xây dựng các module tính toán động lực học để tối ưu thiết kế các cơ cấu phẳng và ứng dụng cho máy in lụa kiểu mới

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Tên đề tài: “Xây dựng các module tính toán động lực học để tối ưu thiết kế các cơ cấu phẳng và ứng dụng cho máy in lụa kiểu mới.” Thời gian thực hiện: 10/03/20

Trang 1

luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop

Trang 2

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Trọng Nhân

TS Đặng Hoàng Minh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 20 tháng 03 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Nguyễn Đức Nam - Chủ tịch Hội đồng 2 Đường Công Truyền - Phản biện 1

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

Nguyễn Đức Nam Nguyễn Đức Nam

luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop

luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop

Trang 3

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Võ Thành Kiệt MSHV: 18104911 Ngày, tháng, năm sinh: 03/01/1995 Nơi sinh: Tây Ninh

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã chuyên ngành: 8520103

I TÊN ĐỀ TÀI:

Xây dựng các module tính toán động lực học để tối ưu thiết kế các cơ cấu phẳng và ứng dụng cho máy in lụa kiểu mới

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Phân loại các module cơ cấu động học phẳng 2 Xây dựng các hệ thức liên quan

3 Xây dựng các code module giải quyết các cơ cấu động học phẳng

4 Xây dựng các code giải bài toán tối ưu các cơ cấu phẳng, sử dụng các module ở bước 3

5 Ứng dụng cho bài toán tối ưu thiết kế cơ cấu chuyển phôi của máy in lụa kiểu mới

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/03/2021

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/02/2022

IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trần Trọng Nhân

luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hopluan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop luan van tot nghiep, luan van thac si, luan van cao hoc, luan van tong hop

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin cảm ơn những người thầy hướng dẫn luận văn của tôi – TS.Đặng Hoàng Minh và TS.Trần Trọng Nhân - Giảng viên hướng dẫn trực tiếp của tôi Một lần nữa tôi xin cảm ơn các thầy vì những lúc tôi gặp khó khăn, rắc rối hoặc có câu hỏi về vấn đề nghiên cứu của mình, các thầy vẫn luôn hết mình hỗ trợ và giúp tôi tìm ra được những hướng đi đúng đắn trên con đường hoàn thành luận văn của mình Thầy vẫn luôn cho phép tôi tự do bày tỏ quan điểm dồng thời đưa ra những nhận xét, góp ý, dẫn dắt tôi đi đúng hướng trong suốt thời gian nghiên cứu, thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ

Tôi cũng muốn bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Phùng Văn Bình với tư cách là người đọc thứ hai của luận án này, tôi rất cảm ơn thầy vì những câu hỏi và những đóng góp của thầy để giúp tôi có thể hoàn thiện được luận văn một cách hoàn thiện hơn

Ngoài ra, tôi cũng muốn cảm ơn ban Lãnh đạo Khoa, bộ môn Cơ sở Thiết kế và quý Thầy/Cô trong Khoa Cơ khí, như thầy PGS.TS Nguyễn Đức Nam, PGS.TS Lê Thanh Danh, ThS.GV Nguyễn Thị Thuý Nga, TS Nguyễn Khoa Triều, TS Ao Hùng Linh, v.v… cùng nhóm các bạn sinh viên khoá 12 – Lã Xuân Trường, Bùi Song Nin, Lê Đình Toàn, v.v… đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thiện đề tài

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè vì đã luôn hỗ trợ tôi và khuyến khích liên tục trong suốt những năm học tập và qua quá trình nghiên cứu và viết luận văn này Thành tựu này sẽ không thể có được nếu không có họ

Xin chân thành cảm ơn!

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tên đề tài: “Xây dựng các module tính toán động lực học để tối ưu thiết kế các cơ cấu phẳng và ứng dụng cho máy in lụa kiểu mới.”

Thời gian thực hiện: 10/03/2021 đến 14/02/2022

Địa điểm nghiên cứu: Trường Đại Học Công Nghiệp Hồ Chí Minh

Luận văn trình bày về việc xây dựng các môđun tính toán động học (Chương 2) và động lực học (Chương 3) của các cơ cấu phẳng một bậc tự do tổng quát Việc xây dựng các môđun tính toán này dựa trên khái niệm cặp động học (kinematic pairs) thay vì dựa trên khái niệm Dyads như các công bố trước đây Bởi lẽ việc dự đoán và xử lý các điểm dị biệt trong “các cặp” đơn giản hơn so với các Dyads Dựa trên nền tảng lý thuyết được xây dựng, học viên đã tạo ra một bộ mã nguồn dựa trên ngôn ngữ MATLAB và một cẩm nang trang cứu môđun để tiện sử dụng cho người dùng Tất cả các môđun đều được kiểm chứng tính chính xác bằng việc giải một loạt các bài tập cơ cấu phẳng phức tạp khi so sánh kết quả tính toán của chúng với phần mềm mô phỏng Recurdyn Với các môđun được xây dựng này, học viên đề xuất một quy trình xây dựng mô hình toán thiết kế tối ưu cho các cơ cấu và kiểm nghiệm lại với việc tối ưu thiết kế cơ cấu tay quay con trượt Với 4 trường hợp xét hàm mục tiêu khác nhau từ tiêu chuẩn động học đến động lực học, với các ràng buộc kỹ thuật Bài toán tối ưu được giải dựa trên hai mô hình toán: Mô hình thứ nhất được xây dựng dựa trên các công thức giải tích tường minh và mô hình thứ hai được xây dựng bằng cách sử dụng các lệnh gọi môđun đã có Sau cùng, học viên đã ứng dụng toàn bộ kết quả này vào việc tối ưu thiết kế cho máy in lụa bán tự động kiểu mới Kết quả đã tìm ra được phương án thiết kế vượt trội hơn sơ với phương án máy in lụa hiện tại ở tiêu chuẩn kích thước và khối lượng cơ cấu Kết quả nghiên cứu của luận văn hứa hẹn có thể được ứng dụng để giải quyết rất nhiều các dạng bài toán tối ưu thiết kế cho nhiều cơ cấu khác, cũng như mở đường cho việc giải các bài toán phi tuyến phức tạp khác trong lĩnh vực Kỹ thuật

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 6

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Trang 8

2 Mục tiêu nghiên cứu 6

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 7

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 8

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 9

Tổng quan tình hình nghiên cứu 9

Mục tiêu của đề tài 26

XÂY DỰNG CÁC MODULE TỰ ĐỘNG TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA CÁC CƠ CẤU PHẲNG 27

Xây dựng các mô-đun tính toán động học 27

Quy trình sử dụng các mô-đun trong tính toán động học cơ cấu 91

2.2.1 Quy trình sử dụng module động học 91

XÂY DỰNG CÁC MODULE TỰ ĐỘNG TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC CƠ CẤU PHẲNG 99

Trang 9

Phương pháp xây dựng mô-đun động lực học 99

3.1.1 Vật rắn 99

3.1.2 Chất điểm ở dạng con trượt 103

3.1.3 Chất điểm ở dạng các khớp bản lề di động 104

Quy trình sử dụng các mô-đun trong tính toán động lực học cơ cấu 105

Quy trình xây dựng mô hình toán thiết kế cho cơ cấu 126

Ví dụ tối ưu thiết kế cơ cấu tay quay con trượt 127

4.2.1 Cơ sở lý thuyết động lực học cho bài toán cơ cấu tay quay con trượt 128

4.2.2 Xây dựng mô hình toán bằng công thức 132

4.2.3 Xây dựng mô hình toán bằng các module 134

4.2.4 Giải các mô hình toán tối ưu 135

Kết luận 145

ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO VIỆC TỐI ƯU THIẾT KẾ CƠ CẤU CHUYỂN PHÔI CHO MÁY IN LỤA BÁN TỰ ĐỘNG KIỂU MỚI ………… 146

Giới thiệu máy in lụa kiểu mới 146

5.1.1 Ý tưởng thiết kế, nguyên lý hoạt động và thông số kỹ thuật của máy in lụa tự động kiểu mới 146

5.1.2 Các cụm cơ cấu chính của máy in lụa kiểu mới 147

Tối ưu hóa thiết kế cơ cấu chuyển phôi nhờ các module động lực học 151

5.2.1 Mô hình toán của cơ cấu chuyển phôi 151

5.2.2 Giải mô hình toán tối ưu 152

Kết quả so sánh giữa cơ cấu hiện tại và cơ cấu tối ưu 156

Kết luận 158

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 159

1 Những kết quả đạt được 159

2 Hạn chế của đề tài 159

3 Hướng phát triển của đề tài 160

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA HỌC VIÊN 162

TÀI LIỆU THAM KHẢO 163

PHỤ LỤC 167

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 173

Trang 10

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Công việc tại xưởng in lụa 5

Hình 1.2 Đồ gá hiện tại được sử dụng 5

Hình 2.1 Các trường hợp có thể xảy ra đối với 2 điểm trên 1 hệ trục toạ độ 27

Hình 2.2 Bài toán module 1 33

Hình 2.6 Phân tích các góc 44

Hình 2.8 Các trường hợp có thể xảy ra khi các điểm được xác định theo chiều ngược kim đồng hồ 52

Hình 2.9 Tình huống 1, toạ độ vị trí điểm B và C nằm ở vị trí có độ cao thấp hơn A 52

Hình 2.10 Các trường hợp có thể xảy ra khi các điểm được xác định theo chiều ngược kim đồng hồ 53

Hình 2.11 Tình huống 1, toạ độ vị trí điểm B và C nằm ở vị trí có độ cao thấp hơn A 53

Hình 2.12 Trường hợp tổng quát cho bài toán Module 5 54

Hình 2.14 Xét trường hợp 𝒎 ≠ 𝟎 𝐯à 𝒏 ≠ 𝟎 58

Hình 2.15 Bài toán module 7, 8, 9 62

Hình 2.16 Phân tích các góc trong trường hợp 1 63

Hình 2.17 Phân tích các góc trong trường hợp 2 64

Hình 2.18 Bài toán Module 09 77

Hình 2.20 Phân tích bài toán Module 10 79

Hình 2.22 Quy trình sử dụng module động học trong việc xác định, tính toán các thông số động học 91

