TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG
Cơ cấu tác động
Cơ cấu tác động (actuator) là một dạng máy móc biến đổi các dạng năng lượng khác nhau như: năng lượng điện, thủy lực, nhiệt…sang năng lượng cơ học Cơ cấu tác động có hai chuyển động cơ bản là chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay Thiết bị truyền động tuyến tính quy đổi nguồn năng lượng thành hoạt động đường thẳng Chúng tương thích với những ứng dụng xác định, có công dụng đẩy hoặc kéo Thiết bị truyền động quay quy đổi nguồn năng lượng để triển khai những thao tác quay Các dạng truyền động phổ biến trong thế giới kỹ thuật công nghệ ngày này chủ yếu gồm có:
- Cơ cấu tác động thủy lực (hydraulic actuator): là thiết bị được sử dụng lâu đời dưới dạng xi lanh–piston chuyển đổi công suất thủy lực thành công cơ học có ích (dựa trên định luật Pascal) Bộ truyền động thủy lực được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp (đặc biệt là các ngành công nghiệp nặng) có khả năng tạo ra lực, mô men lớn, đồng thời giữ được vị trí tốt Bên cạnh đó, với khả năng chịu nén tốt của dung dịch bên trong xi lanh ( có thể hoạt động được trong điều kiện áp suất lên đến
4000 psi) Ở hình 1.1, cơ cấu thủy lực đơn giản được lý giải phương thức vận hành dựa trên định luật Pascal [1] (Cơ cấu tác động thủy lực hay khí nén đều sử dụng nguyên lý này) với áp suất luôn bằng nhau ở khâu vào và khâu ra của hệ thống Từ nguyên lý trên, cơ cấu nâng xe như hình 1.1 được tạo ra nhờ vào hệ của cơ cấu tác động thủy lực là tạo ra lực đẩy lớn gấp 10 lần lực ở khâu đầu vào cung cấp
Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực đơn giản [1]
- Cơ cấu tác động khí nén (pneumatic actuator): nguyên lý truyền động tương tư như hệ thống thủy lực nhưng hệ thống truyền động khí nén cung cấp chuyển động đáp ứng nhanh và chính xác ở điều kiện tải nằm trong phạm vi cho phép Trong sản xuất, truyền động bằng khí nén được sử dụng rộng rải trong các ngành công nghiệp nhẹ nhằm tạo năng suất đầu ra lớn và dây chuyền được sản xuất nhanh liên tục Ở hình 1.2 lần lượt là hai cụm xi lanh tịnh tiến (hình 1.2a) và cụm xi lanh quay (hình 1.2b)
Cụ thể hơn, hình 1.2a thể hiện kết cấu cơ bản bên trong của một xinh lanh khí, hai phần không gian ở trong xi lanh chính là hai buồng khí Việc bơm hoặc xả khí ở buồng nào tùy thuộc vào yêu cầu điều khiển muốn tịnh tiến lên hay xuống (Bơm khí vào buồng
1 để tạo chuyển động tịnh tiến hướng ra và ngược lại bơm khí vào buồng 2 để tạo chuyển độn tịnh tiến hướng vào) Hình 1.2b thể hiện kết cấu bên trong của cụm xinh lanh quay,
A1 A2 Định luật Pascal Lưu chất
3 điểm khác biệt giữa 2 cơ cấu chính là xi lanh quay đã sử dụng truyền động của thanh răng bánh răng để chuyển đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay của trục đầu ra Về nguyên lý cấp khí cho cụm thì cũng tương tự như đã phân tích ở hình 1.2a (bơm khí vào buồng 1 để trục quay ngược chiều kim đồng hồ và ngược lại bơm khí vào buồng 2 để trục xi lanh quay cùng chiều kim đồng hồ)
Hình 1.2 Xy lanh khí nén cung cấp (a) chuyển động tịnh tiến [2] và (b) chuyển vị quay [3]
- Cơ cấu tác động điện từ (electromagnetic actuator): là thiết bị lấy năng lượng điện làm đầu vào (cả AC hoặc DC) để cung cấp chuyển động mô men xoắn cơ học hoặc chuyển động thẳng Động cơ điện đang trở thành một trong những cơ cấu tác động được sử dụng phổ biến nhất do khả năng điều khiển dễ dàng hơn, tuổi thọ cao hơn và hiệu suất cao Cơ cấu tác động quay là loại cơ cấu tác động điện hiệu quả nhất, chúng có tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao hơn và các hệ thống truyền động đơn giản hơn so với hầu hết các cơ cấu tác động điện tuyến tính Hình 1.3a thể hiện nguyên lý cơ bản của động cơ điện khi cuộn dây mang điện nằm trong từ trường của nam châm vĩnh cửu sẽ tạo ra một mo men để quay cuộn dây và dẫn đến quay trục động cơ với chiều đường xác định theo quy tắc bàn tay trái [4] Ngoài ra, dựa trên nguyên lý tương
4 tác điện từ (lực Lorentz [5]), cơ cấu tác động từ có thể được sử dụng để gây ra sự dịch chuyển của một kết cấu cơ học Chúng được sử dụng cho các ứng dụng rất nhỏ như robot nano và có tiềm năng rất lớn trong lĩnh vực y tế sinh học Ưu điểm chính của chúng là yêu cầu điện áp thấp và không có hoạt động tiếp xúc, hình 1.3b mô tả cấu tạo bên trong của một voice coil sử dụng nguyên lý hoạt động của lực Lorentz để vận hành Thiết bị này có thể chuyển động lên xuống lập lại với tần số rất cao và chính xác
Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện cung cấp (a) chuyển động quay
[6] và (b) chuyển động tịnh tiến [7]
- Cơ cấu tác động cơ học (mechanical actuator): Bộ truyền động cơ học chuyển đổi một dạng chuyển động này thành dạng chuyển động khác, chúng sử dụng bánh răng, xích, ròng rọc, đường ray và các cơ cấu chuyển động khác nhau cho các hoạt động của chúng Chúng thường được kết hợp với một cơ cấu tác động và cơ cấu dẫn động khác Chúng được sử dụng để tăng mô-men xoắn hoặc công suất của đầu ra hoặc thậm chí để chuyển đổi chuyển động thẳng sang quay hoặc ngược lại Ngoài ra,
Truyền động cơ học thông qua chuyển vị đàn hồi của vật liệu là một hướng nghiên cứu độc đáo, giúp ích trong việc tạo ra chuyển vị chính xác cao, không ma sát
Hình 1.4 Hệ cơ học (a) truyền động bánh răng [8] và (b) truyền động đàn hồi [9]
- Cụ thể ở hình 1.4a là hộp số của một chiếc ô tô với rất nhiều bánh răng, những cặp bánh răng khi được điều khiển để ăn khớp với nhau sẽ có tốc độ và mô men truyền động khác nhau phù hợp cho các giai đoạn lái xe khác nhau Hình 1.4b là một dạng gối đỡ đàn hồi, mô hình cho phép chuyển động quanh tâm với khả năng lập lại cao và chính xác trong môi trường đặc biệt khác nghiệt và được ứng dụng trong kết cấu robot micro [9] Hình 1.5(b) cũng là một dạng của cơ cấu đàn hồi sử dụng khí nén để thay đổi hình dạng của tay kẹp đồng thời tạo ra một lực kẹp nhất định
- Cơ cấu tác động nhiệt (thermal actuator): Bộ truyền động nhiệt thường được làm bằng kim loại hoặc hợp kim nhớ hình dạng, có thể giữ lại hình dạng xác định trước khi năng lượng nhiệt cần thiết được cung cấp Đây là những vật liệu nhạy cảm với nhiệt có khả năng tạo ra các biến đổi thể tích để đáp ứng với sự thay đổi của năng lượng nhiệt Ưu điểm chính của cơ cấu tác động nhiệt là nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và thiết bị dễ sử dụng Hình 1.5a thể hiện nguyên lý một của một cơ cấu tác động nhiệt, cụ thể là một loại cảm biến nhiệt độ hoạt động của cả một hệ thống khi đang vận hành để đảm bảo thiệt bị hoạt động trong vùng nhiệt độ an toàn
Hình 1.5 Nguyên lý (a) truyền động nhiệt đơn giản [10] và (b) truyền động mềm bằng khí nén [11]
- Cơ cấu tác động mềm: Bộ truyền động mềm là bộ truyền động dựa trên polyme được thiết kế cho các hoạt động rất thích hợp để thực hiện các nhiệm vụ tinh vi như thao tác các cơ quan nội tạng trong y sinh hoặc thu hoạch trái cây trong nông nghiệp Ưu điểm chính của chúng là có mật độ thấp và có thể phân hủy sinh học Dựa trên thành phần của chúng có thể phản ứng với các kích thích như ánh sáng, nhiệt, lực điện động, thay đổi độ pH, v.v Chúng thường được sử dụng trong phẫu thuật và trong lĩnh vực y sinh chúng cũng có ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ Hình 1.5b là một loại tay gắp robot sử dụng khí nén để tác động lên cơ cấu mềm trong việc giữ và di chuyển những vật dễ bị hư hỏng như các loại trái cây nhờ vào đặc tính tiếp xúc mềm của cơ cấu.
