nghiên cứu phát triển thiết kế kết cấu mới cho bộ định vị 1 bậc tự do cho cơ cấu mềm định hướng ứng dụng cho hệ thống định vị chính xác và gia công có hỗ trợ của rung động

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN, THIẾT KẾ KẾT CẤU MỚI CHO BỘ ĐỊNH VỊ 1 BẬC TỰ DO CHO CƠ CẤU MỀM ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC VÀ GIA CÔNG CÓ HỖ TRỢ CỦA R

GIỚI THIỆU

Lời nói đầu

Trong công cuộc Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa đất nước, lĩnh vực cơ khí nói riêng là một yếu tố quan trọng không thể thiếu Đóng góp những nhu cầu to lớn cho khoa học kỹ thuật, làm nền tảng cho sự phát triển đất nước, mang đến nhiều giá trị về máy móc và công nghệ Bên cạnh những lợi ích to lớn, nó còn thách thức con người trong sự tìm kiếm những điều mới mẻ vì sự đa dạng và ngày càng phức tạp của các chi tiết máy móc.

Lời nói đầu này nhằm mục đích giới thiệu một cách tổng quan về cơ cấu mềm – một trong những xu hướng nghiên cứu trong những năm gần đây và cũng là một thách thức mới cho lĩnh vực cơ khí nói riêng hay khoa học công nghệ nói chung Trong quá trình nghiên cứu, những kiến thức đã được lưu trữ và sử dụng công nghệ phần mềm để phân tích kỹ lưỡng về cơ cấu mềm được đặc biệt sử dụng để mang lại những ứng dụng hiệu quả và sự tin cậy Trong vấn đề gia công, sự phát triển của máy công cụ đã đạt đến kích thước micromet, bên cạnh đó chất lượng bề mặt sản phẩm cũng được đặc biệt quan tâm, điều này đòi hỏi các công cụ hỗ trợ liên quan cũng phải đáp ứng được điều kiện như vậy Vì vậy nhóm chúng em quyết định chọn đề tài này nhằm tạo ra những nghiên cứu về bộ định vị một bậc tự do mang tính mới mẻ, kèm theo sự hiệu quả và có những đóng góp cho xu hướng nghiên cứu mới này.

Tổng quan về đề tài

"Cơ cấu mềm" là một thuật ngữ được sử dụng trong ngành cơ khí để mô tả các thiết kế có khả năng linh hoạt hoặc co giãn để chịu lực, đặc biệt trong các ứng dụng mà yêu cầu tính linh hoạt hoặc độ chính xác cao Đây là một hệ thống các kết cấu linh hoạt đạt truyền lực hoặc chuyển động bằng phương pháp biến dạng, thay vì các khớp hoặc cơ cấu cứng truyền thống Các cơ chế này được thiết kế để thể hiện các kiểu biến dạng cụ thể dưới tác dụng của tải trọng, cho phép chúng thực hiện các chức năng mong muốn Dưới đây là một cái nhìn tổng quan.

Nguyên lý hoạt động của cơ cấu mềm là tận dụng tính linh hoạt và độ co giãn của các vật liệu để chịu lực hoặc truyền lực theo hình thức chuyển động hoặc truyền động Thay vì sử dụng các khớp nối, bản lề hoặc liên kết cứng truyền thống, cơ cấu mềm dựa vào sự biến dạng của các phần tử linh hoạt như dầm, màng hoặc các cấu trúc khớp mềm (elip, cầu, ) Chuyển động hoặc truyền lực mong muốn đạt được thông qua sự biến dạng có kiểm soát của các phần tử linh hoạt này, thường theo cách có thể dự đoán và lặp lại.

Cơ cấu mềm cơ khí thường được ứng dụng cho các trường hợp yêu cầu độ chính xác cao như các hệ thống truyền động trong máy móc công nghiệp, robot, và thiết bị tự động hóa, thiết bị y sinh và sản phẩm tiêu dùng Ngoài ra chúng còn được sử dụng trong các tình huống mà các cơ chế cứng nhắc truyền thống có thể cồng kềnh, dễ bị mài mòn

2 hoặc không thể đạt được các chỉ số hiệu suất mong muốn Một số ví dụ bao gồm các dụng cụ kẹp dùng cơ cấu mềm để thao tác với các vật thể mỏng manh, các khớp nối mềm trong cánh tay robot để tương tác giữa con người và robot an toàn hơn và các cơ cấu mềm trong dụng cụ phẫu thuật.

Các cơ cấu mềm có thể mang lại độ chính xác cao và khả năng lặp lại trong chuyển động hoặc truyền lực do các đặc tính biến dạng có thể dự đoán được của chúng Với ít bộ phận chuyển động hơn nên thường ít hao mòn hơn, dẫn đến yêu cầu bảo trì thấp hơn Tuy nhiên, việc thiết kế các cơ cấu mềm đòi hỏi sự hiểu biết thấu đáo về các đặc tính vật liệu, cơ học kết cấu và các thông số kỹ thuật hiệu suất mong muốn Việc chế tạo các cơ cấu mềm với các đặc tính biến dạng chính xác có thể là thách thức, đặc biệt đối với các thiết kế phức tạp hoặc vật liệu có hành vi phi tuyến

Nhìn chung, cơ cấu mềm đưa ra một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để đạt được chuyển động hoặc truyền lực nhẹ, chính xác và an toàn trong các ứng dụng kỹ thuật khác nhau, mặc dù việc thiết kế và chế tạo chúng đặt ra những thách thức đặc biệt đòi hỏi kiến thức và trình độ chuyên môn cao.

Tính cấp thiết

So với những cơ cấu cơ khí thông thường, không thể phủ nhận những ưu điểm của cơ cấu mềm trong các lĩnh vực khoa học và đời sống Với độ chính xác cao, hạn chế sự mài mòn giữa các chi tiết, tính linh động và có thể đáp ứng nhỏ gọn trong những ứng dụng có tính yêu cầu đặc biệt về kích thước Đặt biệt lĩnh vực cơ cấu mềm còn được ứng dụng trong hệ thống định vị chính xác, với yêu cầu mức độ đến hàng micromet Lĩnh vực này đã và đang được nghiên cứu ngày càng rộng rãi, mang tính quan trọng đóng góp cho ngành cơ khí chế tạo nói riêng và sự phát triển của đất nước nói chung Nhiều bộ định vị đã được nghiên cứu, chế tạo và thực nghiệm nhưng vẫn còn hạn chế về hệ số khuếch đại và còn ràng buộc bởi tần số dao động tự nhiên Nghiên cứu về việc tối ưu hóa hệ số khuếch đại trong cơ cấu mềm không chỉ hướng đến sự hiệu quả trong ứng dụng mà còn là một thách thức lớn trong việc duy trì tần số dao động tự nhiên Điều này đặt ra một yêu cầu cao về sự chính xác và độ tin cậy trong quá trình thiết kế và chế tạo Mục tiêu bài nghiên cứu này sẽ phân tách hệ số khuếch đại và tần số tự nhiên ra khỏi nhau, hướng đến hệ số của mỗi yếu tố đạt được cao nhất có thể

Sự kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) là một bước tiến quan trọng, ứng dụng công nghệ trong nghiên cứu để đảm bảo tính bền và an toàn của cơ cấu mềm trong mọi điều kiện hoạt động Nó không chỉ giúp dự đoán và mô phỏng độ chịu tải của cơ cấu mềm mà còn là cơ sở để cải tiến và tối ưu hóa sau này Ngoài ra, việc lưu trữ thiết kế là nền tảng cải tiến cho sau này nhằm khắc phục những hạn chế còn thiếu sót Cuối cùng, đề

3 tài này không chỉ mang lại đóng góp quan trọng cho sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo mà còn thúc đẩy sự nâng cao vị thế kỹ thuật của đất nước thông qua ứng dụng thực tế và tiến bộ khoa học.

Đối tượng và phạm vi áp dụng của nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu mềm ứng dụng trong định vị ở các phương pháp gia công có rung động mạnh như phay Cơ cấu ăn dao dùng trong gia công có rung động được dùng để gia công trên máy tiện LEADWELL T-5

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học khuếch đại chuyển vị của cơ cấu khâu cứng tương đương và cơ cấu đàn hồi Xây dựng mô hình toán học giả cứng để tìm tần số dao động riêng lớn nhất Về mặt phương pháp tính toán, thiết kế tối ưu: thuật toán Matlab và phương pháp đáp ứng bề mặt và tối ưu hóa đơn mục tiêu.

Phương pháp nghiên cứu

Thiết kế kết cấu cho cơ cấu mềm định hướng cho hệ thống định vị chính xác: Các tầng của cơ cấu mềm được thiết kế theo cơ chế đa đòn bẩy Tiếp theo đó, một mô hình phân tích được thực hiện thông qua sự kết hợp giữa phương pháp phân tích phần tử hữu

4 hạn, phương pháp tối ưu hóa bề mặt và phương pháp Topology Lưu đồ của phương án được đề xuất cho giai đoạn này được minh họa trong hình 1.2 Chúng được tổng hợp lại như sau:

- Xây dựng sơ đồ động học của cơ cấu mềm một bậc tự do

- Xác định trước các thông số kỹ thuật cho cơ cấu.

- Kiểm nghiệm lại kết quả bằng phần mềm ANSYS

- Nếu mô hình toán được kiểm nghiệm như mong muốn, quy trình sẽ chuyển sang bước tiếp theo Nếu không thì, quy trình sẽ về lại bước 1.

- Áp dụng phương pháp Topology để tối ưu kết cấu cơ cấu và so sánh với cơ cấu ban đầu

- Lựa chọn bản thiết kế có mục tiêu đã đặt ra từ đầu hiệu quả hơn

- Dùng bản thiết kế đó để tối ưu hóa bằng RSM

- Mô phỏng lại giá trị từ kết quả RSM bằng FEA

- Gia công kiểm nghiệm thực tiễn và so sánh kết quả với ANSYS

Hình 1.2: Lưu đồ thiết kế bộ định vị cơ cấu mềm

Thiết kế cơ cấu mềm của cơ cấu ăn dao: Các tầng của cơ cấu mềm được thiết kế theo cơ chế đa đòn bẩy và hình bình hành Tiếp theo đó, một mô hình phân tích được thực hiện thông qua sự kết hợp giữa phương pháp giả cứng và phương pháp nhân tử Lagrange

5 để thiết lập phương trình động lực của giai đoạn Lưu đồ của phương án được đề xuất cho giai đoạn này được minh họa trong hình 1.3 Chúng được tổng hợp lại như sau:

- Xây dựng sơ đồ động học của cơ cấu mềm một bậc tự do

- Xác định trước các thông số kỹ thuật cho cơ cấu.

- Thiết lập phương trình động học cho cơ cấu mềm bằng cách xây dựng sơ đồ giả cứng và phương pháp nhân tử Lagrange.

- Kiểm chứng lại kết quả lý thuyết bởi phần mềm ANSYS và MATLAB.

- Nếu mô hình toán học được sửa đúng, quy trình sẽ chuyển sang bước kế tiếp Nếu không, quy trình sẽ về lại bước 1.

- Xác định các biến thiết kế, hàm ràng buộc và hàm mục tiêu.

- Kết quả tối ưu được kiểm nghiệm qua mô phỏng trên phần mềm ANSYS và MATLAB.

- Mô phỏng lại giá trị từ kết quả bằng FEA

Hình 1.3: Thiết kế cơ cấu mềm của cơ cấu ăn dao

Kết cấu đồ án tốt nghiệp

Kết cấu của nghiên cứu này gồm 6 chương Trong đó thì chương II sẽ giới thiệu một cách tổng quan về Cơ cấu mềm, những ưu - nhược điểm hay những thách thức cũng được

6 trình bày ở chương này Cũng tại chương này phần mềm hỗ trợ Ansys Workbench cũng được giới thiệu Một số phương pháp phân tích và tối ưu hóa sẽ được giới thiệu ở chương III, tập trung chủ yếu sử dụng các thuật toán máy tính để nghiên cứu được nhiều mẫu trên lý thuyết, mang lại nhiều giá trị hữu ích cho người sử dụng Chương IV và V sẽ đi sâu vào quá trình thiết kế Cơ cấu mềm ứng dụng trong định vị và gia công có rung động, trình bày cụ thể các thông số thiết kế và áp dụng các phương pháp đã nêu ở chương III để tăng tính tin cậy Chương VI sẽ tiến hành chế tạo và đo kiểm trong thực nghiệm bởi hệ thống điện sử dụng Piezo Cuối cùng sẽ là phần Kết luận – Kiến nghị sẽ nêu lên những giá trị đạt được, bên cạnh đó xem xét những hạn chế cần khắc phục, đóng góp cho những nghiên cứu trong tương lai.

TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU MỀM

Tổng quan về cơ cấu cơ khí

Cơ cấu cơ khí truyền thống là những hệ thống cơ khí được thiết kế và sử dụng theo các nguyên tắc và cấu trúc cổ điển, đã được áp dụng và phát triển qua nhiều năm Đó là một hệ thống của các thành phần cơ học được kết hợp hoạt động cùng nhau thực hiện một nhiệm vụ nào đó Các cơ cấu này thường chủ yếu sử dụng cơ học cổ điển và đơn giản, được sáng tạo để thực hiện các nhiệm vụ cơ bản trong các máy móc và thiết bị Các thành phần trong kết cấu cơ khí có thể gồm các bộ phận chuyển động như bánh răng, cần cẩu, trục, vòng bi, và các bộ phận cố định như khung, ốc vít, và các bộ phận khác Cơ cấu cơ khí đề cập đến hệ thống các thành phần tương tác được thiết kế để truyền tải, sửa đổi và kiểm soát lực để đạt được các chức năng cụ thể, thiết kế để chuyển động, truyền động, hoặc chuyển đổi năng lượng từ một hình thức sang hình thức khác Quá trình hình thành cơ cấu cơ khí là một sự tiến triển phức tạp và liên tục, kéo dài qua nhiều thập kỷ được điều chỉnh bởi nhu cầu ngày càng tăng về sự hiệu quả và chức năng trong các ứng dụng công nghiệp và cuộc sống hàng ngày Sự phát triển của cơ cấu cơ khí có thể được theo dõi qua các giai đoạn lịch sử khác nhau, mỗi giai đoạn đều được đặc trưng bởi những tiến triển đáng kể trong công nghệ và kỹ thuật Dưới đây là một cái nhìn tổng quan về quá trình này

2.1.1 Lịch sử hình thành cơ cấu cơ khí [1] a Các nền văn minh cổ đại

Những hình thức sơ bộ của cơ cấu cơ khí có thể được truy vết về các nền văn minh cổ đại, nơi các máy đơn giản như cần cẩu, máng nghiêng và các máy đơn giản khác được sử dụng cho các công việc như tưới tiêu, xây dựng và vận chuyển Các kỹ sư Hy Lạp cổ đại, bao gồm cả Archimedes, đã đóng góp quan trọng vào việc hiểu về cơ học và thiết kế các thiết bị như máy bơm vít Quá trình bắt đầu với sự phát triển của những động cơ cơ bản như còi, máy bơm nước, và các công cụ đơn giản như cần cẩu, lò xo Những phát hiện đầu tiên về các nguyên lý cơ học được thực hiện trong giai đoạn này, giúp nâng cao hiểu biết về sự tương tác giữa các thành phần cơ cấu.

