GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Cơ cấu mềm (CCM) với độ chính xác cao, truyền động tốt và ít ma sát đang được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và công nghệ Việc áp dụng CCM vào bộ định vị chi tiết gia công cho các nguyên công yêu cầu độ chính xác lên đến 1/1000 mm đang ngày càng phát triển và trở nên quan trọng Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu và thiết kế bộ định vị sử dụng CCM tại Việt Nam hiện chỉ dừng lại ở giai đoạn tính toán và mô phỏng, trong khi việc gia công, chế tạo và ứng dụng thực tế vẫn còn nhiều hạn chế.
Giai đoạn thực nghiệm là yếu tố then chốt trong việc áp dụng bộ định vị CCM vào sản xuất thực tế Kết quả thực nghiệm giúp đối chiếu với tính toán và mô phỏng, từ đó đưa ra cải tiến và phương hướng sử dụng hiệu quả bộ định vị trong môi trường làm việc.
Mục tiêu của quá trình thực nghiệm bộ định vị với CCM là đo chính xác đặc tính đầu ra của bộ định vị Để đạt được độ chính xác cao trong việc đo đạc, cần sử dụng các thiết bị điện hiện đại hỗ trợ quá trình này Đồng thời, việc lưu trữ các giá trị đo được là cần thiết để làm dữ liệu tham khảo cho các thiết kế trong tương lai.
Để đơn giản hóa quá trình thực nghiệm bộ định vị sử dụng CCM mà vẫn đảm bảo độ chính xác, cần thiết phải xây dựng một hệ thống điều khiển điện để đo đặc tính đầu ra của bộ định vị này.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đồ án này cung cấp tài liệu tham khảo quan trọng cho các nghiên cứu về bộ định vị sử dụng CCM trong hệ thống định vị chính xác Nghiên cứu tập trung vào việc xác định hai đặc tính đầu ra quan trọng nhất của bộ định vị.
“chuyển vị” và “tần số dao động tự nhiên”
Việc đo lường và kiểm tra đặc tính đầu ra của bộ định vị sử dụng CCM không chỉ giúp xác minh lý thuyết và độ chính xác của mô hình toán học mà còn phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trong giai đoạn lý thuyết hoặc mô phỏng Qua đó, chúng ta có thể đánh giá hiệu suất và khả năng làm việc thực tế của thiết kế, từ đó thúc đẩy sản xuất và chế tạo những bộ định vị có độ chính xác cao Điều này góp phần nâng cao chất lượng gia công chính xác tại Việt Nam.
Sản phẩm nghiên cứu đã được áp dụng thành công trong việc đo kiểm một số bộ định vị kết hợp với khuếch đại dịch chuyển sử dụng cơ cấu mềm, đạt độ chính xác dịch chuyển lên đến micro mét.
Mục tiêu nghiêm cứu của đề tài
Mục tiêu chính của đề tài là phát triển hệ điều khiển điện nhằm đo đặc tính đầu ra, phục vụ cho việc thực nghiệm bộ định vị sử dụng Công nghệ CCM.
Ta có thể chia mục tiêu chính thành các mục tiêu nhỏ như:
1 Xác định các thành phần trong hệ điều khiển điện và cách kết nối, sử dụng chúng
2 Đo đặc tính chuyển vị với độ chính xác micro mét
3 Đo đặc tính tần số dao động tự nhiên của bộ định vị
4 Lưu trữ kết quả đo
5 Trình bày quá trình thực nghiệm đo bộ định vị sử dụng CCM làm tài liệu tham khảo cho các nghiêm cứu sau này.
Đối tượng và phạm vi nghiêm cứu
Hệ thống điện có thể được tối ưu hóa bằng cách sử dụng phần mềm LabVIEW để đo kiểm chính xác đặc tính đầu ra của bộ định vị Bộ định vị này sử dụng cơ cấu mềm kết hợp với bộ khuếch đại dịch chuyển, nhằm nâng cao độ chính xác trong hệ thống định vị Việc áp dụng LabVIEW giúp cải thiện quy trình kiểm tra và phân tích, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống.
1.4.2 Phạm vi nghiêm cứu Đồ án này chỉ tập trung vào quá trình thực nghiệm đo kiểm 2 đặc tính đầu ra quan trọng nhất của bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm là: chuyển vị và tần số dao động tự nhiên Từ đặc tính chuyển vị ta sẽ tìm được hệ số khuếch đại và các đặc tính đầu ra khác của bộ định vị sử dụng CCM Từ đặc tính tần số dao động tự nhiên ta có thể chọn môi trường làm việc phù hợp cho bộ định vị khi đưa vào sử dụng trong môi trường làm việc thực tế
Trong đồ án này, các thiết bị điện chủ yếu được hỗ trợ bởi giáo viên hướng dẫn và nhóm đồ án trước Để khắc phục những hạn chế của nhóm trước và hoàn thiện hệ thống điều khiển điện, phần lập trình LabVIEW đóng vai trò quan trọng nhất.