Tổng hợp và so sánh yếu tố ảnh hưởng
Hầu hết các cơ cấu tác động đều có những ưu nhược điểm khác nhau, nhưng để lựa chọn chúng một cách phù hợp cho lĩnh vực mục tiêu thì cần phải đặt ra những tiêu chí và xác định xem cơ cấu tác động nào thỏa mãn những tiêu chí đã nêu
Bảng 1.1 Tiêu chí lựa chọn cơ cấu tác động [12]
Tiêu chí lựa chọn Thủy lực Khí nén Điện Từ Cơ học Nhiệt Mềm
Khả năng chịu tải Rất tốt Trung bình Tốt Tốt Tốt Kém Kém Độ chính xác Trung bình
Trung bình Cao Cao Cao Trung bình Cao
Kích thước Lớn Trung bình
Tốc độ đáp ứng Chậm Nhanh Rất nhanh
Rất nhanh Vừa Chậm Chậm
Lớn Vừa Lớn Lớn Lớn Nhỏ Nhỏ
Bảng 1.1 thể hiện những tiêu chí quan trọng trong việc lựa chọn cơ cấu tác động và yêu cầu trong việc cung cấp chuyển động với độ chính xác cao Cụ thể, cơ cấu tác động thủy lực có những đặc tính phù hợp với ngành công nghiệp nặng không yêu cầu độ chính xác cao và tốc độ nhanh Cơ cấu tác động điện, từ và cơ học thể hiện sự vượt trội đặc biệt là cơ cấu đàn hồi với những tính năng như khả năng chịu tải, độ chính xác, kích thước và tốc độ đáp ứng… Các cơ cấu còn lại mặc dù có độ chính xác truyền động cao nhưng bị hạn chế bởi tốc độ và khả năng chịu tải
Việc tìm hiểu những loại cơ cấu chấp hành khác nhau giúp cho nghiên cứu có nhiều góc nhìn khách quan về đặc tính riêng của từng loại, từ đó lựa chọn những loại thiết bị truyền động thích hợp phục vụ trong những ứng dụng khác nhau Với mục tiêu đi vào những thiết bị truyền động chính xác cấp độ mirco/nano, đặc tính của cơ cấu tác động
8 cơ học đàn hồi là không thể bỏ qua Vì tính chất khi truyền động rất đặc biệt với thiết kế nguyên khối, không tạo ra ma sát, không tiếng ồn, không cần bôi trơn bảo dưỡng định kì Mục 1.3 mở rộng những tìm hiểu xung quanh cơ cấu đàn hồi và những ứng dụng trong lĩnh vực chính xác đã được áp dụng từ trước, đây là cơ sở lớn để làm điểm tựa dựa vào cho việc phát triển những thiết bị truyền động sử dụng cơ cấu đàn hồi.
Cơ cấu tác động đàn hồi – compliant mechanism
Nói đến cơ cấu cung cấp chuyển vị chính xác, không thể không nhắc đến cơ cấu đàn hồi (compliant mechanism) Không giống như truyền động cơ học thông thường, nguyên lý hoạt động của cơ cấu dựa trên khả năng biến dạng đàn hồi của cơ cấu theo các phương để tạo ra chuyển vị cơ học khác nhau khi chịu tác động bởi lực hoặc moment (dựa trên đinh luật Hooke [13]) Sự khác biệt cơ bản giữa cơ cấu đàn hồi và cơ cấu truyền thống đó là cơ cấu đàn hồi được hình thành bởi các khớp đàn hồi và có thể được chế tạo nguyên khối để loại bỏ sai số lắp ráp trong khi đó cơ cấu truyền thống lại được gắn kết từ những khớp nối truyền thống với nhiều chi tiết và mối lắp Cơ cấu đàn hồi với ít chi tiết đồng nghĩa với việc đơn giản hóa quá trình chế tạo và lắp ráp, đồng thời giảm sai số lắp ráp và tăng khả năng lặp lại của các chuyển động mà cơ cấu tạo ra Hình 1.7 so sánh sự khác nhau giữa khớp đàn hồi (Hình 1.7a) và khớp cầu truyền thống (Hình 1.7b) Khớp đàn hồi ngoài việc tạo được ba chuyển động quay quanh ba trục như khớp cầu truyền thống còn thể hiện một số ưu điểm khác, chẳng hạn: độ lặp lại của chuyển động rất cao (do sử dụng nguyên lý biến dạng đàn hồi và cấu tạo nguyên khối, không có khe hở giữa các mối lắp), không sinh ra hiện tượng ma sát khi hoạt động, có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt (về nhiệt độ, áp suất, hóa chất…) mà không cần các biện pháp bôi trơn hay bảo trì định kỳ
Hình 1.7 Thiết kế (a) khớp đàn hồi và (b) khớp truyền thống [14]
Dựa trên những khác nhau của khớp đàn hồi và truyền thống như minh họa ở hình 1.7 đã cung cấp, bảng 1.2 sẽ tổng kết được sự về đặc tính kỹ thuật của hai loại cơ cấu:
Bảng 1.2: So sánh giữa cơ cấu truyền thống và cơ cấu đàn hồi:
Cơ cấu truyền thống Cơ cấu đàn hồi Được lắp ghép từ nhiều bộ phận: Được chế tạo nguyên khối: o Có độ rơ, thiếu chính xác, tính lặp lại của chuyển động không tốt o Không có độ rơ, chính xác, tính lặp lại của chuyển động rất tốt o Tồn tại ma sát, hao mòn, cần chất bôi trơn và bảo dưỡng định kì o Không tồn tại ma sát, không hao mòn, không cần chất bôi trơn và bảo dưỡng định kỳ o Nhiều bộ phận, có sai số lắp ráp o Ít bộ phận hơn có thể được chế tạo nguyên khối, không có sai số lắp ráp o Phạm vi chuyển động lớn o Phạm vi chuyển động nhỏ
Về tính chính xác ở cấp độ micro – nano, những yêu cầu về những sai lệch ngoài sự tính toán phải cực kì nhỏ, hầu hết chúng ta cần kiểm soát được sai lệch nằm ở đâu và
10 làm thể nào để hạn chế nhất có thể Cơ cấu đàn hồi cung cấp một hiệu suất truyền động gần như 100% vì nó đã hạn chế rất nhiều những yếu tố sai lệch mà cơ cấu truyền thống tồn tại trước đây Vì vậy, việc kết hợp cơ cấu đàn hồi với những thiết bị cung cấp năng lượng đầu vào chính xác như thiết bị điện, từ và cơ cấu mềm sẽ giúp tạo ra những chuyển vị mong muốn một cách chính xác nhất
Hình 1.8 Thiết bị định vị in thạch bản phát triển bởi SIMTech (Singapore Institute of Manufacturing Technology) [14]
Hiện nay, cụng với sự phát triển mạnh mẽ của những kỹ thuật chế tạo tiên tiến như: phay CNC đa trục, cắt dây tia lửa (EDM), in 3D kim loại… cơ cấu đàn hồi được nghiên cứu phổ biến rộng rãi hơn trong nhiều lĩnh vực cần độ chinh xác cao trong môi trường khắc nghiệt Ví dụ cụ thể ở hình 1.8, là cơ cấu định vị chính xác sử dụng khớp đàn hồi (hình 1.7) và các cơ cấu khác kết hợp lại với nhau để tạo ra hồi 3 – BTD (θx – θy – Z) với phạm vi làm việc lớn lên đến 5° × 5° × 5 mm Ở đây, thiết bị dùng những cơ cấu điện từ để tạo ra lực, mô men xoắn và dùng nguyên lý hoạt động của các khớp đàn hồi dựa trên định luật Hook để điều khiển chính xác vị trí của bộ phần công tác