Hình 2.1: Một máy bơm vít ở Ai Cập dùng cơ chế vít Archimedes b Thời kỳ Trung Cổ và Phục Hưng:

Trong thời Trung Cổ, có sự giảm sút trong tiến triển kỹ thuật và khoa học Tuy nhiên, thời kỳ Phục Hưng chứng kiến sự hồi sinh của sự quan tâm đối với khoa học và kỹ thuật Trong giai đoạn này, máy móc đã trở nên đa dạng hóa hơn và phức tạp hơn Leonardo da Vinci là một trong những người nổi tiếng đầu tiên nắm vững nghệ thuật kỹ thuật và cơ học Leonardo da Vinci, vào thế kỷ 15, đã vẽ các thiết kế cho nhiều máy móc, chứng tỏ sự hiểu biết của mình về các nguyên lý cơ học Sự xuất hiện của bản vẽ kỹ thuật đã trở thành một phương tiện quan trọng để truyền đạt và lưu giữ kiến thức về cơ học và cơ cấu Những phát minh của thời kỳ Phục hưng thường không được chú ý nhiều vì đa số chúng chỉ dừng lại ở mức độ thiết kế Tuy nhiên, một số sản phẩm hàng ngày của chúng ta có nguồn gốc trực tiếp từ thời đại thay đổi liên tục đáng chú ý này.

Hình 2.2: Một trang phác thảo máy bay của Leonardo da Vinci (1452-1519) [2]

Hình 2.3; 2.4: Một số hình ảnh về bản vẽ kỹ thuật thời kỳ Phục Hưng [2] c Cách Mạng Công Nghiệp (Thế Kỷ XVIII - XIX):

Sự đổi mới công nghệ có chuyển biến mạnh mẽ nhờ vào cách mạng công nghiệp đánh dấu sự chuyển đổi lớn từ sản xuất thủ công sang sản xuất công nghiệp, với sự xuất hiện của máy hơi và máy công cụ Cách mạng công nghiệp đánh dấu một giai đoạn chuyển đổi với sự sử dụng rộng rãi của máy hơi, nhà máy dệt và các hệ thống cơ khí khác Máy hơi là cột mốc cho sự xuất hiện của nguồn năng lượng mới, mở ra khả năng sử dụng máy móc mạnh mẽ và hiệu quả hơn Người phát minh như James Watt đã cải thiện hiệu suất của động cơ hơi, dẫn đến những tiến bộ đáng kể trong việc phát điện và giao thông.

Hình 2.5: Máy hơi nước đầu tiên do James Watt phát minh năm 1765 tại Anh

11 d Thế Kỷ XIX và XX:

Thế kỷ 19 chứng kiến sự phát triển của kỹ thuật chính xác và sự tăng trưởng của ngành công nghiệp máy công cụ Các bộ phận có thể thay thế trở nên phổ biến Ngành cơ khí trở nên ngày càng chuyên sâu và phát triển, với sự xuất hiện của những nguyên tắc cơ học và vật liệu mới Sự tiến bộ trong cơ học điều khiển và tự động hóa mở ra những khả năng mới cho cơ cấu cơ khí, với sự xuất hiện của robot và hệ thống tự động hóa công nghiệp Kỹ sư cơ khí xuất hiện như một ngành riêng biệt, và các trường đại học như MIT và École Centrale ở Pháp được thành lập để đào tạo kỹ sư. Đầu thế kỷ 20 đã mang lại những tiến triển công nghệ nhanh chóng Sự phát triển của ô tô, máy bay và việc sử dụng rộng rãi của điện đã biến đổi xã hội Lĩnh vực robot học bắt đầu xuất hiện, với sự phát triển đầu tiên trong tự động hóa và hệ thống kiểm soát. e Sau chiến tranh thế giới II:

Thời kỳ sau Chiến tranh thế giới II chứng kiến sự tiến triển đáng kể trong khoa học vật liệu, dẫn đến sự phát triển của vật liệu mạnh mẽ và nhẹ hơn Tiến triển trong máy tính và hệ thống kiểm soát đã đóng góp vào sự phát triển của cơ học điều khiển, tích hợp cơ và điện tử. f Thời đại đương đại (Thế Kỷ XXI):

Công nghệ ngày càng hội nhập vào lĩnh vực cơ khí, với sự kết hợp của cơ học, điện tử, và thông tin In 3D đã mở ra khả năng sản xuất cơ cấu cơ khí phức tạp và tùy chỉnh Vật liệu mới, như các loại composite, giúp tạo ra các cơ cấu nhẹ và bền Cơ cấu cơ khí được tích hợp vào ngành y tế với sự phát triển của thiết bị y tế và máy móc y tế thông minh Bên cạnh đó cơ cấu cơ khí đóng vai trò quan trọng trong phát triển các công nghệ năng lượng mới và thiết bị giảm thiểu tác động môi trường.

Quá trình hình thành của cơ cấu cơ khí không ngừng và được thúc đẩy bởi sự sáng tạo, nghiên cứu và tiến triển công nghệ Cơ cấu ngày càng trở nên phức tạp và hiệu quả hơn, phản ánh sự phát triển liên tục của ngành cơ khí và vai trò quan trọng của nó trong cuộc sống hàng ngày và trong các lĩnh vực công nghiệp đa dạng Suốt lịch sử, sự hình thành của cơ cấu cơ khí liên quan chặt chẽ với các khám phá khoa học, sự đổi mới công nghệ và sự tiến triển của kỹ thuật là một ngành riêng biệt Sự theo đuổi liên tục về hiệu suất, độ chính xác và chức năng tiếp tục thúc đẩy sự tiến triển trong ngành cơ khí và phát triển các cơ cấu cơ khí mới và phức tạp, trong đó đặc biệt là cơ cấu mềm, được đặc biệt nhắc đến trong bài nghiên cứu này

2.1.2 Một số cơ cấu cơ khí phổ biến và ưu nhược điểm của chúng a Đòn bẩy (Lever): Gồm một điểm xoay (điểm fulcrum) và hai lực được áp dụng ở hai đầu của đòn bẩy Ví dụ: cần cẩu, đòn bẩy trong cửa sổ.

- Ưu điểm: Tăng cường lực đòn, chuyển động dễ dàng, tính ổn định, độ tin cậy cao, dễ bảo trì, khả năng điều chỉnh, ứng dụng rộng rãi, tiết kiệm năng lượng.

- Nhược điểm: Giới hạn tầm hoạt động, mất mát năng lượng, hỏng hóc khi quá tải, kích thước và trọng lượng, khó trong việc điều chỉnh và điều khiển, b Cam: có hình dạng không đều được sử dụng để chuyển động và lực theo một biểu đồ quy định Cam thường được sử dụng trong các ứng dụng như van, máy in, và các máy móc tự động.

- Ưu điểm: Chuyển động cơ cấu CAM rất trơn tru, nhẹ nhàng.

- Nhược điểm: Cơ cấu cam có biên dạng phức tạp vì vậy mà giá thành gia công cao c Bánh răng (Gear): Sử dụng để truyền động năng giữa các trục xoay Các bánh răng có thể có số răng khác nhau để tăng hoặc giảm tốc độ

- Ưu điểm: truyền động hiệu quả, tính đồng bộ và chính xác cao, tính ổn định cao, dễ thay đổi tỉ số truyền, ứng dụng rộng rãi, chịu lực tốt,

- Nhược điểm: yêu cầu chính xác cao, mất mát năng lượng, hạn chế truyền động đối với trục góc, e Thanh răng: Cơ cấu này thường được sử dụng để chuyển động tuyến tính (di chuyển theo đường thẳng) thành chuyển động quay và ngược lại.

- Ưu điểm: Tốc độ chuyển động cao ,quãng di chuyển dài ,có khả năng tăng tốc và làm việc ở tốc độ cao

- Nhược điểm: Chi phí bôi trơn, bảo dưỡng cao, tiếng ồn phát ra khi làm việc khá lớn, phát sinh mài mòn khi hoạt động d/ Trục vít (Screw): Là một cơ cấu xoay có rãnh xoắn, thường được sử dụng để chuyển động xoay thành chuyển động dọc

- Ưu điểm: Định vị vị trí chính xác, có khả năng tăng tốc và làm việc ở tốc độ cao

Sự ra đời của cơ cấu mềm [3]

Ý tưởng sử dụng các kết cấu linh động nhằm tích trữ năng lượng để tạo ra chuyển động đã được hình thành từ hàng nghìn năm trước Bằng chứng khảo cổ cho thấy cung tên đã được sử dụng từ hơn 8000 năm trước Công nguyên Cung tên được làm từ vật liệu dẻo, có tính đàn hồi từ gỗ và gân động vật để chuyển hóa năng lượng từ cung thành động năng cho mũi tên.

Một ví dụ khác về cơ cấu mềm được ứng dụng rộng rãi là trong máy bắn đá được người Hy lạp sử dụng từ thế kỷ IV trước Công nguyên Máy bắn đá sơ khai được làm từ gỗ và thực hiện tác động làm biến dạng để tích trữ năng lượng, sau đó giải phóng để tạo chuyển động cho viên đạn.

Cơ cấu mềm cũng được ứng dụng để mô phỏng tạo các chuyển động xoay Ví dụ như bản lề sách được thay đổi thành phần cấu tạo hay độ dày tại các điểm tương thích để tạo ra chuyển động mong muốn Các phương pháp khác đã được nghiên cứu vào đầu những năm thế kỷ XX để tạo các chuyển động ứng dụng cho đa dạng lĩnh vực hơn.

Cơ cấu mềm cũng có thể truyền hay biến đổi chuyển động, lực hoặc năng lượng như cơ cấu cứng Tuy nhiên không giống cơ cấu cơ khí thông thường (hay còn được gọi là cơ cấu cứng), cơ cấu mềm đạt được ít nhất một số tính linh động từ một số bộ phận có tính linh hoạt hơn là từ những khớp có khả năng di động

Cơ cấu mềm ra đời để khắc phục những nhược điểm của cơ cấu cơ khí truyền thống Một ví dụ điển hình về kết cấu của kìm kẹp trong 2 lĩnh vực được thể hiện như hình nên Lực sẽ chuyển đổi từ tay cầm đến ngàm kẹp, tuy nhiên năng lượng trong cơ cấu mềm sẽ được tích trữ vào những khớp mềm để tạo ra chuyển động Còn khi là một cơ cấu cơ khí thông thường, toàn bộ khớp sẽ là khớp cứng, được tạo thành từ những chi tiết riêng lẻ không có khả năng linh động độc lập

Cơ cấu mềm ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn vì nhiều lợi ích của nó, được xem xét phân loại nhờ vào 2 yếu tố chính đó là giảm giá thành (giảm số lượng chi tiết trong một sản phẩm, giảm thời gian lắp ráp và quy trình sản xuất trở nên đơn giản hơn) và tăng hiệu suất (tăng mức độ chính xác, tăng khả năng linh động, giảm mức độ kém bền và giảm việc phải bảo trì thường xuyên.)

Lợi ích của việc giảm số lượng chi tiết được ứng dụng để hoàn thành những nhiệm vụ đặc biệt Một số cơ cấu được sản xuất bằng phương pháp phun ép khuôn và được chế tạo như một khối thống nhất Một ví dụ thể hiện cho điều này với bộ ly hợp là cơ cấu mềm ở hình 2.9 và ở dạng cơ cấu cứng hình 2.10 [4] Ví dụ này đã chỉ ra rằng với cơ cấu mềm, số lượng chi tiết lắp ráp đã giảm, đồng nghĩa với việc thời gian để sản xuất, lắp ráp của mỗi cơ cấu cũng được giảm theo đáng kể so với một cơ cấu cơ khí thông thường

Hình 2.9: Li hợp dạng CCM

Hình 2.10: Các chi tiết của li hợp ở dạng CCM

Một ví dụ khác thể hiện cho điều này [5]

Hình 2.11: Kẹp cơ khí dạng CCM Hình 2.12: Kẹp cơ khí

Cơ cấu mềm có ít chi tiết có khả năng linh động như chốt hay con trượt Điều này sẽ dẫn đến việc tránh bị mài mòn và yêu cầu bôi trơn thường xuyên Đây là những đặc tính cần thiết cho những cơ câú cơ khí thông thường trong điều kiện làm việc khắc nghiệt có thể ảnh hưởng đến các khớp

Một ví dụ về cơ cấu mềm được thiết kế cho yêu cầu làm việc trong môi trường khắc nghiệt như hình 2.13 Đây là một thiết bị kẹp đơn giản cho chi tiết của khuôn Chi tiết này được ngâm trong hóa chất để tránh hư hỏng Cơ cấu này được làm bởi Teflon kết hợp với một số chất khác, đặt vào dung dịch và hoạt động như một chiếc kẹp không cần ngoại lực

Hình 2.13: Kẹp dùng trong ngành hóa chất

Cơ cấu mềm hoạt động nhờ sự biến dạng của các khớp mềm, nên năng lượng sẽ tích trữ vào các khớp này Năng lượng này giống với năng lượng được tích trữ trong một lò xo biến dạng Tương tự với cung tên, năng lượng được tích trữ vào cung khi xạ thủ kéo cung và chuyển hóa thành động năng để mũi tên có thể bay xa

Một lưu ý rằng có thể giảm đáng kể khối lượng của một sản phẩm khi sử dụng cơ cấu mềm so với một cơ cấu cứng Điều này cực kỳ hữu ích và quan trọng khi được ứng dụng trong hàng không vũ trụ và các lĩnh vực đặc biệt khác Bên cạnh đó việc này sẽ mang lại lợi ích cho đơn vị sản xuất trong việc hỗ trợ giảm khối lượng, giá thành vận chuyển các sản phẩm

Một ưu điểm đặc biệt khác của cơ cấu mềm là có thể tối thiểu kích thước một cách đáng kể Các cấu trúc vi mô, cảm biến đơn giản hay bộ truyền động đang được sử dụng rộng rãi cùng nhiều hệ thống vi cơ điện tử Việc giảm số lượng các chi tiết trong một cụm lắp ghép là một lợi thế Các cơ cấu mềm vi mô này được chế tạo và sử dụng vật liệu tương tự như chiếc kẹp gắp đã được nhắc đến phía trên

Chiếc kẹp tháo lưỡi câu ở dạng cơ cấu mềm như hình 2.14 đã thể hiện một số ưu điểm thể hiện ở trên Giảm số lượng chi tiết trong một cụm lắp được biểu hiện bằng việc chế tạo chúng trong việc ép phun thành một mảnh duy nhất Nó cũng làm việc ngay trong môi trường khắc nghiệt, nếu là một cơ cấu cơ khí thông thường, các chốt của nó sẽ dễ bị gỉ sét và yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên Ngoài ra nó được chế tạo bằng vật liệu nhẹ, không chỉ dễ dàng mang theo mà nó sẽ nổi lên khi người câu cá lỡ đánh rơi nó xuống nước

Hình 2.14: Kẹp tháo lưỡi câu

Tuy nhiên cơ cấu mềm cũng có những hạn chế nhất định:

- Vì là một khối thống nhất nên cấu tạo của cơ cấu mềm phức tạp hơn, quá trình phân tích, mô phỏng hay tổng hợp cũng khó hơn so với cơ cấu cơ khí truyền thống Dù đã có nhiều phương trình cũng như hướng giải thích khác nhau nhưng với các cơ cấu mềm có tính phi tuyến cao cũng là một thử thách lớn

- Vì cơ cấu mềm biến đổi sự đàn hồi thành chuyển động, các khớp mềm dễ hấp thu một phần năng lượng dẫn đến hiệu suất bị giảm theo

- Ứng dụng cơ cấu mềm để tạo ra chuyển động quay dễ dẫn đến sai lệch tâm của khớp mềm

- Cấu mềm phù hợp cho ứng dụng vi mô hơn vì chuyển vị không cao do độ cứng không nhỏ

Trong một cơ cấu mềm, khớp mềm đóng vai trò chính cho chuyển động của cơ cấu

Nó mang tính chất của cơ khí trong việc chuyển động xoay tương ứng với khả năng đàn hồi của vật liệu thay vì là sự kết hợp giữa các bộ phận quay của cơ cấu cơ khí truyền thống Đây là một xu hướng nghiên cứu mới trong những năm gần đây Năm 1965, Paro đã nêu lên các công thức phù hợp để tính toán khớp mềm, đồng thời các phương pháp ước lượng bằng phương trình kỹ thuật cho khớp mềm đối xứng tròn Dựa trên nghiên cứu của ông, Smith và cộng sự đã nghiên cứu và đề xuất thêm khớp hình elip, Lobontiu và cộng sự cũng đã đề xuất thêm các phương trình tính toán mang tính chính xác và ổn định hơn Dần dần nhiều loại khớp mềm khác nhau ra đời, mỗi một loại khớp mềm mang các đặc tính khác nhau và cấu trúc hình học đã được giới thiệu Góc quay, độ chính xác khi quay và ứng suất phân tán đã được Loboutin đề xuất nhằm nâng cao độ chính xác trong quá trình tính toán cơ cấu mềm Nhìn chung, khớp mềm được phân ra thành 2 loại chính: kiểu đơn giản và phức tạp như hình 2.15 Chi tiết về khớp mềm đơn trục là có hình chữ nhật với chiều rộng không đổi, chiều cao có giá trị linh hoạt hơn Dựa trên mặt cắt ngang của chúng mà phân loại ra nhiều dạng hơn Như khớp mềm dạng notch hình 2.16 và hình 2.17 thể hiện cho khớp mềm phức tạp Trong các ứng dụng mircomet, nanomet thì khớp mềm kiểu notch

Ứng dụng cơ cấu mềm trong các lĩnh vực [9]

Cơ cấu mềm (CCM) là một loại cơ cấu có khả năng thay đổi hình dạng để phù hợp với các yêu cầu khác nhau CCM có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như:

Y tế: CCM có thể được dùng để tạo ra các thiết bị y tế như các chân giả, tay giả, cảm biến, van, bơm, hoặc các thiết bị nội soi CCM có thể giảm thiểu tổn thương cho bệnh nhân, tăng khả năng thích nghi và tương tác với các mô cơ thể.

