong nghiên cứu.
- Đưa ra các phương án cải tiến thiết kế mới và chọn phương án tốt nhất
- Tối đa hóa tần số (f > 60 Hz)
- Độ khuếch đại của bộ định vị lớn hơn 3 lần và độ tin cậy lớn hơn 1,8
- Sử dụng khớp cầu và khớp lá
- Dùng vật liệu Al 7075
Phạm vi giới hạn của đề tài
- Kết cấu mới cho bộ định vị chính xác sử dụng cơ cấu mềm 01 bậc tự do
- Mô hình toán phân tích
- Các phương pháp tối ưu hóa kết cấu
Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế đồ gá đo đa năng cho bộ định vị chính xác, đặc biệt là bộ định vị một bậc tự do với cơ cấu khuếch đại mềm.
- Phần mềm thiết kế, tính toán, đo lường và mô phỏng: AutoCAD, Inventor, LabVIEW, Ansys
- Chuyển vị đầu ra của bộ định vị khuếch đại ít nhất đạt 5 lần.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu theo lý thuyết
- Dựa vào bộ định vị một bậc tự do tích hợp cơ cấu khuếch đại mềm đã được thiết kế
- Xây dựng sơ đồ động học bằng phương pháp Pseudo-rigid-body model (PRBM) nhằm dễ dàng tiếp cận, phân tích và tính toán
Thiết lập phương trình động học cho bộ định vị chính xác sử dụng cơ cấu mềm 01 bậc tự do được thực hiện thông qua việc kết hợp phương pháp PRBM và phương pháp Lagrange Phương pháp này giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển và cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí của hệ thống.
- Kiểm nghiệm kết quả lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng ANSYS
- Xác định các biến số trong thiết kế, các hàm mục tiêu và hàm ràng buộc
- Các kết quả tối ưu được minh chứng qua phương pháp Respond Surface Method (RSM) Đo thực nghiệm:
Đo chuyển vị đầu ra bằng thiết bị đo lường chuyên dụng và so sánh với kết quả mô phỏng trên Ansys Nếu sai lệch giữa kết quả đo thực nghiệm và kết quả mô phỏng hoặc lý thuyết dưới 10%, sản phẩm sẽ được đánh giá là đạt yêu cầu.
Đo tần số tự nhiên đầu tiên bằng thiết bị đo lường chuyên dụng và so sánh với kết quả mô phỏng trên Ansys Nếu có sự sai lệch giữa kết quả đo thực nghiệm và kết quả mô phỏng, cần phân tích nguyên nhân để cải thiện độ chính xác của mô hình.
4 hoặc lý thuyết dưới 10% thì phương án đề xuất đạt yêu cầu.
Nội dung đề tài
Đồ án tốt nghiệp bao gồm 7 chương Trong đó:
- Chương 1: Giới thiệu về cơ cấu mềm và ứng dụng cơ cấu mềm vào thiết kế bộ định vị chính xác 01 bậc tự do
- Chương 2: Trình bày tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước của cơ cấu mềm và các vấn đề còn tồn đọng của các nghiên cứu trên
- Chương 3: Trình bày về cơ sở lý thuyết chung về khớp mềm, cơ cấu mềm, ứng dụng cơ cấu cấu mềm và bộ định vị
Chương 4 trình bày các phương án thiết kế cho bộ định vị chính xác sử dụng cơ cấu mềm với 01 bậc tự do Từ đó, chúng tôi sẽ chọn ra phương án thiết kế tối ưu nhất và lập kế hoạch chi tiết để hoàn thiện thiết kế.
- Chương 5: Tính toán tần số tự nhiên và tiến hành mô phỏng chuyển vị và tần số của bộ định vị một bậc tự do
- Chương 6: Giới thiệu đồ gá đo đa năng và khả năng làm việc của nó
- Chương 7: Thực nghiệm khảo sát đánh giá bộ định vị đã gia công so với mô phỏng có đạt yêu cầu
- Chương 8: Nói về kết quả đạt được, hạn chế và hướng phát triển trong tương lai của đồ án
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Giới thiệu
2.1.1 Cơ cấu mềm và ứng dụng
Cơ cấu mềm (compliant mechanism) là hệ thống cơ khí không cần bộ phận chuyển động riêng lẻ, mà dựa vào đặc tính uốn cong và biến dạng của vật liệu để thực hiện chức năng cơ học Thay vì sử dụng bản lề, khớp nối hay bộ truyền động cơ khí, cơ cấu mềm thường được chế tạo từ vật liệu có độ đàn hồi cao như kim loại hoặc composite.
Cơ cấu mềm có khả năng uốn cong, co giãn và biến dạng linh hoạt khi chịu lực, giúp thực hiện hiệu quả các chức năng chuyển động, truyền động và lực Chúng có thể được thiết kế với độ cứng và độ uốn cong khác nhau, mang lại các tính chất cơ học đa dạng phù hợp với yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể Tuy nhiên, cơ cấu mềm cũng có những ưu điểm và nhược điểm riêng cần được xem xét.
Thiết kế đơn giản của cơ cấu mềm thường có ít thành phần hơn so với các cơ chế cơ khí truyền thống, giúp giảm chi phí sản xuất, rút ngắn thời gian lắp ráp và giảm thiểu sự cố.
Không cần bôi trơn: Thiết bị này không sử dụng các bộ phận chuyển động tạo ma sát như vòng bi hay trục quay, do đó không yêu cầu bôi trơn định kỳ Điều này giúp giảm thiểu nhu cầu bảo trì và ngăn ngừa tình trạng mài mòn.
Cơ cấu mềm được thiết kế để đảm bảo khả năng truyền động chính xác, mang lại độ chính xác cao trong việc kiểm soát chuyển động Điều này đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng yêu cầu tính chính xác, chẳng hạn như trong thiết bị y tế và công nghiệp điện tử.
Cơ cấu mềm có khả năng thực hiện các chức năng cơ học phức tạp một cách linh hoạt và đa năng, bao gồm truyền động, gắp, xoay, nảy và giữ vị trí.
Vật liệu trong cơ cấu mềm thường có giới hạn về công suất và độ bền so với vật liệu cứng, điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng chịu tải và tuổi thọ của cơ cấu mềm.