Hình 2.23 Cơ cấu tay quay con trượt-ngược (Slide-back crank mechanism) 92

Hình 2.24 Mô hình cơ cấu tay quay con trượt-ngược trên phần mềm Recurdyn 93

Hình 2.25 Đồ thị vận tốc góc của thanh BC 93

Hình 2.26 Đồ thị vận tốc của điểm B theo phương y 94

Hình 2.27 Đồ thị gia tốc của điểm B theo phương x 94

Hình 2.28 Mô hình cơ cấu và bảng thông số cho ví dụ 2 95

Hình 2.29 Mô hình cơ cấu tay quay con trượt-ngược trên phần mềm Recurdyn 96

Trang 11

Hình 2.30 Đồ thị so sánh vận tốc điểm S2 theo trục x 96

Hình 2.31 Đồ thị so sánh gia tốc của điểm S2 theo phương y 97

Hình 2.32 Đồ thị so sánh vận tốc góc thanh BC 97

Hình 2.33 Đồ thị so sánh gia tốc góc của thanh BC 97

Hình 2.34 Độ thị so sánh vận tốc điểm C theo phương y 98

Hình 2.35 Đồ thị so sánh gia tốc điểm C theo phương x 98

Hình 3.1 Mô hình vật rắn i 100

Hình 3.2 Phân tích chất điểm ở dạng khớp bản lề di động 104

Hình 3.3 Quy trình xây dựng ma trận giải bài toán động lực học 105

Hình 3.4 Cơ cấu bài toán ví dụ 1 – Động lực học 106

Hình 3.5 Đồ thị so sánh lực momen tại điểm A 111

Hình 3.6 Đồ thị so sánh phản lực tại khớp bản lề A theo phương x 112

Hình 3.7 Đồ thị so sánh phản lực tại khớp bản lề B theo phương x 112

Hình 3.8 Đồ thị so sánh phản lực tại khớp bản lề C theo phương y 113

Hình 3.9 Đồ thị so sánh phản lực tại con trượt C theo phương y 113

Hình 3.10 Đồ thị so sánh phản lực tại con trượt E theo phương x 114

Hình 3.11 Đồ thị so sánh phản lực tại con trượt D theo phương y 114

Hình 3.12 Cơ cấu bài toán ví dụ 2 – Động lực học 116

Hình 3.13 Đồ thị so sánh lực momen tại điểm A 122

Hình 3.14Đồ thị so sánh phản lực tại khớp bản lề B theo phương y 122

Hình 3.15 Đồ thị so sánh phản lực tại khớp bản lề C theo phương x 123

Hình 3.16Đồ thị so sánh phản lực tại khớp bản lề H theo phương x 123

Hình 3.17Đồ thị so sánh phản lực tại khớp bản lề H theo phương y 124

Hình 3.18Đồ thị so sánh phản lực tại con trượt C theo phương y 124

Hình 3.19Đồ thị so sánh phản lực tại con trượt H theo phương y 125

Hình 4.1 Lưu đồ thực hiện bài toán tối ưu 127

Hình 4.2 Cơ cấu tay quay con trượt 127

Hình 5.4 Cụm cơ cấu di chuyển phôi 148

Hình 5.5 Cụm cơ cấu nâng hạ khung in 149

Hình 5.6 Thùng cấp và thoát phôi 149

Hình 5.7 Tủ điều khiển máy in lụa 150

Hình 5.8 Máy in lụa kiểu mới hoàn thiện 150

Hình 5.9 Mô hình cơ cấu bốn khâu bản lề 151

Trang 12

Trang 13

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

(Xếp theo thứ tự A, B, C của chữ cái đầu viết tắt)

ĐHTL Đại học Thủy lợi

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

LVThS Luận văn Thạc sĩ

TSĐH Thông số động học

Trang 14

Ngoài ra sau khi thiết kế xong, người kỹ sư cần phải tính toán tối ưu các tham số thiết kế, để sản phẩm sau thiết kế phải là tối ưu nhất và có thể cạnh tranh với các sản phẩm khác trên thị trường, đối với thị trường hiện nay thì đây chính là một vấn đề khá là phức tạp

Với sự phát triển của xã hội ngày nay, thì nhu cầu in lụa để quảng bá về thương hiệu sản phẩm hay thương hiệu của công ty là rất lớn Ví dụ như để quảng bá về thương hiệu và danh tiếng, một công ty, tập đoàn, cơ sở kinh doanh hoặc một tổ chức nào đó sẽ cần in hình ảnh logo, khẩu hiệu thương mại hoặc thông tin liên hệ của mình trên các vật phẩm như quần áo, bút viết, dây đeo thẻ, cốc nhựa hoặc thủy tinh, v.v… Qua khảo sát thực tế tại một số xưởng in lụa với quy mô vừa và nhỏ trên địa bàn Tp.HCM, học viên nhận thấy công tác in lụa hiện nay vẫn được thực hiện một cách thủ công là chủ yếu, quá trình in ấn phụ thuộc vào tay nghề của người thợ, các loại máy in lụa thường là những loại máy cơ đơn giản với năng suất thấp, cường độ công việc nặng nhọc Trên thị trường các loại máy in lụa tự động của nước ngoài thường có giá thành

Trang 15

khá cao và chỉ thích hợp với quá trình sản xuất công nghiệp, sản xuất hàng loạt, in ấn chỉ với một loại sản phẩm là chủ yếu Ngoài ra, ở thị trường nước ta hiện nay cũng đã xuất hiện nhiều loại máy in lụa bán tự động khác, nhưng chỉ dừng lại ở việc in lụa trên mặt phẳng và chưa có loại máy nào in bán tự động trên loại sản phẩm dạng tròn xoay Để thiết kế được và thỏa mãn các yêu cầu đặt ra, quá trình phân tích, tính toán, cần được thực hiện trước khi chế tạo Từ đó tiến hành mô phỏng và phân tích để dự đoán các thông số cũng như điều chỉnh theo mong muốn

Với những lý do cũng như nhu cầu đã được nêu ra ở trên, đề tài “Xây dựng các module tính toán động lực học để tối ưu thiết kế các cơ cấu phẳng và ứng dụng cho máy in lụa kiểu mới” đã được lựa chọn và thực hiện

 Tính cấp thiết của đề tài

Trong hầu hết các thiết bị liên quan đến cuộc sống hiện nay như kìm kẹp cộng lực, các loại máy xây dựng, hay các máy nâng chuyển v.v… thì sử dụng rất là nhiều các loại cơ cấu khâu khớp phẳng, từ đó chúng ta có thể thấy được là ứng dụng của các khâu khớp rất nhiều

Để có thể xác định cũng như tính toán lựa chọn các loại cơ cấu khâu khớp phẳng thì các kỹ sư thường sử dụng các phần mềm CAD để vẽ và tính tỉ lệ chính xác Ngoài ra, họ còn có thể sử dụng các phương pháp giải tích dựa trên các phương trình véc tơ khép kín, đây là một phương pháp tổng quát và cho phép giải các bài toán bất kỳ, tuy nhiên với các cơ cấu đa dạng khác nhau, việc sử dụng chúng sẽ tốn nhiều thời gian và phải có các công cụ tính toán hỗ trợ

Việc sử dụng các phần mềm phân tích động lực học nổi tiếng như ADAMS, COMSOL, Working Model, Dynamic Designer, v.v… tốn khá nhiều thời gian và đòi hỏi người dùng phải có kiến thức vững vàng về động lực học Bên cạnh đó, khó có phần mềm nào cho phép xử lý bài toán với nhiều tình huống dữ kiện đầu vào – đầu ra khác nhau Ví dụ có 3 nhóm tham biến A, B, C Thì các phần mềm chỉ cho phép nhập dữ liệu A, B với tư cách đầu vào và phần mềm sẽ tìm ra giá trị của nhóm C với tư cách đầu ra Những tình huống khác thì các phần mềm hầu như không thể giải

Trang 16

quyết được Thêm vào đó thì các phần mềm mô phỏng sẽ xây dựng mô hình các tham biến phụ thuộc theo thời gian Nếu chúng ta muốn khảo sát các đại lượng phụ thuộc vào các vị trí nhất định thì thường phải tìm cách tính được thời điểm t trước, rồi sau đó mới theo giá trị thời gian t để tìm các đại lượng Đây là một điểm bất tiện thứ hai Điểm bất tiện thứ ba là trong quá trình dựng hình model, không nhiều phần mềm hỗ trợ tính năng xác định một số điểm khớp được tạo ra từ giao điểm của hai đường thẳng (dọc theo chiều dài của các thanh) Chính vì vậy người dùng buộc phải tự tính toán để nhập tọa độ các điểm khớp của cơ cấu, và điều đó thường tạo ra các sai số trong kết quả tính toán về sau

Trong hầu hết các tài liệu, các tác giả cũng dừng ở mức đưa ra những công thức kinh điển, ví dụ như gia tốc, vận tốc, v.v thông qua dạng véc tơ, tích có hướng của vecto, v.v Như vậy thì với mỗi 1 bài toán, chúng ta sẽ phải lập lại 1 hệ phương trình, và trong MATLAB, chúng ta sẽ phải dùng đến lệnh solve để giải hệ phương trình đó Cho nên những code của nó có đặc điểm: 1) người dùng phải biết về những công thức kinh điển nói trên 2) Người dùng phải biết lập trình và áp dụng cho những bài toán cụ thể Bởi vậy, nếu như những bài toán động lực học của các cơ cấu phẳng có thể được nhận diện thành các cái module cơ bản, mỗi một module được xây dựng một quy trình tính toán chính xác thì việc áp dụng những module đó cho nhiều cơ cấu phẳng sẽ rất tiện lợi và nhanh chóng