Hình 1.6 Nguyên lý cơ bản của động cơ 2 BTD [15]
Cụ thể ở luận văn này, cơ cấu tác động cần nghiên cứu là động cơ hình 1.6 cung cấp hai chuyển động độc lập tịnh tiến và quay được tích hợp trên cùng 1 trục (linear-rotary motor) [13] Mục tiêu đặt ra là tạo ra cơ cấu phục vụ cho lĩnh vực cơ khí chính xác nên những thông số hoạt động của động cơ ở các phương như chuyển vị, gia tốc, vận tốc phải được dự đoán chính xác Mặc khác, khi những dự đoán được chứng minh tính đúng đắn bằng mô phỏng, thực nghiệm, động cơ có thể hoạt động tốt mà không cần nhiều công cụ điện tử và điều khiển can thiệp vào độ chính xác của cơ cấu Điều đó có nghĩa là động cơ có thể đạt độ chính xác cao đến micro-nano mét bằng phương pháp điều khiển vòng hở đơn giản, đặc tính này hiện tại khó có thể tìm thấy trong các cơ cấu tác động truyền thống và đây cũng là một lợi thế của động cơ Để thực hiện được điều đó ta sẽ không can thiệp sâu vào việc chế tạo trực tiếp ra một động cơ có chức năng như vậy, thay vào đó, ta sẽ thực hiện tích hợp cơ cấu tịnh tiến và cơ cấu quay để tạo ra một động cơ, đồng thời độ chính xác và khả năng lặp lại của động cơ sẽ được nâng cao khi kết hợp những nguyên lý truyền động của cơ cấu đàn hồi tương tự như nguyên lý hoạt động của thiết bị in thạch bản hình 1.8 Từ đó ta có thể khoanh vùng được phạm vi nghiên cứu sẽ hướng đến là tìm hiểu những cơ cấu cung cấp lực và mô men xoắn chính xác, phù hợp như cơ cấu tác động điện điện-từ và cơ cấu truyền động đàn hồi
CƠ CẤU CHẤP HÀNH DẠNG TỊNH TIẾN VÀ QUAY SỬ DỤNG TỎNG LĨNH VỰC CƠ KHÍ CHÍNH XÁC
Cơ cấu tác động dạng tịnh tiến
2.1.1 Linear solenoid – Nam châm điện tịnh tiến
Hầu hết các cơ cấu tác động điện, từ đều sử dụng nguyên lý Điện từ trường, với cuộn cảm được cung cấp một cường độ dòng điện một chiều và theo quy tắc nắm bàn tay phải sẽ là chiều của các đường sức từ tập trung bên trong lõi làm tăng cảm ứng từ của lõi Từ đó, lõi sẽ dịch chuyển lên xuống tùy tín hiệu điều khiển
Hình 2.1 (a) Nguyên lý điện từ trường cơ bản [16] và (b) Solenoid
Trên thực tế, các solenoid tịnh tiến rất phổ biến và quen thuộc trong cuộc sống như van điện từ dùng để kiểm soát lưu lượng và áp suất tương đối dễ dàng Solenoid có kích thước nhỏ gọn và phương thức điều khiển dễ dàng, nên nó thường sử dụng để thay thế
13 các cơ cấu tương tự có kích thước lớn Ngoài ra, Solenoid kích hoạt nhanh nhưng không thể đáp ứng tốt khi yêu cầu tính chính xác vị trí cao
Tương tự như nguyên lý hoạt động của solenoid, nhưng voice coil có cách sắp xếp ổn định hơn với stato là nam châm vĩnh cữu và cuộn cảm chính là roto di chuyển lên xuống Dựa vào cấu tạo này, voice coil cung cấp một lực ổn định hơn so với những gì solenoid làm được Đây chính là những gì mà chuyển vị tịnh tiến chính xác cần, ngoài ra voice coil có thể kết hợp điều khiển để xác định được vị trí, vận tốc cũng như gia tốc cần thiết, rất thích hợp cho điều khiển vòng kín
Hình 2.2 Voice coil bao gồm (a) rotor và (b) stator [17]
Hình 2.2 là nguyên lý cấu tạo của cơ bản của một voice coil, chúng hoạt động với nguyên lý miêu tả ở hình 1.3b Tốc độ, gia tốc và khả năng chuyển vị cũng thiết bị là rất lớn và được ứng dụng trong các thiết bị phát thanh, âm thanh phát ra càng hay đồng nghĩa với việc voice coil chuyển động với biên độ càng chính xác
PZT hoạt động dựa trên biến dạng của vật liệu piezoelectric (vật liệu áp điện) khi có điện áp và ngược lại khi ta nén vật liệu cũng sẽ tạo ra điện áp PZT thường sử dụng trong truyền động chuyển vị nhỏ và yêu cầu tính chính xác cao do nhiều ưu điểm như:
- Không giới hạn về độ phân giải, chỉ phụ thuộc vào điện áp cung cấp cho thiết bị a b
- Tạo ra lực lớn có thể lên đến 10000 N mà không bị mất đi độ chính xác vị trí
- Tốc độ đáp ứng cực kỳ cao (lên đến 1/1000 giây) và gia tốc có thể cao gấp vài nghìn lần so với gia tốc trọng trường
- Không có ma sát, không sinh ra hiện tượng mỏi, không tạo ra trường lực từ
- Tiêu thụ điện năng cực thấp vì không sản sinh ra điện năng hao phí khi hoạt động
Hình 2.3 Bộ truyền động khuếch đại PZT [18]
Hình 2.3 là bộ truyền động PZT khuếch đại APA120ML được ứng dụng chuyển vị chính xác khi chịu tải lớn trong các ngành hàng không vũ trụ, cơ chế lấy nét quang học, chống rung chuyển Phạm vi chuyển động vào khoảng 130 𝜇m, độ phân giải 1,3 nm Ngoài ra, PZT có thể điều khiển dưới dạng vòng hở (open-loop) nhưng vẫn đảm bảo chính xác về vị trí, vận tốc của đầu ra thiết bị Có một nhược điểm là chuyển vị lớn nhất vẫn dưới 1 mm, rất nhỏ so với những cơ cấu chính xác nhưng yêu cầu phạm vi chuyển vị lớn
2.1.4 So sánh tiêu chí cơ cấu tác động dạng tịnh tiến
Từ một vài đặc điểm tiêu biểu liên quan chính đến yêu cầu của động cơ đã được nêu ở mục 2.1, ta sẽ tiên hành so sánh để tìm và lựa chọn cơ cấu tương thích nhất:
Bảng 2.1 So sánh tiêu chí của cơ cấu tịnh tiến
Tiêu chí Solenoid Voice coils Piezoelectric actuator
Lực tạo ra Vừa phải Thấp Lớn
Hành trình làm việc Vừa phải Lớn Nhỏ
Lực không đổi Không Có Có
Chuyển động 2 hướng Không Có Có Độ chính xác, phân giải Thấp Cao Rất cao
Giá thành Thấp Vừa phải Cao
Voice coil và piezoelectric actuator có được hiệu suất tốt hơn và chính xác hơn trong ứng dụng chuyển vị nhỏ trong khi Solenoid chỉ nên được áp dụng trong điều khiển thô Ở tiêu chí hành trình làm việc, voice coil có hành trình dài hơn so với piezoelectric actuator nên xét về tổng thể, voice coil là lựa chọn ưu tiên cho cơ cấu chuyển vị tịnh tiến của động cơ.
