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

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 RUNG ĐỘNG

GVHD: GVC.TS ĐẶNG MINH PHỤNG SVTH: LÊ ĐỨC TÀI

TRẦN NGUYỄN PHÚC LUÂN LƯU NGUYỄN HOÀNG TIẾN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

S K L 0 1 2 5 8 8

Tp Hồ Chí Minh, tháng 3/2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Sinh viên thực hiện: MSSV:

Lớp:

20143157 201432B

Sinh viên thực hiện: MSSV:

Lớp:

20143502 201432B

Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2024

MỚI CHO BỘ ĐỊNH VỊ 1 BẬC TỰ DO CHO CƠ CẤU MỀM ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHÍNH

Giảng viên hướng dẫn: GVC.TS ĐẶNG MINH PHỤNG LÊ ĐỨC TÀI

TRẦN NGUYỄN PHÚC LUÂN

LƯU NGUYỄN HOÀNG TIẾN

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy

Độc lập- Tự do- Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Học kỳ I/ năm học 2023-2024

Giảng viên hướng dẫn: GVC.TS Đặng Minh Phụng Sinh viên thực hiện:

1 Lê Đức Tài MSSV: 20143493 Điện thoại: 0855020704 2 Trần Nguyễn Phúc Luân MSSV: 20143157 Điện thoại: 0965425933 3 Lưu Nguyễn Hoàng Tiến MSSV: 20143502 Điện thoại: 0899992443

Mã số đề tài: CTM-01

– Tên đề tài: 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

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước

3 Nội dung chính của đồ án:

-Tổng quan về cơ cấu mềm và độ định vị chính xác sử dụng cơ cấu mềm

- Phân tích phương án và đề xuất phương án thiết kế cho bộ định vị 01 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm

- Chế tạo và thử nghiệm 02 bộ định vị 01 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm

4 Các sản phẩm dự kiến

- Thuyết minh thiết kế, tính toán bộ định vị 01 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm

- Chế tạo và thử nghiệm bộ định vị 01 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm

5 Ngày giao đồ án: 6 Ngày nộp đồ án:

7 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh Tiếng Việt  Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh Tiếng Việt 

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

□ Được phép bảo vệ ……… (GVHD ký, ghi rõ họ tên)

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ và tên sinh viên: Lê Đức Tài MSSV: 20143493 Hội đồng: 14 Họ và tên sinh viên: Trần Nguyễn Phúc Luân MSSV: 20143157 Hội đồng: 14 Họ và tên sinh viên: Lưu Nguyễn Hoàng Tiến MSSV: 20143502 Hội đồng: 14 Mã số đề tài: CTM-01

Tên đề tài: 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

Ngành đào tạo: Công nghệ Chế tạo máy

Họ và tên GV hướng dẫn: GVC TS Đặng Minh Phụng

………

3 Đánh giá:

tối đa

Điểm đạt được

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10 Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật,

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy

trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế 15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

4 Kết luận:

◻ Được phép bảo vệ ◻ Không được phép bảo vệ

TP.HCM, ngày 2 tháng 3 năm 2024

Giảng viên hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên phản biện)

Họ và tên sinh viên: Lê Đức Tài MSSV: 20143493 Hội đồng: 14 Họ và tên sinh viên: Trần Nguyễn Phúc Luân MSSV: 20143157 Hội đồng: 14 Họ và tên sinh viên: Lưu Nguyễn Hoàng Tiến MSSV: 20143502 Hội đồng: 14 Mã số đề tài: CTM-01

Tên đề tài: 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.

Ngành đào tạo: Công nghệ Chế tạo máy

Họ và tên GV phản biện: TS Mai Đức Đãi

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10 Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

50

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật,

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy

trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế 15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

7 Kết luận:

◻ Được phép bảo vệ ◻ Không được phép bảo vệ

TP.HCM, ngày 2 tháng 3 năm 2024

Giảng viên phản biện

(Ký, ghi rõ họ tên)