Phương pháp nghiêm cứu
- Tìm hiểu sách, bài báo khoa học, tài liệu trên internet về CCM, hệ thống đo đạc, đặc tính đầu ra của CCM
- Tìm hiểu Datasheet của các thiết bị điện để lựa chọn thiết bị và cách sử dụng phù hợp
Tìm hiểu các định luật và công thức trong xử lý tín hiệu số, chuyển vị và tần số là rất quan trọng để áp dụng hiệu quả trong lập trình điều khiển hệ thống đo kiểm Việc nắm vững kiến thức này giúp tối ưu hóa quy trình kiểm tra và đảm bảo độ chính xác trong các phép đo.
- Tìm hiểu về phần mềm lập trình LabVIEW, Matlab
Tiến hành thực nghiệm và kiểm tra độ chính xác của các kết quả đo trên nhiều bộ định vị khác nhau, từ đó thực hiện các điều chỉnh và cải tiến phù hợp với yêu cầu của đề tài.
TỔNG QUAN NGHIÊM CỨU ĐỀ TÀI
Giới thiệu cơ cấu mềm
Cơ cấu mềm, hay còn gọi là cơ cấu đàn hồi, là loại cơ cấu có khả năng biến đổi chuyển động, lực hoặc momen thông qua sự biến dạng trong phạm vi đàn hồi của vật liệu Ví dụ về các cơ cấu mềm thường gặp trong đời sống hàng ngày được minh họa trong Hình 2.1.
Hình 2 1: Các cơ cấu mềm phổ biến trong đời sống
Một dạng CCM phổ biến trong nghiên cứu và thiết kế cơ cấu là kết hợp nhiều khớp mềm Khớp mềm được cấu tạo đơn giản từ một khối vật liệu được cắt khoét, cho phép tạo ra chuyển động dựa trên độ mềm của vật liệu Điều này giúp khắc phục những điểm yếu của khớp truyền thống, đồng thời mang lại ưu thế trong việc truyền chuyển động với độ chính xác cao, đặc biệt trong các tác vụ gia công yêu cầu độ chính xác ở mức micro và dưới micro.
Khớp nối truyền thống và khớp mềm với cấu tạo nguyên khối có những ưu điểm nổi bật Cơ cấu khớp mềm không tạo ra ma sát, tiếng ồn hay mài mòn, đồng thời không cần bôi trơn và không có khe hở giữa các chi tiết Điều này giúp tiết kiệm không gian, giảm chi phí cho các bộ phận, vật liệu, lắp ráp và bảo trì.
Nhược điểm của thiết bị này là không bền vững khi chịu tải lớn, có độ dịch chuyển hạn chế và không thể quay liên tục Do đó, nó chỉ phù hợp cho những chuyển động nhỏ với độ chính xác cao.
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về CCM đã tập trung vào việc tạo ra chuyển động nhỏ ở cấp độ micron với độ chính xác dưới micron, thậm chí là nano, trong khi vẫn chịu được tải trọng lớn Đặc biệt, các nghiên cứu về cơ cấu định vị chính xác sử dụng CCM để tạo ra chuyển động nhỏ cỡ micro có tiềm năng nâng cao độ chính xác trong gia công cơ khí, nếu được triển khai thành công.
Một số nghiêm cứu về bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm
Trong vi thao tác, định vị micro/nano là hoạt động cơ bản và cần thiết, vì sự chính xác trong định vị là tiền đề cho các thao tác tiếp theo Các hoạt động cụ thể như kẹp, gá, chọc thủng, và tiêm đều dựa vào định vị chính xác Chẳng hạn, việc kẹp phụ thuộc vào định vị tương đối của hai đầu kẹp, trong khi chọc thủng yêu cầu xác định chính xác vị trí của kim Do đó, độ chính xác của các phương pháp định vị ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của thao tác, làm cho bộ định vị chính xác trở thành yếu tố quan trọng trong lĩnh vực vi thao tác.
Cơ cấu dẫn động và định vị với độ phân giải micro
Nhóm tác giả Phạm Huy Hoàng và Trần Văn Thùy đã nghiên cứu và thiết kế thành công cơ cấu dẫn động thẳng với độ phân giải micro, sử dụng các khớp mềm khuếch đại biến dạng của thanh piezo nhiều lớp Thiết kế bao gồm thanh piezo nhiều lớp, phần dẫn, bộ khuếch đại vi sai và phần bị dẫn, với độ khuếch đại đạt 9,53 và độ phân giải từ 0,5-1 µm Các cơ cấu dẫn động này rất cần thiết cho các lĩnh vực nghiên cứu mũi nhọn như gia công chính xác, cáp quang, công nghệ sinh học và công nghệ y sinh học.
Hình 2 4: Cơ cấu dẫn động với độ phân giải Micro
Bộ định vị XY sử dụng CCM
Phillipp và các cộng sự đã phát triển thành công bộ định vị 2 bậc tự do với hành trình di chuyển lên đến ±10 mm Thiết kế nguyên khối cùng với các cơ chế tuân thủ dựa trên biến dạng đàn hồi của các khớp mềm cho phép cơ cấu dịch chuyển độc lập theo 2 trục Kích thước tổng thể của cơ cấu là 224mm × 254mm, và qua tính toán FEM, sai số định vị tối đa đạt 8,6 µm và 5 µm theo hướng x và y Tuy nhiên, tần số giao động tự nhiên của cơ cấu chỉ đạt 10,38 Hz, điều này quá thấp để đáp ứng các yêu cầu trong môi trường làm việc cần khả năng đáp ứng cao.