Cơ cấu quay
2.2.1 Servo motor – động cơ servo Động cơ servo là một dạng động cơ điện phổ biến trong các hệ thống điều khiển vòng kín, thường được tích hợp bộ truyền động ăn khớp bánh răng và encoder Hình 2.4 mô tả cấu tạo và vị trí của các thiết bị cơ bản có trong một động cơ servo Trong đó, bộ truyền động bánh răng giúp động cơ tăng mô men xoắn để đảm bảo yêu cầu tải trọng và giảm vận tốc làm việc về mức phù hợp Encoder quay được tính hợp để đo chuyển vị góc ở trục đầu ra của động cơ giúp người dùng kiểm soát số vòng quay một cách chính xác
Hình 2.4 Cấu tạo cơ bản của động cơ servo [19]
Về điều khiển, ngoài việc sử dụng Encoder để xác định vị trí của trục đầu ra động cơ, người điều khiển cần quan tâm đến chiều quay, vận tốc và gia tốc của động cơ Mạch điều khiển sẽ nhận code từ lập trình để điều chỉnh điện áp, điện áp thường được cấp theo dạng xung trong đó độ rộng của xung có tác dụng là tăng giảm gia tốc của động cơ Ngoài ra, động cơ sẽ được loại bỏ những sai sô (nhiễu) thông qua thuật toán PID Những lỗi đáp ứng chủ yếu về vận tốc, gia tốc được xử lý thông qua một hệ số tỉ lệ PID, điều này sẽ giúp tăng độ chính xác đáp ứng của đầu ra động cơ
2.2.2 Stepper motor – động cơ bước Động cơ bước là dạng động cơ biết đổi tính hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện từ rời rạc được phát ra kế tiếp nhau, từ đó tạo thành chuyển vị góc quay Nếu góc bước của nó càng nhỏ thì số bước trên mỗi vòng quay của động cơ càng lớn và độ chính xác của vị trí chúng ta thu được càng lớn Các góc bước của động cơ có thể đạt cực đại là
90 độ và cực tiểu đến 0,72 độ Hình 2.5 là cấu tạo của động cơ gồm có hai bộ phận chính là rotor và stator, trong đó: Rotor là một dãy các lá nam châm vĩnh cửu, chúng
17 được sắp xếp chồng lên nhau một cách kỹ lưỡng, trên các lá nam châm này lại được chia thành các cặp cực sắp xếp đối xứng với nhau Stato được cấu tạo bằng sắt từ, chúng được chia thành các rãnh nhỏ để đặt cuộn dây.
Hình 2.5 Nguyên lý cấu tạo của động cơ bước – stepper motor [20] Động cơ sẽ nhận tính hiệu điện từ mạch điều khiển vào stato theo thứ tự lần lượt với một tần số nhất định, đồng thời chiều quay và tốc độ quay của roto cũng phụ thuộc vào tín hiệu này của bộ điều khiển Về điều khiển, có bốn phương pháp điều khiển phổ biến: dạng sóng (wave), dạng bước đủ (full step), dạng nửa bước (half step) và dạng vi bước (microstep) Bên cạnh đó, động cơ cung cấp moment xoắn cực lớn nhưng đôi khi xảy ra hiện tượng trượt bước do lực từ yếu, cường độ dòng điện không ổn định và khá ồn ào
2.2.3 Rotary voice coil – Voice coil quay
Với nguyên lý hoạt động tương tự như voice coil tịnh tiến nhưng chuyển động tạo ra là chuyển động góc quay thay vì tịnh tiến Cơ cấu tác động này là lý tưởng cho các ứng dụng gia tốc cao đòi hỏi chuyển động góc Hình 2.6 là các dạng thiết kế của voice coil, có hai loại thiết kế: dạng L và dạng S Các voice coil dạng L thường được sử dụng
18 trong các ứng dụng hành trình dài, trong khi các thiết kế dạng S phù hợp hơn với hành trình ngắn và định vị chính xác Ngoài ra, voice coil quay có nhiều ưu điểm chẳng hạn như truyền động trực tiếp, không khe hở/độ rơ giữa các chi tiết và không thông qua bộ truyền động bánh răng để chuyển động chính xác, cũng như gia tốc cao và sử dụng một pha
Hình 2.6 Voice coil quay dạng (a) Cylindrical – L và dạng Arc-segment – S [21] 2.2.4 So sánh tiêu chí cơ cấu quay
Từ một vài đặc điểm tiêu biểu liên quan chính đến yêu cầu của động cơ đã được nêu ở mục 2.2, ta sẽ tiên hành so sánh để tìm và lựa chọn cơ cấu tương thích nhất:
Bảng 2.2 so sánh tiêu chí của cơ cấu quay
Tiêu chí Stepper motor Servo motor Rotary voice coil
Mô men tạo ra Nhỏ Lớn Vừa phải
Cảm biến Không Có Không
Quay 2 chiều Có Có Có
Giá thành Thấp Thấp Cao Độ chính xác, phân giải
Khe hở/độ rơ Có Có Không
Voice coil quay với những đặc điểm vượt trội rất thích hợp để trở thành lựa chọn số một cho việc cung cấp chuyển động quay của động cơ với độ chính xác cao và có thể điều khiển vòng hở mà không cần dùng sensor phản hồi tín hiệu Thế nhưng những sản phẩm voice coil quay hiện tại vẫn chưa phổ biến và kích thước lớn nhưng tạo ra mô men xoắn nhỏ hơn nhiều so với loại Servo hay DC motor có thể làm được ở một kích thước nhỏ gọn Vì vậy, Động cơ DC sẽ vẫn là ưu tiên hàng đầu trong việc lựa chọn với những ưu điểm về mô men xoắn lớn, thiết kế nhỏ gọn và giá thành thấp
Cơ cấu xoay và tịnh tiến kết hợp
Việc tích hợp các thiết bị để tạo ra một cơ cấu có chuyển động 2 BTD trên cùng 1 trục đã được thực hiện nhiều và có cấu hình khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu và lựa chọn của người thiết kế Sau đây là một vài loại thiết kế điển hình giúp ta hình dung được khả năng tích hợp cũng như ứng dụng của động cơ 2 BTD trong đời sống một cách rõ ràng hơn:
2.3.1 Động cơ Kết hợp trực giao 2 động cơ quay
Hình 2.7 cơ cấu kết hợp trực giao 2 động cơ quay [22]
Hình 2.7 thể hiện một cơ cấu phổ biến trong công nghiệp Cơ cấu gồm có: 2 động cơ servo, bàn trượt, trục đầu ra và các phụ kiện đi theo Trong đó: chuyển động tịnh tiến của trục đầu ra sẽ được truyền động gián tiếp qua một cơ cấu gồm có động cơ quay truyền động đến bàn trượt dẫn hướng thông qua dây đai, chuyển động quay của trục đầu ra được truyền động trực tiếp bởi một động cơ quay Động cơ quay sẽ nằm trên bàn trượt Hai động cơ được kết hợp nối tiếp và trực giao với nhau
Về cấu hình động cơ sẽ rất linh động thông qua việc điều chỉnh hành trình của chuyển vị tính tiếp dựa trên việc thay đổi chiều dài của trục dẫn hướng và dây đai Cơ cấu cũng được thiết kế dễ dàng cho việc điều khiển, khả năng chịu tải cao đổi lại cấu hình động cơ sẽ có kích thước lớn và không thường được tích hợp nhiều cơ cấu khác vì lí do kích thước cũng như khối lượng
2.3.2 Động cơ kết hợp servomotor và bộ truyền động tuyến tính điện từ
Hình 2.8 Động cơ tịnh tiến và quay PR01 phát triển ở LinMot [23]
Hình 2.8 là sản phẩm động cơ vừa tịnh tiến và quay trên cùng một trục được phát triển bởi LinMot Dòng sản phẩm PR01 được tích hợp hai động cơ servo nối tiếp nhau (một động cơ tịnh tiến và một đông cơ quay với nguyên lý sử dụng điện từ trường như đã mô tả ở hình 1.3) cho phép lắp đặt thiết bị ở những vị trí trên cơ cấu có sẵn và yêu cầu diện tích nhỏ Với những chức năng như đóng, vặn nắp hoặc lắp ráp, động cơ hoạt động độc lập hai chuyển động và hành trình tuyến tính lên đến 300mm rất thích hợp cho những chuỗi dây chuyền sản xuất năng xuất cao và yêu cầu tốc độ Động cơ quay Động cơ tịnh tiến
2.3.3 Cơ cấu khí nén kết hợp xi lanh tịnh tiến và xi lanh xoay
Hình 2.9 Cơ cấu khí nén tích hợp 2 chuyển động DSL-B [24]
Về thiết bị khí nén, rất nhiều hãng lớn trên thế giới như SMC, FESTO,…đã đa dạng hóa sản phẩm của họ không chỉ dừng lại ở việc tạo ra xi lanh tịnh tiến Ví dụ cụ thể ở hình 2.9 là dòng sản phầm DSL-B của FESTO có thể tạo ra chuyển động tịnh tiến và quay trên cùng 1 trục Khác với những cơ cấu trước, sản phẩm DSL-B tạo ra chuyển động bằng việc cấp khí nén trong đó hành trình được tạo ra lên đến 200mm cho chuyển vị tịnh tiến và 270° cho chuyển vị góc quay Ngoài ra, theo hãng cung cấp thì sản phẩm có khả năng lập lại khá cao, không backlash (khe hở), có sự độc lập giữa hai chuyển động và có thể tích hợp nhiều thiết bị đi kèm như: cảm biến vị trí, khả năng điều chỉnh hành trình và giảm sốc tốt.