LỜI CAM KẾT

- Tên đề tài: 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

- GVHD: GVC.TS Đặng Minh Phụng 1 Họ tên sinh viên: Lê Đức Tài

Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): xx/01/2024

Lời cam kết: “Nhóm chúng em xin đảm bảo rằng khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là do chúng em đích thân nghiên cứu và thực hiện Chúng em không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã công bố mà không trích dẫn rõ nguồn gốc Nếu có bất cứ một sự sai phạm nào, chúng em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”

Tp Hồ Chí Minh, ngày 2 tháng 3 năm 2024 Ký tên

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn tất đồ án tốt nghiệp với đề tài “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” không chỉ có sự chăm chỉ tìm tòi của nhóm chúng em mà còn có sự giúp đỡ tận tình của các giảng viên hướng dẫn và những người cộng sự

Nhóm chúng em xin được phép gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến GVHD T.S Đặng Minh Phụng Dưới sự hướng dẫn và góp ý nhiệt tình đến từ thầy, nhóm đã giải quyết được các vấn đề từ nhỏ nhặt đến khi hoàn thành đề tài Những gì thầy đã truyền lại về lĩnh vực cơ cấu mềm này không chỉ là kiến thức mà còn là những hiểu biết sâu sắc, giúp mỗi thành viên có được một nền tảng vững chắc nhất Bên cạnh đó việc tạo điều kiện giúp nhóm tiếp xúc với nhiều thiết bị tại phòng thí nghiệm, là nền tảng to lớn trong quá trình nghiên cứu lý thuyết đi kèm với kiểm nghiệm thực tế, đánh giá được tổng quan kết quả nghiên cứu của nhóm

Không thể phủ nhận công lao của từng người dẫn dắt chúng em ở từng môn học, từ lý thuyết cho đến thực hành Nhóm cũng muốn thể hiện lòng biết ơn đến toàn thể các thầy cô giáo tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật nói chung hay Khoa Cơ khí Chế Tạo Máy nói riêng, những người đã dành nhiều tâm huyết và thời gian để truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm suốt quãng thời gian học tập tại trường Lý thuyết về các lĩnh vực khoa học xã hội cũng như kiến thức cơ sở ngành hay chuyên ngành, dù nhỏ hay lớn cũng đóng góp một phần vào việc hoàn thành đồ án này ít nhiều Những bài giảng, bài thực hành và những buổi hướng dẫn từ các thầy cô đã giúp chúng em hiểu sâu hơn về ngành nghề của mình và trang bị cho chúng em những kỹ năng cần thiết để thành công trong tương lai

Tuy thời gian tiếp cận với lĩnh vực cơ cấu mềm này khá ngắn nhưng với nguồn tài liệu từ những công trình nghiên cứu đã được công bố cùng với sự hỗ trợ của GVHD là nền tảng vững chắc cho nhóm tiếp cận đến lĩnh vực khá mới này Tuy vậy, trong khoảng thời gian hoàn thiện đồ án tốt nghiệp khó có thể để tránh được những thiếu sót, nhóm chúng em rất hoan nghênh và chân thành cảm ơn những nhận xét và góp ý quý báu của quý thầy cô

Một lần nữa, cảm ơn những đóng góp từ thầy cô, bạn bè đã hỗ trợ để nhóm có một trải nghiệm học tập và làm việc, đánh giá chặng đường đã qua trên giảng đường Đại học này

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Với đồ án “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” Nhóm chúng em đã phát triển thiết kế 2 cơ cấu mềm với 2 định hướng ứng dụng và 2 đặc tính nổi trội khác nhau

Ở cơ cấu mềm định hướng ứng dụng trong hệ thống định vị chính xác, thông qua một số trao đổi cùng với giảng viên hướng dẫn, các dữ liệu đã được nhóm tổng hợp, vận dụng linh hoạt kết hợp cùng với các kiến thức đã học và nhóm quyết định tập trung phát triển đặc tính chuyển vị cho cơ cấu này Với độ khuếch đại chuyển vị cao, cơ cấu sẽ được ứng dụng vào các yêu cầu định vị lớn và chính xác