Cơ cấu mềm có độ cứng hạn chế, không đủ khả năng chịu đựng lực tác động mạnh hoặc lực xoắn lớn, dẫn đến giảm hệ số an toàn và hiệu suất làm việc của hệ thống.
Cơ cấu mềm có thể gặp vấn đề về ổn định khi phải chịu tải hoặc áp lực, vì vậy việc thiết kế cẩn thận là rất quan trọng để đảm bảo sự ổn định và ngăn chặn biến dạng không mong muốn.
Biến dạng của vật liệu trong cơ cấu mềm có thể ảnh hưởng đến độ chính xác và ổn định của cơ chế, đặc biệt khi chịu lực lớn hoặc hoạt động trong điều kiện nhiệt độ thay đổi.
Cơ cấu mềm mang lại nhiều lợi ích, bao gồm thiết kế đơn giản, không cần bôi trơn, khả năng truyền động chính xác và thực hiện các chức năng phức tạp Tuy nhiên, nó cũng gặp phải một số nhược điểm như hạn chế về công suất, độ cứng thấp, độ ổn định không cao và ảnh hưởng từ biến dạng vật liệu.
Hình 2.1 Ví dụ về cơ chế tuân thủ [41]
7 Hình 2.2 Mô-đun ngón tay đúc [20]
Hình 2.3 Mô-đun ngón tay đã lắp ráp [20]
2.1.2 Đồ gá đo đa năng cho bộ định vị mềm Đồ gá đo đa năng có thể được sử dụng để trợ giúp trong quá trình đo lường và kiểm nghiệm kết quả thực nghiệm của các bộ định vị mềm
Sử dụng đồ gá đo đa năng giúp kiểm tra và điều chỉnh độ chính xác của bộ định vị mềm, đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy trong quá trình đo lường Bên cạnh đó, đồ gá này cũng hỗ trợ đo kiểm các thành phần khác trong các thiết bị đo lường khác nhau, nâng cao độ chính xác và độ tin cậy trong quy trình đo.
2.1.3 Bộ định vị tích hợp cơ cấu khuếch đại mềm
Bộ định vị tích hợp cơ cấu khuếch đại mềm là hệ thống định vị tiên tiến giúp xác định vị trí và hướng của các đối tượng trong không gian ba chiều.
Hình 2.4 Bộ định vị chính xác 2 bậc tự do [26]
Hình 2.5 Bộ định vị XYO trong mặt phẳng siêu chính xác [11]
Đặc tính và cấu tạo của sản phẩm
Bộ định vị được thiết kế với đặc tính nổi bật là bắt chước các đặc điểm sinh học của bọ cánh cứng, giúp tăng cường độ an toàn và hiệu quả Hệ số an toàn cao cùng với tỉ lệ khuếch đại chuyển vị lớn đảm bảo độ chính xác tối ưu trong quá trình hoạt động.
Bộ định vị được thiết kế dựa trên đặc điểm sinh học của bọ cánh cứng, với 10 đòn bẫy được phân bố đối xứng nhằm cải thiện khả năng chuyển vị Các đòn bẫy được liên kết qua các khớp cầu, và bản lề lá kết nối với output, giúp tăng cường độ chính xác và hiệu quả trong chuyển động.
10 Hình 2.6: Bọ kìm Hercules (Dynastes hercules) [40]
Hình 2.7: Bọ hung 5 sừng (Eupatorus gracilicornis) [39]
Hình 2.8: Bộ định vị 1 bậc tự do
Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
2.3.1 Các nghiên cứu trong ngoài nước Ở nước ngoài thì những năm gần đây đã phát triển bộ định vị với độ chính xác cao như: Yong và cộng sự, năm 2009 đã phát triển các cần khuếch đại cho định vị nhanh tỉ lệ nano Kang và cộng sự, năm 2005 đề xuất cơ cấu khuếch đại chuyển vị tích hợp các cơ cấu song song sử dụng cơ cấu mềm Kim et al 2012 sử dụng bộ khuếch đại dịch chuyển kép cho hệ thống định vị 3 bậc Xu et al 2011 trình bày một tối ưu hóa của một cơ cấu khuếch đại cầu tích hợp mô hình hóa và kiểm tra thử nghiệm một tầng XY điều khiển bằng áp điện mới với
Năm 2017, Yiling Yang và các cộng sự đã thiết kế bộ định vị tích hợp cơ cấu mềm với cơ chế lắc đôi và cơ chế hình bình hành, cho phép tạo ra chuyển vị lớn và tần số cộng hưởng phù hợp Đến năm 2022, Manzhi Yang đã phát triển hệ thống với độ bền cao và hiệu suất tốt, sử dụng nguyên tắc đòn bẩy bản lề và phân tích phần tử hữu hạn để tối ưu hóa hiệu suất động học Năm 2017, Xavier Herpe và đồng nghiệp đã tạo ra bộ định vị vi mô 2 hướng XY nhỏ gọn, giúp tăng độ chính xác định vị Năm 2020, Chao Lin giới thiệu bộ định vị 6 bậc tự do với cơ cấu mềm, trong khi Zhigang Wu đã phát triển bộ định 3 bậc tự do với cơ chế khuếch đại kép cho chuyển động độc lập Năm 2021, Parag Marathe phát triển các khớp kiểu cầu cho hệ thống định vị siêu nhỏ, và vào năm 2010, Eric M Stratton thiết kế cơ cấu mềm cho cấy ghép cột sống Năm 2019, Ruijiang Xiao đã tối ưu hóa bộ định vị 3 bậc tự do với chuyển động tịnh tiến và quay độc lập Cuối cùng, Quan Zhang và các cộng sự đã thiết kế bộ định vị 2 bậc tự do tích hợp cơ cấu mềm dựa trên khớp mềm hình cầu và cơ chế hình bình hành, với kết quả được xác minh qua phương pháp phân tích phần tử hữu hạn.