Cơ cấu đàn hồi cho phép chuyển vị tịnh tiến và quay trên cùng một trục
Hiện nay, có rất nhiều cơ cấu đàn hồi với số bậc tự do khác nhau được thiết kế và chế tạo thành phẩm phục vụ trong nhiều lĩnh vực đời sống và như đã nói ở mục 1.3, cơ cấu đàn hồi rất thích hợp cho những cơ cấu yêu cầu tính chính xác cao Vì vậy, cơ cấu
23 đàn hồi 2 BTD chắc chắn sẽ là phương án đáng cân nhắc để thiết kế động cơ 2BTD chính xác Gối đỡ đàn hồi đã được trình bày trong nghiên cứu trước đó [13] với những đặc điểm nổi bật khắc phục được những hạn chế của một gối đỡ truyền thống như khe hở, sai số lắp ghép, nhiều bộ phận, bôi trơn, tiếng ồn… Thật vậy, hình 2.10 cho thấy gối đỡ truyền động chỉ được tạo thành đơn lẻ và không cần kết hợp với bất kỳ bộ phận nào khác, từ đó gối đỡ hoàn toàn không có sai số lắp ghép, không ma sát, không tiếng ồn, không có độ rơ và không cần bôi trơn…
Hình 2.10 Gối đỡ đàn hồi 2 BTD [15]
Hình 2.10 là một loại đỡ đàn hồi được thiết kế ra với 4 bậc tự do là ∆𝑍 − 𝜃𝑋 − 𝜃𝑌 −
𝜃𝑍 và ràng buộc cứng ở những phương còn lại ∆𝑋 − ∆𝑌 Kết quả này đã được chứng minh bằng hai phương pháp lần lượt là: phương pháp giải tích (Analytical method – tính toán trên Matlab) và phương pháp phần tử hữu hạn (Finite element method – tính toán trên ANSYS)
Hình 2.11 Kết quả mô phỏng chuyển vị (a) tịnh tiến ∆𝑋, (b) tịnh tiến ∆𝑌, (c) tịnh tiến ∆𝑍, (d) quay 𝜃𝑋, (e) quay 𝜃𝑌 và (f) quay 𝜃𝑍 [15]
Hình 2.11 là kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn của gối đỡ đàn hồi nhầm xác định độ cứng của cơ cấu khi chịu tác động bởi một lưc/mô men cơ sở Sau đó, kết quả được đem so sánh lại với kết quả độ cứng tính toán được bằng phương pháp giải tích, ta được bảng so sánh sau:
Bảng 2.3 Bảng so sánh sai lệch giữa 2 phương pháp: Giải tích và FEM
𝑪 ∆𝒙 𝑪 ∆𝒚 𝑪 ∆𝒛 𝑪 𝜽𝒙 𝑪 𝜽𝒚 𝑪 𝜽𝒛 Đơn vị : m/N Đơn vị: rad/(N.m)
Bảng 2.3 đã cho thấy sự khả quan của kết quả với độ cứng lớn ở hai phương ràng buộc ∆𝑋 − ∆𝑌 và độ cứng nhỏ ở 4 phương còn lại, được xem là BTD của cơ cấu ∆𝑍 −
𝜃𝑋 − 𝜃𝑌 − 𝜃𝑍 Ngoài ra, với sai số dưới 6% ở những phương là BTD của cơ cấu khi so sánh hai phương pháp trên cũng đã khẳng định được tính chính xác của kết quả Phạm vi chuyển động của gối đỡ những những phương là BTD cũng được xác định với chuyển vị đảm bảo nằm trong phạm vi đàn hồi của vật liệu (giới hạn chảy 276MPa của Al-6061T6) là 9.63 mm × 11,52°
Ngoài việc nghiên cứu thiết kế của gối đỡ, nguyên lý tạo chuyển động 2BTD khi kết hợp song song và đồng trục 2 gối đỡ đàn hồi vào những thiết bị khác cũng được làm rõ và cụ thể như hình 2.11:
Hình 2.12 Nguyên lý cấu tạo cơ bản của động cơ 2BTD [15]
Hình 2.12 mô tả đơn giản của động cơ (mô tả đơn giản bằng ký hiệu: motor shaft) khi kết hợp truyền động bằng 2 gối đỡ đàn hồi (2 compliant bearing) Để hiểu một cách trực quan hơn, chúng ta sẽ nhìn cơ cấu ở hai góc nhìn là: hình chiếu đứng và hình chiếu cạnh Sau đó ta tác dụng lực và mô men tại điểm tham chiếu của cơ cấu (reference point) như hình 2.13 và 2.14:
Hình 2.13 (a) Nguyên lý chuyển vị của động cơ khi chịu tác dụng bởi Fx
(b) Nguyên lý chuyển vị của động cơ khi chịu tác dụng bởi Fy (c) Nguyên lý chuyển vị của động cơ khi chịu tác dụng bởi Mz
Hình 2.14 (a) Nguyên lý chuyển vị của động cơ khi chịu tác dụng bởi Mx
(b) Nguyên lý chuyển vị của động cơ khi chịu tác dụng bởi My (c) Nguyên lý chuyển vị của động cơ khi chịu tác dụng bởi Fz
Từ 2 hình chiếu, ta có thể thấy được động cơ sẽ những chuyển động của động cơ cũng như của những gối đỡ đàn hồi khi tác động lực/mô men lên 6 phương của của toàn cơ cấu Từ đó, ta nhận thấy rằng gối đỡ đàn hồi 4 BTD (∆𝑍 − 𝜃𝑋 − 𝜃𝑌 − 𝜃𝑍) khi kết hợp song song với nhau sẽ chỉ cung cấp cho động cơ 2 BTD cần thiết đó chính là
∆𝑍 𝑣à 𝜃𝑍 và được thể hiện rõ ở hình 2.15:
Hình 2.15 Ý tưởng thiết kế ban đầu của động cơ 2BTD
Với nguyên lý trên, hình 2.15 thể hiện động cơ sẽ được phép tạo ra chuyển vị theo hai hướng là ∆𝑍 và 𝜃𝑍 nhờ vào chuyển động đàn hồi của gối đỡ Sau khi tìm hiểu về nguyên lý truyền động, ý tưởng về thiết kế và phân bố những thiết bị cũng đã được cung cấp Những lựa chọn về thiết bị cung cấp chuyển động tịnh tiến và thiết bị cung cấp chuyển động quay ở mục 2.1 và 2.2 sẽ được đưa vào Ngoài ra, sau khi tham khảo những thiết kế của động cơ 2 BTD có sẵn trên thị trường ở mục 2.3 và tham chiếu lại những yêu cầu về động cơ như: diện tích tổng thể, hình dạng tối ưu không gian làm việc… Ta có thể phát thảo được nguyên lý thiết kế cơ bản cho động cơ như hình 2.16:
Hình 2.16 Nguyên lý thiết kế của động cơ 2BTD [15] Động cơ DC
NHỮNG VẤN ĐỀ THIẾT KẾ VÀ MỤC TIÊU LUẬN VĂN
Tối ưu hóa gối đỡ đàn hồi
Cơ cấu đàn hồi đã và đang phát triển trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong những ngành công nghệ cao yêu cầu đặc tính chính xác cấp độ micro mét, nano mét Đi đôi với nó là những mong muốn nhầm mở rộng giới hạn phạm vi hoạt động của cơ cấu đàn hồi, vấn đề quan trọng và là yếu điểm hiếm hoi của các thiệt bị đàn hồi Vì vậy, rất nhiều cơ cấu được sinh ra ban đầu là một thiết kế trực quan, nhưng theo sau đó là những quá trình tối ưu về độ cứng, tối ưu động học để tạo ra một phiên bản tốt hơn cả về mặt giới hạn chuyển vị, vật liệu thích hợp và tần số đáp ứng động học Một ví dụ về quy trình cải tiến đã giúp một cơ cấu đàn hồi có được những phiên bản cải thiện hơn, cụ thể là cơ cấu đàn hồi song song 3BTD ở hình 3.1 ứng dụng trong các hệ thống định vị chính xác:
Hình 3.1 Nguyên bản tối ưu ban đầu của CCĐHSS 3-BTD (θx – θy – Z) được chế tạo bằng gia công CNC [25]
Hình 3.1 là phiên bản đầu tiên của cơ cấu được chế tạo bằng cách lắp ráp nhiều chi tiết đã được CNC lại với nhau vì vậy có tồn tại sai số lắp ghép Quy trình tối ưu được thể hiện rõ ràng dưới dạng lưu đồ tối ưu như sau:
Hình 3.2 Lưu đồ trình tự các bước tối ưu CCĐHSS 3-BTD [26]
Việc sử dụng lưu đồ tối ưu ở hình 3.2 cũng với những cải tiến về mặt thiết kế để phù hợp với những phương pháp gia công hiện có, những mô hình đơn giản và hiệu quả hơn được nghiên cứu giúp cơ cấu phù hợp với các hệ thống định vị và quá trình điều khiển Bảng 3.1 thể hiện sự tiến hóa, những đặc điểm đã được tối ưu hóa qua nhiều phiên bản khác nhau:
B ảng 3 1 : So sánh đặc tính cơ học của các CCĐHSS 3-BTD (θx – θy – Z): [28] Các đặc tính cơ học Các thiết kế đã có
Tỉ lệ độ cứng với chuyển động quay
Tỉ lệ độ cứng với chuyển động tịnh tiến
Tần số đáp ứng động lực học
Mô tả 1 CCĐHSS 3-BTD không gian (θx – θy – Z) tối ưu hóa lần 1[1]
40002008o ×8o ×5,5 mm84,4 Hz 2 CCĐHSS 3-BTD không gian (θx – θy – Z) tối ưu hóa lần 2[3]
26743723o ×3o ×2 mm119 Hz 3 CCĐHSS 3-BTD không gian (θx – θy – Z) tối ưu hóa lần 3[4]
360057010o ×10o ×7 mm98 Hz 4 CCĐHSS 3-BTD không gian được đề xuất tối ưu hóa lần 4[2]
Từ bảng 3.1 có thể thấy được CCĐHSS đã cải thiện rất nhiều từ việc tăng tỉ lệ độ cứng tịnh tiến và quay, tăng tần số đáp ứng động học, thiết kế đơn giản, nhỏ gọn hơn và đặc biệt là phạm vi hoạt động tăng lên đáng kể (gấp 2.8 lần ở chuyển vị quay là 1.75 lần ở chuyển vị tịnh tiến) Vì vậy, việc tối ưu hóa cho cơ cấu đàn hồi giúp ta khai phá tối đa tìm năng hoạt động của chúng cũng như việc tạo ra một cơ cấu lý tưởng không ma sát, không tiếng ồn, không mài mòn, không cần bôi trơn bảo dưỡng định kỳ và đặt biệt là phạm vi hoạt động được gia tăng vượt trội
Tương tự như vậy đối với gối đỡ đàn hồi 2-BTD phục vụ truyền động cho động cơ tịnh tiến và quay trên cùng một trục, gối đỡ cần được tối ưu phạm vi hoạt động trong cả chuyển động tịnh tiến và quay nhầm mang lại một thiết kế tốt hơn trong cả đặc tính độ cứng và cả về phạm vi chuyển động Ở thiết kế ban đầu, gối đỡ đàn hồi ở hình 3.3 là sự kết hợp cơ bản giữa mô đun tịnh tiến và quay nối tiếp với nhau đã tạo ra được hai chuyển vị tinh tiến và quay mong muốn đồng thời giới hạn chuyển vị ở các phương còn lại khi kết hợp song song một cặp gối đỡ đàn hồi
Hình 3.3 Gối đỡ đàn hồi ban đầu [15]
Diện tích mặt các ngang của các dầm được cố định và hoàn toàn bằng nhau với ý định ban đầu mang tính trực quan về mặt thiết kế Tuy nhiên, chúng ta phải nhìn nhận lại rằng việc này làm ảnh hưởng lớn đến vùng hoạt động của gối đỡ khi xuất hiện những vùng tập trung ứng suất xấu và không đồng đều ở các dầm gây ra khi biến dạng Hình 3.4 thể hiện sự tập trung ứng suất của gối đỡ đàn hồi khi chịu sự tác động đồng thời của
Fz và Mz tương ứng với hoạt động của động cơ tịnh tiến vào động cơ quay
Hình 3.4 Phân bố ứng suất của gối đỡ dưới tác dụng của F z và M z
Dựa vào mô hình phân bố ứng suất ta có thể thấy được sự phân bố không đồng đều giữa các miền trên một dầm và giữa các dầm Cụ thể ở hình 3.5:
• Mô đun tịnh tiến: Hình 3.5(a), ứng suất cực đại tập trung ở hai cạnh của dầm nối với khung của gối đỡ Điều này nói lên thiết kế cần được thay đổi vì ảnh hưởng
34 của việc phân bố ứng suất không đều sẽ làm cho chuyển vị tạo ra nhỏ và dễ dàng đứt gãy ở hai cạnh bên nếu không đảm bảo ứng suất nhỏ hơn giới hạn chảy của vật liệu, việc thay đổi dầm liên kết cần được triển khai để đảm bảo ứng suất phân bố đều hơn, dẫn đến chuyển vị tạo ra lớn hơn và cũng giúp tuổi thọ hoạt động của gối đỡ dài hơn
• Mô đun quay: Hình 3.5(b) mô tả rõ ràng việc ứng suất chỉ tập trung chủ yếu ở dầm trung tâp trong khi cả dầm còn lại gần như không ảnh hưởng lớn Điều đó chứng tỏ thiết kế giống nhau về diện tích mặt cắt ngang của các dầm đã không mang lại hiểu quả tốt trong quá trình tạo chuyển vị quay của gối đỡ Biến dạng của các cặp dầm ở hai bên dầm trung tâm không được phép lớn hơn để đảm bảo ứng suất của dầm giữa không vượt qua giới hạn chảy của vật liệu, đây là một hạn chế Vì vậy, diện tích mặt cắt ngang các dầm cần được hiểu chỉnh phù hợp để đảm bảo biến dạng của các dầm dưới giới hạn chảy được tạo ra lớn hơn trong quá trình quay để mở rộng giới hạn góc quay của gối đỡ
Hình 3.5 Tập trung ứng suất tại (a) hai cạnh của dầm tịnh tiến và (b) các dầm trung tâm
Như vậy, mục tiêu thứ nhất của luận văn là tối ưu hóa gối đỡ để tạo ra một phiên bản có phạm vi hoạt động tốt hơn tại 2-BTD mong muốn Gối đỡ sau khi được nâng cấp sẽ kiểm chứng độ cứng bằng phương pháp giải tích để đảm bảo tính chính xác của kết quả Nội dung chi tiết của quá trình tối ưu sẽ được thể hiện ở chương sau của luận văn.