Với cơ cấu mềm gia công có hỗ trợ rung động, nhóm chúng em chọn phương pháp gia công Tiện Như vậy, đầu dao tiện sẽ được tích hợp vào cơ cấu mềm để thay thế nguyên công gia công tinh lần cuối của các chi tiết hình trụ Ở cơ cấu này, nhóm chúng em sẽ tập trung phát triển đặc tính tần số tự nhiên của cơ cấu nhằm gia tăng độ cứng vững Hướng đến mục tiêu đạt được cấp độ nhám bề mặt cao hơn

Hệ số khuếch đại và tần số tự nhiên của 2 cơ cấu được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) và phương trình giả cứng Để có thể cho bộ định vị đạt hiệu suất tốt nhất, các tham số hình học chính của cơ cấu được điều chỉnh tối ưu hóa bằng các phương pháp như TOPO, phương pháp phản ứng bề mặt (RSM) và phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu Các kết quả mô phỏng đều đạt được các yêu cầu đề ra.

DANH MỤC VIẾT TẮT xvii

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1

1.1 Lời nói đầu 1

1.2 Tổng quan về đề tài 1

1.3 Tính cấp thiết 2

1.4 Đối tượng và phạm vi áp dụng của nghiên cứu 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu 3

1.6 Kết cấu đồ án tốt nghiệp 5

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU MỀM 7

2.1 Tổng quan về cơ cấu cơ khí 7

2.1.1 Lịch sử hình thành cơ cấu cơ khí [1] 7

2.1.2 Một số cơ cấu cơ khí phổ biến và ưu nhược điểm của chúng 12

2.2 Sự ra đời của cơ cấu mềm [3] 13

2.2.1 Khái niệm 14

2.2.2 Ưu điểm 14

2.2.3 Nhược điểm [6] 18

2.2.4 Các loại khớp mềm [7] 18

2.3 Ứng dụng cơ cấu mềm trong các lĩnh vực [9] 20

2.4 Những thách thức của cơ cấu mềm 21

2.5 Một số công trình nghiên cứu về cơ cấu mềm 22

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 22

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

toán học 24

2.5.3 Phát triển cơ cấu ăn dao 2 bậc tự do điều khiển bởi hệ thống Piezo 26

2.5.4 Thiết kế và phân tích một bộ cơ cấu mềm 3 bậc tự do với phạm vi vi mô lớn 29 2.6 Phần mềm ANSYS Workbench sử dụng cho việc nghiên cứu cơ cấu mềm [10] 32

2.6.1 Static Structural 32

2.6.2 Modal 36

2.6.3 Topology 40

2.6.4 Response Surface Optimization 44

CHƯƠNG III: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ TỐI ƯU HÓA 47

3.1 Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn FEA 47

3.2 Phương pháp Topology 49

3.3 Phương pháp giả cứng (PRBM) [11] 51

3.4 Phương pháp tối ưu hóa bề mặt (RSM) 52

CHƯƠNG IV: CƠ CẤU MỀM ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC 54

4.1 Giới thiệu về cơ cấu ứng dụng trong hệ thống định vị chính xác 54

4.2 Thiết kế cơ cấu mềm 57

4.2.1 Phương án 1 57

4.2.2 Phương án 2 60

4.2.3 So sánh và lựa chọn phương án 63

4.3 Áp dụng phương áp Topology cho bản thiết kế 70

4.4 Tối ưu hóa thiết kế 77

4.4.1 Phương pháp Phần tử hữu hạn FEA – Finite Element Analysis 77

4.4.2 Phương pháp Tối ưu hóa bề mặt RSM – Response Surface Method 80

CHƯƠNG V: CƠ CẤU MỀM ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG 92 5.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu và các sai số xuất hiện khi gia công 92

5.1.1 Quá trình cắt gọt trên máy công cụ truyền thống và CNC [16] 92

5.1.2 Các nguồn sai số khi gia công 92

5.2 Thiết kế cơ cấu mềm ăn dao 94

5.3 Xây dựng phương trình toán bằng phương pháp giả cứng 96

5.4 Phân tích bằng phần mềm ANSYS WORKBENCH 102

5.5 Tối ưu hóa cơ cấu mềm 110

5.5.1 Phương pháp Tối ưu hóa bề mặt RSM – Response Surface Method 111

5.5.2 Tối ưu hóa cơ cấu mềm bằng thuật toán tối ưu đơn mục tiêu 122

CHƯƠNG VI: GIA CÔNG CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ 124

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng so sánh sai lệch giữa tính toán và FEA………25

Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của Nhôm 7075……… 56

Bảng 4.2: Giá trị kích thước của cơ cấu mềm……… 58

Bảng 4.3: Giá trị các kích thước của cơ cấu mềm……….61

Bảng 4.4: So sánh hai phương án……… 70

Bảng 4.5: So sánh kết quả trước và sau khi áp dụng phương pháp Topology Optimization……… …… 77

Bảng 4.6: Giá trị Lower và Upper của các biến đầu vào……… 81

Bảng 4.7: Kết quả tối ưu hóa……… 86

Bảng 4.8: Kiểm nghiệm lại bằng FEA……… 90

Bảng 4.9: Kết quả hệ số an toàn ứng với các giá trị chuyển vị đầu vào khác nhau ……… 91

Bảng 5.1: Giá trị kích thước của cơ cấu mềm……… 94

Bảng 5.2: Các thông số cho phương trình giả cứng……… 98

Bảng 5.3: Kết quả FEA……… 110

Bảng 5.4: Giá trị Lower và Upper của các biến đầu vào……….116

Bảng 5.5: Kết quả tối ưu hóa……… 118

Bảng 5.6: Kết quả giữa RSM và kiểm nghiệm lại sau RSM……… 121

Bảng 5.7: Giá trị biến các khe hở sau khi dùng thuật toán tối ưu hóa đơn mục tiêu… 123

Bảng 6.1: Số liệu gia công thực nghiệm……… 128

Bảng 6.2: Giá trị đầu ra trong lần đo cao nhất (1411 µm)……… 131

Bảng 6.3: Bảng so sánh kết quả đo……… 131

Bảng 6.4: Bảng so sánh kết quả đo……… 133

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Máy tiện LEADWELL T5……….… 3

Hình 1.2: Lưu đồ thiết kế bộ định vị cơ cấu mềm……… 4

Hình 1.3: Thiết kế cơ cấu mềm của cơ cấu ăn dao……… 5

Hình 2.1: Một máy bơm vít ở Ai Cập dùng cơ chế vít Archimedes……… 8

Hình 2.2: Một trang phác thảo máy bay của Leonardo da Vinci (1452-1519) [2]…… 9

Hình 2.3; 2.4: Một số hình ảnh về bản vẽ kỹ thuật thời kỳ Phục Hưng [2]………… 9, 10 Hình 2.5: Máy hơi nước đầu tiên do James Watt phát minh năm 1765 tại Anh……… 10