2.3.2 Các nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu cơ cấu mềm đang diễn ra tích cực với nhiều thiết kế mới Năm 2022, nhóm các nhà nghiên cứu đã phát triển bộ định vị một bậc tự do (01-DOF) với tốc độ phản ứng nhanh hơn, áp dụng phương pháp phân tích để ước tính động học và động lực học của bộ định vị Bộ định vị này được thiết kế với bộ khuếch đại dịch chuyển và cơ chế hình bình hành đối xứng Trước đó, vào năm 2016, một bộ định vị hai bậc tự do (2-DOF) đã được tối ưu hóa thiết kế và tính toán dựa trên phương pháp FEA và RSM, cho phép thực hiện chuyển động tịnh tiến phẳng Năm 2022, một bộ định vị hai bậc tự do chính xác đã được đề xuất để định vị mẫu vật liệu sinh học, sử dụng phương pháp Lagrange và thuật toán mạng thần kinh để tối đa hóa tần số tự nhiên Cùng năm, một bộ định vị ba bậc tự do đã được thiết kế cho hệ thống robot đánh bóng, cho phép chuyển động theo hai hướng X, Y và quay trục Z, với việc tối ưu hóa thông qua mạng lưới thần kinh nhân tạo kết hợp phương pháp TLBO.
Các vấn đề tồn tại
Mặc dù đã có sự phát triển của các bộ định vị vi mô/nano cho kỹ thuật định vị cực cao, nhưng vẫn thiếu nghiên cứu về bộ định vị chính xác để điều khiển mũi thử trong máy thử vết lõm nano cho các mẫu y sinh như xương và răng Hành trình làm việc của mũi khoan còn hạn chế và khó áp dụng cho nhiều ứng dụng tạo vết lõm nano khác nhau, do đó cần thiết phải thiết kế một bộ định vị mới với một bậc tự do (01-DOF) Bộ định vị này được phát triển dựa trên cơ chế chuyển vị với mười đòn bẩy và cơ chế hình bình hành đối xứng, nhằm đạt độ dịch chuyển đầu ra cao và giảm lỗi chuyển động ký sinh, đặc biệt cho mẫu vật sinh học Các thiết kế với cơ chế nối tiếp có nhiều nhược điểm như quán tính cao và tần số tự nhiên thấp, vì vậy cần áp dụng cơ chế song song theo đề xuất của Li và Xu Hơn nữa, để cải thiện khả năng phản hồi trong quá trình thiết kế, các phương pháp tích hợp như mô hình vật thể giả cứng (PRBM) và phương pháp ma trận được sử dụng, kết hợp với phương pháp Lagrange để lập các phương trình động học, và cuối cùng sử dụng phương pháp RSM để tối ưu hóa khả năng phản hồi của bộ định vị.
Một số bộ định vị đã được phát triển
Hình 2.9: Bộ định vị 2 bậc tự do được nghiên cứu dựa trên FEA và RSM [10]
15 Hình 2.10: Bộ định ba bậc tự do được kích hoạt bằng áp điện [44]
Hình 2.11: Bộ định sáu bậc tự do tích hợp cơ cấu mềm bằng khớp cầu [42]
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ cấu mềm và phạm vi ứng dụng
Cơ cấu mềm là một loại hệ thống cơ khí độc đáo, hoạt động mà không cần các bộ phận chuyển động riêng lẻ Thay vào đó, nó tận dụng đặc tính uốn cong và biến dạng của vật liệu để thực hiện các chức năng cơ học hiệu quả.
Cơ cấu mềm ngày càng được ưa chuộng trong nhiều lĩnh vực nhờ vào thiết kế nhỏ gọn, giúp tiết kiệm chi phí Việc sử dụng cơ cấu mềm không chỉ giảm thiểu số lượng bộ phận mà còn hạn chế hao mòn và tiếng ồn Các ứng dụng của cơ cấu mềm rất đa dạng, bao gồm y học, MEMS, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ, cơ chế vi mô, dụng cụ cầm tay và công nghiệp rô-bốt.
Có rất nhiều các thiết bị phổ biến ứng dụng cơ cấu mềm trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta vì tính linh hoạt
Hình 3.1: Ứng dụng của cơ cấu mềm trong cuộc sống hàng ngày [29]
Cấu trúc nguyên khối của các cơ cấu mềm giúp chúng không bị mài mòn, không ma sát và không cần bôi trơn khi hoạt động, làm cho chúng phù hợp với môi trường bên trong cơ thể Chính vì lý do này, các cơ cấu mềm đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế.
Hình 3.2: Các ứng dụng của các cơ cấu mềm trong y học mô hình cấy ghép cột sống [18]
3.1.3 Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS):
Trong thiết kế cấu trúc ứng dụng cho MEMS, cơ cấu mềm là yếu tố quan trọng giúp thực hiện các chuyển động cơ học phức tạp Các cấu trúc nguyên khối có thể được thiết kế dựa trên lý thuyết cơ chế tuân thủ, cho phép chế tạo trong các giới hạn của quy trình vi cơ ứng dụng.
Hình 3.3: Minh họa một thiết bị MEMS dựa trên các cơ cấu mềm [42]
Tổng quan Pseudo-rigid-body model
Mô hình giả cứng vật thể, hay còn gọi là pseudo-rigid-body model, là phương pháp đơn giản hóa một cơ cấu linh hoạt thành một cấu trúc đơn giản hơn Mô hình này giúp dễ dàng phân tích và thiết kế các hệ thống cơ khí phức tạp.
Mô hình giả cứng vật thể được áp dụng phổ biến trong các lĩnh vực kỹ thuật như thiết kế cơ khí, robot học và kỹ thuật nhiệt động Mô hình này không chỉ cải thiện hiệu suất của các cơ cấu linh hoạt mà còn giúp dự đoán chính xác chuyển động và lực tác dụng lên các bộ phận trong hệ thống.
Sơ đồ 3.1: PRBM của dầm [14]
Nguyên lí Lagrange
Phương pháp Lagrange là một kỹ thuật trong cơ học cổ điển, được áp dụng để tính toán phương trình chuyển động của các hệ thống cơ khí Dựa trên nguyên lý Hamilton, phương pháp này sử dụng hàm Lagrange để mô tả các giới hạn chuyển động của hệ thống Nó được ứng dụng rộng rãi trong cơ học kết cấu, cơ học lý thuyết và nhiều lĩnh vực liên quan khác, bao gồm cả robot và hệ thống điều khiển tự động Đặc biệt, trong bộ định vị một bậc tự do, việc tính toán tốc độ phản ứng của bộ định vị là rất quan trọng.