Ngày nay, với nhu cầu sản phẩm ngày càng đa dạng và phức tạp, thì các doanh nghiệp càng phải đòi hỏi người kỹ sư phải biết tối ưu các thiết kế của mình để đảm bảo được giá thành của sản phẩm phải là tốt nhất, mức độ thẩm mỹ cao cũng như mức độ an toàn của sản phẩm trước khi đến tay người dùng Để giải quyết được bài toán tối ưu thì việc khó khăn nhất là xây dựng mô hình toán Mô hình toán là tổng hợp của rất nhiều lĩnh vực kỹ thuật như là tính toán động lực học, các bài toán về kết cấu, các hiện tượng vật lý như truyền nhiệt, dao động của máy, va chạm v.v… Mỗi một lĩnh vực, để áp dụng các lý thuyết tính toán tạo thành một phần của mô hình toán là không đơn giản Bởi vậy trên thực tế người ta thường không giải quyết bài toán này, mà chỉ dựa vào kinh nghiệm làm việc với những đối tượng cụ thể để lựa chọn phương án

Trang 17

thiết kế một cách chủ quan nhất

Riêng với những bài toán thiết kế cơ khí mà liên quán đến lĩnh vực động lực học, hiện nay có một cách tiếp cận, đó là sử dụng các phần mềm tự động tính toán dựa trên các phương pháp số, phương pháp phần tử hữu hạn như là Recurdyn, ANSYS, v.v… Tuy nhiên, điều này đòi hỏi người kỹ sư cần phải thành thạo các phần mềm và phải mất chi phí để mua bản quyền Ngoài ra, để thêm vào mô hình toán các tiêu chuẩn hoặc các ràng buộc không phải kỹ thuật như là tính kinh tế, tính thẩm mỹ v.v… thì rất khó đối với các phần mềm này (nhất là đối với các bài toán thiết kế đa mục tiêu) Vì vậy, về mặt lý thuyết cách tiếp cận đa năng nhất đó là kết nối các phần mềm của nhiều lĩnh vực nói trên trong một môi trường thuận lợi cho việc tối ưu hoá như là MATLAB Tuy nhiên, việc kết nối nhiều phần mềm với một môi trường chung này không phải là việc dễ dàng, vì quá trình trao đổi dữ liệu giữa các phần mềm phải qua các file trung gian, việc đó sẽ có thể gây mất nhiều thời gian, gặp nhiều lỗi, dẫn đến bài toán tối ưu không được diễn ra trọn vẹn Bởi vậy với các bài toán cơ cấu phẳng (phần lớn chúng là những cơ cấu kinh điển như là tay quay con trượt, TQCL, culis, v.v…) thì việc kết nối các phần mềm trong việc tối ưu hoá có thể là không cần thiết Thay vào đó, ta có thể sử dụng các module tính toán động lực học được đề xuất Chúng sẽ giúp đỡ người kỹ sư xây dựng được mô hình toán về lĩnh vực động lực học một cách tiện lợi và nhanh chóng hơn Với các lĩnh vực khác trong mô hình toán, thì sẽ có các module tương tự Và việc giải bài toán tối ưu khi này sẽ thuận lợi hơn rất là nhiều so với cách tiếp cận kết nối các phần mềm

Qua quá trình khảo sát một số cơ sở in lụa trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh, tác giả đã thu nhận được các thông tin cho phép đánh giá sơ bộ về thực trạng nhu cầu in lụa hiện nay Điển hình như là việc một số xưởng in lụa đã có máy in lụa, nhưng các công việc chủ yếu tại xưởng đều được thực hiện bằng tay, mất rất nhiều thời gian, năng suất in thấp, hại da tay người công nhân khi tiếp xúc với hóa chất in

Trang 18

Hình 1.1 Công việc tại xưởng in lụa

Đồ gá đơn giản, không định vị chắc chắn chi tiết cần in, sai lệch các hoa văn in lên chi tiết

Hình 1.2 Đồ gá hiện tại được sử dụng

Dựa vào quá trình khảo sát, chúng ta có thể kết luận rằng nhu cầu một máy in lụa kiểu mới quy mô hộ gia đình ứng dụng cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ là rất lớn Máy kiểu mới phải đáp ứng được các yêu cầu về năng suất, chi phí chế tạo, độ bền

Trang 19

cao, đồng thời tiết kiệm được không gian, diện tích Trong công trình [51] nhóm tác giả đã đề xuất một thiết kế cho máy in lụa, và máy in lụa kiểu mới này phù hợp với các yếu cầu đặt ra của các xưởng in lụa vừa và nhỏ ở Việt Nam Máy sử dụng cơ cấu hình bình hành trong quá trình chuyển phôi đến vị trí in, từ đó cải thiện được thời gian cũng như hạn chế việc phải tiếp xúc trực tiếp đến quá trình in của người công nhân Tuy nhiên, hiện nay cơ cấu chuyển phôi của máy vẫn còn gặp rất nhiều hạn chế, do đó cơ cấu cần được phải tối ưu thiết kế để có thể đáp ứng được năng suất cũng như khắc phục các những vấn đề liên quan đến rung động và lắc trong quá trình vận hành máy Các module tính toán động lực học và phương pháp thiết kế tối ưu sử dụng các module đó sẽ được áp dụng để tối ưu cơ cấu chuyển phôi trong máy in lụa kiểu mới

Từ những luận điểm cũng như nhu cầu đã được nêu ra ở trên, đề tài “Xây dựng các module tính toán động lực học để tối ưu thiết kế các cơ cấu phẳng và ứng dụng cho máy in lụa kiểu mới” là cấp thiết và được lựa chọn để thực hiện

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Mục tiêu của đề tài Mục tiêu chung:

Xây dựng bộ công cụ để hỗ trợ tính toán và tối ưu các cơ cấu phẳng

Trang 20

 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu đề ra thì có 6 việc phải thực hiện:

1 Phân loại các module cơ cấu động học phẳng 2 Xây dựng các hệ thức liên quan

3 Xây dựng các code module giải quyết các cơ cấu động học phẳng

4 Xây dựng các code giải bài toán tối ưu các cơ cấu phẳng, sử dụng các module ở bước 3

5 Ứng dụng cho bài toán tối ưu thiết kế cơ cấu chuyển phôi của máy in lụa kiểu mới

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu  Các cơ cấu động học phẳng

 Cơ cấu chuyển phôi tự động kiểu mới

 Phần mềm mô phỏng động lực học hệ đa vật Recurdyn  Phạm vi nghiên cứu

 Phạm vi lý thuyết nghiên cứu: Cơ lý thuyết động lực học, cơ học cổ điển  Lập trình MATLAB

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

 Cách tiếp cận

 Phân tích và tổng hợp lý thuyết dựa trên cơ sở lý thuyết các môn học như cơ lý thuyết, nguyên lý máy, công nghệ chế tạo máy Từ đó xây dựng ra các công thức tính toán theo lý thuyết cơ học tính toán Sau đó tiến hành kiểm nghiệm bằng phương pháp số trên máy tính

 Xây dựng module tối ưu hoá để thay đổi các biến số và hàm mục tiêu

Trang 21

 Chế tạo và thực nghiệm máy với các thông số tối ưu  Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp phân loại và hệ thống hoá lý thuyết  Phương pháp mô phỏng

 Phương pháp đồ thị giải tích  Phương pháp phân tích hỗ trợ

 Các phương pháp tối ưu hoá một và đa tiêu chuẩn

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

 Các module tính toán giúp rút ngắn được thời gian tính toán động lực học các cơ cấu phẳng cũng như tối ưu các cơ cấu phẳng

 Các module tính toán giúp rút ngắn được thời gian cũng như chi phí xây dựng và giải các mô hình toán tối ưu thiết kế các máy móc sử dụng cơ cấu phẳng

 Máy in lụa kiểu mới giúp cho các xưởng in lụa vừa và nhỏ ở Việt Nam giải quyết được các vấn đề về năng suất, chất lượng và giá thành đầu tư in lụa

Trang 22

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Tổng quan tình hình nghiên cứu

Lịch sử tính toán cơ học ở lĩnh vực động lực học đã có từ xa xưa Trong suốt chiều dài lịch sử phát triển, các phương pháp tính toán đã được các nhà khoa học đề xuất và tổng hợp Chúng ta có thể bắt đầu từ những năm 70 của thế kỷ trước, L Teel trong cuốn sách của mình [1] xuất bản năm 1972 mới chỉ đề xuất phương pháp cổ điển trong lĩnh vực này là phương pháp sử dụng họa đồ để xử lý các bài toán động học Các kỹ sư phải vẽ các họa đồ trên giấy kẻ ô ly với tỉ lệ xích để tính toán Nhưng ngay một năm sau (1973) D.S Tavkhelidze trong công trình [2] của mình đã trình bày nghiên cứu về cơ cấu năm khâu cầu bằng phương pháp giải tích Việc sử dụng các công thức từ cơ cấu mà tác giả đề xuất có thể áp dụng cho các trường hợp con là cơ cấu 4 khâu cầu và cơ cấu 4 khâu phẳng Tuy nhiên thì đây là một dạng cơ cấu đặc thù Những công thức này vẫn chỉ để giải quyết một họ cơ cấu cụ thể Vào những năm 1975 nảy sinh nhu cầu thiết kế máy mà cần thỏa mãn quỹ đạo hành trình xác định, vì vậy S.N Krame và cộng sự của mình đã đưa ra Phương pháp để thiết kế cơ cấu đi qua các điểm rời rạc biết chính xác tọa độ [3] Với việc sử dụng cấu hình Dyad, sử dụng kỹ thuật vectơ thể hiện ở dạng số phức và quy hoạch phi tuyến, phương pháp này đã giúp thiết kế được cơ cấu đảm bảo được quỹ đạo cho trước Dù đây có thể được đánh giá là một bước tiến khá lớn, nhưng phương pháp này khi đó lại không giải quyết được bài toán cơ cấu chứa thành phần Cu-lit, chuyển động tương đối cùa con trượt trên các khâu