Hình 2.20: Kẹp bướm, súng bắn đĩa, chốt gài……… 21

Hình 2.21: Thiết kế hệ thống truyền động vi mô [17]……… 22

Hình 2.22: Phân tích chuyển vị trên phần mềm Ansys Workbench 2020 R2 [17]…… 23

Hình 2.23: Tần số tự nhiên của cơ cấu [17]……… 23

Hình 2.24: Thiết lập hệ thống đo đạc của nghiên cứu [17]……….24

Hình 2.25: Cấu trúc đòn bẩy đối xứng 2 tầng [18]……… 24

Hình 2.26: Bộ định vị 2 bậc tự do trong nghiên cứu [18]………25

Hình 2.27: Thiết lập hệ thống đo của bài nghiên cứu này [18]……… 26

Hình 2.28: Bản thiết kế trong bài nghiên cứu này [19]……… 27

Hình 2.29: Mô phỏng trên phần mềm Ansys Workbench……… 27

Hình 2.30: Thiết lập hệ thống thực nghiệm cho cơ cấu mềm……… 28

Hình 2.31: Gắn cơ cấu mềm lên máy tiện CNC……… 28

Hình 2.32: Bề mặt phôi sau gia công [19]……… 29

Hình 2.33: Sử dụng máy chuyên dùng kiểm tra độ bóng bề mặt phôi [19]……….29

Hình 2.34: Thiết kế cơ cấu mềm 3 bậc tự do……… 30

Hình 2.35: Mô phỏng chuyển động theo trục X [20]……… 30

Hình 2.36: Mô phỏng chuyển động xoay quanh trục Z [20]……… 31

Hình 2.37: Các thiết bị dùng để thực nghiệm [20]……… 31

Hình 2.38: Giao diện làm việc của ANSYS Workbench……… 32

Hình 2.39: Giao diện Modul Static Structural……… 33

Hình 2.40: Giao diện Engineering Data trong Static Structural……… 33

Hình 2.41: Giao diện Geometry trong Static Structural……… 34

Hình 2.42: Giao diện Model trong Static Structural……… 34

Hình 2.43: Chia lưới trong Ansys……… 35

Hình 2.44: Biến đầu vào trong Static Structural……….35

Hình 2.45: Biến đầu ra trong Static Structural………36

Hình 2.46: Minh họa về tính năng Static Structural………36

Hình 2.47: Giao diện modul Modal……….37

Hình 2.48: Liên kết giữa các modul trong Ansys………37

Hình 2.49: Giao diện Model trong Modal……… 38

Hình 2.50: Chia lưới trong Modal……… 38

Hình 2.51: Biến đầu vào trong Modal……… 39

Hình 2.52: Biến đầu ra trong Modal……….39

Hình 2.53: Minh họa về tính năng Modal……….40

Hình 2.54: Giới thiệu tính năng Topology………41

Hình 2.55: Giao diện tính năng Topology………42

Hình 2.56: Hàm mục tiêu trong Topology………42

Hình 2.57: Tỉ lệ phần trăm của cấu trúc cần giữ lại……… 43

Hình 2.58; 2.59: Minh họa về tính năng Topology……… 44

Hình 2.60: Giới thiệu về RSM……… 45

Hình 2.61: Mô phỏng các điểm với các biến đầu vào khác nhau……….45

Hình 2.62: Minh họa về tính năng RSM……… 46

Hình 4.1; 4.2: Minh họa về cơ cấu đòn bẩy [8] ………54

Hình 4.3: Khớp cầu……… 55

Hình 4.4: Khớp elip……… 55

Hình 4.5: Khớp lá……… 56

Hình 4.6: Khớp chữ V……… 56

Hình 4.7: Vị trí của mục Engineering Data trong phần mềm Ansys Workbench……….57

Hình 4.8: Bảng giá trị thông số kỹ thuật của Al 7075……… 57

Hình 4.9: Thiết kế cơ cấu mềm phương án 1………58

Hình 4.10: Dựng bản thiết kế trên phần mềm Inventor 2023……… 59

Hình 4.11: Sơ đồ phân tích chuyển động của phương án 1……… 60

Hình 4.12: Thiết kế cơ cấu mềm phương án 2……… 61

Hình 4.13: Dựng bản thiết kế trên phần mềm Inventor 2023……… 62

Hình 4.14: Sơ đồ phân tích chuyển động của phương án 2……… 63

Hình 4.15: Vị trí của tab “Browse” để thêm file từ phần mềm khác……… 64

Hình 4.16: Giao diện môi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise]….65 Hình 4.17: Gán vật liệu cho cơ cấu……… 65

Hình 4.18: Giá trị Element Size………66

Hình 4.19: Lựa chọn body để Automatic Method………66

Hình 4.20: Lựa chọn các mặt để Refinement………67

Hình 4.21: Cố định vị trí cơ cấu trong không gian bởi các lỗ bậc………67

Hình 4.22: Lựa chọn mặt phẳng và nhập giá trị chuyển vị đầu vào……….68

Hình 4.23: Lựa chọn mặt phẳng để đo chuyển vị đầu ra phương án 1……….68

Hình 4.24: Các kết quả sẽ được thể hiện ở tab Solution (A6)……… 69

Hình 4.25: Kết quả phân tích phương án 2……… 70

Hình 4.26: Vị trí của Topology Optimization……… 71

Hình 4.27: Liên kết giữa Static Structural và Topology Optimization……….71

Hình 4.28: Các lựa chọn của Topology……….72

Hình 4.29: Đối tượng hiệu chỉnh của Topology………72

Hình 4.30: Kết quả của phương pháp Topology……… 73

Hình 4.31: Các bước để tái thiết kế dựa trên kết quả của Topology……….74

Hình 4.32: Dựng lại nửa bên bản thiết kế ban đầu………74

Hình 4.33: Thiết kế lại một số vị trí phù hợp hơn……….75

Hình 4.34: Dựng khối và mirror qua mặt YOZ để hoàn chỉnh bản thiết kế……… 75

Hình 4.35; 4.36: Mô phỏng chuyển vị trong môi trường Model-Static Structural – Mechanical [Ansys Mechanical Enterprise]……… 76