Hình 2 5: Bộ định vị XY
Bộ khuếch đại dùng CCM tạo vi chuyển động
Hành trình tối đa của bộ truyền động thường bị giới hạn, và để có hành trình lớn hơn, có thể lựa chọn bộ truyền động có hành trình lớn hơn, sử dụng nhiều bộ truyền động nối tiếp hoặc áp dụng bộ khuếch đại hành trình Trong thực tế, việc chọn lại bộ truyền động hoặc tăng số lượng bộ truyền động sẽ tốn kém hơn so với việc sử dụng bộ khuếch đại, vì bộ khuếch đại có thể được tích hợp vào thiết kế cơ học ban đầu Do đó, sử dụng bộ khuếch đại hành trình để mở rộng hành trình nhỏ là một giải pháp hiệu quả Các cơ chế khuếch đại phổ biến nhất hiện nay là loại đòn bẩy.
Hình 2 6: Nguyên lý của bộ khuếch đại đòn bẩy
Tháng 10 năm 2015 Lu và các cộng sự đã thiết kế, tổng hợp, tối ưu CCM dịch chuyển thẳng sử dụng cơ cấu khuếch đại kiểu đòn bẩy kép với hệ số khuếch đại từ 6,28 – 8,96 làm việc với độ lớn dịch chuyển khoảng 0,88àm – 1,42àm (Hỡnh 2.7) [6]
Hình 2.7 minh họa cơ cấu khuếch đại kiểu đòn bẩy kép, trong đó nghiên cứu của Chen và các cộng sự đã thiết kế một cơ cấu khuếch đại chuyển động sử dụng khớp đàn hồi ellipse, đạt hệ số khuếch đại lên tới 40 lần so với phạm vi biến dạng đầu vào từ 0,01mm đến 0,08mm (Hình 2.8) Tuy nhiên, nhược điểm của thiết kế này là tần số dao động riêng không cao và độ cứng vững thấp.
Hình 2 8: Cơ cấu khuếch đại dịch chuyển thẳng
Cơ cấu ăn dao dùng CCM
Ding và các cộng sự đã thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu ăn dao, đạt được tần số tự nhiên 156,77 Hz, chuyển vị 96,75 mm, độ cứng đầu vào 6,12 N/μm và ứng suất lớn nhất 94,634 MPa, như thể hiện trong Hình 2.9.
Hình 2 9: Cơ cấu ăn dao
Hao Liang và các cộng sự đã thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu ăn dao, đạt được tần số tự nhiên 316,84 Hz, chuyển vị 114,9 mm và ứng suất lớn nhất 260,65 MPa Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tại chỉ dừng lại ở tính toán mô phỏng, cho thấy cơ cấu có tần số tự nhiên thấp và độ cứng vững nhỏ, điều này khiến nó khó đáp ứng yêu cầu gia công thực tế, dẫn đến độ chính xác thấp, dễ xảy ra hiện tượng cộng hưởng và cần không gian thiết kế lớn.
Zhou và các cộng sự đã thiết kế và phát triển một cơ cấu ăn dao sử dụng CCM có khả năng đo lực cắt, như được minh họa trong Hình 2.11 Nghiên cứu cho thấy, với tần số tự nhiên là 1,25 kHz, cơ cấu này có chuyển vị đạt 60,18 μm, độ cứng đầu vào là 13,47 N/μm, và ứng suất lớn nhất lên tới 300 MPa Hệ thống được điều khiển bằng bộ điều khiển PID với sai số chuyển vị là ± 0,5 μm.
Nghiên cứu về cơ cấu ăn dao tích hợp đo lực đã tập trung vào cải thiện kết cấu, tối ưu thiết kế và mô phỏng các đặc tính như chuyển vị, tần số tự nhiên và hệ số khuếch đại Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn chưa được chế tạo và thử nghiệm trong môi trường thực tế Cần tiến hành thử nghiệm để xác định độ chính xác của cơ cấu ăn dao, tìm hiểu nguyên nhân gây ra sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm, cũng như xác định phạm vi sử dụng của nó.
Trong ngành sản xuất cơ khí tại Việt Nam, máy CNC thường là thế hệ cũ với độ chính xác gia công thấp Do đó, cần thiết phải nghiên cứu nâng cao độ chính xác của cơ cấu ăn dao dùng CCM Việc này không chỉ giúp giảm sai số trong quá trình gia công mà còn tiết kiệm chi phí đầu tư cho máy móc công nghệ mới.
Trong nhiều nghiên cứu, CCM thường được sử dụng với các khớp mềm và nguồn dẫn động chính xác cao, chẳng hạn như cơ cấu chấp hành PZT có độ phân giải micromet, để điều khiển CCM lắp trên bàn ăn dao của máy CNC.