Tần số riêng bậc nhất (f) tỉ lệ thuận với vận tốc góc của hệ thống và tần số có thể tính bằng:
2𝜋 Động năng (V) được tính như sau:
2k eq d 2 Thế năng (T) được tính bằng:
Trong đó: d biểu thị độ chuyển vị đầu vào, keq mô tả độ cứng đầu vào tương đương và 𝒎 𝒆𝒒 là khối lượng tương đương [22]
Pseudo-rigid-body model kết hợp với phương pháp Largange
Kết hợp hai phương pháp này giúp xây dựng mô hình cơ học kết cấu linh hoạt và tính toán các phương trình chuyển động tương ứng Điều này cho phép xác định vị trí, vận tốc, gia tốc, lực và mô-men của các bộ phận trong hệ thống cơ khí.
Kết hợp mô hình giả cứng vật thể với phương pháp Lagrange giúp tính toán chính xác các biến đổi của các bộ phận trong cơ cấu cơ khí, từ đó hỗ trợ thiết kế và phát triển các hệ thống cơ khí hiệu quả và đáng tin cậy.
Phương pháp Lagrange dựa trên PRBM được áp dụng để xây dựng động lực học
Phương trình của Lagrange được hình thành ngắn gọn như sau: d dt
∂d = F a Trong đó: V biểu thị động năng, T biểu thị thế năng và Fa là lực tổng quát.
Khớp mềm
Khớp mềm đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu mềm, là yếu tố cơ khí cho phép các phần tử cứng xoay tương đối nhờ vào khả năng uốn, thay vì sử dụng khớp quay truyền thống Trong những năm qua, nhiều loại khớp mềm đã được nghiên cứu và cải tiến.
Hình 3.7: Khớp cầu bên phải kết hợp với khớp lá uốn góc [21]
Hình 3.8: Khớp hình cong elip ở bên phải [21]
Hình 3.13: Khớp uốn bánh răng [21]
Phương pháp gia công: Máy cắt dây
3.6.1 Máy cắt dây là gì ?
Máy cắt dây là một loại máy có phương pháp gia công bằng tia lửa điện
Máy cắt dây sử dụng hai điện cực, bao gồm dao (catot) và chi tiết (anot), kết nối với nguồn điện một chiều có tần số từ 50 đến 500 kHz Thiết bị này hoạt động với điện áp từ 50 đến 300V và cường độ dòng điện từ 0,1 đến 500A.
Hai điện cực sẽ được đặt trong một dung dịch cách điện gọi là chất điện môi Khi hai điện cực tiến gần nhau, một điện trường sẽ hình thành Khi điện áp tăng, các điện tử sẽ được phóng ra từ bề mặt cực âm Nếu điện áp tiếp tục tăng, chất điện môi giữa hai điện cực sẽ bị ion hóa, dẫn đến hiện tượng dẫn điện và xuất hiện tia lửa điện giữa hai điện cực.
Nhiệt độ trong khu vực có tia lửa điện có thể đạt tới 12.000°C, dẫn đến việc đốt cháy và bay hơi kim loại trên chi tiết Quá trình phóng điện tạo ra sự ion hóa mạnh mẽ cùng với áp lực va đập lớn, khiến cho phoi bị đẩy ra khỏi vùng gia công.
Hình 3.14: Nguyên lí làm việc của máy cắt dây
Máy cắt dây CNC là thiết bị cắt dây hoạt động hoàn toàn tự động thông qua hệ thống máy tính thông minh Các bộ phận của máy được lập trình để thực hiện các sự kiện nối tiếp với tỷ lệ định trước, giúp tạo ra sản phẩm có hình dạng và kích thước chính xác theo yêu cầu của người dùng Máy cắt dây CNC có khả năng gia công chính xác và tinh vi các bề mặt phức tạp, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất.
3.6.4 Đặc điểm của máy cắt dây CNC
Dây cắt chỉ thường được thiết kế để sử dụng một lần, tuy nhiên, vẫn có một số loại dây có thể tái sử dụng nhiều lần Khi gia công cắt dây, vật liệu làm điện cực cần phải đáp ứng các tiêu chí nhất định.
- Có nhiệt độ nóng chảy cao
- Có độ giãn dài cao
- Có khả năng dẫn nhiệt tốt
- Chất điện môi sử dụng trong máy cắt dây CNC
- Chất điện môi trong máy này thường có chức năng chính là:
+ Cô lập khe hở gia công trước khi một lượng lớn năng lượng được tích lũy tạo ra sự phóng điện vào một vùng nhỏ
Để khôi phục tình trạng khe hở mong muốn, cần thực hiện làm mát khe hở và khử ion Đồng thời, việc rửa phôi ra khỏi khu vực làm việc cũng rất quan trọng, giúp làm mát dây và chi tiết gia công hiệu quả.
3.6.5 Ưu và nhược điểm Ưu điểm:
- Máy cắt dây CNC không quan tâm đến tay nghề của người vận hành
- Tốc độ gia công sản phẩm cao, gia công được nhiều sản phẩm hơn
- Máy cắt dây CNC có khả năng cắt và gia công các sản phẩm có độ cứng cao nhờ kết cấu cơ khí chắc chắn
- Giá thành ản phẩm cao hơn
- Chi phí bảo dưỡng, sửa chữa cũng đắt hơn
- Việc thay đổi nhân lực điều khiển máy sẽ khó hơn vì mất thời gian đào tạo nhân lực
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ GIẢI PHÁP THỰC HIỆN
Yêu cầu đề tài
- Hệ số khuếch đại lớn hơn ba
- Đảm bảo độ tin cậy (hệ số an toàn trên 1.8)
- Tần số tự nhiên f > 60Hz
- Sử dụng khớp mềm là khớp cầu và khớp lá
- Chỉ dùng vật liệu là Al 7075
Phương hướng và giải pháp thực hiện
Xét các biến khoảng cách giữa các khớp và chiều dài của các đòn bẩy để tối ưu hóa
Sơ đồ 4.1: Bộ định vị một bậc tự do phương án 1
Sơ đồ 4.2: Sơ đồ các biến chạy tối ưu hóa bằng RSM
Hình 4.1: Hệ số an toàn trước khi tối ưu hóa của bộ định vị
(b) Hình 4.2: (a),(b) Chuyển vị đầu ra trước khi tối ưu
Bảng 4.1: Chuyển vị đầu ra và hệ số an toàn sau khi tối ưu phương án 1 giải pháp 1
Xét các biến độ dày của giải pháp 2 để tối ưu hóa bằng RSM
Sơ đồ 4.3: Sơ đồ các biến khớp chạy tối ưu hóa bằng RSM
32 Hình 4.3: Hệ số an toàn trước khi tối ưu hóa của bộ định vị
(b) Hình 4.4: (a),(b) Chuyển vị đầu ra trước khi tối ưu
Bảng 4.2: Chuyển vị đầu ra và hệ số an toàn sau khi tối ưu khớp phương án 1 giải pháp 2
Sau khi tối ưu hóa các khớp ta tiếp tục tối ưu hóa các đòn bẩy:
Sơ đồ 4.4: Sơ đồ các biến đòn bẩy chạy tối ưu hóa bằng RSM
Hình 4.5: Hệ số an toàn trước khi tối ưu hóa của bộ định vị
(b) Hình 4.6: (a),(b) Chuyển vị đầu ra trước khi tối ưu
Bảng 4.3: Chuyển vị đầu ra và hệ số an toàn sau khi tối ưu cần phương án 1 giải pháp 2
Sau khi áp dụng phương pháp tối ưu RSM bằng phần mềm Ansys, giải pháp 1 với ba khớp mềm và ba đòn bẩy cho thấy hệ số an toàn và độ biến dạng tốt hơn Do đó, giải pháp này được chọn để so sánh với các phương án khác.