Hình 4.37: Giao diện Geometry trong Ansys………78

Hình 4.38: Xây dựng thiết kế trên 2D Sketch với các kích thước đã được ẩn………… 78

Hình 4.39: Hoàn tất quá trình xây dựng mô hình 3D………79

Hình 4.40: Giá trị trung bình của Skewness và Orthogonal Quality……….79

Hình 4.41: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Skewness……… 80

Hình 4.42: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Orthogonal……….80

Hình 4.43: Tiêu chuẩn quang phổ mắt lưới hệ thống Skewness và Orthogonal [13]……80

Hình 4.44: Thêm phương pháp tối ưu hóa bề mặt RSM vào giao diện Ansys………… 81

Hình 4.45: Bảng Parameter Set chứa các biến đầu với ký hiệu và giá trị tương ứng……81

Hình 4.46: Nhập khoảng giá trị các biến……… 82

Hình 4.47: Các giá trị Design Point do phần mềm tự động cập nhật……… 83

Hình 4.48: Thiết lập biến đầu ra………83

Hình 4.49: Kiểu đáp ứng bề mặt-Kriging……… 84

Hình 4.50: Điều kiện ràng buộc ……… 85

Hình 4.51: Kết quả tối ưu… ………85

Hình 4.52: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến giá trị chuyển vị……… 87

Hình 4.55: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến hệ số an toàn……… 87

Hình 4.56; 4.57: Chạy lại biến đưa ra kết quả tối ưu nhất……….89

Hình 4.58; 4.59: Kết quả mô phỏng lại FEA……….90

Hình 4.60: Design of Experiment……… 91

Hình 5.1: Thiết kế cơ cấu ăn dao……… 95

Hình 5.2: Dựng bản thiết kế trên phần mềm Inventor 2023……… 95

Hình 5.3: Sơ đồ phân tích chuyển động……….96

Hình 5.4: Chuyển vị vào và ra của cơ cấu……….96

Hình 5.5: Sơ đồ động học……… 97

Hình 5.6: Sơ đồ giả cứng……… 97

Hình 5.7: Vị trí của tab “Browse” để thêm file từ phần mềm khác……….103

Hình 5.8: Giao diện môi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise]… 103

Hình 5.9: Gán vật liệu cho cơ cấu………104

Hình 5.10: Giá trị Element Size……… 104

Hình 5.11: Lựa chọn body để Automatic Method……… 105

Hình 5.12: Lựa chọn các mặt để Refinement……… 105

Hình 5.13: Cố định vị trí cơ cấu trong không gian bởi các lỗ bậc……… 106

Hình 5.14: Lựa chọn mặt phẳng và nhập giá trị chuyển vị đầu vào………106

Hình 5.15: Lựa chọn mặt phẳng để đo chuyển vị đầu ra……….107

Hình 5.16: Kết quả giá trị hệ số an toàn……… 107

Hình 5.17: Các kết quả sẽ được thể hiện ở tab Solution (A6)……… 108

Hình 5.18: Cách thêm hệ thống Modal vào môi trường Ansys Workbench………… 109

Hình 5.19: Giao diện môi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise]…109 Hình 5.20: Kết quả tần số tự nhiên……… 110

Hình 5.21: Xây dựng thiết kế trên 2D Sketch……….111

Hình 5.22: Đặt tên các biến khe hở khớp……… 111

Hình 5.23: Hoàn tất quá trình xây dựng mô hình 3D……… 112

Hình 5.24: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Skewness……….112

Hình 5.25: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Orthogonal……… 112

Hình 5.26: Tiêu chuẩn quang phổ mắt lưới hệ thống Skewness và Orthogonal……….113

Hình 5.27: Thêm phương pháp tối ưu hóa bề mặt RSM vào giao diện Ansys…………113

Hình 5.28: Thiết lập biến đầu ra……… 114

Hình 5.29: Bảng Parameter Set chứa các biến đầu vào với ký hiệu và giá trị tương ứng……… 115