Hình 2.19: Ống nghe y tế [9] Đời sống: CCM có thể được sử dụng để tạo ra các trang thiết bị gia dụng như kiềm kẹp, kẹp cánh bướm, chốt gài, đồ bấm mi, đồ chơi,

Hình 2.20: Kẹp bướm, súng bắn đĩa, chốt gài [9]

Những thách thức của cơ cấu mềm

Thiết kế và phân tích các cơ cấu mềm: Đây là một thách thức lớn vì việc thiết kế và phân tích các cơ cấu mềm khá phức tạp Cần phải có kiến thức về cách phân tích cơ chế và độ lệch của các khớp mềm Không chỉ cần hiểu về hai khối kiến thức này mà còn cần hiểu về cách chúng tương tác với nhau trong một hệ thống phức tạp.

Phương trình phi tuyến tính: Vì các khớp mềm bị biến dạng dẻo lớn nên không thể sử dụng các phương trình tuyến tính Phải dùng các phương trình phi tuyến để mô tả sự phi tuyến hình học do độ lệch lớn gây ra Trước đây, nhiều cơ cấu mềm được thiết kế bằng cách thử và sai Nhưng cách này chỉ áp dụng được cho các hệ thống đơn giản và thường không tiết kiệm chi phí cho nhiều ứng dụng tiềm năng Hiện nay, đã có các lý thuyết để đơn giản hóa việc thiết kế và phân tích các cơ cấu mềm và giảm bớt các hạn chế Tuy nhiên, ngay cả khi có những tiến bộ này, việc thiết kế và phân tích cơ cấu mềm vẫn khó khăn hơn so với cơ cấu thân cứng.

Lưu trữ năng lượng: Việc lưu trữ năng lượng trong các khớp mềm có thể là một lợi thế vì nó có thể giúp đơn giản hóa các cơ chế kết hợp với lò xo, tạo ra các mối quan hệ độ lệch lực mong muốn và lưu trữ năng lượng được truyền hoặc biến đổi bởi cơ chế Nhưng trong một số ứng dụng, việc lưu trữ năng lượng trong các khớp mềm lại là một bất lợi Ví dụ, nếu một cơ cấu mềm có chức năng là truyền năng lượng từ đầu vào sang đầu ra, thì sẽ có một phần năng lượng bị lưu trữ trong cơ chế chứ không được truyền hết. Độ bền mỏi: Việc phân tích mỏi thường quan trọng hơn đối với các cơ cấu mềm khi so với cơ cấu cứng Vì các bộ phận cơ cấu mềm thường bị tải theo chu kỳ trong quá trình hoạt động, nên phải thiết kế các bộ phận đó sao cho chúng có tuổi thọ mỏi đủ để hoàn thành các chức năng theo quy định Ngoài ra, các khớp mềm cũng có thể bị tác động trong một thời gian dài.

Chuyển động hạn chế: Chuyển động do sự lệch hướng của cơ cấu mềm cũng có giới hạn Rõ ràng là một cơ cấu mềm không thể tạo ra chuyển động quay liên tục như chuyển động có thể xảy ra với khớp chốt

Một số công trình nghiên cứu về cơ cấu mềm

2.5.1 Thiết kế và nghiên cứu hiệu suất của hệ thống giảm truyền động vi mô chính xác mà không cần chuyển động bổ sung

Manzhi Yang và cộng sự đã nghiên cứu thiết kế một bộ truyền động vi mô được điều khiển bởi PZT với độ bền, động học và hiệu suất chuyển động của cơ cấu được phân tíc Dựa vào nguyên lý đòn bẩy bản lề uốn và nguyên lý lực bổ sung cân bằng, một cơ cấu mềm với kích thước 150x128x50 đã được thiết kế Hiệu suất của cơ cấu được phân tích bằng lý thuyết, phương pháp phần tử hữu hạn và thực nghiệm, đồng thời tính toán phương trình tuyến tính dựa trên các phương trình khớp tuyến tính của 3 phương pháp Kết quả của quá trình này cho thấy cơ cấu có chuyển động tốt, tính chính xác cao

Hình 2.21: Thiết kế hệ thống truyền động vi mô [17]

Trong nghiên cứu này, thép đàn hồi 60Si2Mn được dùng để chế tạo cơ cấu mềm Toàn bộ khớp mềm được thiết kế là khớp mềm Quá trình phân tích động học trên phần mềm Ansys Workbench cho thấy khi sử dụng PZT thực hiện chuyển vị đầu vào 1 àm, chuyển động đầu ra là 0.49898 (Hình 2.22) Tần số tự nhiên đầu tiên của cơ cấu đạt 990.49

Hz (Hình 2.23) Tác giả và cộng sự đã tiến hành chế tạo và thực nghiệm, thu được kết quả về sai số chuyển vị giữa phương pháp phần tử hữu hạn và thực tế là 4.4%

Hình 2.22: Phân tích chuyển vị trên phần mềm Ansys Workbench 2020 R2[17]

Hình 2.23: Tần số tự nhiên của cơ cấu [17]

Hình 2.24: Thiết lập hệ thống đo đạc của nghiên cứu [17]

2.5.2 Thiết kế và tối ưu hóa bộ định vị micro/nano 2 bậc hoàn toàn dựa trên tính toán toán học

Zhigang Wu và các cộng sự của ông đã thiết kế bộ định vị 2 bậc tự do theo hướng

XY dựa trên nguyên lý đòn bẩy Các mô hình để xác định tỷ lệ chuyển vị, động học, không gian làm việc, độ cứng đầu vào và ra được xây dựng tính toán và xác thực bằng phương pháp phần tử hữu hạn Sau đó, việc tối ưu hóa kích thước được thực hiện bằng thuật toán tối ưu hóa di truyền (GA) Cuối cùng sử dụng phương pháp cắt dây EDM để gia công cơ cấu trong nghiên cứu này

Hình 2.25: Cấu trúc đòn bẩy đối xứng 2 tầng [18]

Thiết kế cấu trúc đòn bẩy đối xứng 2 tầng cho chuyển vị đầu vào Có 2 loại khớp chính được sử dụng là khớp tròn và khớp lá Tác giả lựa chọn phương pháp mô hình số cùng với các thông số kỹ thuật của Al-7075 để tính toán được chuyển vị đầu vào lớp nhất là δ max in ≤ 49,2àm tương ứng với δ max out là 236.2 àm, từ đú đưa ra được kết luận khụng gian làm việc của cơ cấu này là 236.2 x 236.2 àm Tần số dao động tự nhiờn được

25 tính toán dựa trên phương pháp Lagrange là 341.25 Hz Các kết quả tính toán trên được xác thực bằng phương pháp phần tử hữu hạn FEA bởi phần mềm Ansys Workbench, bảng 2.1 thể hiện phần trăm sai lệch giữa các giá trị

Hình 2.26: Bộ định vị 2 bậc tự do trong nghiên cứu [18]

Bảng 2.1: Bảng so sánh sai lệch giữa tính toán và FEA

Tính toán FEA Sai lệch

Chuyển vị đầu ra 236.2 àm 215.5 àm 9.84 %

Hình 2.27: Thiết lập hệ thống đo của bài nghiên cứu này [18]

Thiết lập hệ thống đo như hình 2.27 Các thiết bị được sử dụng gồm: (1) Máy chủ, (2) Bộ điều khiển tính hiệu, (3) Cơ cấu mềm, (4,5) Laze tín hiệu, (6) Hệ thống điều khiển dSPACE, (7) Bo mạch DAQ, (8) PZT hành trình

2.5.3 Phát triển cơ cấu ăn dao 2 bậc tự do điều khiển bởi hệ thống Piezo

Yamei Liu và cộng sự đã phát triển một bộ cơ cấu mềm 2 bậc tự do, ứng dụng trong gia công cắt gọt bằng cách gắn chip ở đầu ra với hành trình của cơ cấu mềm được điều khiển bởi Piezo theo chiều trục X và Z ứng với máy tiện CNC Kích thước của cơ cấu này là 154 x 246 mm sử dụng 2 loại khớp mềm là khớp tròn và khớp lá

Hình 2.28: Bản thiết kế trong bài nghiên cứu này [19] Đối với chuyển động dọc theo hướng trục z, cơ cấu bốn thanh có độ cứng cao với 2 cặp khớp lá bố trí trí đối xứng 2 bên được sử dụng để dẫn hướng cho chuyển động dọc theo hướng trục z Chuyển động dọc theo hướng trục x đạt được bằng chuyển động vi mô được tạo ra bởi ba khớp tròn linh hoạt ở dưới cùng

Hình 2.29: Mô phỏng trên phần mềm Ansys Workbench

Hình 2.30: Thiết lập hệ thống thực nghiệm cho cơ cấu mềm [19]

Vật liệu được sử dụng để chế tạo cơ cấu mềm là Al 7075 Các thiết bị đo gồm: Bàn gá, Bộ cơ cấu mềm, các cảm biến, bộ điều khiển tín hiệu Sau đó thực nghiệm trên máy tiện CNC (Hình 2.31) Chip tiện có bán kính mũi là 2mm dừng để tiện mặt đầu phôi có đường kính 12.7mm để tạo ra biên dạng hình sin như hình Sử dụng máy kiểm tra cho ra kết quả cho thấy bề mặt phụi cú độ búng Sa = 24.426 àm (Hỡnh 2.32)

Hình 2.31: Gắn cơ cấu mềm lên máy tiện CNC [19]

Hình 2.32: Bề mặt phôi sau gia công [19]

Hình 2.33: Sử dụng máy chuyên dùng kiểm tra độ bóng bề mặt phôi [19]

Bài nghiên cứu này đã thiết kế được một cơ cấu ăn dao 2 bậc tự do Thực nghiệm cho thấy chuyển vị trục Z và X cú thể 17 àm và 22.5 àm Kết quả của cỏc phương phỏp tính toán và thực nghiệm được chấp nhận với sai số 1.47% và 2.22% (ứng với trục Z và X) Đây cũng là một cơ cấu có tần số tự nhiên cao, cụ thể là 1201 Hz và 1220 Hz (ứng với trục Z và X)

2.5.4 Thiết kế và phân tích một bộ cơ cấu mềm 3 bậc tự do với phạm vi vi mô lớn

Jinhai Gao và cộng sự đã nghiên cứu thiết kế một bộ cơ cấu mềm 3 bậc tự do chuyển động theo trục XY và xoay quay trục Z Kích thước của nó là 90 mm x 90 mm x 50 mm

Hình 2.34: Thiết kế cơ cấu mềm 3 bậc tự do [20]

Cơ cấu sử dụng 2 loại khớp mềm chính là khớp tròn và khớp lá Tác giả đã mô phỏng cơ cấu trên phần mềm Ansys Workbench theo trục X (Hình 2.35) và xoay quanh trục Z (Hình 2.36) Khi cho tác động vào trục X và Y một lực 25N, dùng phần mềm đo được cơ cấu chuyển vị một đoạn 16.96 àm

Hình 2.35: Mô phỏng chuyển động theo trục X [20]

Hình 2.36: Mô phỏng chuyển động xoay quanh trục Z [20]

Hình 2.37: Các thiết bị dùng để thực nghiệm [20]

Các thiết bị dùng để thực nghiệm trong bài nghiên cứu này gồm có: Máy tính, nguồn cấp cho PZT, cơ cấu mềm, cảm biến, nguồn 24V và mạch PCT 6221 DAQ Tác giả đã tính toán được sai số giữa mô phỏng và thực tế theo trục XY là 4,2% và xoay quanh trục Z là 2,52%

Phần mềm ANSYS Workbench sử dụng cho việc nghiên cứu cơ cấu mềm [10]

ANSYS Workbench là một môi trường tích hợp và đồ họa cho việc thực hiện phân tích và mô phỏng trong lĩnh vực kỹ thuật và công nghệ Được phát triển bởi công ty ANSYS, Workbench đưa ra cho người dùng một loạt các công cụ và tính năng để hỗ trợ quá trình thiết kế và phân tích sản phẩm ANSYS Workbench cung cấp một giao diện người dùng tích hợp, cho phép người sử dụng dễ dàng chuyển đổi giữa các mô-đun và công cụ khác nhau Nó tích hợp nhiều mô-đun phân tích khác nhau như cơ học, nhiệt độ, động lực chất lỏng, và điện từ Dưới đây là một số mô-đun được sử dụng trong bài báo cáo để hỗ trợ cho việc mô phỏng, tính toán thông số cơ cấu mềm

Hình 2.38: Giao diện làm việc của ANSYS Workbench

"Static Structural" là một phần của phần mềm mô phỏng ANSYS Workbench, được sử dụng để thực hiện phân tích cơ học cấu trúc tĩnh Phân tích cơ học cấu trúc tĩnh nhấn mạnh vào ứng suất, biến dạng và độ bền của cấu trúc khi nó ổn định dưới tác động của các lực tĩnh, moment, và điều kiện biên.

Hình 2.39: Giao diện Modul Static Structural

- Engineering Data: Xác định và gán các thuộc tính vật liệu cho các thành phần liên quan đến phân tích Chúng ta có thể chọn vật liệu từ bộ thư viện của ANSYS hoặc add một vật liệu mới với những thông số có sẵn.

Hình 2.40: Giao diện Engineering Data trong Static Structural

- Geometry: Cho phép người dùng nhập mô hình hình học của cấu trúc hoặc phần tử cần phân tích Người dùng có thể tự thiết kế thông qua môi trường SpaceClaim hoặc DesignModeler hay sử dụng cái file 3D thiết kế từ các phần mềm khác như Solidworks, Inventor thông qua Import Geometry.