Về cơ bản, hai hướng tiếp cận phổ biến nhất trong việc tính toán và phân tích động lực học trong thời kỳ này đến đây đã được định hình rõ, đó là phương pháp đồ thị và giải tích Tuy nhiên ở thời kỳ này các phần mềm đồ họa dựa trên máy tính hầu như chưa ra đời nên bài toán thiết kế cơ cấu máy thường phải thông qua phương pháp giải tích để xây dựng mô hình toán Ví dụ như B.M Kwak và cộng sự trong bài báo của mình [4] năm 1976 đã đề xuất phương pháp kỹ thuật thiết kế tham số (Parametric Optimal Design – POD) tối ưu để kiến thiết cơ cấu Chebyshev (cơ cấu bốn khâu bản

Trang 23

lề) mà chú trọng tới việc đáp ứng sai số tối đa giữa hàm đầu ra mong muốn và thực tế cho một khoảng giá trị của đầu vào là nhỏ nhất Theo đó, ngược lại với bài toán thiết kế tối ưu thông thường, trong đó trạng thái của hệ thống được giả định là một

hàm của chỉ một tham số thiết kế b, thì đặc trưng của POD là trạng thái là một hàm của tham số môi trường α, như cũng như tham số thiết kế b Vấn đề POD sau đó trở

thành tối ưu thiết kế thông thường khi tham số môi trường được cố định Các phương trình trạng thái được miêu tả ở dạng ràng buộc đẳng thức, các ràng buộc tham số được miêu tả ở dạng bất đẳng thức và ngoài ra có ràng buộc của tham biến thiết kế Mặc dù phương pháp này khá hiệu quả nhưng nó lại chỉ thích ứng với cơ cấu Chebyshev phẳng hoặc không gian Còn với những dạng cơ cấu khác phức tạp hơn, đa dạng hơn thì nó lại khó có thể áp dụng do có 1 khâu dẫn đầu vào nhưng lại có thể có nhiều khâu đầu ra, hay hoặc cơ cấu Cu-lít

Đến đây vấn đề đặt ra cho xu thế tính toán ở lĩnh vực này nói chung là nằm ở việc làm sao để xây dựng được một mô hình toán thiết kế đáng tinh cậy và hướng tới những cơ cấu quan trọng, phổ biến để chế tạo những loại máy móc cần thiết phục vụ cho đời sống và sản xuất Vào năm 1977 W Mariante và cộng sự của mình trong một ấn phẩm [5] dành cho nhà máy sản xuất đã đề xuất một mô hình toán thiết kế tối ưu cơ cấu phẳng phức tạp, được cấu tạo tự 3 cơ cấu 4 khâu bản lề được liên kết với nhau Hàm mục tiêu của mô hình toán được xác định là tổng chiều dài của tất cả các khâu trong cơ cấu Các ràng buộc chủ yếu là xoay quanh yếu tố kích thước khâu, cơ cấu Bài báo sử dụng kỹ thuật hàm phạt để xử lý một số lượng lớn các ràng buộc Tuy nhiên đây chỉ là một mô hình toán cho một cơ cấu phức tạp cụ thể Bài báo chưa đề xuất một phương pháp hoặc công cụ tổng quát cho những cơ cấu đa dạng phức tạp nói chung

Cùng lúc này (1977), Apple II, TRS-80 và Commodore PET là những chiếc máy tính gia đình (máy tính bàn) thế hệ đầu tiên được ra mắt, mở ra một thời kỳ mới - ứng dụng máy tính vào trong tính toán để giảm thời gian và công sức cho các kỹ sư thiết kế máy Đây cũng là thời điểm mà các phương pháp số xuất hiện và phát triển Các quy trình, thuật toán với các vòng lặp được ra đời để đưa các bài toán phức tạp về

Trang 24

phép tính đơn giản được lặp lại nhiều lần Vì vậy mà C F Reinholtz cùng các công sự của mình trong một năm sau đó đã đề xuất một quy trình phân tích động học cơ cấu phẳng bậc cao theo hai cách giải tích và phương pháp số, phụ thuộc vào việc mô tả hình học của bề mặt cong tiếp xúc được cho ở dạng phương trình giải tích tường minh hay hoặc tập hợp các điểm rời rạc [6] Đối với trường hợp dữ liệu bề mặt được cho ở dạng số rời rạc thì quy trình đề xuất kỹ thuật khớp đường cong sử dụng đường lưỡi gà bậc ba (cubic spline curve fitting) Ba năm sau (1981) R.J Willlams cùng đồng nghiệp cũng đề xuất một quy trình hướng máy tính để phân tích động lực học cho các cơ cấu phẳng [7] Quy trình dựa trên việc viết ba phương trình cân bằng cho mỗi khâu trong cơ cấu từ sơ đồ vật thể tự do Lực quán tính được xét đến bằng cách sử dụng nguyên lý D'Alembert Một kỹ thuật sử dụng phương trình vòng véc tơ đối vưới các phương trình lực và tích có hướng của véc tơ đối với các phương trình mômen được hiển thị để tự động định dạng lại các phương trình này thành dạng ma trận để các lực liên kết ở khớp và lực đầu vào hoặc mômen quay động cơ có thể được tìm dễ dàng bằng phương pháp khử Gauss Tuy nhiên thì bộ công cụ của phương pháp cho thấy chưa hoàn toàn tự động mà code cho thấy các phương trình còn dài Bài báo chỉ dừng ở ý tưởng chứ chưa thực sự có tính tự động cao Bên cạnh đó quy trình này không giải quyết được bài toán có ma sát Bởi lẽ phương pháp này chỉ đưa được về hệ phương trình tuyến tính, trong khi ma sát là bài toán phi tuyến

Xu hướng ứng dụng máy tính tiếp tục phát triển mạnh mẽ Ba năm sau (1984) Gary L và các cộng sự của mình đã đề xuất một ý tưởng mới, đột phá mà đến tận ngày nay vẫn còn cần phát triển và hoàn thiện, đó là việc phân tích các cơ cấu phức hợp phẳng, được cấu tạo bởi các con trượt kép, tay quay con trượt, cu-lit, v.v… bằng việc môđun hóa từng dạng cơ cấu cơ bản nói trên [8] Theo đó, việc phân tích toàn bộ cơ cấu phức hợp có thể được thực hiện bằng việc tuần tự phân tích các thành phần cơ cấu đơn giản hơn bằng các module đó Tuy nhiên ở thời điểm đó thì bài báo chỉ dừng ở ý tưởng và các công thức mang tính lý thuyết Trên thực tế việc xây dựng quy trình tính toán cho từng module là một việc khá phức tạp Ở chỗ là trong hành trình mà khâu dẫn quay toàn vòng, hay hoặc khâu dẫn thực hiện một chuyển động, thì có thể có nhiều vị trí

Trang 25

dị biệt mà có khả năng phát sinh lỗi tính toán khi kết nối các module Vì vậy cần phải xem xét tất cả các trường hợp dị biệt có thể xảy ra để viết nên một chương trình, hoặc là tự vượt qua được các trường hợp riêng, hoặc là tự loại bỏ, hoặc đưa ra cảnh báo cho người dùng Thì các module này mới có tính ứng dụng cao và được sử dụng cho không chỉ bài toán phân tích mà còn xử lý các bài toán kiến thiết hoặc tối ưu hóa cơ cấu Đây vẫn là một khó khăn lớn và kéo dài đến ngày hôm nay Lý do vì cơ cấu đa dạng trong cấu trúc cùng lúc với kích thước của nó có thể tạo ra những điểm kỳ dị khó đoán, và nếu phát sinh lỗi thì quá trình tìm kiếm lời giải có thể bị dừng lại Cùng lúc đó thì công nghệ máy tính chưa đủ hiện đại để hiển thị các thông báo dành cho người dùng

Do vậy nhà khoa học H Funabashi lựa chọn đi theo hướng khác, đó là nghiên cứu những dạng cơ cấu ít xuất hiện điểm dị biệt Trong công trình [9] của mình thì ông đề xuất một phương pháp lặp, dựa trên các ma trận tỉ lệ của các cấu trúc cơ cấu cơ bản để phân tích động học của các cơ cấu phẳng dạng vòng kín Tuy nhiên Phương pháp này chỉ áp dụng cho các cơ cấu phẳng liên kết với nhau bởi các bản lề và phải thỏa mãn điều kiện vòng kín Còn với các dạng cơ cấu chứa con trượt, hay cơ cấu áp dụng cho các dạng máy móc thực tế thì không được áp dụng phổ biến

Những năm tiếp theo công nghệ máy tính tiếp tục phát triển Và đến 1993 thì hệ điều hành Windows NT 3.1 ra đời với sự hỗ trợ của giao diện người dùng, khái niệm các phần mềm bắt đầu được xuất hiện Nên ngay trong năm đó, Ray P.S Han và các cộng sự đã giới thiệu phần mềm KPLAn với giao diện thân thiện với người dùng để phân tích động học cho các cơ cấu phẳng một bậc tự do Phần mềm được xây dựng dựa trên phương pháp vòng kín véc tơ Với giao diện của phần mềm, người dùng có thể quan sát mô phỏng chuyển động của cơ cấu, phân tích các thông số động học ở bất kỳ thời điểm và vị trí nào Phần mềm này là một trong những ứng dụng đi đầu trong thời đại của nó Mặc dù vậy những phần mềm này dù sao cũng chỉ để thực hiện các bài toán phân tích xuôi, chứ chưa thể thực hiện các bài toán thiết kế ngược, nhằm thỏa mãn một yêu cầu nào đó hay hoặc để tối ưu thiết kế cơ cấu Đến ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì xuất hiện rất nhiều những phần mềm mô phỏng

Trang 26

và phân tích động lực học khác vượt trội hơn

Trong tính toán động lực học, ma sát trượt là một hiện tượng quan trọng thường xuất hiện B.N.J Persson trong bài báo [11] của mình trình bày một nghiên cứu về hiện tượng ma sát trượt giữa hai bề mặt trong chuyển động ở dạng cấu trúc vi mô Từ đó tìm được tỉ lệ giữa hệ số ma sát động trên hệ số ma sát tĩnh thường là bằng ½ Kết quả này giúp cho việc giải các bài toán cơ học liên quan đến hiện tượng ma sát trượt được thực hiện một cách tiện lợi và chính xác hơn Một số nghiên cứu chuyên sâu khác về lĩnh vực này cũng được thể hiện trong [15]