Hình 5.30: Nhập khoảng giá trị các biến……….115

Hình 5.31: Các giá trị Design Point do phần mềm tự động cập nhật……… 116

Hình 5.32: Kiểu đáp ứng bề mặt-Kriging……… 117

Hình 5.33: Điều kiện Tối ưu hóa……….118

Hình 5.34: Kết quả tối ưu hóa……… 118

Hình 5.35: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến giá trị chuyển vị……… 119

Hình 5.36: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến tần số tự nhiên……… 119

Hình 5.37: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến hệ số an toàn……….119

Hình 5.38: Chạy lại biến đã tối ưu……… 120

Hình 5.39: Kết quả sau khi thử nghiệm lại……… 120

Hình 5.40; 5.41: Kết quả mô phỏng lại FEA……… 121

Hình 5.42: Lưu đồ tối quá trình tối ưu bằng thuật toán tối ưu hóa đơn mục tiêu………122

Hình 5.43: Chạy lại các biến đã tối ưu bằng FEA……… 123 Hình 6.1: Phương án kẹp chặt được chia sẻ từ đơn vị gia công khi phay cơ cấu mềm 124 Hình 6.2: Cơ cấu mềm sau khi được gia công………125 Hình 6.3: Đồng hồ so điện tử Mitutoyo……… 126 Hình 6.4: Bộ cơ cấu mềm sau khi được lắp ráp đo……….126 Hình 6.5; 6.6; 6.7; 6.8: Một số hình ảnh về giá trị kết quả đo thực nghiệm………129,130 Hình 6.9: Vẽ lại đồ thị các điểm nhận xét về độ ổn định của cơ cấu……….131 Hình 6.10: Chuẩn bị các dụng cụ, thiết bị để tiến hành đo đạc……… 132 Hình 6.11: Kết quả thực nghiệm tần số tự nhiên………132 Hình 6.12: Thiết kế cải tiến bộ định vị một bậc tự do………134 Hình 6.13: Hệ số an toàn của phương án cải tiến……… 134 Hình 6.14: Giá trị chuyển vị đầu ra của phương án cải tiến……… 135

PRBM: Pseudo-Rigid-Body Method RSM: Response Surface Methodology DOE: Design of Experiment

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 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

1.2 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

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

1.3 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

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

1.4 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

Hình 1.1: Máy tiện LEADWELL T5

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

1.5 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

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

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 vàphương 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

1.6 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

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.

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU MỀM 2.1 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

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

- Nhược điểm: Quãng di chuyển ngắn và bị giới hạn, tiếng ồn phát ra khi làm việc khá lớn, chi phí cao,

e Vòng bi (Bearing): Dùng để giảm ma sát giữa các bộ phận chuyển động, thường được

sử dụng trong trục quay

- Ưu điểm: giảm ma sát, chịu tải cao, chuyển động chính xác, giảm độ lệch trục, ứng dụng đa dạng,…

- Nhược điểm: hạn chế trong môi trường bẩn, cần bảo trì, bôi trơn, khả năng chịu lực trục đôi, nguy cơ mất bôi trơn,…

f/ Điều chỉnh cơ cấu (Linkage): Sử dụng các khớp nối để tạo ra chuyển động phức tạp từ

các chuyển động đơn giản

Từ những ưu và nhược điểm của các cơ cấu cơ khí trên, sự ra đời của cơ cấu mềm đã mang lại một bước tiến đầy mới mẻ cho các loại cơ cấu cơ khí, có khả năng thích ứng linh hoạt với các tác động, tải trọng, hoặc điều kiện làm việc thay đổi mà không gây ra sự hỏng hóc hoặc giảm hiệu suất hoạt động

2.2 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.

Hình 2.6: Cung 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.

Hình 2.7: Máy bắn đá

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.

2.2.1 Khái niệm

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

2.2.2 Ưu điểm

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

Hình 2.8: Kềm ở dạng CCM

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