Hình 2.41: Giao diện Geometry trong Static Structural

- Model: Đây là không gian cho người dùng có thể thiết lập các thông số cho việc tính toán, phân tích như chia lưới, điều kiện biên, các thông số đầu vào, đầu ra, hệ số an toàn,…

Hình 2.42: Giao diện Model trong Static Structural

• Mesh: Chia lưới cho phần tử cần phân tích

Hình 2.43: Chia lưới trong Ansys

Insert: Tùy vào cấu trúc phần tử mà người dùng chọn công cụ chia lưới khác nhau

Display Style: Lựa chọn phương pháp chia lưới

Element Size: Kích thước phần tử khi chia lưới

• Static Structural (A5): Chọn các biến đầu vào phù hợp như điểm cố định, lực, chuyển vị, moment,…

Hình 2.44: Biến đầu vào trong Static Structural

• Solution (A6): Chọn các biến đầu ra phù hợp với yêu cầu phân tích như biến dạng, ứng suất, hệ số an toàn,…

Hình 2.45: Biến đầu ra trong Static Structural

- Setup, Solution, Result: Dựa trên các giá trị biến đầu vào, thông số đầu ra được chọn ở

Model, ANSYS Workbench sẽ tiến hành phân tích, tính toán để đưa ra các thông số mục tiêu người dùng cần kiểm nghiệm.

Hình 2.46: Minh họa về tính năng Static Structural

"Modal" là một phần của phần mềm mô phỏng ANSYS Workbench, được sử dụng để thực hiện phân tích cơ học cấu trúc động “Modal” được sử dụng để xác định tần số tự nhiên và sự dịch chuyển tương đối của cấu trúc Loại phân tích này đặc biệt quan trọng để hiểu được trạng thái động của các kết cấu và dự đoán phản ứng của chúng trước các kích thích hoặc tải trọng bên ngoài.

Hình 2.47: Giao diện modul Modal

- Engineering Data, Geometry: Tính năng tương tự với “Static Structural”, nếu mục tiêu phân tích của bạn bao gồm cả tĩnh và động, bạn có thể liên kết vật liệu và thiết kế của

“Static Structural” và “Modal” với nhau thông qua việc kéo thả trên phần mềm mà không cần phải nhập lại từ đầu.

Hình 2.48: Liên kết giữa các modul trong Ansys

- Model: Đây là không gian cho người dùng có thể thiết lập các thông số cho việc tính toán, phân tích như chia lưới, điều kiện biên, các thông số đầu vào, đầu ra, tần số, hệ số an toàn,

Hình 2.49: Giao diện Model trong Modal

• Mesh: Chia lưới cho phần tử cần phân tích

Hình 2.50: Chia lưới trong Modal

Insert: Tùy vào cấu trúc phần tử mà người dùng chọn công cụ chia lưới khác nhau

Display Style: Lựa chọn phương pháp chia lưới

Element Size: Kích thước phần tử khi chia lưới

• Static Structural (A5): Chọn các biến đầu vào phù hợp như điểm cố định, lực, chuyển vị, moment,…

Hình 2.51: Biến đầu vào trong Modal

• Solution (A6): Chọn các biến đầu ra phù hợp với yêu cầu phân tích như tần số, ứng suất, hệ số an toàn,…

Hình 2.52: Biến đầu ra trong Modal

- Setup, Solution, Result: Dựa trên các giá trị biến đầu vào, thông số đầu ra được chọn ở

Model, ANSYS Workbench sẽ tiến hành phân tích, tính toán để đưa ra các thông số mục tiêu người dùng cần kiểm nghiệm.

Hình 2.53: Minh họa về tính năng Modal

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết là một phương pháp tối ưu hóa nhằm tìm ra sự phân bố vật liệu tối ưu trong một không gian thiết kế nhất định, chịu các ràng buộc khác nhau như điều kiện tải và điều kiện biên ANSYS Workbench cung cấp một môi trường toàn diện để tiến hành các nghiên cứu đặc biệt về tối ưu hóa cấu trúc liên kết Dưới đây là tổng quan về cách thực hiện tối ưu cấu trúc liên kết trong ANSYS Workbench.

Hình 2.54: Giới thiệu tính năng Topology

- Engineering Data, Geometry: Tương tự với “Static Structural” hay “Modal”, tính năng này “Engineering Data” cho phép xác định và gán các thuộc tính vật liệu cho các thành phần liên quan đến phân tích Chúng ta có thể chọn vật liệu từ bộ thư viện của ANSYS hoặc add một vật liệu mới với những thông số có sẵn Tính năng “Geometry” cho phép người dùng nhập mô hình hình học của cấu trúc hoặc phần tử cần phân tích Người dùng có thể tự thiết kế thông qua môi trường SpaceClaim hoặc DesignModeler hay sử dụng cái file 3D thiết kế từ các phần mềm khác như Solidworks, Inventor thông qua Import Geometry.

- Model: Đây là không gian cho người dùng có thể thiết lập các thông số cho việc tính toán, phân tích như chia lưới, điều kiện biên, các thông số đầu vào, đầu ra, tối ưu cho việc tính toán,…

Hình 2.55: Giao diện tính năng Topology

• “Optimization Region”: Chọn vùng cơ cấu mềm cần được tối ưu

• “Objective”: Xác định mục tiêu của việc tối ưu hóa, thường là việc tối thiểu hóa sự biến dạng hoặc tối ưu vật liệu của cấu trúc như khối lượng, thể tích,

Hình 2.56: Hàm mục tiêu trong Topology

• “Response contranst”: tỉ lệ phần trăm của cấu trúc cần giữ lại sau khi tối ưu

Hình 2.57: Tỉ lệ phần trăm của cấu trúc cần giữ lại

- Setup, Solution, Result: Dựa trên các giá trị biến đầu vào, thông số đầu ra được chọn ở

Model, ANSYS Workbench sẽ tiến hành phân tích, tính toán để đưa ra các thông số mục tiêu người dùng cần kiểm nghiệm.

Hình 2.58; 2.59: Minh họa về tính năng Topology

RSM trong ANSYS là viết tắt của "Response Surface Methodology," một phương pháp thống kê được sử dụng để xây dựng mô hình ước lượng (hay mô hình dự đoán) cho một biến phản ứng (response) dựa trên một hoặc nhiều biến đầu vào (input variables) Trong ngữ cảnh của ANSYS, RSM thường được sử dụng để tối ưu hóa và phân tích các mô hình mô phỏng.

Hình 2.60: Giới thiệu về RSM

- “Design of Experiments”: với khả năng thu thập dữ liệu, thanh lệnh này cho phép người dùng ghi lại các kết quả của mô phỏng trong các điều kiện khác nhau, cũng như các giá trị của các biến đầu vào tương ứng.

Hình 2.61: Mô phỏng các điểm với các biến đầu vào khác nhau

- “Response Surface”: Sử dụng dữ liệu thu thập được để xây dựng một mô hình ước lượng (chẳng hạn là một mô hình hồi quy) cho biến phản ứng dựa trên các biến đầu vào Mô hình RSM có thể là một đa thức bậc hai hoặc bậc cao hơn, một mô hình tuyến tính hoặc phi tuyến.

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ TỐI ƯU HÓA

Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn FEA

FEA là viết tắt của "Finite Element Analysis" (Phân tích phần tử hữu hạn) - một phương pháp được sử dụng trong kỹ thuật cơ khí và cấu trúc để giải quyết các vấn đề về cơ học Đây là một kỹ thuật số được dùng để giải quyết các vấn đề liên quan đến cơ học kết cấu, truyền nhiệt, động lực học chất lỏng và các hiện tượng vật lý khác Dưới đây là tổng quan về phương pháp FEA:

FEA chia cấu trúc thành các phần tử nhỏ hơn (finite elements) để dễ dàng tính toán Những phần tử này có thể là hình tam giác, hình tứ giác, tứ diện, lục giác,…Mỗi phần tử được mô tả bằng các phương trình đại số.

Các điều kiện biên, tải trọng và thuộc tính vật liệu được áp dụng cho từng phần tử Các ràng buộc và tải trọng được áp dụng cho mô hình để thể hiện các điều kiện vật lý Chúng bao gồm các nút cố định, lực tác dụng, tải nhiệt, v.v.

Mô hình hóa cấu trúc thành một mạng lưới các phần tử, với mỗi phần tử được xác định thông qua một số điểm gọi là nút Mỗi phần tử được mô tả bằng một ma trận cơ sở, giúp xác định cách mà phần tử đóng góp vào toàn bộ cấu trúc.

Chia lưới: Quá trình chia cấu trúc thành các phần tử và nút được gọi là chia lưới Lưới mịn hơn thường dẫn đến kết quả chính xác hơn nhưng đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán hơn.

Hệ thống các phương trình đại số tương ứng với mô hình được giải bằng các phương pháp số Các giải thuật như phương pháp dòng chảy (iterative methods) và phương pháp trực tiếp (direct methods) được sử dụng để xác định các biến như dạng hình dạng và độ dời của cấu trúc.

FEA có thể được thực hiện cho cả phân tích tuyến tính và phi tuyến tính Phân tích tuyến tính giả định mối quan hệ tuyến tính giữa tải trọng và phản ứng, trong khi phân tích phi tuyến tính xem xét các tương tác phi tuyến của vật liệu hoặc cấu trúc.

Hệ phương trình đại số được giải bằng số bằng phương pháp lặp hoặc giải trực tiếp Giải pháp cung cấp thông tin về sự phân bố ứng suất, biến dạng, nhiệt độ hoặc các biến quan tâm khác trong toàn bộ kết cấu.

Các kết quả được xử lý sau để trực quan hóa và giải thích dữ liệu Kiểm tra và đánh giá kết quả, bao gồm các biến như ứng suất, biến dạng, nhiệt độ, áp suất, Người dùng kiểm tra kết quả để đảm bảo kết cấu đáp ứng các tiêu chí thiết kế và yếu tố an toàn.

Kiểm thử và so sánh thực nghiệm

Kiểm tra độ chính xác của kết quả bằng cách so sánh với dữ liệu thực nghiệm hoặc giải tích nếu có Các kết quả FEA phải được xác nhận bằng cách so sánh chúng với dữ liệu thực nghiệm hoặc các giải pháp phân tích đã biết để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy.

Tối ưu và tinh chỉnh

Dựa vào kết quả, có thể tối ưu và điều chỉnh mô hình để cải thiện độ chính xác nếu cần thiết Mô hình có thể được tinh chỉnh lặp đi lặp lại dựa trên kết quả thu được và quá trình phân tích có thể được lặp lại. Ứng dụng

FEA được sử dụng rộng rãi trong thiết kế và phân tích cấu trúc, từ việc xác định độ cường độ và độ dẻo của vật liệu đến việc đánh giá ảnh hưởng của các tải trọng và điều kiện biên đối với cấu trúc Nó cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như nhiệt độ, điện từ, và động học. Ưu điểm

Cho phép mô phỏng độ chính xác cao và tinh tế của các cấu trúc phức tạp.

Giảm chi phí thử nghiệm và phát hiện lỗi trong quá trình thiết kế.

Một số phần mềm FEA

Có nhiều phần mềm FEA như ANSYS, Abaqus, SolidWorks Simulation, và nhiều công cụ khác, giúp kỹ sư thực hiện phân tích mô phỏng một cách hiệu quả.

FEA đã trở thành một công cụ quan trọng trong quá trình phát triển và kiểm soát chất lượng sản phẩm, nổi bật là về lĩnh vực cơ khí và kỹ thuật cấu trúc Phương pháp FEA là một công cụ mạnh mẽ cho phép các kỹ sư mô phỏng và phân tích các hệ thống vật lý phức tạp trong nhiều điều kiện khác nhau, cung cấp cái nhìn sâu sắc về hoạt động của các cấu trúc mà không cần thử nghiệm vật lý rộng rãi Phương pháp này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cả cơ học vật liệu và phương pháp tính toán số, và nó là một công cụ mạnh mẽ để phân tích và thiết kế cấu trúc trong nhiều ngành công nghiệp

Phương pháp Topology

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết (TO) được ứng dụng để tối ưu hóa vật liệu trong môi trường thiết kế với tải trọng, điều kiện biên và ràng buộc nhất định, với mục tiêu tối đa hóa hiệu suất hệ thống TO khác với tối ưu hóa hình dạng và tối ưu hóa kích thước ở chỗ trong quá trình thiết kế có thể đạt được bất kỳ hình dạng nào trong không gian thiết kế, thay vì chỉ xử lý các cấu hình được xác định trước Công thức TO truyền thống sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn [FEM] để đánh giá hiệu suất thiết kế Các thiết kế được tối ưu hóa bằng việc sử dụng các kỹ thuật lập trình toán học dựa trên độ dốc (như thuật toán tiêu chí tối ưu hóa và phương pháp tiệm cận di chuyển) hoặc thuật toán không dựa trên độ dốc (như thuật toán di truyền)

Tối ưu hóa cấu trúc liên kết trong bối cảnh các cơ chế liên quan đến việc áp dụng các kỹ thuật tối ưu hóa để tìm ra sự phân bố vật liệu tối ưu trong cấu trúc cơ học nhằm đạt được các mục tiêu hiệu suất cụ thể đồng thời đáp ứng các ràng buộc nhất định Quá trình này giúp các kỹ sư thiết kế các hệ thống cơ khí nhẹ và hiệu quả Dưới đây là các bước chính và những cân nhắc liên quan đến việc tối ưu hóa cấu trúc liên kết cho các chi tiết lĩnh vực cơ khí.

Xác định yêu cầu và ràng buộc:

Yêu Cầu: Xác định mục tiêu cụ thể cần đạt được, chẳng hạn như tối thiểu hóa trọng lượng, tối ưu hóa độ cứng, hoặc tối ưu hóa hiệu suất.

Ràng Buộc: Xác định các ràng buộc cần tuân theo, chẳng hạn như giới hạn vật liệu, kích thước, hoặc độ bền.

Mô hình cấu hình trúc:

Sử dụng mô hình hóa cấu trúc dưới dạng lưới (mesh) để biểu thị cấu trúc không có cấu trúc mà bạn đang tối ưu hóa.

Chia cấu trúc thành các yếu tố (elements) nhỏ để dễ dàng thực hiện tính toán và tối ưu hóa.

Xác định các điểm trong cấu trúc không gian có thể thay đổi, được gọi là biến thiên Thông thường, các biến thiên này đại diện cho vị trí hoặc độ dày vật liệu hoặc các thông số khác ảnh hưởng đến thiết kế.

Lựa chọn thuật toán tối ưu hóa:

Chọn một thuật toán tối ưu hóa phù hợp cho việc tối ưu hóa cấu trúc liên kết Các thuật toán phổ biến bao gồm các phương pháp dựa trên độ dốc, thuật toán tiến hóa và các phương pháp số như Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).

Phân tích hàm mục tiêu và độ nhạy:

Xây dựng hàm mục tiêu, định lượng thước đo hiệu suất cần được tối ưu hóa.

Tiến hành phân tích độ nhạy để xác định những thay đổi trong các biến thiết kế tác động như thế nào đến hàm mục tiêu.

Thực hiện phương pháp tối ưu:

Sử dụng các phương pháp tối ưu hóa, giới hạn như phương pháp dựa trên độ dốc, phương pháp tiến hóa hoặc tính toán tuyến tính của các phương pháp lập trình để tìm kiếm mức độ tối ưu của cấu trúc.

Quá trình tối ưu hóa lặp lại:

Sử dụng thuật toán tối ưu hóa đã chọn để cập nhật lặp lại các biến thiết kế nhằm cải thiện hàm mục tiêu Thực hiện kiểm tra hội tụ để đảm bảo quá trình tối ưu hóa ổn định.