-Độ tin cậy của giải pháp đạt yêu cầu hệ số an toàn trên 1,8
-Hệ số an toàn được tối ưu tốt 1,1 lần từ 1,7 lên 1,87
-Độ khuếch đại hành trỡnh chuyển vị lớn đạt 13,4 lần Độ chuyển vị từ 46 àm được khuếch đại lờn đến 618 àm
-Chuyển vị đã bị giảm sau khi tối ưu từ 671 còn 618,3
-Do 10 đòn bẩy và các khớp có độ dày nhỏ nên khó gia công, tốn nhiều thời gian và dễ bị gãy
-Sau khi tối ưu thì hệ số an toàn và chuyển vị không đạt kết quả tốt nhất lần lượt chỉ là
Xét các biến độ dày giữa các khớp và chiều dài của ba đòn bẩy để tối ưu hóa
Sơ đồ 4.5: Bộ định vị một bậc tự do phương án 2
Sơ đồ 4.6: Sơ đồ các biến chạy tối ưu hóa bằng RSM
38 Hình 4.7: Hệ số an toàn trước khi tối ưu hóa của bộ định vị
(b) Hình 4.8: (a),(b) Chuyển vị đầu ra trước khi tối ưu
Bảng 4.4: Chuyển vị đầu ra và hệ số an toàn sau khi tối ưu phương án 2 giải pháp 1
Xét khoảng cách giữa các khớp sau đó chạy tối ưu bằng phương pháp RSM sau đó tiếp tục tối ưu chiều dài 6 cần
Sơ đồ 4.7: Sơ đồ các biến khớp chạy tối ưu hóa bằng RSM
Hình 4.9: Hệ số an toàn trước khi tối ưu hóa của bộ định vị
(b) Hình 4.10: (a),(b) Chuyển vị đầu ra trước khi tối ưu
42 Bảng 4.5: Chuyển vị đầu ra và hệ số an toàn sau khi tối ưu khớp phương án 2 giải pháp 2
Sơ đồ 4.8: Sơ đồ các biến cần chạy tối ưu hóa bằng RSM
43 Hình 4.11: Hệ số an toàn trước khi tối ưu hóa của bộ định vị
(b) Hình 4.12: (a),(b) Chuyển vị đầu ra trước khi tối ưu
Bảng 4.6: Chuyển vị đầu ra và hệ số an toàn sau khi tối ưu cần phương án 2 giải pháp 2
Sau khi áp dụng phương pháp tối ưu RSM bằng phần mềm ANSYS, giải pháp 2 cho thấy hiệu quả vượt trội khi tối ưu 5 khớp mềm trước, sau đó tối ưu 5 đòn bẩy, mang lại hệ số an toàn và độ biến dạng tốt hơn Do đó, chúng tôi quyết định sử dụng giải pháp 2 để so sánh với các phương án khác.
- Độ tin cậy của giải pháp đạt yêu cầu hệ số an toàn trên 1,8
- Chuyển vị được tối ưu tốt từ 767,18 àm tăng lờn đến 868,4
- Độ khuếch đại hành trỡnh chuyển vị lớn đạt 17,7 lần Độ chuyển vị từ 49 àm được
45 khuếch đại lờn đến 868,4 àm
- Hệ số an toàn tăng nhẹ từ 1,82 lên 1,85
- Do 10 đòn bẩy và các khớp có độ dày nhỏ nên khó gia công, tốn nhiều thời gian và dễ bị gãy
Xét ba biến độ dày và độ dài ba đòn bẩy để tối ưu hóa
Sơ đồ 4.9: Bộ định vị một bậc tự do phương án 3
Sơ đồ 4.10: Sơ đồ các biến chạy tối ưu hóa bằng RSM
Hình 4.13: Hệ số an toàn trước khi tối ưu hóa của bộ định vị
(b) Hình 4.14: (a),(b) Chuyển vị đầu ra trước khi tối ưu
Bảng 4.7: Chuyển vị đầu ra và hệ số an toàn sau khi tối ưu phương án 3 giải pháp 1
Xét khoảng cách giữa các khớp sau đó chạy tối ưu bằng phương pháp RSM sau đó tiếp tục tối ưu chiều dài 6 cần
Sơ đồ 4.11: Sơ đồ các biến khớp chạy tối ưu hóa bằng RSM
49 Hình 4.15: Hệ số an toàn trước khi tối ưu hóa của bộ định vị
(b) Hình 4.16: (a),(b) Chuyển vị đầu ra trước khi tối ưu
Bảng 4.8: Chuyển vị đầu ra và hệ số an toàn sau khi tối ưu khớp phương án 3 giải pháp 2
Sơ đồ 4.12: Sơ đồ các biến đòn bẩy khi chạy tối ưu hóa bằng RSM
Hình 4.17: Hệ số an toàn trước khi tối ưu hóa của bộ định vị
(b) Hình 4.18: (a),(b) Chuyển vị đầu ra trước khi tối ưu
Bảng 4.9: Chuyển vị đầu ra và hệ số an toàn sau khi tối ưu cần phương án 3 giải pháp 2
Sau khi áp dụng phương pháp tối ưu RSM bằng phần mềm ANSYS, giải pháp 1, tối ưu theo hướng ba khớp mềm và ba đòn bẩy, cho thấy hệ số an toàn và độ biến dạng tốt hơn Do đó, chúng tôi quyết định sử dụng giải pháp 1 để so sánh với các phương án khác.