Thiết kế động cơ đàn hồi – Linear and rotary motor
Mục đích ban đầu của đề tài là tạo ra động cơ sử dụng gối đỡ đàn hồi nhầm phục vụ trong lĩnh vực yêu cầu độ chính xác cao Vừa tạo ra chuyển vị tịnh tiến và quay trên cùng một trục, vừa có thể điều khiển chuyển vị tạo ra một cách chính xác, mô hình động cơ được kỳ vọng ứng dụng vào trong những lĩnh vực công nghệ cao yêu cầu mức độ sai lệch nhỏ cấp độ miro/nano mét Để làm được điều đó, động cơ ban đầu như hình 3.6 với rotor được định vị bằng ổ đỡ truyền thống sẽ được thay bằng một cặp gối đỡ đàn hồi Các thành phần khác sẽ được giữ lại để đảm bảo thông số làm việc của động cơ không đổi đặc biệt là rotor và stator
Hình 3.6 cấu trúc cơ bản của động cơ DC
Như vậy dựa trên sơ đồ lắp ráp ở hình 3.6, một cặp gối đỡ đàn hồi sẽ thay thế cặp ổ đỡ để liên kết vào hai bên trục của động cơ quay Dựa trên nguyên lý chuyển động khi kết hợp một cặp gối đỡ đã đề cập ở hình 2.15 thì chuyển động tịnh tiến sẽ được tạo ra khi gối đỡ được tác động trực tiếp bởi một lực dọc theo trục định vị của động cơ Hình 3.7 mô tả cơ bản việc kết hợp gối đỡ đàn hồi trong thiết kế động cơ 2BTD Với khả năng cho phép chuyển vị tạo ra ở hai phương ∆𝑍 và 𝜃𝑍, hai thiết bị truyền động lần lượt là động cơ DC và voice coil được bố trí nối tiếp nhau nhầm mục đích: lực Fz tạo ra từ voice coil tạo ra chuyển động dọc theo ∆𝑍 và mô men tạo ra từ động cơ DC tạo ra chuyển động quay 𝜃𝑍 Mô hình động cơ sẽ được chi tiết quá cụ thể ở chương V
Hình 3.7 Ý tưởng thiết kế động cơ 2BTD
Như vậy, tối ưu hóa vùng hoạt động gối đỡ đàn hồi và tích hợp gối đỡ đàn hồi vào động cơ 2-BTD là hai mục tiêu chính của luận văn Việc chi tiết hóa hai nội dung này sẽ được thể hiện cụ thể ở các chương phía sau
Cặp gối đỡ đàn hồi
TỐI ƯU HÓA – MỞ RỘNG VÙNG HOẠT ĐỘNG CỦA GỐI ĐỠ ĐÀN HỒI
Lưu đồ tối ưu và mô hình hóa
Quá trình tối ưu là chuỗi các bước cần phải được lên kế hoạch ngay từ ban đầu để hình thành một lưu đồ tối ưu đảm bảo cho quá trình kiểm tra, tái kiểm tra, đánh giá kết quả trước khi kết thúc Cụ thể quá trình được thiết kế dựa trên mô đun tối ưu hóa bề mặt đáp ứng (Respond surface optimization) của phần mềm ANSYS Mô đun này cho phép các thông số về kích thước của một mô hình trở thành tham số của quá trình quy hoạch thực nghiệm (DoE) để tạo ra một chuỗi kết quả khác nhau Từ đó, quá trình tối ưu hóa sẽ xây dựng phương trình nội suy gần đúng dựa trên bảng giá trị quy hoạch thực nghiệm để tạo ra kết quả tối ưu nhất đảm bảo yêu cầu của người dùng [27].Dưới đây là hình 4.1 trình bày lưu đồ tối ưu phạm vi hoạt động của một gối đỡ đàn hồi:
Hình 4.1 Lưu đồ tối ưu được đề xuất cho gối đỡ đàn hồi
Dựa vào hình 4.1, ta có thể chi tiết hóa lưu đồ thành các bước như sau:
• Bước 1: Xây dựng mô hình trên mô đun DesignModeler của ANSYS Mô hình sẽ được vẽ trực tiếp để đảm bảo thực hiện được quá trình hiệu chỉnh kích thước của các dầm bên trong gối đỡ Như đã mô tả ở hình 3.2, gối đỡ gồi bốn chân tịnh tiến và bốn chân quay, lần lượt các chân được đối xứng với nhau tại tâm nên mô hình khi xây dựng phải đảm bảo kích thước của các dầm giống nhau trên tất cả các chân sẽ được hiệu chỉnh giống nhau để đảm bảo tính đối xứng của gối đỡ Đặc tính tối xứng là vô cùng quan trọng trong thiết kế này vì điều này sẽ tránh việc gối đỡ tạo ra chuyển vị kí sinh ( bất kỳ chuyển động nào sinh ra bởi biến dạng đàn hồi đều kèm theo một hoặc một vài sự dịch chuyển không mong muốn, hay còn được gọi là chuyển vị ký sinh) [28] trong quá trình chuyển động và giảm đi số biến đầu vào của quá trình tối ưu khi chỉ cần hiểu chỉnh các dầm trên một chân sẽ giúp đồng thay đổi trên tất cả các dầm tương ứng ở những chân khác
Hình 4.2 Mô hình gối đỡ đàn hồi được xây dựng trên DesignModeler
Lệnh vẽ trực tiếp đảm bảo tính đối xứng và hiệu chỉnh kích thước
Nhờ vào việc xây dựng trực tiếp mô hình trên ANSYS như hình 4.2 mà kích thước các dầm có thể thay đổi được trong quá trình, từ đó quá trình chọn ra những kích thước phù hợp với hàm mục tiêu và ràng buộc của yêu cầu tối ưu hóa Xây dựng mô hình mang tính đối xứng và ràng buộc giống nhau giữa các chân đàn hồi là chìa khóa của cả quá trình tối ưu
• Bước 2: Mô hình sau khi được xây dựng như phiên bản ban đầu sẽ được đánh giá và phân tích về chuyển vị và ứng suất như đã đề cập ở mục 3.1 Những vấn đề phân bố ứng suất không đồng đều đã được thể hiện rõ đặc biệt là ở hình 3.3 và 3.4 Đối với vấn đề xảy ra ở chân tịnh tiến, việc thay đổi phương pháp kết nối dầm với khung có thể giải quyết vấn đề ứng suất tập trung ở hai bên cạnh của dầm kết nối
Hình 4.3 Sự thay đổi trong phân bố ứng suất ở hai cách kết nối khác nhau
Hình 4.3 thể hiện sự thay đổi từ việc tập trung ứng suất ở hai cạnh bên sang việc phân bố đồng đều ứng suất trên dầm kết nối Bắt nguồn từ sự nhận biết phần ngắn nhất của dầm kết nối ban đầu (hình 4.3(a)) là nằm ở hai cạnh bên trong điều đó dẫn đến ứng suất sẽ tập trung lớn ở hai cạnh này và nhỏ dần khi về giữa dầm (vì ở giữa là phần dài nhất
41 của dầm kết nối) Việc thay đổi để khoảng kết nối là đồng đều trên toàn bộ dầm kết nối như ở hình 4.3(b) cho thấy ứng suất đã phân bố đều ra trên toàn bộ phần dầm không còn tình trạng cục bộ ứng suất và khắc phục được những hạn chế của mô hình ban đầu
• Bước 3: Sau hiệu chỉnh về dầm kết nối, quá trình tối ưu kích thước các dầm cần được triển khai với biến đầu vào là sự thay đổi về chiều ngang và dọc của diện tích mặt cắt ngang các dầm và mục tiêu đầu ra gồm biến dạng lớn dưới giới hạn chảy của vật liệu, cụ thể là nhỏ hơn ứng suất 276 MPa của hợp kim nhôm 6061-T6
Hình 4.4 Kích thước các dầm của một chân đàn hồi