Xử lý sau và xác nhận: Xem xét và giải thích các kết quả được tối ưu hóa, chẳng hạn như việc phân bổ vật liệu trong cấu trúc Xác nhận thiết kế được tối ưu hóa bằng cách sử dụng phán đoán kỹ thuật và phân tích sâu hơn.

Kiểm tra Tra và Kết quả Tối ưu:

Kiểm tra kết quả của mức tối ưu hóa và điều chỉnh các tham số nếu cần.

Liên kết tối ưu hóa để đảm bảo rằng cấu trúc đáp ứng được yêu cầu và buộc phải cài đặt.

Sàng lọc và cân nhắc thực tế:

Tinh chỉnh thiết kế dựa trên những cân nhắc thực tế, chẳng hạn như khả năng sản xuất, tính sẵn có của vật liệu và các hạn chế khác trong thế giới thực Kết hợp mọi ràng buộc bổ sung được xác định trong quá trình tối ưu hóa.

Triển khai và thử nghiệm:

Triển khai thiết kế được tối ưu hóa trong các nguyên mẫu vật lý hoặc trong môi trường thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD) Tiến hành thử nghiệm và xác nhận để đảm bảo hiệu suất thực tế phù hợp với kết quả dự đoán.

Cải tiến lặp đi lặp lại:

Tiếp tục tinh chỉnh và cải tiến thiết kế thông qua các lần lặp lại, xem xét phản hồi từ thử nghiệm vật lý và hiệu suất trong thế giới thực.

Quá trình tối ưu hóa cấu trúc liên kết là một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ trong cấu trúc thiết kế để tạo ra sản phẩm có hiệu suất và năng lượng tối ưu.

Phương pháp giả cứng (PRBM) [11]

"Pseudo-Rigid-Body Method" (PRBM) là một phương pháp trong cấu hình cơ sở dữ liệu và cấu hình cơ sở dữ liệu Nó được dùng để mô hình hóa cấu hình cơ sở, đặc biệt là các cấu hình cơ sở chuyển động linh hoạt như cấu hình cơ sở trong robot và các ứng dụng khác Phương pháp này giả định rằng cơ cấu mềm có thể được xem xét như một cơ cấu cứng ở trạng thái cụ thể, dù thực tế nó là mềm dẻo.

Dưới đây là một số điểm quan trọng về phương pháp giả cứng:

PRBM được thiết kế để mô hình hóa cơ cấu cứng mềm bằng cách giả sử cơ cấu mềm có một thân giả cứng, tức là một cơ cấu cứng với các liên kết và khung cứng mà cơ cấu mềm đặc trưng Thay vì mô hình hóa toàn bộ cơ cấu mềm, PRBM tập trung vào việc xác định và mô phỏng một thân giả cứng đặc trưng thay thế.

PRBM dựa trên giả định rằng trong một khoảng chuyển đổi nhỏ, cấu hình cơ sở có thể được xem xét như một cấu hình cơ sở với một số công cụ học thuộc tính.

Biểu diễn và mô hình hóa:

PRBM sử dụng các phương pháp đại số và hình học để mô hình hóa thân giả cứng.

Thân giả cứng thường được biểu diễn bằng các khung cứng và các đối tượng cơ học tương ứng, giả định cơ cấu mềm chủ thể tuân theo thân giả cứng này Các phương trình và các hệ số của chúng được xác định dựa trên các thông số và đặc tính cơ học của vật liệu cơ cấu mềm. Ứng dụng trong cơ học cơ cấu:

PRBM thường được sử dụng trong cơ học cơ cấu, đặc biệt là khi nghiên cứu cơ cấu cứng mềm, robot cứng mềm và các ứng dụng khác liên quan đến cơ cấu mềm.

Phương pháp này giúp giảm bớt độ phức tạp của mô hình, tạo ra mô hình đơn giản và dễ tính toán mà vẫn giữ được đặc điểm chính của cơ cấu mềm Từ đó cho phép mô hình hóa cơ cấu mềm một cách hiệu quả và tính toán được các thông số cơ học của nó. Ưu điểm và hạn chế:

52 Ưu điểm của PRBM bao gồm tính toán đơn giản hóa, hiệu quả về mặt tính toán, và khả năng mô phỏng độ linh hoạt của cơ cấu mềm

Tuy nhiên, hạn chế của nó có thể xuất hiện khi cơ cấu mềm có các thuộc tính đặc biệt không thể được mô hình hóa hoặc khi độ chính xác cao là yêu cầu Bên cạnh đóPRBM có thể bao gồm độ chính xác hạn chế trong các trường hợp biến động lớn và sự giảm chính xác khi cơ cấu mềm có các thuộc tính đặc biệt.

Phương pháp thân giả cứng PRBM là một công cụ quan trọng để nghiên cứu và mô phỏng cơ cấu cứng mềm trong lĩnh vực cơ học cơ cấu.

Phương pháp tối ưu hóa bề mặt (RSM)

Phương pháp Bề Mặt Phản Ứng (Response Surface Methodology - RSM) trong cơ cấu mềm thường được dùng để mô hình hóa và tối ưu hóa các biến độc lập ảnh hưởng đến các biến phụ thuộc trong các mô hình cơ cấu mềm hoặc trong quá trình thiết kế cơ cấu mềm Dưới đây là một số điểm quan trọng về ứng dụng của RSM trong lĩnh vực này [12]:

Trong thiết kế và vận hành các cơ chế, thường có một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất, chẳng hạn như kích thước của các bộ phận, vật liệu được sử dụng và các thông số vận hành RSM thường được áp dụng để tối ưu hóa các thông số của cơ cấu mềm, chẳng hạn như kích thước, hình dạng, hoặc vật liệu, để đạt được mục tiêu cụ thể như tăng độ cứng, giảm trọng lượng, hay tối ưu hóa hiệu suất.

RSM sử dụng một phương pháp thiết kế thực nghiệm thông minh để thu thập dữ liệu cần thiết cho mô hình hóa và tối ưu hóa.

Thông thường, một lưới thử nghiệm được thiết kế để bao gồm các điểm thử nghiệm dọc theo các chiều của biến độc lập để nắm bắt quan hệ phức tạp giữa biến độc lập và biến phụ thuộc.

Các biến phản hồi trong bối cảnh cơ chế có thể là các đặc tính cơ học như lực, mô- men xoắn, tốc độ, độ chính xác hoặc hiệu suất Đây là những thông số mà các kỹ sư và nhà thiết kế hướng tới tối ưu hóa.

Xây dựng mô hình bề mặt phản ứng:

Dữ liệu thu thập từ các thử nghiệm được sử dụng để xây dựng mô hình bề mặt phản ứng, thường là một hàm toán học đa thức bậc cao Mô hình này biểu diễn quan hệ phức tạp giữa các biến độc lập và biến phụ thuộc.

Sau khi có mô hình, RSM được sử dụng để tối ưu hóa các biến độc lập để đạt được giá trị tối ưu của biến phụ thuộc Quy trình này giúp hiểu rõ tác động của các yếu tố khác nhau đối với hiệu suất của cơ cấu mềm.

RSM cho phép phân tích mức độ nhạy của hiệu suất cơ chế đối với những thay đổi của các yếu tố khác nhau Thông tin này có giá trị để xác định các thông số thiết kế quan trọng.

RSM có thể được sử dụng để làm cho các hệ thống cơ khí trở nên mạnh mẽ hơn bằng cách xác định các yếu tố và cài đặt giúp giảm thiểu sự thay đổi về hiệu suất Điều này rất quan trọng để đảm bảo hoạt động nhất quán trong điều kiện thực tế.

Ngoài việc tối ưu hóa hiệu suất, RSM cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu tính bền vững của cơ chế chống lại lỗi Bằng cách khám phá không gian thiết kế, các kỹ sư có thể xác định các yếu tố góp phần gây ra các dạng lỗi và phát triển các chiến lược để giảm thiểu chúng.

Kiểm tra và xác nhận:

Sau khi có giải pháp tối ưu, kiểm tra và xác nhận trên thực tế được thực hiện để đảm bảo rằng giải pháp tối ưu đáp ứng yêu cầu và ràng buộc thực tế.

Tóm lại, phương pháp tối ưu hóa bề mặt là một công cụ mạnh mẽ để tối ưu hóa và phân tích hiệu suất của các hệ thống và cơ chế cơ khí Bằng cách khám phá một cách có hệ thống không gian nhân tố và xây dựng các mô hình toán học, các kỹ sư có thể đưa ra quyết định sáng suốt để nâng cao hiệu quả, độ tin cậy và độ bền của các thiết kế cơ khí. Đây là một công cụ quan trọng giúp cải thiện hiệu suất và thiết kế của cơ cấu mềm thông qua quá trình thực nghiệm và mô hình hóa phức tạp Nó đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cơ học cơ cấu, nguyên lý máy móc, và robot học.

CƠ CẤU MỀM ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC

Giới thiệu về cơ cấu ứng dụng trong hệ thống định vị chính xác

Bộ khuếch đại ứng dụng cơ cấu đòn bẩy nhằm mục đích mở rộng độ chuyển dịch của các tầng thông qua tỉ lệ cánh tay đòn như hình 1 Hình 2 mô tả cơ chế của cơ cấu đòn bẩy Cụ thể là điểm O là một điểm cố định, đại diện cho điểm xoay quanh Ngoài ra, lần lượt với vị trí đầu vào và đầu ra được chú thích tương ứng là P và Q Nguyên lý hoạt động của cơ cấu là: (i) độ dịch chuyển đầu vào y1 tác động vào điểm M làm đòn bẩy quay một góc φ [8] Tuy nhiên phải thiết kế bộ định vị có các cặp đòn bẩy đối xứng nhau để tránh hiện tượng điểm chuyển vị đầu ra bị lệch theo hướng không mong muốn.

Hình 4.1; 4.2: Minh họa về cơ cấu đòn bẩy [8]

Có nhiều loại khớp mềm đã được trình bày ở chương 2 Để đạt được sự đa dạng khớp trong một cơ cấu, vì vậy lựa chọn 4 loại khớp mềm là khớp elip, khớp tròn, khớp chữ

V khớp lá với những ưu điểm về sự thích hợp cho cơ cấu mềm một bậc tự do và quá trình thiết kế hay gia công cũng dễ dàng hơn so với các loại khác

Trong quá trình thiết kế, cần chú ý đến các kích thước quan trọng của từng loại khớp Với khớp cầu được biểu diễn như hình 3 có r là bán kính hình cầu, bề dày khớp t kc theo phương Ox và bề dày khớp bc theo phương Oy Đối với khớp elip ở hình 4, các kích thước a, b và l dùng để biểu diễn một nửa hình elip, bề dày khớp theo phương Ox là tke và theo phương Oy là be Còn khớp lá, cần lưu ý đến chiều dài l, bề dày khớp theo phương Ox tkl và bề dày khớp theo phương Oy bl Đối với khớp chữ V, t v là bề dày khớp theo phương

Ox và bvlà bề dày khớp theo phương Oy Bên cạnh đó, các kích thước bề dày theo phương

Ox sẽ được dùng để áp dụng các phương pháp tối ưu hóa (RSM) nhằm tìm ra được giá trị kích thước mà tại đó cơ cấu đạt được hệ số khuếch đại cao nhất mong muốn nhằm đảm bảo điều kiện đã đặt ra từ đầu

Vật liệu dùng để chế tạo và thực nghiệm là Nhôm 7075 (Al 7075) có các thông số kỹ thuật như bảng 4.1

Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của Nhôm 7075

Tên Giá trị Đơn vị

Poisson’s Ratio 0.33 /Tensile Yield Strength 503 MPaCác giá trị này được nhập vào phần mềm Ansys Workbench, mục Engineering Data tại thẻ Static Structural như hình 4.7 Trong đó các giá trị của Bulk Modulus và Shear Modulus được phần mềm tự động tính toán dựa trên các giá trị đã nhập ở hình 4.8.

Hình 4.7: Vị trí của mục Engineering Data trong phần mềm Ansys Workbench

Hình 4.8: Bảng giá trị thông số kỹ thuật của Al 7075

Thiết kế cơ cấu mềm

Sử dụng phần mềm Autocad để thiết kế với các giá trị kích thước như trong bảng 4.2 Các khớp mềm được sử dụng là khớp elip, khớp cầu và khớp lá

Hình 4.9: Thiết kế cơ cấu mềm phương án 1

Bảng 4.2: Giá trị kích thước của cơ cấu mềm

Ký hiệu Giá trị Ký hiệu Giá trị Đơn vị a 340 l 6.2 mm b 205 m 10 mm c 190 n 13 mm d 124 o 13 mm e 104 p 15 mm f 35 T 0.75 ≤ T ≤ 0.8 mm g 35 U 0.65 ≤ U ≤ 0.75 mm h 20 V 0.55 ≤ V ≤ 0.65 mm i 50 W 0.5 ≤ W≤ 0.55 mm j 86 X 0.5 ≤ X ≤ 0.55 mm k 70 Y 0.5 ≤ Y ≤ 0.55 mm

59 Ứng với các giá trị kích thước trên, xây dựng thiết kế bằng phần mềm Inventor 2023 và lưu dưới dạng file có định dạng đuôi “.igs” để thêm vào phần mềm ANSYS WORKBENCH R19.2 mô phỏng.

Hình 4.10: Dựng bản thiết kế trên phần mềm Inventor 2023

Hình 4.11: Sơ đồ phân tích chuyển động của phương án 1

Sử dụng phần mềm Autocad để thiết kế với các giá trị kích thước như trong bảng 4.3 Các khớp mềm được sử dụng là khớp V và khớp lá.

Hình 4.12: Thiết kế cơ cấu mềm phương án 2 Bảng 4.3: Giá trị các kích thước của cơ cấu mềm

Ký hiệu Giá trị Ký hiệu Giá trị Đơn vị a 350 X1 0.80 ≤ X1 ≤ 0.85 mm b 270 X2 0.75 ≤ X2 ≤ 0.80 mm c 280 X3 0.70 ≤ X3 ≤ 0.75 mm d 265 X4 0.65 ≤ X4 ≤ 0.70 mm e 28 X5 0.60 ≤ X5 ≤ 0.65 mm f 14 X6 0.55 ≤ X6 ≤ 0.60 mm g 28 X7 0.55 ≤ X7 ≤ 0.60 mm h 24 X8 0.75 ≤ X8 ≤ 0.80 mm i 20 X9 0.7 ≤ X9 ≤ 0.75 mm

62 k 18 m 13 mm l 15 n 42 mm Ứng với các giá trị kích thước trên, xây dựng thiết kế bằng phần mềm Inventor 2023 và lưu dưới dạng file có định dạng đuôi “.igs” để thêm vào phần mềm ANSYS WORKBENCH R19.2 mô phỏng.

Hình 4.13: Dựng bản thiết kế trên phần mềm Inventor 2023

Hình 4.14: Sơ đồ phân tích chuyển động của phương án 2

4.2.3 So sánh và lựa chọn phương án

Bản thiết kế 3D sẽ được dựng trên phần mềm Inventor rồi lưu lại dưới dạng đuôi file “.igs” để đánh giá nhanh kết quả mô phỏng chuyển vị Điều đặc biệt ở Ansys Workbench sẽ cho phép làm điều này bằng lựa chọn “Browse” như hình 4.15.