- Độ tin cậy của giải pháp đạt yêu cầu hệ số an toàn trên 1,8
- Hệ số an toàn được tối ưu tốt từ 1,78 lên 1,84
- Độ khuếch đại hành trỡnh chuyển vị lớn đạt 16,64 lần Độ chuyển vị từ 23 àm được khuếch đại lờn đến 382,72 àm
- Do 10 đòn bẩy và các khớp có độ dày nhỏ nên khó gia công, tốn nhiều thời gian và dễ bị gãy
- Sau khi tối ưu thì hệ số an toàn và chuyển vị đạt kết quả tốt đều là 2 sao
- Chuyển vị đầu ra không đạt chuyển vị lớn nhất do khớp hình cầu ở chuyển vị đầu ra có bản kính nhỏ.
Lựa chọn phương pháp
Sau khi tối ưu hóa, phương án hai cho độ khuếch đại chuyển vị lớn nhất là 17,7 lần, theo sau là phương án ba với độ khuếch đại 16,64 lần, và phương án một với độ khuếch đại 13,4 lần Về hệ số an toàn, phương án hai đạt ba sao, trong khi hai phương án còn lại chỉ đạt hai sao, nhưng cả ba đều có hệ số an toàn trên 1,8 Do đó, phương án hai được chọn để gia công và báo cáo khóa luận tốt nghiệp.
So sánh với các bài đã nghiên cứu trước đây
Compared to the article "Optimal Design and Analysis for a New 1-DOF Compliant Stage Based on Additive Manufacturing Method for Testing Medical Specimens" by Professor Đặng Minh Phụng and colleagues, our group's work primarily utilizes spherical and leaf joints, whereas the referenced study predominantly employs elliptical joints, with some use of spherical and leaf joints Our design features five amplification stages, in contrast to the two displacement stages in the cited paper, resulting in an amplification factor of 17.7 and a natural frequency of approximately 65.562 Hz Consequently, the formula for calculating the natural frequency in our five-stage system differs from that of the three-stage amplifier Additionally, due to the five amplification stages, the dimensions of our positioning device are larger, measuring 281.5 mm × 178 mm × 10 mm compared to the three-stage amplifier.
So với bài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐỊNH VỊ 01 BẬC TỰ DO
SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM CHO HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG CHÍNH XÁC DỰA TRÊN
Trong nghiên cứu "IN 3D KIM LOẠI" của Trần Văn Trung và cộng sự, bài viết của chúng em đạt hệ số khuếch đại chuyển vị lớn hơn 17,7, vượt qua mức 16 lần Chúng em đã áp dụng cách sắp xếp các tầng khuếch đại khác biệt so với nghiên cứu trước đó Đặc biệt, kích thước bộ định vị của nhóm em nhỏ hơn, với kích thước 281,5 mm × 178 mm × 10 mm, so với kích thước 316 mm × 177 mm × 10 mm của nghiên cứu trước.
Hình 4.19: Tần số phương án 2 trước khi tối ưu
Trình tự công việc tiến hành
Sau khi ta đã lựa chọn phương án thiết kế thì ta tiến hành các bước sau:
Để thiết kế bộ định vị, chúng ta bắt đầu bằng cách vẽ 2D trong phần mềm AutoCAD, sau đó chuyển sang dựng mô hình 3D bằng Inventor Cuối cùng, chúng ta sẽ thực hiện mô phỏng bằng Ansys để kiểm tra xem sản phẩm có đạt yêu cầu khuếch tán hay không.
55 đại không Nếu đạt ta tiến hành vẽ 2d vào ansys, còn không đạt thì vẽ lại trên AutoCAD
Mô phỏng bộ định vị bằng ANSYS bắt đầu bằng việc chuyển đổi bản vẽ 2D thành mô hình 3D Sau đó, quá trình tiếp theo là thực hiện các phép tính để xác định hệ số an toàn và độ khuếch đại chuyển vị của bộ định vị.
-Tối ưu hóa: Ta tiến hành đặt biến cho bộ định vị sau đó sử dụng lệnh response surface optimization
-Lập phương trình toán học: dựa vào phương pháp kết hợp giữa PRBM và Lagrange
Nếu kết quả giữa mô phỏng và phương trình toán học có sai số dưới 10%, chúng ta sẽ tiến hành gia công và thử nghiệm Nếu không đạt yêu cầu, cần thực hiện lại các bước từ đầu.
Sơ đồ 4.13: Quy trình thiết kế bộ định vị 01 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỘ ĐỊNH VỊ 01 BẬC TỰ DO SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM
Thiết lập sơ đồ động lực học cho bộ định vị 01-DOF
Mô hình động lực học cho bộ định vị 01-DOF được phát triển thông qua phương pháp giả cứng dựa trên Lagrange và PRBM, như thể hiện trong hình 10.
Hình 5.1: Sơ đồ giả cứng cho bộ định vị 01-DOF
Bài viết đề cập đến năm bản lề uốn chính được tích hợp vào giai đoạn 01-DOF, với các thông số khớp hình cầu, khớp hình elip và khớp lá được minh họa trong các hình 3.4, 3.5 và 3.6 Hình 3.4 thể hiện các tham số như độ dày của khớp cầu (𝑡 𝑐), bán kính khớp cầu (r) và chiều rộng khớp cầu (𝑏 𝑐) Hình 3.5 mô tả độ dày khớp hình elip (h), chiều rộng khớp hình elip (w) và hai bán trục của khớp hình elip (a và b) Cuối cùng, hình 3.6 chỉ ra độ dày (𝑎 𝑟) và chiều rộng (𝑏 𝑟) của khớp lá.