Đến năm 1995 ý tưởng cách tiếp cận module tiếp tục được nghiên cứu D.J.A Simpson và cộng sự của mình phân tích tương đối kỹ về cách tiếp cận tổng quát cho việc phân tích cơ cấu phẳng, đó là yêu cầu cung cấp đủ thông tin để mô tả cấu trúc topo của mỗi cơ cấu đang xét để máy tính có thể lập trình phân nhánh theo các quy trình thích hợp [12] Mỗi loại cơ cấu sau đó được phân tích bằng một giải pháp dạng đóng đã được phát triển trước đó Bài báo cho rằng cách tiếp cận này mặc dù là khá tổng quát nhưng lại thể hiện nhiều hạn chế trong lập trình hệ thống và có thể yêu cầu một lượng lớn chi tiết thường xuyên trong việc chuẩn bị dữ liệu được sử dụng để mô tả cơ cấu Bài báo cũng phân tích một biến thể khác của cách tiếp cận này là yêu cầu người dùng phân tách cơ cấu thành các cơ cấu con, với mỗi cơ cấu con tuân theo một trong các kiểu liên kết hai thanh gọi là Dyads (RRR-Dyad, RRT Dyad, RTR Dyad, TRT Dyad, RTT Dyad) Sau đó, máy tính sẽ chọn quy trình thích hợp để xử lý từng loại Dyad Mặc dù các tác giả đề xuất một cách tiếp cận tương tự, nhưng sử dụng một cơ cấu con duy nhất đóng vai trò là một nền móng để biểu diễn và áp dụng như nhau cho nhiều cơ cấu khác nhau bất kể độ phức tạp của chúng, đó là cơ cấu bốn thanh liên kết thành một vòng động học khép kín Mặc dù đưa ra ý tưởng khá thú vị về một cơ cấu nền móng để có thể vận dụng và biểu diễn cho mọi cơ cấu khác nhau với độ phức tạp bất kỳ, tuy nhiên bài báo mới chỉ đưa ra những hệ thức để xác định yếu tố động học vị trí mà chưa đưa ra các công thức xác định các yếu tố vận tốc và gia tốc các khâu trong cơ cấu Bên cạnh đó bài báo chưa đưa ra các vị dụ tính toán cụ thể Quan trọng hơn là các cơ cấu đa dạng trên thực tế tồn tại rất nhiều những trường hợp dị biệt

Trang 27

mà những công thức tổng quát khó lòng mô tả và bao phủ hết Trong các công thức của cơ cấu nền móng này chưa thấy các tác giả đề cập đến các yếu tố lựa chọn trong tình huống dị biệt

Tiếp đến (1999) C.W Wampler giới thiệu về một phương pháp chung để phân tích các cơ cấu phẳng chứa các vật rắn được liên kết với nhau bằng các khớp quay và/hoặc tịnh tiến [13] Phương pháp này mô tả các thanh dưới dạng vectơ trong mặt phẳng phức, một công thức đơn giản được phác thảo để xây dựng một tập hợp phương trình đa thức xác định vị trí của các liên kết khi cơ cấu được lắp ráp Sau đó, nó được chỉ ra làm thế nào để rút gọn hệ phương trình này thành một bài toán giá trị riêng tổng quát, hoặc trong một số trường hợp, một đa thức kết quả duy nhất Cả hai vấn đề đầu vào / đầu ra và phương trình đường cong truy tìm đều được xử lý Mặc dù theo giới thiệu của bài báo thì đây là phương pháp tổng quát phân tích cơ cấu phẳng, tuy nhiên mới chỉ xác định được vị trí của các khớp liên kết, còn các thông số vận tốc và gia tốc thì chưa được đề cập đến Bên cạnh đó loại hình cơ cấu này không quá phổ biến trong các máy móc công-nông nghiệp nên tính ứng dụng là chưa cao Bên cạnh đó việc phân tích động học là chỉ để giải quyết bài toán xuôi, khó áp dụng phương pháp này cho các bài toán thiết kế ngược Cũng trong năm này, A.N Almadi cùng cộng sự cũng trình bày một cách tiếp cận dạng đóng, dựa trên lý thuyết về hợp lực, đối với bài toán phân tích chuyển vị của các cơ cấu phẳng n thanh Quy trình loại bỏ liên tiếp được tác giả trình bày tổng quát hóa phép loại bỏ biện chứng của Sylvester cho trường hợp p phương trình (p≥ 3) được giải với p ẩn số Điều kiện sử dụng phương pháp loại bỏ liên tiếp để rút gọn p đẳng thức (với p ẩn số) thành một đa thức đơn biến, không có nghiệm nguyên, cũng được trình bày Đa thức đơn biến này tương ứng với đa thức I/O của cơ cấu Một phương pháp xử lý toàn diện cũng được trình bày về một số vấn đề liên quan đến việc chuyển đổi các phương trình đóng vòng siêu nghiệm, thành một dạng đại số, sử dụng các phép thay thế một nửa góc tiếp tuyến Quy trình phương pháp được minh họa thông qua phân tích chuyển vị của cơ cấu 10 thanh 1 bậc tự do với 4 vòng kín độc lập Phương pháp nghiên cứu này dùng để xử lý cho những dạng cơ cấu nhiều vòng đóng phức tạp đặc thù, không phổ biến và phù hợp với việc thiết

Trang 28

kế máy móc Bên cạnh đó phương pháp chỉ giúp xác định được chuyển vị còn vận tốc và gia tốc của các khâu trong những cơ cấu chưa được đề cập Cũng tương tự năm 2001 C.W Wampler thì trình bày phương pháp kết hợp mặt phẳng số phức với quy trình định thức Dixon của Nielsen và Roth [16] Kết quả có thể thu được dễ dàng, vì vậy ngoài việc cung cấp các giải pháp số, phương pháp này còn thuận tiện cho cả các lời giải giải tích Quy trình này đưa đến một vấn đề tổng quát về giá trị riêng với kích thước tối thiểu Cả hai vấn đề đầu vào / đầu ra và lấy đạo hàm của phương trình đường cong quỹ tích đều được giải quyết, cũng như phần mở rộng của phương pháp để xử lý khớp con trượt

Về lĩnh vực động lực học, H.A Attia trình bày một phương pháp số để khởi tạo ra các phương trình chuyển động của cơ cấu phẳng chỉ có các khớp quay [17] Phương pháp này dựa trên ý tưởng thay thế vật rắn bằng một hệ các chất điểm tương đương bị ràng buộc về mặt động lực học Đối với trường hợp vòng hở, các phương trình chuyển động được tạo ra một cách đệ quy dọc theo các chuỗi mở Các ràng buộc hình học cố định khoảng cách giữa các hạt được giới thiệu Đối với trường hợp vòng kín, hệ thống được chuyển đổi thành các vòng mở bằng cách cắt các khớp động học thích hợp với việc bổ sung các ràng buộc động học Phương pháp này dễ dàng về mặt khái niệm và phù hợp để thực hiện trên máy tính Nó loại bỏ sự cần thiết của việc phân phối các lực và mômen bên ngoài lên các chất điểm và sử dụng các khái niệm về động lượng và mômen động lượng để tạo ra các phương trình chuyển động của vật rắn mà không đưa ra bất kỳ tọa độ xoay nào Một ví dụ với các vòng đóng được chọn để chứng minh tính tổng quát và đơn giản của phương pháp được đề xuất Phương pháp này mặc dù khá tiện lợi để phân tích động lực học cho các cơ cấu phẳng nhưng nó lại chỉ xử lý được các cơ cấu liên kết với nhau bằng khớp bản lề mà chưa xử lý được các cơ cấu có khớp con trượt Bên cạnh đó nó cũng chưa phù hợp để áp dụng vào các bài toán thiết kế ngược trong quá trình thiết kế máy móc

Đầu thập niên 2000 thì những kiến thức và kinh nghiệm tính toán trong lĩnh vực động lực học bắt đầu được chuyển hóa thành các sách giáo khoa và tham khảo chuyên biệt [18] Tuy nhiên trong những cuốn sách này chỉ nêu những khái niệm cơ bản chung

Trang 29

và cách tính toán sơ đẳng, để người học nắm được những định nghĩa và phân tích động lực học của bài toán xuôi, chưa đi sâu vào bài toán ngược để thiết kế máy Tiếp theo, S Mitsi (2004) cùng cộng sự trình bày lời giải ở dạng đa thức cho phép phân tích vị trí của nhóm Assur lớp 4 (tứ phân) với bốn liên kết, một liên kết lăng trụ và năm khớp quay vòng Mục đích của phân tích vị trí này là để xác định tất cả các cấu trúc có thể có của nhóm Assur, cho một vị trí nhất định của các khớp bên ngoài của nó Việc phân tích dẫn đến một hệ ba phương trình phi tuyến tính với ba tham số chưa biết Sử dụng một quy trình loại trừ liên tiếp, thu được một phương trình đa thức bậc sáu bậc sáu với một ẩn số Các gốc của phương trình đa thức dẫn đến, nhiều nhất là sáu cách khác nhau của nhóm Assur trong trường phức Hai loại nhóm Assur thuộc lớp 4, loại thứ nhất có một khớp bên ngoài và loại thứ hai có một khớp lăng trụ bên trong, được khảo sát Trong cả hai trường hợp, các ví dụ số dẫn đến hai nghiệm thực, tương ứng với các chế độ lắp ráp của nhóm Assur Một ứng dụng của phương pháp đề xuất cũng được đưa ra cho cơ cấu phẳng bao gồm các nhóm như vậy Tuy nhiên phương pháp này chưa thể ứng dụng vào cho quá trình thiết kế cơ cấu