Hình 4.15: Vị trí của tab “Browse” để thêm file từ phần mềm khác

Tiếp tục với quá trình này, mở tab Model ở thẻ Static Structural để đến với môi trường mô phỏng Ý nghĩa của từng mục ở tab Outline như đã trình bày ở mục 2.5 chương

II Gán vật liệu cho cơ cấu là Al 7075 (Nhôm 7075) (hình 4.17) Giá trị Element Size của mục Mesh sẽ được nhập vào là 3000 àm để chia lưới, toàn bộ cơ cấu sẽ được gỏn là Automatic Method và các khớp mềm được gán là Refinement (hình 4.20) Dùng mục Fixed Support để cố định vị trí các lỗ bậc như trong thực tế (hình 4.21) Chọn mặt phẳng áp dụng khoảng chuyển vị đầu vào là 50 àm ở mục Displacement và Deformation Probe cú nhiệm vụ thể hiện khoảng chuyển vị đầu ra (hình 4.22; 4.23) Sau khi bấm Solve thì phần mềm sẽ tính toán và cho ra kết quả ở các mục Total Deformation, Equivalent Stress và các mục khác ở folder Solution (hình 4.24) Ở đây cần lưu ý đến kết quả của Safety factor và Deformation Probe để đánh giá kết quả về hệ số an toàn (>1.8)

Hình 4.16: Giao diện môi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise]

Hình 4.17: Gán vật liệu cho cơ cấu

Hình 4.18: Giá trị Element Size

Hình 4.19: Lựa chọn body để Automatic Method

Hình 4.20: Lựa chọn các mặt để Refinement

Hình 4.21: Cố định vị trí cơ cấu trong không gian bởi các lỗ bậc

Hình 4.22: Lựa chọn mặt phẳng và nhập giá trị chuyển vị đầu vào

Hình 4.23: Lựa chọn mặt phẳng để đo chuyển vị đầu ra phương án 1

Hình 4.24: Các kết quả sẽ được thể hiện ở tab Solution (A6)

Hình 2.45: Ứng suất của kết cấu

Hình 4.25: Kết quả phân tích phương án 2

Sau khi phân tích chuyển vị trên phần mềm ANSYS WORKBENCH, thu được bảng kết quả:

Bảng 4.4: So sánh hai phương án

Chuyển vị đầu vào (àm)

Chuyển vị đầu ra (àm)

Hệ số an toàn Phương án 1 340 x 205 50 1593.4 31.86 2.1216

Qua các giá trị ở bảng 4.4 có thể đánh giá được phương án 1 có nhiều điểm tối ưu hơn, bên cạnh đó cũng đáp ứng được mục tiên đã đặt ra từ đầu Vì vậy, lựa chọn phương án 1 để tiếp tục nghiên cứu và áp dụng các phương pháp khác ở mục 4.3 và 4.4.

Áp dụng phương áp Topology cho bản thiết kế

Khai thác tính năng Topology trong phần mềm Ansys Workbench để giảm đi phần khối lượng thừa của cơ cấu sau khi phân tích trong môi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise] Mục đích để tối ưu hóa các vấn đề về kỹ thuật nhất có thể, cụ thể giảm đi những phần vật liệu thừa không chịu tải hay có tải rất ít Trong giao diện của phần mềm, thả tab Topology Optimization vào mục Solution của tab Static Structural để liên kết các giá trị hay kết quả đã tính toán khác trong tab này (hình 4.26) Nhưng cần lưu ý rằng

71 để có thể thiết kế lại kết quả của phương pháp Topology cần 1 mô hình 3D được dựng trên chính phần mềm Ansys, phần này sẽ được trình bày rõ hơn ở mục 4.4 của bài nghiên cứu này.

Hình 4.26: Vị trí của Topology Optimization

Hình 4.27: Liên kết giữa Static Structural và Topology Optimization

Sau khi liên kết có sự yêu cầu Update hiển thị bởi 2 mũi tên xanh ở mục Setup Giao diện của mục này tương tự như Model của Static Structural Hiển nhiên sau khi liên kết 2 tab, các bước đã thực hiện ở 4.2.3 trong bài này không cần thực hiện lại Ở môi trường này có thêm những tính năng cần thiết (hình 4.28) Cần lưu ý đến mục Response và Percent to Retain, đối tượng là Mass và giá trị giữ lại sau khi giảm đi sẽ được cho là 60% (hình 4.29) Nhấn Solve để kết thúc quá trình chuẩn bị và thu kết quả về hình dáng (hình 4.30).

Hình 4.28: Các lựa chọn của Topology

Hình 4.29: Đối tượng hiệu chỉnh của Topology

Hình 4.30: Kết quả của phương pháp Topology

Sau quá trình Topology, phần mềm đã tự động bỏ đi những phần vật liệu thừa như ở điểm cuối của các đòn bẩy, khối vật liệu để đo vị trí chuyển vị và phần khung xung quanh cơ cấu Nhìn chung về biên dạng có những góc cạnh không mang tính thẩm mỹ cao, có những vị trí lồi lõm khác nhau gây khó khăn cho quá trình cắt dây như đã đề cập phương pháp chế tạo ban đầu Để thực tiễn hóa cơ cấu và mang tính khả thi trong vấn đề về gia công chế tạo cần thiết kế lại kết quả này Cụ thể xem xét giữ lại phần khung xung quanh của cơ cấu, các điểm cuối của đòn bẩy được cắt gọt mang tính thẩm mỹ hơn và khối vật liệu đầu ra sẽ được thiết kế mang tính cứng vững hơn Để có thể khai thác lại kết quả của tab Topology Optimization, sử dụng chức năng Transfer to Design Validation System (1) sẽ tạo ra một tab mới (2) có các chức năng của Static Structural Tạo môi trường SpaceClaim từ mục Geometry của tab Model-Static Structural sau khi nhấn Update Results từ thẻ trước.

Hình 4.31: Các bước để tái thiết kế dựa trên kết quả của Topology

Môi trường SpaceClaim đầy đủ các tính năng như các phần mềm 2D khác Đầu tiên cần dựng lại nửa bên của bản thiết kế ban đầu (hình 4.32), sau đó tùy chỉnh lại thiết kế, vùng màu hồng nhạt là bản thiết kế ban đầu còn vùng màu xám nhạt là kết quả của phương pháp Topology (hình 4.33) Dùng lệnh Pull (hình 4.34) để dựng khối và Mirror để hoàn chỉnh bản tái thiết kế Để xác nhận lại kết quả, vào Model của tab Model-Static Structural để tiến hành mô phỏng lại như các bước ở tab Static Structural (hình ).

Hình 4.32: Dựng lại nửa bên bản thiết kế ban đầu

Hình 4.33: Thiết kế lại một số vị trí phù hợp hơn

Hình 4.34: Dựng khối và mirror qua mặt YOZ để hoàn chỉnh bản thiết kế

Hình 4.35; 4.36: Mô phỏng chuyển vị trong môi trường Model-Static Structural – Mechanical

Bảng 4.5: So sánh kết quả trước và sau khi áp dụng phương pháp Topology

Chuyển vị đầu vào (àm)

Chuyển vị đầu ra (àm)

Hệ số khuếch đại (lần)

Hệ số an toàn Ứng suất lớn nhất (MPa)

Nhận xét: Phương pháp Topology đã giúp cơ cấu giảm đi một phần khối lượng, qua bảng so sánh trên có thể rút ra được kết luận rằng phương pháp này ở trong bài nghiên cứu này mặc dù không giúp tăng hệ số khuếch đại hơn mà ngược lại hệ số an toàn của cơ cấu được tăng lên (13,33%) so với ban đầu Điều này cho thấy rằng đối với bản thiết kế lại, giá trị chuyển vị đầu vào có thể tác động vào cơ cấu cao hơn mà vẫn đảm bảo ngưỡng của cơ cấu (>1.8) Tuy nhiên bài nghiên cứu này hướng đến một cơ cấu có hệ số khuếch đại cao nên bản thiết kế ban đầu sẽ được giữ nguyên và lựa chọn để áp dụng các phương pháp tối ưu hóa sau này.

Tối ưu hóa thiết kế

4.4.1 Phương pháp Phần tử hữu hạn FEA – Finite Element Analysis

Phương pháp phần tử hữu hạn FEA được ứng dụng trong phần mềm Ansys Workbench dùng để xác định hệ số an toàn và chuyển vị đầu ra Điều này được thực hiện bởi khả năng chia lưới của một cơ cấu thành những phần tử nhỏ hơn nhưng vẫn đảm bảo tính chất ban đầu của chúng, phân tích mô phỏng chuyển động, đặt các điều kiện đầu vào và thu lại những kết quả đầu ra mong muốn Các bước mô phỏng và thu thập kết quả đã trình bày ở 4.2.3 (Phương án 1) nhưng có một điểm khác ngay từ bước đầu tiên phải xây dựng một mô hình 3D trên chính phần mềm Ansys Điều này là cần thiết vì kết quả mô phỏng trong môi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise] mang tính chính xác hơn so với việc sử dụng một file step Để thực hiện điều này, tạo một tab Geometry (hình 4.37) và thực hiện dựng mô hình 3D của cơ cấu với các lệnh vẽ đường thẳng, đường tròn hay elip với kích thước theo bảng 4.2 (hình 4.38).

Hình 4.37: Giao diện Geometry trong Ansys

Hình 4.38: Xây dựng thiết kế trên 2D Sketch với các kích thước đã được ẩn

Hình 4.39: Hoàn tất quá trình xây dựng mô hình 3D Để đạt được hiệu quả chia lưới tốt hơn, phương pháp Skewness và Orthogonal cũng được xem xét đến Kết quả từ phần mềm Ansys Workbench cho thấy giá trị trung bình của Mesh Metric khi áp dụng phương pháp Skewness và Orthogonal lần lượt là 0.53 và 0.47, dựa theo tiêu chuẩn quang phổ (hình 4.43) đều được đánh giá ở mức Good

Hình 4.40: Giá trị trung bình của Skewness và Orthogonal Quality

Hình 4.41: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Skewness

Hình 4.42: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Orthogonal

Hình 4.43: Tiêu chuẩn quang phổ mắt lưới hệ thống Skewness và Orthogonal [13]

4.4.2 Phương pháp Tối ưu hóa bề mặt RSM – Response Surface Method

Khái niệm về phương pháp tối ưu hóa bề mặt có thể được sử dụng để thiết lập mối quan hệ hàm số rõ ràng gần đúng giữa các biến ngẫu nhiên đầu vào và phản hồi đầu ra thông qua phân tích hồi quy và phân tích xác suất có thể được thực hiện [14] Khai thác tính năng này trong phần mềm với tab Response Surface Optimization được liên kết với các tab đã hoàn thành ở các bước trên (hình 4.44) Thực hiện việc gán biến đầu vào cho cơ cấu trong 2d Sketch theo các ký hiệu T, U, V, W, X, và Y (hình 4.45) như thiết kế ở mục 4.2.1 Ở đây, các biến ngẫu nhiên đầu vào được xác định là bế dày của các khớp mềm Sử dụng phương pháp Design of Experiment (DOE) được tích hợp trong phần mềm Ansys để xác định khoảng giá trị cho từng biến (hình 4.46) bằng cách nhập giá trị Lower và Upper như bảng 4.6.

Hình 4.44: Thêm phương pháp tối ưu hóa bề mặt RSM vào giao diện Ansys

Hình 4.45: Bảng Parameter Set chứa các biến đầu với ký hiệu và giá trị tương ứng

Hình 4.46: Nhập khoảng giá trị các biến Bảng 4.6: Giá trị Lower và Upper của các biến đầu vào

Lower Bound (mm) 0.75 0.65 0.55 0.5 0.5 0.5 Upper Bound (mm) 0.8 0.75 0.65 0.55 0.55 0.55

Bằng cách nhấn Update ở góc trái, phần mềm sẽ tự động đề xuất các giá trị của biến đầu vào theo khoảng giá trị đã cung cấp và sắp xếp để tạo ra các Design Point (hình 4.47) Mỗi Design Point này sẽ lần lượt được thay thế vào cơ cấu để mô phỏng, cho ra các kết quả biến đầu ra hay còn gọi là hàm mục tiêu là P7-Safety Factor Minimum và P8-Deformation Probe Maximum Y Axis Để đặt được các biến đầu ra trong phần Design of Experiment này, nhấn vào ô vuông để xuất hiện chữ P ở mỗi môi trường tương ứng (hình 4.48).

Hình 4.47: Các giá trị Design Point do phần mềm tự động cập nhật

Hình 4.48: Thiết lập biến đầu ra

Thông qua việc áp dụng phương pháp RSM trong quy trình tối ưu hóa, chỉ cần một khoảng thời gian ngắn để kiểm tra tất cả các biến liên quan đến đánh giá của người dùng, giúp giai đoạn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm hiệu quả hơn Ngoài ra, ước tính tham số có thể xác định các biến có ảnh hưởng lớn đến mô hình, sau đó giúp nhà nghiên cứu tập trung vào các biến cụ thể góp phần vào việc chấp nhận sản phẩm.[15] Bên cạnh đó phương pháp Kriging cũng được áp dụng để đạt được hiệu quả cao hơn Cuối cùng thu thập các kết quả RSM bằng mục Optimization trong tab Response Surface Optimization Sử dụng chức năng này để lựa chọn điểm Design Point mà tại đó các biến đầu ra đáp ứng được điều kiện đặt ra rằng hệ số an toàn lớn hơn 1.8 và giá trị chuyển vị theo phương Y tương ứng là cao nhất (hình 4.49)

Hình 4.49: Kiểu đáp ứng bề mặt-Kriging

Hình 4.50: Điều kiện ràng buộc

Hình 4.51: Kết quả tối ưu

Bảng 4.7: Kết quả tối ưu hóa

Tên biến Điểm 1 Điểm 2 Điểm 3

P7 – Safety Factor Minimum 2.10724 2.11006 2.10312 P8 – Deformation Probe Maximum Y Axis (àm) 1603.2 1603.04 1602.8

Nhìn vào kết quả ở bảng 4.7, nhìn chung giá trị chuyển vị P8 của các điểm 1,2 và 3 đều gần giống nhau nhưng ở điểm 2 lại có hệ số an toàn P7 là cao nhất (2.11006) Vì vậy lựa chọn các giá trị bề dày khớp ở điểm 2 để tiến hành gia công chế tạo và thực nghiệm

Hình 4.52: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến giá trị chuyển vị

Hình 4.55: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến hệ số an toàn

Sau khi lựa chọn được giá trị biến đầu vào mà tại đó các hàm mục tiêu đạt được sự tối ưu nhất, đưa các giá trị biến đầu vào này (được xem như một Design Point, hình 4.56; 4.57) vào mô hình 3D để xây dựng lại và kiểm nghiệm bằng mô phỏng FEA Mô phỏng nhanh bằng cách Set as Current để thay đổi các Dimension, vào môi trường Static Structural thu lại kết quả như bảng 4.8.

Hình 4.56; 4.57: Chạy lại biến đưa ra kết quả tối ưu nhất

Hình 4.58; 4.59: Kết quả mô phỏng lại FEA Bảng 4.8: Kiểm nghiệm lại bằng FEA

Chuyển vị đầu ra (àm)

Sai số của giá trị chuyển vị đầu ra là 0.56% Sai số của hệ số an toàn là 0.26%

91 Ứng với giỏ trị chuyển vị đầu vào là 50 àm, hệ số an toàn của cơ cấu chưa chạm đến mức giới hạn nhỏ nhất đã đặt ra là 1.8 Tiếp tục thực hiện việc tìm ra giá trị Displacement max có thể tác dụng lên cơ cấu nhờ vào tính năng Design of Experiment (hình 4.60) Các kết quả thu được thể hiện ở bảng 4.9.