Đặc tính đầu ra
Nghiên cứu về bộ định vị sử dụng CCM cho thấy các đặc tính như tần số tự nhiên, chuyển vị, ứng suất và độ cứng là những yếu tố quan trọng Những đặc tính này được gọi là đặc tính đầu ra của bộ định vị CCM.
Bài báo cáo này tập trung vào hai đặc tính quan trọng là chuyển vị và tần số tự nhiên, cần được khảo sát kỹ lưỡng để hiểu rõ nội dung nghiên cứu.
Chuyển vị trong cơ cấu là khái niệm quan trọng trong các ứng dụng cơ khí và kỹ thuật, thể hiện sự di chuyển tương đối giữa các phần tử Đây là đặc tính cốt lõi trong bộ định vị sử dụng CCM, cho phép đo lường chuyển vị đầu vào và đầu ra để xác định các đặc tính khác như độ phân giải, hệ số khuếch đại, chuyển vị ký sinh, giới hạn chuyển vị và mối tương quan giữa lực tác động và chuyển vị đầu ra.
Một số vai trò quan trọng của chuyển vị trong cơ cấu định vị chính xác như:
Chuyển vị là yếu tố quan trọng trong việc điều khiển chuyển động của các cơ cấu, đặc biệt là cơ cấu ăn dao, nơi yêu cầu độ chính xác cao Bằng cách thiết lập các tham số chuyển vị, chúng ta có thể kiểm soát hiệu quả tốc độ, hướng và quỹ đạo của chuyển động.
Chuyển vị đóng vai trò quan trọng trong việc mô hình hóa và biểu diễn động học của các cơ cấu, giúp xác định vị trí, tốc độ và gia tốc của các phần tử cơ cấu theo thời gian.
Nghiên cứu động học và động lực học là rất quan trọng để phân tích các yếu tố như lực, mômen, tốc độ và gia tốc của cơ cấu Việc hiểu rõ chuyển vị giúp nắm bắt sự tương tác giữa các phần tử trong cơ cấu và tác động của lực lên chúng.
Trong quá trình phân tích và thiết kế cơ cấu, chuyển vị đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các thông số thiết kế như kích thước, hình dạng và vị trí của các bộ phận Việc này nhằm đảm bảo cơ cấu hoạt động chính xác và hiệu quả.
Chuyển vị đóng vai trò quan trọng trong quá trình tối ưu hóa và cân bằng cơ cấu Bằng cách điều chỉnh chuyển vị của các phần tử, chúng ta có thể phát triển hệ thống điều khiển hiệu quả, giúp đạt được sự cân bằng tối ưu cho cơ cấu.
Chuyển vị đóng vai trò quan trọng trong việc dự đoán và phân tích độ tin cậy cũng như hiệu suất của các cơ cấu, đặc biệt là khi làm việc trong các điều kiện khác nhau.
Nghiên cứu dao động và tần số tự nhiên đóng vai trò quan trọng trong việc xác định và đo lường tần số dao động tự nhiên của các cơ cấu, trong đó chuyển vị là yếu tố then chốt.
Chuyển vị là yếu tố quan trọng hàng đầu trong thiết kế và phân tích bộ định vị sử dụng CCM Nó đóng vai trò then chốt trong việc xác định và kiểm soát các thông số quan trọng liên quan đến chuyển động và hoạt động của cơ cấu.
Tần số tự nhiên là hiện tượng dao động của các kết cấu bằng vật liệu đàn hồi, vì hầu hết các vật liệu đều có tính đàn hồi nhất định Mỗi kết cấu có thể rung động theo một tần số riêng, phụ thuộc vào bản chất vật liệu, cách bố trí và hình dạng của nó Tần số này được gọi là tần số riêng hoặc tần số dao động tự nhiên của kết cấu.
Khi kết cấu chịu tác động của lực có cường độ thay đổi theo thời gian, nó sẽ dao động theo tần số của ngoại lực Nếu tần số này trùng với tần số dao động riêng của kết cấu, hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra, khiến kết cấu rung động mạnh mẽ Hiện tượng cộng hưởng có thể dẫn đến sự phá hủy nhanh chóng của kết cấu, mặc dù giá trị của ngoại lực có thể rất nhỏ.
Để tránh hiện tượng cộng hưởng giữa bộ định vị sử dụng CCM và hệ thống công nghệ của máy trong quá trình gia công, nhà thiết kế cần thiết kế CCM với tần số tự nhiên cao Tuy nhiên, tần số dao động tự nhiên càng lớn thì chuyển vị đầu ra mong muốn càng nhỏ, dẫn đến mâu thuẫn giữa hai tiêu chí này Do đó, việc lựa chọn tần số tự nhiên phù hợp với mong muốn và ứng dụng cần được xem xét kỹ lưỡng Bên cạnh đó, việc đo lường thực nghiệm để xác định chính xác tần số riêng của cơ cấu trước khi đưa vào môi trường làm việc thực tế là cực kỳ cần thiết.
Tần số môi trường làm việc có thể dễ dàng cộng hưởng với tần số riêng của bộ định vị CCM Ví dụ, tần số của phôi khi tiện được tính toán theo công thức nhất định.