Một trong số những bài toán quan trọng trong động lực học cơ cấu đó là thiết kế cấu trúc Yi Lu và các cộng sự của mình là tiên phong trong lĩnh vực này với các công trình [20, 38, 42, 45] trình bày một phương pháp hệ thống thanh và đồ thị ma trận topo để thiết kế nên các cơ cấu phẳng không gian Phương pháp cũng cho phép xác định được các mối quan hệ giữa cơ cấu thực tế và liên quan, số bậc tự do Trong [21], các tác giả này trình bày về một cách tiếp cận để giải quyết đồng thời bài toán thiết kế cấu trúc hình dạng và kích thước cơ cấu phẳng bằng việc sử dụng thuật toán di truyền (GA) Phương pháp này đã mã hóa cấu trúc topo của cơ cấu phẳng liên kết bản lề thành một chuỗi nhị phân có thể thay đổi kích thước, đồng thời mã hóa các tham số hình học liên quan, điều kiện ban đầu, tham số tác vụ thành ba chuỗi số thực Để từ đó sử dụng GA đồng thời tìm kiếm các cấu trúc topo khả thi trong miền rời rạc và các kích thước tối ưu trong miền liên tục Phương pháp này là khởi đầu cho cách tiếp cận sử dụng tối ưu hóa số trong việc thiết kế cấu trúc Tuy nhiên các ví dụ trong bài báo chỉ ra rằng cách tiếp cận này dù sao vẫn chỉ phù hợp ỡ lĩnh vực thiết kế khái

Trang 30

niệm (conceptual design), mặc dù việc này được thực hiện một cách tự động Bài báo cũng chưa chỉ ra được các ví dụ cụ thể chứng minh hiệu quả trong việc thiết kế 1 cấu trúc tối ưu cũng như kích thước của nó cho một cơ cấu máy thực hiện một số nhiệm vụ cụ thể nào Đến năm 2016 S Durango cùng cộng sự trong bài báo [40] của mình trình bày một thuật toán dựa trên đồ thị mới để phân tích cấu trúc của cơ cấu phẳng với cấu trúc động học vòng kín xác định một chuỗi các mô-đun (nhóm Assur) đại diện cho cấu trúc liên kết của cơ cấu

Lúc này, trở lại với lĩnh vực kiến thiết động học (Kinematic Synthesis), E.L González (2009) đề xuất một mô hình toán thiết kế cơ cấu bốn khâu bản lề để thỏa mãn yêu cầu đặt ra của đường quỹ đạo [22] Mô hình toán hướng đến việc cực tiểu sai số giữa quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo thực tế thu được với việc đáp ứng các ràng buộc về góc liên kết, góc truyền, điều kiện Grashof, v.v… và sử dụng thuật toán di truyền để tìm lời giải tối ưu Hàm mục tiêu được xây dựng dựa trên hàm số phức và phương trình Freudenstein Dù vậy, bài báo chủ yếu chỉ ra sự hiệu quả của thuật toán di truyền, ứng dụng trong một mô hình toán thiết kế cơ cấu bốn khâu bản lề cụ thể để thỏa mãn yêu cầu quỹ đạo Tuy nhiên bài báo chưa đề xuất một công cụ xây dựng mô hình toán tương tự cho các cơ cấu khác để cũng có thể áp dụng thuật toán di truyền Bên cạnh đó yêu cầu về vận tốc, gia tốc cũng như những ràng buộc về mặt động lực học cũng chưa được xem xét và xử lý

Cũng trong năm này, R.D Gregorio đã tập trung nghiên cứu về các điểm kỳ dị của cơ cấu phẳng trong [23], đây là các điểm mà ở đó các thông số động học của cơ cấu không thể được xác định Mấu chốt của nghiên cứu đề xuất là viết lại các phương trình cơ cấu phẳng nhiều bậc tự do bằng cách sử dụng tâm vận tốc tức thời của cơ cấu một bậc tự do được tạo ra từ cơ cấu đa bậc tự do, khóa tất cả các tọa độ tổng quát trừ một Từ đó các bài toán động học tức thời được định dạng lại Công trình nghiên cứu tập trung vào các điểm kỳ dị tuy nhiên lại chưa kết nối để thành một phương pháp, hoặc quy trình phân tích các cơ cấu phẳng mà chứa điểm bình thường lẫn kỳ dị, để có thể giải các bài toán tối ưu thiết kế máy móc

Trang 31

Trong cuốn sách [24] của D.B Marghitu xuất bản năm 2009 hay [35] của M J Rider xuất bản năm 2015, các tác giả sử dụng các phương pháp dựa trên các khái niệm cặp động học (Kinematic pairs), Dyads, các vòng độc lập (Indipendent contours), sơ đồ vòng (contour diagram) Về phần động học: Để giải quyết bài toán động học vị trí, các tác giả sử dụng hệ trục tọa độ Đề Các, phân chia cơ cấu phẳng ra các cơ cấu cơ bản như tay quay con trượt (nhóm R-RRT), bốn khâu bản lề (nhóm R-RRR), cơ cấu có con trượt Culit (nhóm R-RTR) Hai phương pháp được sử dụng là điều kiện ràng buộc và hàm khoảng cách Ơ-Clit để xác định tọa độ vị trí của các điểm trên cơ cấu Để giải quyết bài toán động học vận tốc và gia tốc, các tác giả dựa trên công thức đạo hàm của véc tơ bán kính vị trí trong hệ tọa độ Đề Các, tích có hướng của véc tơ, sau

đó tách ra ba thành phần theo các trục tọa độ x, y, z để tính toán Ngoài ra một phương

pháp thứ hai mà các tác giả sử dụng là phương trình vòng độc lập dự trên các sơ đồ vòng cùng đạo hàm của phương trình này để xử lý tương tự Về phần động lực học: Các tác giả dựa vào phương trình động lực học tổng quát của vật rắn chuyển động phẳng, nguyên lý D’Almbert để xây dựng nên các phương trình động lực học ở dạng véc tơ cho các cụm cơ cấu cơ bản RRR Dyad, RRT Dyad, RTR Dyad Từ các phương trình này sẽ tách ra các thành phần tọa độ để tìm các phản lực và mômen khâu dẫn Ngoài ra một phương pháp thứ hai mà các tác giả cũng sử dụng cho bài toán động lực học là phương trình vòng độc lập dành cho các cơ cấu có dạng vòng động học kín Để giải bài toán tìm mômen khâu dẫn còn có thể sử dụng phương pháp phương trình động lực học tổng quát (Phương trình D’Alabert-Lagrange) Tuy nhiên, phương pháp này chỉ xử lý được các bài toán cơ cấu với liên kết lý tưởng không có ma sát Cả hai bài toán động học hay động lực học, dù là các phương pháp nào kể trên, thì các tác giả cũng sử dụng ngôn ngữ MATLAB để xây dựng các hệ phương trình theo 3 thành phần x, y, z để từ đó tìm các đại lượng động học và lực theo 3 thành phần Tuy nhiên code xử lý của các bài toán này vẫn khá cồng kềnh và đòi hỏi người sử dụng phải hiểu về lĩnh vực động lực học, lập trình và với mỗi bài toán khác nhau lại phải xây dựng lại các code tương ứng chứ chưa có được các code tổng quát để người dùng có thể sử dụng tiện lợi ở một bài toán bất kỳ Bên cạnh đó, xu hướng giải quyết trong sách vẫn là giải quyết bài toán phân tích, chứ chưa thể áp dụng cho việc thiết kế cơ

Trang 32

cấu máy

Cho đến khi Yulin Yang cùng các đồng nghiệp trong bài báo [25] của mình đề cập đến phương pháp tính một trong số các chỉ số hiệu số động học và động lực học của cơ cấu phẳng 1 vòng, đó là chỉ số hiệu số gia tốc toàn cục dựa trên ma trận Jacobian và Hessian Sử dụng chỉ số hiệu suất gia tốc toàn cục, hiệu suất gia tốc của cơ cấu bốn khâu bản lề được phân tích và đưa ra bản đồ các chỉ số hiệu suất động lực học Bằng cách sử dụng kết quả của tập đồ thị, cơ cấu có khả năng tăng tốc tốt hơn Khái niệm chỉ số hiệu số gia tốc toàn cục có thể được chuyển hóa thành một trong số các hàm mục tiêu khi thiết kế các cơ cấu phẳng một vòng

Cũng trong lĩnh vực động lực học cơ cấu, GS.TSKH N.V.Khang cùng học trò của mình trong [26] đề xuất sử dụng thuật toán hiệu chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng để giải các bài toán ngược của robot dư dẫn động Công trình này sử dụng khái niệm tọa độ suy rộng nhằm giải quyết bài toán ngược động lực học tuy nhiên lại áp dụng cho đối tượng là robot chứ không phải thiết kế cơ cấu máy nói chung

Tiếp đến, M.S Huang cùng các cộng sự trong bài báo [27] lại sử dụng nguyên lý Hamilton, nhân tố Lagrange, các ràng buộc hình học, phương pháp phân vùng và phương pháp ổn định Baumgarte (BSM) để suy ra các phương trình động lực học của một cơ cấu trục quay không gian được điều khiển bởi một động cơ servo Các tác giả đã xây dựng được mô hình toán và so sánh nó với kết quả thực nghiệm, sử dụng thuật toán di truyền Tuy nhiên, bài báo chú trọng về việc xây dựng mô hình toán mô phỏng cơ cấu không gian, hơn là đi sâu về vấn đề thiết kế

Thập kỷ gần đây, vấn đề thiết kế các hệ thống cơ khí được chú trọng và đầu tư nghiên cứu rất mạnh Như một trong những cuốn sách [28] các tác giả đã đi sâu vào vấn đề thiết kế cơ khí, các khía cạnh, lĩnh vực liên quan đến thiết kế cơ khí, bao gồm quy trình, vấn đề nhận dạng, thiết kế khái niệm, thiết kế chi tiết máy, lựa chọn vật liệu, ảnh hưởng môi trường, v.v…Tuy nhiên thì sách chưa đi sâu vào vấn đề động lực học, cách xây dựng mô hình toán thiết kế dựa trên các tiêu chí, chỉ tiêu về động lực học Một ví dụ về mô hình toán thiết kế tối ưu như trong [36] của các tác giả A.A Jomartov