Hình 4.60: Design of Experiment Bảng 4.9: Kết quả hệ số an toàn ứng với các giá trị chuyển vị đầu vào khác nhau

P9 - Deformation Probe Maximum Y Axis (àm)

Qua bảng giá trị này có thể kết luận được giá trị Displacement max có thể tác dụng vào cơ cấu là 60 àm ứng với hệ số an toàn là 1.8035.

CƠ CẤU MỀM ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG 92

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu và các sai số xuất hiện khi gia công

5.1.1 Quá trình cắt gọt trên máy công cụ truyền thống và CNC [16]

Gia công cắt gọt là phương pháp cắt bỏ một phần vật liệu từ phôi ban đầu đến khi sản phẩm đạt được hình dạng theo mong muốn Về cơ bản, nguyên lý của quá trình cắt gọt là sử dụng dụng cụ cắt bằng vật liệu cứng hơn vật liệu của chi tiết gia công tác dụng vào chi tiết gia công để tách rời vật liệu trên chi tiết này Phương pháp gia công cắt gọt rất đa dạng, phổ biến nhất là: khoan, khoét, doa, tiện, phay, bào, mài, cưa, tarô Các phương pháp gia công cắt gọt khác nhau sử dụng máy và dụng cụ cắt khác nhau để tạo hình theo nhiều dạng phong phú Tuy nhiên bản chất của mọi phương pháp gia công cắt gọt đều là bóc tách phoi ra khỏi chi tiết gia công Trong các chuyển động tạo hình của máy công cụ, có thể dễ dàng nhận thấy chuyển động ảnh hưởng lớn nhất đến độ chính xác của sản phẩm chính là chuyển động chạy dao Do đó có thể nhận ra vai trò quan trọng của cơ cấu chạy dao – là bộ phận cung cấp chuyển động chạy dao cho máy công cụ.

Trong máy công cụ truyền thống, chuyển động chạy dao được cung cấp từ nguồn dẫn động là động cơ điện Chuyển động quay được truyền tới bàn máy hoặc bàn xa dao thông qua các bộ truyền bánh răng rồi cuối cùng biến chuyển động quay thông qua chuyển động tịnh tiến thông qua cơ cấu vít me – đai ốc thông thường.

Trong máy công cụ CNC, chuyển động tịnh tiến của bàn máy hoặc bàn xa dao được nhập trước trong chương trình điều khiển, từ đó tín hiệu được truyền tới động cơ servo để cung cấp chuyển động quay Thông qua cơ cấu vít me – đai ốc bi, chuyển động quay được biến đổi thành chuyển động tịnh tiến với khe hở trong bộ truyền đượctối thiểu hóa Ngoài ra, với các hệ thống đo và phản hồi tín hiệu, chuyển động của bàn máy hoặc bàn xa dao được đảm bảo có độ chính xác cao hơn rất nhiều so với trong cơ cấu chạy dao của máy công cụ truyền thống.

5.1.2 Các nguồn sai số khi gia công

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác vị trí của dụng cụ cắt Trong số các yếu tố này, sai số hình học của máy công cụ và tác động nhiệt lên các trục máy công cụ là những yếu tố chính Ngoài ra, độ phân giải và độ chính xác của hệ thống đường dịch chuyển, biến dạng đàn hồi của các chi tiết dẫn động, lực quán tính khi hãm, tăng tốc, ma sát, hệ thống điều khiển servo, lực cắt và rung động cũng góp phần tạo ra sai số Đối với máy có nhiều trục, sai số không chỉ xuất hiện dọc theo trục mà còn bao gồm sai số độ nghiêng, độ lắc, sai số hướng tâm và sai số vị trí trong không gian làm việc của máy Tải trọng làm việc tĩnh và khối lượng của chi tiết gia công cũng gây biến dạng cho chi tiết và tác động đến sai số vị trí trên máy công cụ

Nói chung, máy CNC có các nguồn gây ra sai số sau đây:

- Sai số hình học của các chi tiết và kết cấu máy: Đây là sai số xuất phát từ khả năng không hoàn hảo của các chi tiết cơ khí và cấu trúc máy Các yếu tố như độ chính xác trong gia công, độ bền của vật liệu, và độ chính xác trong lắp ráp đều ảnh hưởng đến sai số này

- Sai số do giãn nở nhiệt: Sự biến dạng của các chi tiết máy do tác động của nhiệt độ Khi máy hoạt động, nhiệt độ tăng lên và làm thay đổi kích thước của các chi tiết, gây ra sai số vị trí

- Ma sát trong hệ thống dẫn động: Ma sát giữa các bộ phận dẫn động (ví dụ: trục vít, bạc đạn) cũng gây ra sai số trong vị trí của dụng cụ cắt

- Sai số do lực cắt: Lực cắt tác động lên dụng cụ cắt và làm biến dạng vị trí của nó

- Hệ thống điều khiển servo: Sai số trong hệ thống điều khiển servo ảnh hưởng đến độ chính xác của vị trí dụng cụ cắt

- Dao động ngẫu nhiên: Dao động không mong muốn trong quá trình gia công cũng gây ra sai số

Ngoài ra, còn có các nguồn sai số khác như:

- Sai số do biến dạng đàn hồi: Các chi tiết máy có thể biến dạng do lực tác động và tạo ra sai số vị trí

- Sai số chạy không: Đây là sai số xuất phát từ sự không ổn định trong quá trình chạy máy

- Sai số vị trí đồ gá: Các bộ phận đồ gá (ví dụ: đế đồ gá) cũng có thể gây ra sai số vị trí

- Sai số do mòn dao: Việc dụng cụ cắt bị mài mòn cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của gia công

Từ các sai số trên, có thể thấy bộ truyền vít me – đai ốc bi tuy ưu điểm hơn rất nhiều so với bộ truyền vít me – đai ốc truyền thống nhưng vẫn có rất nhiều sai số, chủ yếu là do các sai số chế tạo, lắp ráp Do đó, trong các cơ cấu ăn dao, bộ phận di chuyển bàn máy trên các máy CNC phải sử dụng phương pháp bù trừ để hạn chế các sai số này Tuy nhiên do sai số phụ thuộc vào quá nhiều yếu tố nên độ chính xác gia công vẫn không thể đảm bảo, khó dự đoán được chất lượng sản phẩm

Trong quá trình gia công cắt gọt, cơ cấu ăn dao đóng góp phần quan trọng trong việc hình thành và đảm bảo độ chính xác Tuy nhiên, vì những sai số cơ bản không thể khắc phục của các khớp nối truyền thống, cơ cấu ăn dao trên các máy công cụ hiện nay vẫn chưa thể đạt độ chính xác dưới mức μm Kể cả trên các máy CNC hiện đại vẫn không thể tránh khỏi tình trạng này Độ phân giải chuyển động của cơ cấu ăn dao trên máy CNC có thể đạt đến 1μm, tuy nhiên độ chính xác gia công lại không phải là giá trị này Do nhiều

94 yếu tố tác động, độ chính xác của máy công cụ thường cao hơn độ phân giải của cơ cấu ăn dao nhiều lần.

Thiết kế cơ cấu mềm ăn dao

Vật liệu dùng để chế tạo và thực nghiệm là Nhôm 7075 (Al 7075)

Các bước mô phỏng để lấy giá trị tần số cũng được thực hiện tương tự cơ cấu mềm định vị 1 bậc tự do đã trình bày ở trên.

Sử dụng phần mềm Autocad để thiết kế với các giá trị kích thước như trong bảng 5.1 Các khớp mềm được sử dụng là khớp elip, khớp cầu

Bảng 5.1: Giá trị kích thước của cơ cấu mềm

Ký hiệu Giá trị Ký hiệu Giá trị Đơn vị a 74 i 4 mm b 53.6 j 3.6 mm c 26 k 3 mm d 20 l 9.8 mm e 8 m 11 mm f 8 S 0.675 ≤ S ≤ 0.725 mm g 6 T 0.675 ≤ T ≤0.725 mm h 5 U 0.75 ≤ U ≤ 0.8 mm

Hình 5.1: Thiết kế cơ cấu ăn dao

95 Ứng với các giá trị kích thước trên, xây dựng thiết kế bằng phần mềm Inventor

2023 và lưu dưới dạng file có định dạng đuôi “.igs” để thêm vào phần mềm ANSYS WORKBENCH R19.2 mô phỏng.

Hình 5.2: Dựng bản thiết kế trên phần mềm Inventor 2023

Hình 5.3: Sơ đồ phân tích chuyển động

Xây dựng phương trình toán bằng phương pháp giả cứng

Hình 5.4: Chuyển vị vào và ra của cơ cấu

Hình 5.5: Sơ đồ động học

Hình 5.6: Sơ đồ giả cứng

Bảng 5.2: Các thông số cho phương trình giả cứng

Khối lượng (kg) m1 0.005058 m2 0.002423625 m3 0.00408012 m4 0.002529 ma 0.001192866 mb 0.001014635

Chiều dài các tầng (mm)

Trong công thức trên, mi là khối lượng, Hi là chiều dài và φ 𝑗 (i = 1, 2 6, 7), (j 1, 2, 3, 4) chính là góc quay của các khâu cứng Độ cứng xoắn của khớp hình cầu (KC) được biểu diễn trong phương trình (6) Độ cứng xoắn của khớp hình elip (KE) được mô tả trong phương trình (7) Mômen quán tính của các liên kết cứng (Ij) được biểu diễn trong phương trình (9)

Trong hình 5.5, động năng của từng tầng được xác định bởi:

Sử dụng phương trình (6), (8), động năng của từng phần cứng được tính như sau:

(11) Trong hình 5.5, năng lượng đàn hồi của từng tầng được xác định như sau:

Năng lượng đàn hồi đạt được dựa trên sự biến dạng của các khớp elip, khớp tròn:

Góc quay và tốc độ góc của các khớp được ký hiệu (φ 𝑗 , φ̇ ) Quan hệ giữa các góc 𝑗 quay được xác định bởi:

Bằng cách tác dụng lực vào Fin, công được xác định là:

Xét theo W = EV, lực đầu vào và chuyển vị đầu vào hình thành mối quan hệ như sau:

Nếu độ cứng đầu vào của các tầng (Kin = Fin/din) chia cả hai bên chod in 2 thì độ cứng được xác định như sau:

Trong cấu trúc của cơ cấu mềm, động năng (Ek) và năng lượng đàn hồi (Ev) có thể được truyền đi Hai năng lượng này được tập hợp thành hàm Lagrange dưới dạng L = Ek − Ev

(21) Phương trình chuyển động có thể được định nghĩa như sau:

Tần số tự nhiên đầu tiên của bộ định vị được xác định theo phương trình sau:

Phân tích bằng phần mềm ANSYS WORKBENCH

Bản thiết kế 3D sẽ được dựng trên phần mềm Inventor rồi lưu lại dưới dạng đuôi file “.igs” để đánh giá nhanh kết quả mô phỏng chuyển vị, tần số Điều đặc biệt ở Ansys Workbench sẽ cho phép làm điều này bằng lựa chọn “Browse” như hình 5.6

Hình 5.7: Vị trí của tab “Browse” để thêm file từ phần mềm khác

Quá trình thêm mô hình, vật liệu, chia lưới, gắn điều kiện sẽ được làm tương tự như cơ cấu định vị 1 bậc tự do.

Hình 5.8: Giao diện môi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise]

Hình 5.9: Gán vật liệu cho cơ cấu

Hình 5.10: Giá trị Element Size

Hình 5.11: Lựa chọn body để Automatic Method

Hình 5.12: Lựa chọn các mặt để Refinement

Hình 5.13: Cố định vị trí cơ cấu trong không gian bởi các lỗ bậc

Hình 5.14: Lựa chọn mặt phẳng và nhập giá trị chuyển vị đầu vào

Hình 5.15: Lựa chọn mặt phẳng để đo chuyển vị đầu ra

Hình 5.16: Kết quả giá trị hệ số an toàn

Hình 5.17: Các kết quả sẽ được thể hiện ở tab Solution (A6) Để phân tích được tần số tự nhiên của cơ cấu ta sẽ dùng hệ thống phân tích Modal Hai đường gạch nối giữa 2 hệ thống phân tích chính là sự kết nối về dữ liệu hình học và dữ liệu kỹ thuật của chi tiết Khi liên kết như vậy nếu chúng ta sửa các dữ liệu ở hệ thống Static Structural thì các dữ liệu đấy ở hệ thống Modal sẽ được sửa theo Nhờ vậy sẽ tiết kiệm thời gian và công sức Các bước gắn vật liệu, chia lưới, gắn điều kiện bộ phận cố định sẽ được làm tương tự như cơ cấu định vị 1 bậc tự do (vì là hằng số tự nhiên nên sẽ không có chuyển vị đầu vào).

Hình 5.18: Cách thêm hệ thống Modal vào môi trường Ansys Workbench

Hình 5.19: Giao diện môi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise]

Hình 5.20: Kết quả tần số tự nhiên

Hình 5.21: Tập trung ứng suất của kết cấu

Sau khi phân tích chuyển vị trên phần mềm ANSYS WORKBENCH, thu được kết quả:

Chuyển vị đầu vào (àm)

Chuyển vị đầu ra (àm)

Tần số tự nhiên (Hz) Ứng suất max (Mpa)

Như vậy, tần số tự nhiên khi tính toán bằng phương pháp giả cứng chênh lệch 8.71% so với phương pháp phân tích FEA

Tối ưu hóa cơ cấu mềm

5.5.1 Phương pháp Tối ưu hóa bề mặt RSM – Response Surface Method

Phương pháp phần tử hữu hạn FEA được dùng trong phần mềm Ansys Workbench dùng để xác định chuyển vị đầu ra và hệ số an toàn Điều này được thực hiện bởi khả năng chia lưới của một cơ cấu thành những phần tử nhỏ hơn nhưng vẫn đảm bảo tính chất ban đầu của chúng và phân tích mô phỏng chuyển động Các bước mô phỏng và thu thập kết quả đã trình bày ở 5.4 nhưng có một điểm khác ngay từ bước đầu tiên phải xây dựng một mô hình 3D trên chính phần mềm Ansys Điều này là cần thiết vì kết quả mô phỏng trong môi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise] mang tính chính xác hơn so với việc sử dụng một file step Để thực hiện điều này, tạo một tab Geometry và thực hiện dựng mô hình 3D của cơ cấu với các lệnh vẽ đường thẳng, đường tròn hay elip với kích thước theo bảng 5.1 (hình 5.20)

Hình 5.21: Xây dựng thiết kế trên 2D Sketch

Hình 5.22: Đặt tên các biến khe hở khớp

Hình 5.23: Hoàn tất quá trình xây dựng mô hình 3D Để đạt được hiệu quả chia lưới tốt hơn, phương pháp Skewness và Orthogonal cũng được xem xét đến Kết quả từ phần mềm Ansys Workbench cho thấy giá trị trung bình của Mesh Metric khi áp dụng phương pháp Skewness và Orthogonal lần lượt là 0.40 và 0.59, dựa theo tiêu chuẩn quang phổ (hình…) đều được đánh giá ở mức Good

Hình 5.24: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Skewness

Hình 5.25: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Orthogonal

Hình 5.26: Tiêu chuẩn quang phổ mắt lưới hệ thống Skewness và Orthogonal

Hình 5.27: Thêm phương pháp tối ưu hóa bề mặt RSM vào giao diện Ansys

Tiến hành gán biến cho các biến đầu ra

Hình 5.28: Thiết lập biến đầu ra

Hình 5.29: Bảng Parameter Set chứa các biến đầu vào với ký hiệu và giá trị tương ứng