Với 𝑛 số vòng quay của trục chính
Một vài khái niệm cơ bản được sử dụng trong báo cáo
Hệ thống đo kiểm bao gồm các dụng cụ và thiết bị máy móc được thiết kế để đo đạc các chỉ số cần thiết Những thông số này được ứng dụng trong nghiên cứu, thống kê, kiểm tra, sản xuất và kinh doanh Hệ thống này giúp thu thập nhiều số liệu và thông tin chính xác.
Bộ đo kiểm cơ bản thường được sử dụng để đo chiều dài, chiều rộng, thời gian và khối lượng Ngoài ra, các hệ đo đầy đủ hơn còn bao gồm cường độ dòng điện và diện tích Những thiết bị này có khả năng xác định chỉ số cho bất kỳ sự vật hoặc sự việc nào.
Hệ thống đo lường sẽ sử dụng tất cả các nguồn lực số hóa để phục vụ đời sống sản xuất với những tính năng cơ bản sau:
Hệ thống đo lường thông minh tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, giúp đảm bảo hiệu chuẩn được duy trì liên tục.
- Thông qua các công cụ đo lường thông minh, con người có thể thu thập và xử lý được nhiều loại dữ liệu theo thời gian thực
Đo kiểm cho phép đánh giá mức độ phù hợp, hiệu suất và tính năng của vật thể, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển mô hình sản xuất thông minh.
Kết quả hiển thị trên hệ thống đo sẽ là cơ sở cho việc sản xuất tiêu thụ năng lượng thấp, đồng thời giảm thiểu tác động từ các yếu tố môi trường bên ngoài.
- Đồng thời, hệ số đo chính xác cũng giúp nhà máy sản xuất được sản phẩm chất lượng đạt tiêu chuẩn
Bộ định vị, hay mô-đun định vị, là thiết bị quan trọng trong hệ thống định vị chính xác, giúp xác định vị trí của đối tượng trong không gian Nó thu thập thông tin từ các cảm biến và hệ thống đo lường, sau đó xử lý dữ liệu để tính toán và cung cấp thông tin về vị trí một cách chính xác.
Trong gia công cơ khí, bộ định vị đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất, giúp xác định và duy trì vị trí chính xác của các chi tiết, linh kiện hoặc vật phẩm Bộ định vị đảm bảo rằng công việc gia công được thực hiện đúng vị trí và hướng, từ đó nâng cao tính chính xác và độ tin cậy của sản phẩm cuối cùng.
Có một số phương pháp và hệ thống định vị được sử dụng trong gia công cơ khí, trong đó các phương pháp chủ yếu bao gồm:
Các bộ định vị cơ học sử dụng thiết bị như định vị, lỗ chân chống, mũi khoan, ốc vít chặn và các cơ cấu điều chỉnh khác để định vị và cố định chi tiết trong quá trình gia công.
Máy gia công CNC (Điều khiển số bằng máy tính) có khả năng định vị và điều khiển chính xác vị trí của dụng cụ cắt hoặc mũi khoan, giúp gia công các chi tiết theo các thông số kỹ thuật đã được thiết lập trước.
Cảm biến tiệm cận và hệ thống đo lường, bao gồm cảm biến laser và máy đo ba chiều (CMM), đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí và hình dạng của các chi tiết trong quá trình gia công Các thiết bị này giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong sản xuất.
Bộ định vị phối ghép (Sensor Fusion) là công nghệ kết hợp nhiều cảm biến và kỹ thuật xử lý dữ liệu nhằm nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của thông tin vị trí.
Bộ định vị trong gia công cơ khí là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng và độ chính xác của sản phẩm cuối cùng, giúp giảm thiểu sai số trong quá trình gia công và nâng cao hiệu suất sản xuất Vai trò của nó rất quan trọng trong các ngành công nghiệp như ô tô, hàng không, chế tạo máy móc, điện tử và nhiều lĩnh vực khác.
2.4.3 Hệ thống định vị chính xác
Hệ thống định vị chính xác là công nghệ xác định vị trí của đối tượng hoặc người với độ chính xác cao, nhằm cung cấp thông tin vị trí với sai số rất nhỏ, thường chỉ tính bằng mét hoặc mm, tùy vào từng ứng dụng cụ thể.
Có hai loại hệ thống định vị chính xác phổ biến:
Định vị tuyến tính là các hệ thống xác định vị trí của đối tượng trong không gian, với GPS là một trong những hệ thống phổ biến nhất GPS sử dụng mạng vệ tinh để đo thời gian tín hiệu từ vệ tinh đến thiết bị, từ đó tính toán khoảng cách và xác định vị trí người dùng với độ chính xác cao Ngoài GPS, còn có các hệ thống định vị tuyến tính khác như GLONASS của Nga, Galileo của Liên minh Châu Âu và BeiDou của Trung Quốc.
Định vị tương đối (Relative Positioning) là phương pháp xác định vị trí của đối tượng dựa vào các cảm biến và công nghệ nội tại, liên quan đến một điểm tham chiếu khác, thường là vị trí ban đầu Các phương pháp này bao gồm cảm biến tiệm cận, cảm biến quang học, cảm biến vị trí như encoder và IMU (Inertial Measurement Unit), hoặc kết hợp nhiều cảm biến để tạo ra hệ thống định vị tương đối chính xác.