Trang 33

cùng cộng sự Bài báo trình bày về một bài toán tối ưu hóa động lực học của cơ cấu tay quay con trượt sử dụng động cơ điện không đồng bộ Trong mô hình này, các thông số quán tính, quy luật chuyển động và các thông số động học được cho trước Tiêu chuẩn tối ưu là tổng bình phương căn bậc hai của mômen quay, lực cản và lực quán tính tác dụng lên trục quay

Song song với lĩnh vực thiết kế, một hướng nghiên cứu khác cũng được tích cực nghiên cứu trong giai đoạn này đó là cơ cấu với liên kết không lý tưởng, điều mà xưa nay người ta thường bỏ quá trong quá trình thiết kế S.Erkaya cùng các cộng sự trong bài báo [29] của mình trình bày nghiên cứu ảnh hưởng của tính cân bằng và mềm của thanh đối với động lực học của các khớp quay không lý tưởng, tức là có khe hở xuyên tâm Các thực nghiệm đo đạc rung động đã được thực hiện để khảo sát mức độ làm giảm các tác động không mong muốn đến từ khe hở khớp bản lề của tính cân bằng và thanh mềm Đây là các nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực liên kết không lý tưởng trong máy móc Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học công nghệ ngày nay, dung sai chế tạo ngày càng được giảm dần nên các tác động không mong muốn của các khe hở xuyên tâm trong khớp bản lề đa số không tạo nên mức độ ảnh hưởng quá nghiêm trọng Vì vậy trong bài toán thiết kế máy, hầu như chưa đến mức người kỹ sư cần phải giải quyết vấn đề này Dẫu vậy, ở một số trường hợp các máy móc với yêu cầu chuyển động đạt được có độ chính xác cao hoặc tuyệt đối êm khi hoạt động thì S.M Varedi và các cộng sự trong bài báo [33] của mình đã trình bày bài toán tối ưu hóa việc phân bố khối lượng của các thanh trong cơ cấu tay quay con trượt để nhằm giảm bớt hoặc loại bỏ các lực tác động trong các khe hở của các khớp bản lề do sai số chế tạo và lỗi lắp ráp Thuật toán bầy đàn PSO được sử dụng để giải quyết bài toán tối ưu này Kết quả nghiên cứu cho thấy gia tốc dài và góc cùng với các lực tiếp xúc của phương án tối ưu là khá nhẵn và có giới hạn

Thay vào đó Matthew I.C cùng cộng sự tập trung bày về xu hướng phân tích động học để đánh giá các cơ cấu phẳng và sử dụng trong quá trình tự động thiết kế [30] Tác giả chỉ ra rằng tồn tại những khó khăn cho người dùng khi sử dụng phần mềm phân tích động học ở việc thực hiện thao tác thủ công để nhập thông tin cơ cấu, xác

Trang 34

định các điều kiện biên cũng như điều chỉnh các thông số cần thiết trong phần mềm Bên cạnh đó không có công cụ phân tích động học nào được tích hợp với công cụ tạo thiết kế Vì vậy các tác giả trong công trình của mình đã xây dựng một phương pháp tổng quát hóa phân tích động học của cơ cấu vòng phẳng n-thanh dựa trên lập trình hướng đối tượng, sử dụng khái niệm tâm vận tốc tức thời để giải bài toán vận tốc, phương pháp đa giác véc tơ để giải bài toán gia tốc và phân hủy Dyad để giải bài toán vị trí Mặc dù đã đề cập đến xu hướng phân tích động học để làm tiền đề cho việc tự động hóa thiết kế cơ khí, nhưng công trình đề xuất của các tác giả chưa thể đưa ra được một công cụ tính toán cụ thể, tổng quát và triệt để các điểm kỳ dị cho các cơ cấu phẳng, đồng thời chưa giải quyết được bài toán động lực học Điều này hạn chế khả năng hỗ trợ việc tự động hóa thiết kế máy

Tác giả S.Erkaya trong công trình [31] của mình lại thể hiện sự quan tâm với mô hình toán tối ưu thiết kế Bài báo của ông trình bày việc tối ưu hóa cân bằng của cơ cấu bốn khâu bản lề phẳng để giảm thiểu lực lắc và dao động mômen Hàm mục tiêu chính là lực lắc và dao động mômen, các biến thiết kế là tham số động học và động lực học Thuật toán di truyền với việc tự động điều chỉnh hệ số trọng số được sử dụng để tìm các tham biến thiết kế tối ưu và các tác giả sử dụng phần mềm thương mại nhằm kiểm tra để đánh giá hiệu quả của quá trình tối ưu hóa được đề xuất Tuy nhiên thì việc xây dựng mô hình toán với mục tiêu làm giảm lực lắc và dao động mômen cũng chỉ là một trường hợp cụ thể trong việc thiết kế Bài báo không đưa ra công cụ tổng quát để giúp xây dựng mô hình toán tương tự theo các mục tiêu đa dạng khác Việc phải sử dụng phần mềm thương mại để kiểm nghiệm kết quả tối ưu cũng là một hạn chế của bài báo

Cũng trong thời kỳ này, các phần mềm mô phỏng động lực học cũng đã phát triển rất mạnh mẽ Nổi bật lên nhất là MSC Adams, Recurdyn Các mô phỏng được thực hiện trong các gói phần mềm này, dựa trên nền tảng của các phương pháp số được thực hiện rất nhiều Ví dụ như trong công trình [32], P Sarga cùng các cộng sự đã trình bày ứng dụng của MSC Adams / View để phân tích động học chuyển động của cơ cấu bơm Cơ cấu bơm được đề cập trên thực tế là một cơ cấu phẳng phức hợp Tuy

Trang 35

nhiên việc sử dụng phần mềm thương mại ADAMS đòi hỏi kinh phí và kỹ năng sử dụng phần mềm từ người dùng Mặt khác các gói phần mềm này chỉ thực hiện việc tính toán và mô phỏng chứ chưa được tích hợp vào các phần mềm thiết kế Hay như một ví dụ khác, trong bài báo [41] năm 2016 các tác giả trình bày về gói phần mềm MEKIN2D dùng để mô phỏng động học của các cơ cấu phẳng bằng cách tiếp cận module Tuy nhiên gói phần mềm này mới chỉ giải quyết mô phỏng hoạt hình mà chưa đưa ra phân tích các thông số động học và động lực học khác Mặt khác phần mềm này không giúp thực hiện được bài toán thiết kế cơ cấu

Có chăng thì các gói phần mềm mô phỏng này thường được dùng với mục đích kiểm nghiệm lại kết quả thiết kế và tính toán Ví dụ như S Durango và các đồng nghiệp trong bài báo [34] của họ đề cập đến bài toán động lực học xuôi của các cơ cấu với một bậc tự do (DOF) Có một phương pháp mục đích chung (General Purpose - GP) dựa trên chuỗi trong đó cơ cấu được phân tách thành các nhóm cấu trúc Assur Các phân tích động học và động lực học của các nhóm Assur được giải quyết riêng lẻ để tạo thành một thư viện gồm các mô-đun độc lập Tính chất này được sử dụng để thu gọn các thông số quán tính và ngoại lực trong mỗi nhóm kết cấu (mô-đun) tạo thành cơ cấu Sự thu gọn được truyền từ mô-đun này sang mô-đun khác cho đến khâu dẫn, và sau đó động lực học xuôi được giải quyết bằng cách phân tích riêng khâu dẫn Phương pháp GP được trình bày có tính linh hoạt có thể so sánh được so với các phương pháp GP dựa trên khớp Phương pháp này được áp dụng cho động lực học xuôi của cơ cấu sáu thanh (Watt) với kết quả có thể so sánh với phần mềm thương mại cho động lực học hệ nhiều vật (Multibody System - MBS) Ý tưởng của bài báo này là phù hợp tuy nhiên các tác giả không thể hiện nội hàm của các môđun đề xuất, cũng như cách xử lý các điểm dị biệt trong cơ cấu Hơn nữa đây là bài toán động lực học xuôi, thường dùng để phân tích và khảo sát ứng xử của một cơ cấu tự do dưới tác dụng của ngoại lực Bài toán này thường không phổ biến bằng bài toán động lực học ngược, vốn cần tìm quy luật điều khiển khâu dẫn để cho cơ cấu thỏa mãn yêu cầu động học nào đó

Bên cạnh những công việc phổ biến nói trên thì việc khám phá ra các dạng cơ cấu

Trang 36

mới cũng được tích cực nghiên cứu Một trong số những cơ cấu mới được giới thiệu trong công bố [37] của Y Cao và các cộng sự Bài báo trình bày phương pháp thiết kế cơ cấu bật lên (Lamina Emergent Mechanisms hay Pop-up Mechanisms) với khớp trượt và xoay mà có thể dịch chuyển cả khung và khâu dẫn Tuy nhiên đây là một dạng cơ cấu đặc biệt và không quá phổ biến trong lĩnh vực thiết kế máy

A Peidro trong công trình [39] của mình năm 2016 giới thiệu một công cụ học tập dùng để mô phỏng động lực học của robot song song Đây là thời kỳ mà các công cụ mô phỏng phát triển mạnh mẽ, tuy nhiên nó thường chỉ được dùng ở khía cạnh phân tích và kiểm nghiệm chứ không thể trực tiếp giải quyết được bài toán thiết kế máy Với xu hướng phát triển của khoa học máy tính, việc xây dựng các module tính toán, module kết nối các phần mềm tính toán đa lĩnh vực là một hướng đi mang nhiều triển vọng để mở rộng khả năng để không chỉ giải quyết các bài toán vật lý phức tạp, mà còn thực hiện chúng nhiều lần theo một xu hướng tìm kiếm thiết kế tối ưu nào đó Công trình [43] của G Papazafeiropoulos và các cộng sự là một ví dụ điển hình Các tác giả giới thiệu một bộ công cụ kết nối 2 mã nguồn phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ABAQUS và phân tích toán học MATLAB Với sự kết nối giữa hai phần mềm, người dùng có thể sử dụng kết quả của việc phân tích phần tử hữu hạn trong ABAQUS và đưa vào MATLAB để xử lý toán học, như những bài toán giải phương trình, tối ưu hóa Ý tưởng này cũng cần được thực hiện dành cho lĩnh vực động lực học