Trong sơ đồ 4.7 và hình 5.1, các chuyển vị đầu vào của LAM #1, LAM #2, LAM #3, LAM #4 và đầu ra lần lượt bao gồm 𝑑 𝑖𝑛 , 𝑑 𝑜𝑢𝑡𝐷 , 𝑑 𝑜𝑢𝑡𝐽 , 𝑑 𝑜𝑢𝑡𝑀 , 𝑑 𝑜𝑢𝑡𝑃 và 𝑑 𝑜𝑢𝑡 Chuyển vị đầu
57 ra của LAM #1, LAM #2, LAM #4 và LAM #4 là chuyển vị đầu vào của LAM #5 Phương trình động lực học của khâu được lập theo chuỗi phương trình như sau:
Tỷ lệ khuếch đại thu được xấp xỉ:
Tần số riêng bậc nhất (f) tỉ lệ thuận với vận tốc góc của hệ thống và tần số có thể tính bằng:
2𝜋 (2b) Động năng (V) được tính như sau:
Thế năng (T) được tính bằng:
Trong đó: d biểu thị độ dịch chuyển đầu vào, keq mô tả độ cứng đầu vào tương đương và 𝑚 𝑒𝑞là khối lượng tương đương
Phương pháp Lagrange dựa trên PRBM được áp dụng để xây dựng động lực học Phương trình của Lagrange được hình thành ngắn gọn như sau:
𝜕𝑑 = 𝐹 𝑎 (5) trong đó V biểu thị động năng, T biểu thị thế năng và Fa là lực tổng quát
Phương trình động lực học của khâu được lập theo chuỗi phương trình sau:
Độ cứng xoắn của bản lề tròn bên phải (𝐾 𝑐 ) được xác định qua công thức (13), trong khi độ cứng xoắn của bản lề elip (𝐾 𝐸 ) được mô tả trong công thức (14) Độ cứng chống xoắn của bản lề lá (𝐾 𝐿 ) được hình thành theo phương trình (15) Cuối cùng, mômen quán tính của liên kết cứng (𝐼 𝑗 ) được trình bày trong phương trình (16).
Trong hình 10, động năng của giai đoạn đề xuất được xác định bởi:
Sử dụng phương trình (13), động năng của mỗi khớp liên kết được tính như sau:
2 𝐼 6 𝜑 6 2 (18) Trong hình 10, năng lượng đàn hồi của bộ định vị được định nghĩa là:
6 𝑖=1 (19) Thế năng đàn hồi sinh ra do sự biến dạng của khớp elip, khớp hình cầu và khớp lá:
Góc quay và vận tốc góc của mỗi mắt xích được ký hiệu (𝜑 𝑗 , 𝜑 𝑗 ) Mối quan hệ giữa các góc quay được xác định bởi:
Bằng cách áp dụng một lực đầu vào𝐹 𝑖𝑛 , công được định nghĩa là:
Xét 𝑊 = 𝐸 𝑣 thì lực tác dụng vào là chuyển vị tác dụng vào có quan hệ như sau:
Nếu độ cứng đầu vào của hệ (𝐾 𝑖𝑛 = 𝐹 𝑖𝑛
𝑑 𝑖𝑛 ) chia cả hai vế cho 𝑑 𝑖𝑛 2 , thì độ cứng được xác định như sau:
Phương trình chuyển động có thể được định nghĩa như sau:
Tần số tự nhiên đầu tiên của bộ định vị được đề xuất xác định theo phương trình sau:
Tối ưu hóa các biến số và so sánh với thực nghiệm của bộ định vị một bậc tự do
Tính toán Ansys Sai số
Sai số tần số giữa FEM và thực nghiệm:
FEM Thực nghiệm Sai số
Giá trị các biến số khớp:
0.7 ≤ 𝑥 1 ≤ 0.74 0.65 ≤ 𝑥 2 ≤ 0.69 0.6 ≤ 𝑥 3 ≤ 0.64 0.55 ≤ 𝑥 4 ≤ 0.59 0.5 ≤ 𝑥 5 ≤ 0.54 Giá trị các biến số cần:
Trong đó, 𝑥 1 , 𝑥 2 , 𝑥 3 , 𝑥 4 𝑣à 𝑥 5 lần lượt là các biến khớp G, X, Y, Z và V Tương tự đó, 𝑥 6 ,
Các biến cần thiết cho J, K, L, M và N lần lượt là x7, x8, x9 và x10 Độ dày của các biến khớp giảm dần từ tầng 1 đến tầng 5, với tầng 1 dày nhất và tầng 5 mỏng nhất Thiết kế này nhằm bảo toàn tối đa năng lượng từ đầu vào đến đầu ra Việc tối ưu hóa giúp xác định các thông số phù hợp nhất để đạt được tỉ lệ khuếch đại chuyển vị và tần số dao động tự nhiên tốt nhất Kết quả tối ưu hóa cho các biến số là G = 0.74mm, X = 0.69mm, Y = 0.6mm, Z = 0.55mm và V = 0.55mm.
J = 35.99mm, K = 53mm, L = 102mm, M = 82.97mm và N = 81.03mm Kết quả tần số dao động tự nhiên 65,562 Hz
Hình 5.2: Kết quả của hệ số an toàn
Mô phỏng kết quả hệ số an toàn
5.3.1Kết quả hệ số an toàn sau khi tối ưu các biến số khớp
Hình 5.3: Hệ số an toàn với biến G và X
Hình 5.4: Hệ số an toàn với biến X và Y
64 Hình 5.5: Hệ số an toàn với biến Y và Z
Hình 5.6: Hệ số an toàn với biến Z và U
Hình 5.7: Hệ số an toàn với biến U và G
5.3.2 Hệ số an toàn sau khi tối ưu các biến số cần
Hình 5.8: Hệ số an toàn với biến J và K
66 Hình 5.9: Hệ số an toàn với biến K và L
Hình 5.10: Hệ số an toàn với biến L và M
67 Hình 5.11: Hệ số an toàn với biến M và N
Hình 5.12: Hệ số an toàn với biến N và J
Mô phỏng kết quả tần số
Hình 5.13: Kết quả tần số của bộ định vị
Hình 5.14: Tần số với biến J và K
69 Hình 5.15: Tần số với biến K và L
Hình 5.16: Tần số với biến L và M
70 Hình 5.17: Tần số với biến M và N
Hình 5.18: Tần số với biến N và J
Tiêu chí Skewness được áp dụng để đánh giá chất lượng lưới, với giá trị trung bình khoảng 0.42, như thể hiện trong Hình 5.5 Giá trị này cho thấy lưới đạt yêu cầu tốt trong giai đoạn mô phỏng.