PHƯƠNG HƯỚNG VÀ GIẢI PHÁP VỀ ĐO KIỂM ĐẶC TÍNH ĐẦU RA CỦA CƠ CẤU MỀM
Yêu cầu của đề tài
Phát triển hệ thống đo kiểm đặc tính đầu ra cho bộ định vị tích hợp công nghệ CCM và bộ khuếch đại nhằm nâng cao độ chính xác trong hệ thống định vị Hệ thống này sở hữu các tính năng cơ bản, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy trong việc xác định vị trí.
- Đo đặc tính chuyển vị với độ chính xác micro mét
- Đo đặc tính tần số dao động tự nhiên của bộ định vị
- Hiển thị và lưu trữ kết quả đo trên máy tính
Bài viết này trình bày quá trình thực nghiệm đo bộ định vị sử dụng CCM, cung cấp tài liệu tham khảo cho các dự án nghiên cứu về bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm trong tương lai.
Phương hướng và giải pháp thực hiện
Nhờ vào thiết bị và kiến thức từ nhóm trước, chúng ta có thể áp dụng vào việc xây dựng phần cứng cho hệ thống điện Tuy nhiên, để khắc phục những hạn chế và hoàn thành mục tiêu đề tài, cần tập trung nghiên cứu phần mềm điều khiển hệ thống điện Cụ thể, chúng ta sẽ sử dụng phần mềm LabVIEW để giám sát, điều khiển và lưu trữ kết quả đo thực nghiệm bộ định vị CCM Để thu thập dữ liệu từ cảm biến và đưa vào máy tính cho LabVIEW xử lý, cần bổ sung bộ thu thập dữ liệu I/O NI USB-6001.
Để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo kiểm, ngoài việc thu thập dữ liệu và phát triển thuật toán, cần có một đối tượng thử nghiệm có khả năng dịch chuyển chính xác và phát ra tần số giao động ổn định Cơ cấu chấp hành PZT đáp ứng được các yêu cầu này với độ phân giải lên đến 0,3 nm, đồng thời có khả năng rung động với dải tần số rộng và độ chính xác cao thông qua bộ phát sóng PZT.
THỬ NGHIỆM / THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ĐO ĐẶC TÍNH ĐẦU RA CƠ CẤU MỀM
Thực nghiệm trên PZT
4.1.1 Cơ cấu chấp hành PZT
Cơ cấu chấp hành PZT (PZT actuator) là thiết bị quan trọng trong hệ thống đo kiểm chính xác, cho phép thực hiện chức năng chấp hành và điều khiển vị trí với độ chính xác và linh hoạt cao Chất liệu piezoelectric, được viết tắt là PZT, là thành phần chủ yếu tạo nên cơ cấu này.
Piezoelectricity là hiện tượng mà một số vật liệu như PZT có khả năng tạo ra điện tích và biến dạng cơ học khi chịu tác động của điện trường Hiện tượng này mở ra cơ hội ứng dụng các vật liệu piezoelectric trong việc phát triển các cơ cấu chấp hành nhỏ gọn và điều khiển chính xác.
Trong hệ thống đo kiểm chính xác, cơ cấu chấp hành PZT thường được sử dụng để:
1 Điều khiển vị trí: Cơ cấu chấp hành PZT có khả năng điều chỉnh vị trí của các đối tượng một cách chính xác và nhỏ nhất Điều này hỗ trợ trong việc di chuyển và định vị các phần tử hoặc linh kiện trong quá trình đo kiểm và gia công chính xác
2 Phóng đại: Bằng cách điều khiển biến dạng cơ học của PZT, cơ cấu chấp hành này có thể tạo ra các chuyển động nhỏ và phóng đại các tín hiệu hoặc thông tin nhỏ để thu thập dữ liệu với độ chính xác cao hơn [1]
3 Tự điều chỉnh: Cơ cấu chấp hành PZT có khả năng tự điều chỉnh vị trí hoặc đáp ứng theo các tín hiệu điều khiển, làm cho chúng trở thành một phần quan trọng trong các hệ thống đo kiểm tự động và tự động hóa
Cơ cấu chấp hành PZT được tích hợp vào thiết bị đo kiểm, máy quét laser, máy CNC và các hệ thống gia công chính xác khác, giúp đảm bảo độ chính xác và đáng tin cậy trong quá trình đo lường và gia công Ứng dụng của cơ cấu chấp hành PZT rất đa dạng và quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.
27 mở rộng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như nghiên cứu khoa học, công nghệ y sinh học, và công nghệ điện tử chính xác
Trong đồ án này, ta sử dụng cơ cấu chấp hành PZT (P-225 PICA Power Piezo
Các bộ truyền động của Physik Instrumente (Đức) có độ phân giải lên đến 0,3nm và chuyển vị tối đa 15μm Khi kết hợp với bộ tạo xung AFG 1022 và Driver E-470.20, hệ thống này cho phép kiểm nghiệm độ chính xác của các đặc tính đầu ra thông qua cơ cấu mềm, đạt được chuyển vị và tần số với độ chính xác cực cao.