Các cơ cấu máy móc được coi là một trong số những dạng cơ hệ nhiều vật (MultiBody System) mà ngày nay được nghiên cứu mạnh mẽ trên thế giới Một trong số những công trình gần gũi với lĩnh vực thiết kế máy là của X Lai [44] Trong khuôn khổ động lực học nhiều vật, bài báo đã đề xuất một quy trình hiệu quả để tính toán độ mòn khớp vòng quay của cơ cấu phẳng với vận tốc thấp Phương pháp này giúp dự đoán độ mài mòn của khớp quay có khe hở trong các cơ cấu phẳng Mặc dù đây là một lĩnh vực chuyên sâu nhằm để tăng chất lượng, độ bền mỏi của cơ cấu Những kết quả này có thể được sử dụng để xây dựng các chỉ tiêu thiết kế máy về sau

Trang 37

Trong cuốn sách [46], N Pandrea và các cộng sự đã đề xuất khá chi tiết về các phương pháp cổ điển cũng như hiện đại để phân tích động học và động lực học cơ hệ phẳng một bậc tự do Về phân tích động học, có các phương pháp đồ thị - giải tích, phương pháp hình chiếu véc tơ và phương pháp Newton-Raphson để xác định vị trí của cơ cấu Sau đó sử dụng phương pháp vi phân hữu hạn để giải quyết bài toán vận tốc và gia tốc Đáng chú ý, các tác giả đặc biệt chú trọng cách tiếp cận môđun hóa các cụm cơ cấu Dyads, như RRR-Dyad, RRT Dyad, RTR Dyad, TRT Dyad, RTT Dyad Trong mỗi cụm modun này, lại chia ra làm 4 phương pháp xử lý, đó là phương pháp giải tích, phương pháp đồ thị kết hợp giải tích, phương pháp giải tích với sự hỗ trợ của máy tính, và phương pháp đồ thị hỗ trợ bằng máy tính Đáng chú ý ở phương pháp giải tích với sự hỗ trợ bằng máy tính chính là việc xây dựng môđun tính toán với đầu vào và đầu ra, sử dụng ngôn ngữ lập trình Pascal để hỗ trợ tính toán, giúp tự động hóa tính toán khá hiệu quả Về việc phân tích động lực học, công trình cũng chú trọng đến bài toán động lực học ngược, khi mà thông số động học của cơ cấu đã biết và cần tìm các phản lực khớp động Để tìm phản lực khớp động, các tác giả cũng sử dụng cách tiếp cận môđun hóa với các cụm RRR-Dyad, RRT Dyad, RTR Dyad, TRT Dyad, RTT Dyad Sau đó áp dụng phương pháp tĩnh động (với nguyên lý D’alambert để tính các phản lực Mặc dù ý tưởng môđun hóa được các tác giả chú trọng, tuy nhiên: Đối với bài toán phân tích động học, việc chia cơ cấu thành các cụm cơ bản Dyads sẽ khó cho việc xử lý các điểm dị bệt, bởi lẽ số lượng và các tình huống dị biệt tiềm tàng trong mỗi cụm vẫn còn nhiều Đối với bài toán động lực học, việc môđun hóa các cụm Dyads giống như bài toán động học lại không hẳn là một lựa chọn thuận tiện Bởi lẽ việc giải bài toán động lực học, suy cho cùng chỉ là đi tìm mômen, tìm phản lực liên kết, mà những thành phần này chỉ chủ yếu xuất hiện ở 2 đối tượng: khâu chất điểm (khớp bản lề, chất điểm có khối lượng, con trượt) và khâu vật rắn Như vậy việc xây dựng các môđun cho các Dyads này lại trở nên bất tiện cho người dùng.Bên cạnh đó các tác giả chưa xử lý bài toán tìm mômen của khâu dẫn

Một họ bài toán trong thiết kế cơ cấu máy được trình bày trong [48] của S Yavuz Trong công trình này tác giả tổng hợp các phương pháp để giải bài toán kiến thiết cơ

Trang 38

cấu động học (Kinematic synthesis), trong đó tập trung vào bài toán khởi tạo hàm số (Function generation) Có hai phương pháp chủ đạo dành cho bài toán này mà các giả chú trọng, đó là: 1) Phương pháp xấp xỉ (Approximation Methods), trong đó có phương pháp nội suy (Interpolation Methods), phương pháp bình phương nhỏ nhất (Least Square Method) và phương pháp Chebyshev 2) Phương pháp tối ưu hóa, trong đó có phương pháp tối ưu tuyến tính, sử dụng thuật toán Newton-Raphson và tối ưu phi tuyến, sử dụng các thuật toán di truyền, bày đàn, v.v…) Đây cũng là một họ lớp bài toán tối ưu thiết kế, tuy nhiên mấu chốt ở đây là phải xây dựng được một mô hình toán cho phép tính các thông số động học tại một điểm vị trí bất kỳ nếu như biết trước tham biến thiết kế bất kỳ Để từ đó giải quyết bài toán ngược đi tìm các tham biến thiết kế để sao cho thỏa mãn nhất có thể yêu cầu động học cơ cấu Ở đây công trình tập trung vào các phương pháp xử lý bài toán cho một số cơ cấu thông dụng như bốn khâu bản lề, tay quay con trượt, mà không đưa ra một công cụ chung để từ đó có thể giải bài toán cho một cơ cấu phẳng một bậc tự do bất kỳ

Trong công trình [49] M.Saura và các cộng sự giới thiệu một quy trình phân tích động học của loại nhóm cấu trúc bất kỳ, và hai phương pháp khác nhau cho giải pháp của chúng trong tọa độ tự nhiên cũng được trình bày: phương pháp tiếp cận đạo hàm theo thời gian (TD) và phương pháp tensor bậc ba (3OT) Hai nghiên cứu điển hình có thể mở rộng đã được xem xét: liên kết bốn thanh 2D và cơ cấu trục quay 3D với số lượng phương trình ràng buộc ngày càng tăng Ý tưởng môđun hóa các nhóm cấu trúc cơ bản là hợp lý trong hướng tiếp cận phân tích các bài toán động lực học ngày nay, tuy nhiên trong công trình của các tác giả chưa thể hiện rõ nội hàm của các môđun và cách ứng dụng chúng cho việc thiết kế cơ cấu máy

Cũng liên quan đến lĩnh vực thiết kế cơ cấu máy, thời gian gần đây cơ cấu mềm nổi lên như một hướng nghiên cứu rất được quan tâm Một trong số những dạng đó là cơ cấu máy với độ cứng thấp Bài báo [50] của I F deBustos và cộng sự trình bày phương pháp ứng dụng hàm sai số khoảng cách tối thiểu tổng quát cho việc thiết kế kích thước động học của các cơ cấu phẳng có độ cứng thấp (cơ cấu mềm) Hàm lỗi khoảng cách tối thiểu được giải quyết bằng cách tiếp cận lập trình bậc hai tuần tự

Trang 39

(SQP) Trong nghiên cứu, bài toán tổng hợp cũng được tối ưu hóa bằng cách sử dụng SQP, và chức năng này có thể dễ dàng thích nghi với các phương pháp khác như thuật toán di truyền Việc xây dựng mô hình toán cho cơ cấu mềm là khá phức tạp Với nhiều cơ cấu mềm đa dạng thì nhiệm vụ thiết kế sẽ còn càng khó khăn hơn nữa

Mục tiêu của đề tài

Xuất phát từ những nội dung tổng quan trên, học viên xây dựng nên một bộ tập hợp các module tính toán động học và động lực học dựa trên cặp động học (Kinematic Pairs) và lập trình Code tổng quát cho chúng dựa trên ngôn ngữ MATLAB Bộ module này có một số ưu điểm mới so với các bộ module của các công trình đi trước ở chỗ:

 Xử lý các điểm dị biệt một cách triệt để hơn so với trong các Dyads;

 Người dùng có thể gọi lệnh ngắn gọn để xử lý bài toán trên toàn vòng quay của khâu dẫn;

 Thông báo cho người dùng những lỗi khi phát sinh do sai dữ liệu;

 Dễ dàng sử dụng trong các bài toán thiết kế ngược để tìm phương án thiết kế tối ưu cơ cấu

Với bộ công cụ module này người dùng không chỉ dùng để tính toán và xuất kết quả ở bài toán phân tích, mà còn dùng để giải bài toán thiết kế tối ưu

Trang 40

XÂY DỰNG CÁC MODULE TỰ ĐỘNG TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA CÁC CƠ CẤU PHẲNG

Như đã được đề cập ở phần tổng quan, mục tiêu học viên hướng tới ở chương này là xây dựng được các mô-đun tính toán động học tự động, mà có thể giải quyết hầu hết các bài toán của các cơ cấu phẳng Để có thể thực hiện được việc đó, học viên đã phân tích các dạng cơ cấu phẳng trong các bài toán thiết kế, từ đó tổng ra các dạng cơ cấu thường gặp, sau đó xác định các thông số động học cần phải tính Dựa trên những yếu tố trên học viên đã áp dụng các kiến thức về động học để phân tích và xây dựng các mô-đun tính toán tự động Nội dung phân tích và các mô hình toán sẽ được đề cập trong các mục dưới đây

Xây dựng các mô-đun tính toán động học

2.1.1 Module 0 và Module 00

Module đầu tiên trong chuỗi các module động học là để tính toán ra được góc hợp

bởi chiều dương trục x với một đoạn thẳng AB nào đó trong mặt phẳng Module 0 được dùng để tính toán trong trường hợp biết được tọa độ của 2 điểm A và B,

module00 được dùng để tính góc trong trường hợp biết sin và cos của góc Đây được coi là một module mang tính chất “chuẩn bị”, phục vụ cho các module tính toán động học tiếp theo

Hình 2.1 Các trường hợp có thể xảy ra đối với 2 điểm trên 1 hệ trục toạ độ