Hình 5.30: Nhập khoảng giá trị các biến

Bảng 5.4 Giá trị Lower và Upper của các biến đầu vào

Lower Bound (mm) 0.675 0.675 0.75 0.8 Upper Bound (mm) 0.75 0.75 0.85 0.1

Bằng cách nhấn Update ở góc trái, phần mềm sẽ tự động đề xuất các giá trị của biến đầu vào theo khoảng giá trị đã cung cấp và sắp xếp để tạo ra các Design Point

(hình…) Mỗi Design Point này sẽ lần lượt được thay thế vào cơ cấu để mô phỏng, cho ra các kết quả biến đầu ra hay còn gọi là hàm mục tiêu là P5-Safety Factor Minimum, P6- Deformation Probe Maximum Y Axis và P7-Total Deformation Reported Frequency Để đặt được các biến đầu ra trong phần Design of Experiment này, nhấn vào ô vuông để xuất hiện chữ P ở mỗi môi trường tương ứng (hình…)

Hình 5.31: Các giá trị Design Point do phần mềm tự động cập nhật

Thông qua việc áp dụng phương pháp RSM trong quy trình tối ưu hóa, chỉ cần một khoảng thời gian ngắn để kiểm tra tất cả các biến liên quan đến đánh giá của người dùng, giúp giai đoạn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm hiệu quả hơn Ngoài ra, ước tính tham số có thể xác định các biến có ảnh hưởng lớn đến mô hình, sau đó giúp nhà nghiên cứu tập trung vào các biến cụ thể góp phần vào việc chấp nhận sản phẩm.[15] Cuối cùng thu thập các kết quả RSM bằng mục Optimization trong tab Response Surface Optimization Sử dụng chức năng này để lựa chọn điểm Design Point mà tại đó các biến đầu ra đáp ứng được

117 điều kiện đặt ra rằng hệ số an toàn lớn hơn 1.8 và giá trị chuyển vị theo phương Y thấp nhất là 150 um và Tần số tự nhiên là cao nhất (hình 5.34)

Hình 5.32: Kiểu đáp ứng bề mặt-Kriging

Hình 5.33: Điều kiện Tối ưu hóa

Hình 5.34: Kết quả tối ưu hóa

Bảng 5.5: Kết quả tối ưu hóa

Tên biến Điểm 1 Điểm 2 Điểm 3

P6 - Deformation Probe Maximum Y Axis (um) 150.0025 150.0022 150.0112

P7 - Total Deformation Reported Frequency (Hz) 1977 1976 1970

Nhìn vào kết quả ở bảng 5.5, nhìn chung các giá trị của các điểm 1,2 và 3 không chênh lệch nhiều nhưng ở điểm 1 lại có tần số cao nhất (1977) Vì vậy lựa chọn các giá trị bề dày khớp ở điểm 1 để đại diện so sánh với phương pháp tối ưu hóa qua phương trình giả cứng

Hình 5.35: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến giá trị chuyển vị

Hình 5.36: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến tần số tự nhiên

Hình 5.37: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến hệ số an toàn

Sau khi lựa chọn được giá trị biến đầu vào mà tại đó các hàm mục tiêu đạt được sự tối ưu nhất, đưa các giá trị biến đầu vào này (được xem như một Design Point, hình 5.38)

120 vào mô hình 3D để xây dựng lại và kiểm nghiệm bằng mô phỏng FEA Mô phỏng nhanh bằng cách Set as Current để thay đổi các Dimension, vào môi trường Static Structural thu lại kết quả theo trình tự như cũ

Hình 5.38: Chạy lại biến đã tối ưu

Hình 5.39: Kết quả sau khi thử nghiệm lại

Hình 5.40; 5.41: Kết quả mô phỏng lại FEA

Bảng 5.6: Kết quả giữa RSM và kiểm nghiệm lại sau RSM

Chuyển vị đầu vào (àm)

Chuyển vị đầu ra (àm)

Tần số tự nhiên (Hz) Hệ số an toàn Ứng suất max

5.5.2 Tối ưu hóa cơ cấu mềm bằng thuật toán tối ưu đơn mục tiêu Đề tài đã nghiên cứu phát triển thiết kế mới và xây dựng mô hình toán mới Nghiên cứu tập trung vào mối quan hệ giữa chuyển vị, độ cứng đầu vào và đầu ra, động học và động lực học của thiết kế mới Ứng dụng của nghiên cứu là cho cơ cấu ăn dao chính xác trên máy tiện

Giải thuật thiết kế tối ưu hóa này bao gồm các giai đoạn như sau:

- Xây dựng sơ đồ động học của cơ cấu mềm một bậc tự do cho bộ ăn dao

- Xác định trước các thông số kỹ thuật cho cơ cấu

- Xây dựng sơ đồ giả cứng kết hợp cùng phương pháp Lagrange để từ đó có được phương trình toán

- Kiểm nghiệm kết quả lý thuyết bằng phần mềm ANSYS và MATLAB

- Nếu như đạt yêu cầu về tần số, hệ số an toàn, sẽ đến bước tối ưu, còn không quay về xây lại bước xây dựng sơ đồ động học

- Xác định các biến thiết kế, hàm ràng buộc và hàm mục tiêu

- Tối ưu hóa bằng thuật toán tối ưu hóa đơn mục tiêu (SCA – PID)

- Mô phỏng lại giá trị từ kết quả bằng FEA

Hình 5.42: Lưu đồ tối quá trình tối ưu bằng thuật toán tối ưu hóa đơn mục tiêu

Bảng 5.7: Giá trị biến các khe hở sau khi dùng thuật toán tối ưu hóa đơn mục tiêu

Hình 5.43: Chạy lại các biến đã tối ưu bằng FEA

Như vậy, đề tài đã tập trung vào việc phát triển các thiết kế mới, tối ưu hóa và áp dụng chúng vào cơ cấu ăn dao trên máy tiện

GIA CÔNG CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ

Đo chuyển vị bằng đồng hồ so

Hình 6.3: Đồng hồ so điện tử Mitutoyo Đồng hồ so điện tử hãng Mitutoyo với tính năng hiển thị 3 số sau dấu thập phân ở đơn vị mm (0.001 mm) hay tương ứng với 1 àm, phự hợp với giỏ trị chuyển vị đầu vào sẽ thực hiện

Hình 6.4: Bộ cơ cấu mềm sau khi được lắp ráp đo

10 Giá đỡ đồng hồ so số 1

11 Giá đỡ đồng hồ so số 2

Lắp đặt các chi tiết thành cụm như bản thiết kế Nguyên lý đo được thực hiện bằng cách dùng cờ lê tương ứng để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của Bulong M8 (4) dựa trên Gối đỡ (3) để tạo chuyển vị đầu vào cho CCM (5) Giá trị chuyển vị đầu vào sẽ được thông qua chuyển động tương ứng của Khối đo số 1 (6) hiển thị trên đồng hồ so số 1 (8) Giá trị chuyển vị đầu ra sẽ được thông qua Khối đo số

2 (9) hiển thị trên đồng hồ so số 2 (11) Cầm lưu ý việc cố định Khối đo số 1 và 2 vào cơ cấu mềm, Đồng hồ so số 1 và 2 cần được vặn chặt các khớp ở cần của Giá đỡ (10 và 11), các Giá đỡ đồng hồ so được cố định chặt vào Bàn đo (1) Thực hiện đo liên tiếp 10 lần và ghi nhận kết quả

Bảng 6.1: Số liệu gia công thực nghiệm

Chuyển vị đầu vào (àm)

Chuyển vị đầu ra (àm)

Hình 6.5; 6.6; 6.7; 6.8: Một số hình ảnh về giá trị kết quả đo thực nghiệm

Bảng 6.2: Giỏ trị đầu ra trong lần đo cao nhất (1411 àm)

Khoảng đo (àm) Chuyển vị đầu ra (àm) Hệ số khuếch đại

Hình 6.9: Vẽ lại đồ thị các điểm nhận xét về độ ổn định của cơ cấu

Bảng 6.3: Bảng so sánh kết quả đo

Giá trị trung bình của

Hệ số khuếch đại (àm)

Giá trị Sai lệch so với mô phỏng FEA (%)

Mô phỏng FEA 1603.4 0 Đồng hồ so 1333.4 16.65

Chuyển vị đõ̀u ra (àm)

Chuyển vị đõ̀u vào (àm)

Đo tần số tự nhiên của cơ cấu

Phương pháp gia công được chỉ định cho bộ cơ cấu mềm này là Cắt dây EDM vì kích thước của cơ cấu nhỏ Khi gia công cắt dây sẽ không tốn nhiều chi phí, thuận tiện gia công các khe hẹp

Hình 6.10: Chuẩn bị các dụng cụ, thiết bị để tiến hành đo đạc

Sử dụng kết hợp các phương pháp thực nghiệm để cho ra kết quả tần số tự nhiên của cơ cấu là: 1554,95 Hz

Hình 6.11: Kết quả thực nghiệm tần số tự nhiên

Bảng 6.4: Bảng so sánh kết quả đo

Tần số tự nhiên (Hz) Chênh lệch (%)

Tối ưu hóa đơn mục tiêu 2081,9

Nhận xét kết quả thực nghiệm

Đề tài đã nghiên cứu phát triển được hai thiết kế mới và xây dựng mô hình toán ứng dụng cho cơ cấu ăn dao chính xác trên máy tiện Tuy nhiên ta có thể thấy việc mô phỏng trên lý thuyết và gia công thực nghiệm có sự sai lệch bởi một số lý do như sai số gia công, việc gia công các khớp mềm với bề dày nhỏ đòi hỏi độ chính xác cao nếu không sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến việc thực nghiệm

Bộ định vị 1 bậc tự do và cơ cấu ăn dao được chế tạo và thực nghiệm Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số lý thuyết với mô phỏng và thực nghiệm là còn khá nhiều Nguyên nhân chính dẫn đến sai số này chính là sai số do gia công và gá đặt thực nghiệm

*Một số yếu tố ảnh hưởng đến sai số của kết quả đo:

- Sai số gia công của nhà sản xuất, kích thước các khớp khá nhỏ, việc gia công chính xác hoàn toàn là một điều khó khăn

- Sai số của dụng cụ đo

- Sai số khi thao tác chuẩn bị trước khi đo, vì dùng tay gá đặt các dụng cụ đo nên việc phát sinh ra sai số khi đo là điều khó tránh khỏi

- Sai số xảy ra do nhiệt độ phòng, cụ thể là gió từ máy lạnh (khá nhỏ, có thể bỏ qua).

Đề xuất cải tiến

Sau khi thu được các số liệu từ đo đạc, có thể thấy giá trị chuyển vị mô phỏng và thực tế của bộ định vị một bậc tự do khá lớn (ở ngưỡng < 20%) Ngoài ra còn đánh giá được một số vấn đề chưa khả quan đối với kết cấu Quá trình thực nghiệm cũng nhận thấy rằng lực chuyển vị đầu vào khá lớn để di chuyển khối đầu vào, nhưng khối đầu ra lại dễ chuyển vị dưới tác dụng với lực rất nhỏ Điều này cũng khiến cơ cấu mềm mất ổn định, số liệu giữa các lần đo cũng chênh lệch nhau nhiều Vì vậy nhóm quyết định cải tiến thêm ở bộ Cơ cấu mềm số 1 Cụ thể vị trí chuyển vị đầu vào và các phần liên quan được tinh chỉnh cho phù hợp, biến tổng thể thành một khối hình chữ nhật và thu gọn đi phần khung các khoảng trống không cần thiết Bề rộng các cánh tay đòn cũng được tinh chỉnh lại để đảm bảo lực tác dụng đồng đều hơn Các kích thước trong ngoặc biểu thị cho kích thước cũ

Hình 6.12: Thiết kế cải tiến bộ định vị một bậc tự do

Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Ansys, với cùng các điều kiện ban đầu về Mesh, Displacement và các thông số của vật liệu Nhôm 7075 thu được các kết quả về Hệ số an toàn là 2.17 (Hình 7.2); Hệ số khuếch đại với 1425.8/50 sẽ là 28,5 lần và gần với kết quả của thực nghiệm

Hình 6.13: Hệ số an toàn của phương án cải tiến

Hình 6.14: Giá trị chuyển vị đầu ra của phương án cải tiến

Phương án cải tiến này có hệ số an toàn chưa chạm ngưỡng đã đặt ra (1.8) ứng với cựng giỏ trị chuyển vị đầu vào (50 àm) Khi đú giỏ trị chuyển vị đầu vào phương ỏn cải tiến sẽ lớn hơn vì hệ số an toàn và giá trị chuyển vị đầu vào tỉ lệ nghịch với nhau.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Trong bài nghiên cứu này, một bộ định vị một bậc tự do với hệ số khuếch đại cao đã được thiết kế và thực nghiệm Cơ cấu này sử dụng các khớp mềm linh hoạt và khuếch đại khoảng cách chuyển vị đầu vào đến chuyển vị đầu ra thông qua sự sắp xếp các đòn bẩy một cách hợp lý và đối xứng nhau nhằm đảm bảo sự dịch chuyển của đầu ra cơ cấu mềm theo một phương xác định Tuy nhiên quá trình thực nghiệm chưa mang lại kết quả chính xác mà nhóm mong đợi nhất (Sai lệch giữa mô phỏng và thực tế là 16.65%)

Với cơ cấu dùng để gắn dao tiện, nhóm chúng em thiết kế hướng đến mục tiêu tối ưu hóa tần số tự nhiên để giúp cơ cấu vừa nhỏ gọn và cứng vững nhất Ở phương diện lý thuyết, các kích thước, thông số đều đạt được các yêu cầu đề ra Nhưng do sai số chế tạo và gá đặt dẫn đến sai số của thực nghiệm với lý thuyết lên đến 22.57% Mặc dù vậy, nhóm chúng em tin chắc công trình này sẽ là nền tảng để có thể phát triển hoàn chỉnh cơ cấu gắn dao tiện và gá đặt vào máy tiện CNC trong tương lai

Quá trình mô phỏng là nơi mà mọi dữ kiện là chính xác và lý tưởng nhất, bên cạnh đó việc gia công chế tạo một cơ cấu mềm có các thành mỏng, khoảng cách bề dày khớp cực kỳ bé đối với các phương pháp gia công hiện nay vẫn còn đang là vấn đề chưa giải quyết triệt để Các yếu tố khách quan về ma sát, sự lồi lõm trên bề mặt của vòng đệm, sai số của dụng cụ đo hay quá trình thao tác đo đạc tác động vào cơ cấu mềm chưa chính xác cũng dẫn đến sự chênh lệch giá trị kết quả của mỗi lần đo

Nghiên cứu về cơ cấu mềm đang đóng vai trò quan trọng và tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Dưới đây là một số hướng nghiên cứu trong tương lai mà nhóm đề xuất Đầu tiên, thu gọn kích thước tổng thể của cơ cấu nhưng vẫn đảm bảo tỉ lệ chuyển vị hay tần số của kết cấu phù hợp với mục đích nghiên cứu Tiếp theo đó là ứng dụng các phương pháp phân tích mang tính chính xác cao hơn; nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu khác phù hợp hơn, hiệu quả hơn Bên cạnh đó cần tìm hướng giải quyết vấn đề chính xác về kích thước trong gia công cơ cấu mềm bởi các khớp mềm có kích thước khá nhỏ, việc gia công thiếu chính xác sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả nghiên cứu và sử dụng các phương pháp đo đạc, kiểm nghiệm thực tế với các thiết bị chính xác để thu thập được dữ liệu có tính tin cậy cao Cuối cùng, phát triển cơ cấu từ 1DOF thành các dạng 2 hay 3- DOF phù hợp với các yêu cầu khác nhau Với những gì đã nghiên cứu được, nhóm chúng em hi vọng sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về lĩnh vực cơ cấu mềm này