Hình 4 2: Bộ tạo xung AFG 1022 và Driver E-470.20
Chúng tôi sử dụng cơ cấu chấp hành PZT để nghiên cứu và so sánh với kết quả đo, nhằm xác định giới hạn đo và giá trị sai số của hệ thống điện trong việc đo chuyển vị và tần số tự nhiên.
PZT có khả năng điều khiển chuyển vị và tần số theo yêu cầu, do đó giá trị từ PZT sẽ được sử dụng làm tín hiệu đầu vào cho hệ thống điện Sau đó, chúng ta sẽ so sánh giá trị đo được của hệ thống điện với giá trị đầu vào ban đầu Dựa vào sự sai lệch giữa hai giá trị này, chúng ta sẽ đưa ra các phương hướng giải quyết và cải tiến cho đến khi hai giá trị đạt được mức độ tương đồng nhất định, cho phép hệ thống ứng dụng vào việc đo lường cơ cấu mềm trong thực tế Đầu tiên, chúng ta sẽ thiết lập mô hình kiểm nghiệm PZT không tải như trong Hình 4.3.
Hình 4 3: Hình chụp mô hình thí nghiệm thực tế trên PZT
(1) Bộ tạo sóng; (2) Driver PI E-470.20; (3) PZT P225.10; (4) Cảm biến Laser LK- G15; (5) Controller LK-3001; (6) Bộ thu thập dữ liệu NI USB – 6001; (7) Nguồn 24 VDC; (8) Bàn chống rung động;
Tiếp theo, ta đo chuyển vị của PZT với các mức điện áp khác nhau, và được kết quả như bảng 4.1 Điện áp đầu vào (V)
Chuyển vị đầu ra lần 1 (àm)
Chuyển vị đầu ra lần 2 (àm)
Bảng 4 1: Kết quả thực nghiệm đo chuyển vị không tải của PZT
Kết quả đo cho thấy sự chuyển vị không tuyến tính của PZT, đặc trưng cho tất cả các cơ cấu chấp hành PZT hiện có trên thị trường.
Tuy chuyển vị của PZT không tuyến tính nhưng tần số của PZT khi nhận được xung từ bộ phát thì có độ chính xác đáp ứng cực cao
Chúng ta sẽ khảo sát khả năng đo tần số của hệ điều khiển điện bằng cách sử dụng bộ phát xung làm đối tượng tham chiếu (tần số phát) và tín hiệu tần số thu được từ PZT (tần số đo).
Với những lần đo đầu tiên, tần số đo được và tần số phát hoàn toàn không giống nhau
Kiểm tra lại các khối lập trình -> Đo lại -> So sánh
Thay đổi tần số lấy mẫu -> Đo lại -> So sánh
Thay đổi tốc độ lấy mẫu -> Đo lại -> So sánh
Cho tới khi tần số thu được bằng tần số phát
Quá trình tìm tần số giao động tự nhiên bao gồm các bước thực nghiệm và thử nghiệm để xác định các thông số làm việc tối ưu cho hệ thống Những thông số này bao gồm tần số lấy mẫu, tốc độ lấy mẫu, thời gian lấy mẫu và phương pháp xử lý tín hiệu thu được.
Ví dụ: Tính toán tốc độ lấy mẫu và số mẫu cần lấy
Tốc độ lấy mẫu và số lượng mẫu cần thiết là yếu tố quan trọng trong việc xử lý tín hiệu số trong thí nghiệm, quyết định độ chính xác của kết quả đo Theo định lý lấy mẫu Nyquist, tần số lấy mẫu cần lớn hơn gấp đôi tần số tín hiệu để đảm bảo khả năng tái tạo tín hiệu chính xác.
Tần số giao động của hệ không được lớn hơn 1/2 lần tần số lấy mẫu
Kiểm tra manual của driver điều khiển laser, ta có tần số lấy mẫu tối đa là fm 50kHz
Tuy nhiên tốc độ lấy mẫu của card NI-USB 6001 chỉ có 20kHz
=> Cần chỉnh tần số lấy mẫu của Driver về 20kHz thì mới thu được tần số chính xác
=> Tần số giao động của hệ không được lớn hơn 10kHz khi ta set up tần số và số lượng lấy mẫu trên LabVIEW
Cuối cùng, chúng ta đã phát triển một hệ điều khiển có khả năng đo tần số tự nhiên một cách chính xác, có thể áp dụng hiệu quả trong quá trình thực nghiệm bộ định vị CCM.
Hình 4 5: Đồ thị đo tần số bộ phát sóng PZT không tải ở 100Hz
Hình 4 6: Đồ thị hệ thống điện đo được khi PZT dao động 100Hz
Hệ thống đã chứng minh khả năng đo tần số dao động của PZT với độ chính xác cao ở tần số 100Hz Tương tự, chúng tôi cũng tiến hành đo kiểm tại các mức tần số 250Hz và 400Hz.