Hình 5.19: Tiêu chí độ nghiêng cho chất lượng chia lưới
THIẾT KẾ ĐỒ GÁ ĐO ĐA NĂNG
Giới thiệu về đồ gá đo đa năng
Đồ gá đo đa năng cho bộ định vị chính xác là thiết bị dùng để định vị cảm biến laser, giúp kẹp chặt cảm biến trong quá trình đo và kiểm tra Thiết bị này tích hợp cơ cấu mềm, nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong các ứng dụng đo lường.
Các thành phần và chức năng trong bộ đồ gá đo đa năng
Sử dụng đồ gá đo đa năng giúp kiểm tra độ chính xác về chuyển vị và hệ số an toàn của bộ định vị trong thực nghiệm Bộ đồ gá này bao gồm đế từ gá đồng hồ so, khối kẹp chữ U và chốt M6.
Đế từ của gá đồng hồ so là bộ phận quan trọng giúp cố định và làm giá đỡ cho thân đồ gá, tăng cường độ chắc chắn và đảm bảo độ chính xác trong các phép đo Ngoài ra, đế từ còn cho phép di chuyển lên xuống và xoay theo các trục X và Y một cách dễ dàng.
Hình 6.1: Đế từ gá đồng hồ so
Khối kẹp chữ U là thiết bị quan trọng giúp định vị và kẹp chặt bộ cảm biến laser, bao gồm hai loại cảm biến LK G15 và LK G30 Thiết kế của khối kẹp chữ U bao gồm hai khối riêng biệt, mỗi khối được sử dụng để cố định một cảm biến laser khác nhau, đảm bảo sự chính xác và ổn định trong quá trình hoạt động.
-Chốt M6: Là bộ phần dùng để kết nối giữa đế gá từ và khối kẹp chữ U
Bộ đồ gá đo hoàn chỉnh
Hình 6.5: Bộ đồ gá đo đo năng G15
Hình 6.6: Bộ đồ gá đo đo năng G30
Cảm biến laser được gắn cố định với 3 bậc tự do, trong đó mặt bên phải sử dụng 2 bulông M4 cho phép tịnh tiến theo trục X và xoay quanh trục Z Mặt bên trái được gắn bằng 1 bulông M4, giúp hạn chế một bậc tự do là xoay quanh trục Y Nhờ vào thiết kế này, cảm biến có khả năng xoay linh hoạt.
360 độ vì đế gá từ có trang bị khớp bi và có khớp di chuyển lên xuống giúp ta có thể đo bộ định vị dễ dàng hơn
GIA CÔNG, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM
Thiết kế bộ 01-DOF bằng phương pháp máy cắt dây CNC
Thiết kế sau khi được tối ưu và đánh giá sẽ xuất bản vẽ và gia công bằng phương pháp máy cắt dây CNC
Nhôm 7075 nổi bật với độ bền cao và khả năng chịu lực tốt, đồng thời có khả năng chống ăn mòn vết nứt hiệu quả So với nhôm 6061 phổ biến, nhôm 7075 có thành phần kẽm (Zn) cao hơn, mang lại những ưu điểm vượt trội trong ứng dụng.
7075 có sức bền, sức căng và khả năng chịu lực tốt hơn nên được chọn làm chất liệu cho bộ 01-DOF
Thông số Giá trị Đơn vị
Tỉ lệ khuếch đại 17.72 lần
Bảng 7.2: Kết quả mô phỏng Ansys nhôm 7075
77 Hình 7.1: Mô phỏng thiết kế bằng phần mềm ANSYS
Bảng 7.4: Xây dựng thiết kế theo các biến tối ưu
Gia công
Hình 7.2: Sản phẩm gia công bộ 01-DOF bằng phương pháp cắt dây CNC
7.2.2 Gia công tấm trung gian
Hình 7.4: Bộ định vị 01-DOF
Đo kiểm nghiệm và nhận xét, đánh giá
Hình 7.5: Đo tần số bộ 01-DOF bằng phương pháp vật lý
Hình 7.6: Đo tần số bộ 01-DOF bằng PZT và 2 laser
Việc thiết kế gia công bằng máy cắt dây gặp nhiều hạn chế do phải điều chỉnh dây cắt nhiều lần, dẫn đến sai số trong quá trình đo thực nghiệm Bảng dưới đây trình bày kết quả đo thực tế từ các phương pháp gia công bằng máy cắt dây sử dụng đồng hồ so và laser.
Tần số ngoài Tần số dao động tự nhiên Tần số mô phỏng ANSYS Sai số (%)
Bảng 7.5: Kết quả đo tần số thực tế bằng 2 laser và 1 PZT và sai số so với tần số mô phỏng trên ANSYS
Tần số dao động tự nhiên
Tần số mô phỏng ANSYS
Bảng 7.6: Kết quả đo tần số thực tế bằng phương pháp vật lý và sai số so với tần số mô phỏng trên ANSYS
Hình 7.7: Tần số đo thực tế bằng phương pháp vật lý trên phần mềm LabVIEW
Sơ đồ 7.1: Sơ đồ mô phỏng biểu thị tần số đo thực tế bằng phương pháp vật lý
Hình 7.8: Tần số đo thực tế bằng 2 laser và PZT trên phần mềm LabVIEW
Sơ đồ 7.2: Sơ đồ mô phỏng biểu thị tần số đo thực tế bằng 2 laser và PZT Đánh giá:
So với kết quả mô phỏng bằng phần mềm ANSYS và kết quả đo trong thực tế bằng đồng hồ so và laser cho thấy:
Tần số dao động tự nhiên được đo bằng PZT và hai laser cho thấy kết quả trên phần mềm LabVIEW là 60Hz, trong khi mô phỏng ANSYS ghi nhận tần số là 65.562Hz, cho thấy sự chênh lệch khoảng 8.48%, thấp hơn 10% Kết quả thực nghiệm này đáng tin cậy.
Phân tích tần số bằng phương pháp vật lý trên phần mềm LabVIEW cho thấy tần số dao động tự nhiên đạt 65Hz, trong khi tần số mô phỏng trên ANSYS là 65.562Hz, cho thấy sự chênh lệch khoảng 0.86%.