Hình 4 8: Kết quả so sánh giá trị tần số phát và tần số thu ở 250Hz
Thực nghiệm trên bộ định vị và khuếch đại 1 bậc tự do
- Đo chuyển vị đầu vào, đầu ra, tính hệ số khuếch đại
- Đo tần số tự nhiên của cơ cấu
- So sánh kết quả đo và kết quả tính toán
Bộ khuếch đại 1 bậc tự do, sau khi được thiết kế và tối ưu hóa trên ANSYS, sẽ được gia công thành phẩm Nhiệm vụ hiện tại là đo đặc tính đầu ra của sản phẩm hoàn thiện và so sánh với kết quả mô phỏng trên ANSYS.
Đầu tiên, cố định bộ định vị lên bàn chống run và sử dụng đồ gá tự thiết kế để gắn cảm biến laser đo chuyển vị đầu vào và đầu ra Sau đó, sử dụng vít vặn để tạo dịch chuyển cho đầu vào và đầu ra Cuối cùng, ghi chép kết quả đo và so sánh với kết quả mô phỏng.
Ta sẽ dùng vít để kích chuyển vị lớn, hoặc dùng PZT để kích chuyển vị nhỏ (dưới
18.5àm) Do chuyển vị đầu vào của cơ cấu theo mụ phỏng là 45,828 (rất lớn) và cơ cấu cú độ bền cũng như khả năng chịu lực cao nên ta có thể dùng vít vặn đê tạo chuyển vị đầu ra và giám sát quá trình rạo chuyển vị đó bằng cảm biến laser
Quá trình thực nghiệm đo chuyển vị bằng vít vặn cho thấy kết quả mô phỏng trên ANSYS, với chuyển vị tối đa đầu vào là 45,828 µm và chuyển vị tối đa đầu ra đạt 429,15 µm Từ đó, hệ số khuếch đại của cơ cấu được xác định là 9,36.
Dựa vào kết quả mô phỏng dịch chuyển tối đa trên ANSYS, chúng ta sẽ tiến hành thực nghiệm với độ dịch chuyển đầu vào đã xác định.
45 àm để xem xột kết quả dịch chuyển đầu ra thực tế
Chuyển vị đầu ra (àm)
Giá trị đo trung bình: 422.17 9.382
Bảng 4 2: Kết quả đo 10 lần với độ dịch chuyển đầu vào của cơ cấu là 45àm
Nhận xét: Sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm không đáng kể
=> Quá trình gia công và tính toán làm rất tốt
Để đo tần số giao động tự nhiên của bộ định vị, ta dựa vào hiện tượng cộng hưởng Khi cấu trúc chịu tác động của ngoại lực có cường độ thay đổi theo thời gian, nó sẽ dao động theo tần số của ngoại lực Nếu tần số này trùng với tần số dao động riêng của cấu trúc, biên độ dao động và cường độ tần số sẽ tăng mạnh.
Bộ định vị được thiết kế với độ bền cao, cho phép sử dụng cộng hưởng trong thời gian ngắn (0,01 giây) để xác định tần số riêng mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc và khả năng hoạt động chính xác Có hai phương pháp để tác động ngoại lực có cường độ thay đổi theo thời gian vào bộ định vị.
Chúng tôi sử dụng PZT để tạo tín hiệu sóng hình sin với tần số liên tục thay đổi, tác động lên bộ định vị theo hướng trục y Sự dịch chuyển do rung động theo hướng y của bộ định vị được ghi lại bằng cảm biến laser không tiếp xúc Dữ liệu chuyển vị sau đó được phân tích bằng phép biến đổi Fourier (FFT) trong LabVIEW, và kết quả đo được lưu trữ để xử lý tiếp theo bằng Matlab, với biểu đồ thể hiện trong Hình 4.13.
Hình 4 12: Quá trình thực nghiệm đo tần số bằng PZT
Hình 4 13: Kết quả đo tần số thực nghiệm dùng PZT
Cách 2: Sử dụng dụng cụ gõ (Hammer testing) để tạo tín hiệu với tần số thay đổi liên tục bằng cách gõ vào bộ định vị Tương tự như việc sử dụng PZT, chúng ta đo sự dịch chuyển do rung động, và kết quả đo được thể hiện trong Hình 4.14.
Hình 4 14: Kết quả đo tần số thực nghiệm Hammer testing
Kết quả mô phỏng trên ANSYS, tần số giao động tự nhiên của cơ cấu là 183.9Hz (Hình 4.15)
Hình 4 15: Kết quả mô phỏng tần số trên ANSYS
- Sai số của cách dùng PZT so với mô phỏng là 0,38%
- Sai số của cách dùng dụng cụ gõ so với mô phỏng là 1,25%
Mặc dù phương pháp gõ có độ chính xác thấp hơn và xuất hiện nhiều nhiễu hơn so với việc sử dụng PZT, nhưng nó vẫn có thể được áp dụng để xác định tần số dao động tự nhiên của bộ định vị khi không có điều kiện trang bị PZT.
Kết luận: Sai số của hệ số khuếch đại và tần số tự nhiên đo được bằng thực nghiệm so với kết quả tính toán không đáng kể
Bộ định vị tích hợp bộ khuếch đại dịch chuyển trong nghiên cứu này có độ chính xác gia công cao, cho phép ứng dụng hiệu quả trong môi trường làm việc thực tế.