Cụ thể ở hình 4.4 mô tả kích thước của các phần tử dầm trong một chân của gối đỡ đàn hồi, các kích thước b và t sẽ là biến đầu vào trong quá trình tối ưu trong khi kích thước L sẽ được giữ không đổi để đảm bảo giữ nguyên kích thước bao của gối đỡ Trong
4 Chân đối xứng Diện tích mắt cắt ngang các phần tử dầm:
42 đó, biến dạng của dầm vàng L1 × b1 × t1 của chân cũng như bốn dầm đối xứng tương tự của gối đỡ sẽ tạo ra chuyển vị tịnh tiến nên ẩn b1 và t1 là biến đầu vào cho quá trình tối ưu vùng hoạt động tịnh tiến của gối đỡ Tương tự ở các dầm còn lại (hai dầm xanh lá, hai dầm xanh dương và dầm đỏ) là các dầm phục vụ chuyển động quay của gối đỡ nên các ẩn b2, t2, t3 và t4 là biến đầu vào của quá trình tối ưu vùng hoạt động quay Kích thước b2 là chung ở các dầm quay để đảm bảo quá trình chế tạo nguyên khối của gối đỡ
• Bước 4: Kết quả của quá trình tối ưu sẽ là những thông số về kích thước đã tối ưu trong về mở rộng chuyển vị mong muốn của gối đỡ dưới giới hạn chảy sẽ được thay thế vào để tạo ra một mô hình gối đỡ tối ưu Mô hình sau đó sẽ được kiểm tra về độ cứng và phạm vi hoạt động bằng phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng mô đun Static structural của ANSYS) và phương pháp giải tích (tính toán ma trận trên phầm mềm Matlab) Đánh giá sai số để đảm bảo mô hình sau tối ưu là khả thi để áp dụng vào thiết kế động cơ 2- BTD
Chi tiết của từng bước tối ưu hóa sẽ được thể hiện sau đây:
Hình 4.5 Hướng tác động tải tại bộ phận công tác của gối đỡ
Tối ưu vùng hoạt động tịnh tiến
Vùng chuyển động tịnh tiến là một bậc tự do mong muốn của gối đỡ là được thể hiện trên hình 4.5 là hướng ∆𝑍 Lực tác động Fz sẽ tương ứng với khả năng cung cấp lực Lorentz của voice coil tịnh tiến được cố định là 20N tác động tại điểm trung tâm của gối đỡ đàn hồi, gối được được khóa cứng ở bốn phía của khung, kết quả thu được sẽ bao gồm chuyển vị dọc trục Z và ứng suất sinh ra trong quá trình tác động lực Chuyển vị De là mục tiêu của quá trình tối ưu trong khi ứng suất sinh ra là ràng buộc dưới giới hạn chảy 276 MPa của hợp kim nhôm
Bảng 4.1 Tóm tắt điều kiện tối ưu chuyển động tịnh tiến
Input Variable Lower bound Upper bound Unit b1 8 12 mm t1 0.3 0.8 mm
Output Result Objective Constraint Unit
Bảng 4.1 thể hiện biến đầu vào và mục tiêu, ràng buộc đầu ra của quá trình tối ưu tịnh tiến Trong đó, giá trị ban đầu của các biến b1 và t1 không còn lần lượt là 10mm và 0.5mm mà sẽ thay đổi trong vùng từ 8 đến 12mm đối với chiều rộng b1 của dầm và từ 0.3 đến 0.8 mm đối với bề dày t1 của các dầm tịnh tiến Từ đó, mô đun tối ưu hóa bề mặt đáp ứng trong ANSYS cho phép thực hiện quy hoạch thực nghiệm để tạo ra một bảng giá trị của ứng suất và chuyển vị tương ứng với sự thay đổi của các biến và được thể hiện ở bảng 4.2
Bảng 4.2 Bảng giá trị quy hoạch thực nghiệm
Bảng tạo nên từ mô hình thực nghiệm bề mặt trung tâm CCF (Central composite face-centered), dữ liệu tạo ra sẽ cung cấp cho quá trình tối ưu hóa bề mặt đáp ứng – Respond surface optimization.
Tối ưu vùng hoạt động quay
Tương tự như quá trình thiết lập tối ưu tịnh tiến, tối ưu hóa vùng hoạt động quay 𝜃Z trên hình 4.5 là một bậc tự do mong muốn khác của gối đỡ Mô men tác động Mz sẽ tương ứng với khả năng cung cấp mô men xoắn của động cơ DC là 1000Nmm tác động tại điểm trung tâm của gối đỡ đàn hồi, gối được được khóa cứng ở bốn phía của khung, kết quả thu được sẽ bao gồm chuyển vị quay quanh trục Z và ứng suất sinh ra trong quá trình tác động Chuyển vị góc Ae là mục tiêu của quá trình tối ưu trong khi ứng suất sinh ra là ràng buộc dưới giới hạn chảy 276 MPa của hợp kim nhôm
Bảng 4.3 Tóm tắt điều kiện tối ưu chuyển động quay
Upper bound Unit b2 8 12 mm t2 0.3 1 mm t3 0.3 1 mm t4 0.4 1 mm
Output Result Objective Constraint Unit
Bảng 4.3 thể hiện biến đầu vào và mục tiêu, ràng buộc đầu ra của quá trình tối ưu quay Trong đó, giá trị ban đầu của các biến b2 không còn là 10mm và t2, t3 và t4 không còn giống nhau là bằng 0.5mm mà sẽ thay đổi trong vùng từ 8 đến 12mm đối với chiều rộng b2 của dầm và từ 0.3 đến 0.8 mm đối với các bề dày t của các dầm quay Từ đó, mô đun tối ưu hóa bề mặt đáp ứng trong ANSYS cho phép thực hiện quy hoạch thực nghiệm để tạo ra một bảng giá trị của ứng suất và chuyển vị tương ứng với sự thay đổi của các biến và được thể hiện ở bảng 4.4
Bảng 4.4 Bảng giá trị quy hoạch thực nghiệm vùng hoạt động quay
So sánh kết quả đạt được
Kết quả thu được sau hai quá trình tối ưu hóa bề mặt đáp ứng tịnh tiến và quay là những thông số về kích thước dầm mới, cụ thể ở bảng 4.5:
Bảng 4.5 Sự thay đổi kích thước dầm sau khi tối ưu
Unit b1 10 8 mm t1 0.5 0.55 mm b2 10 10 mm t2 0.5 0.3 mm t3 0.5 0.3 mm t4 0.5 0.7 mm
Sự thay đổi giá trị các dầm đã phù hợp cho việc tạo ra những chuyển vị mong muốn lớn hơn so với phiên bản ban đầu và được thể hiện ở bảng 4.6:
Bảng 4.6 So sánh phạm vi hoạt động của hai phiên bản gối đỡ đàn hồi
Current work Comparison Max stress
Thiết kế tối ưu hóa trong hình 4.6 được sử dụng để phân tích các hành trình Kết quả thu được cho thấy rằng gối đỡ có thể tạo ra một không gian làm việc lớn, lên đến 12.11 mm đối với chuyển vị tịnh tiến dọc theo trục Z và 18,77° đối với sự xoay quanh trục Z So với thiết kế trước đó trong [9], các hành trình được tăng lên đáng kể lên tới 25.75 % và 62,91% đối với các chuyển động tuyến tính dọc trục và quay xung quanh trục Z tương ứng
Hình 4.6 thiết kế gối đỡ đàn hồi đã được tối ưu
Kiểm chứng kết quả tối ưu bằng phương pháp giải tích
Giá trị độ cứng của mô hình mới được kiếm chứng bằng phương pháp giải tích và được thực hiện lập trình trên phầm mềm Matlab, kết quả độ cứng và độ mềm của cơ cấu được tính toán bằng phương pháp giải tích như đã trình bày ở [15]:
Dựa vào ma trận độ mềm, hai phần tử C(3:3) và C(6:6) (phần tử thứ 3 và thứ 6 trên đường chéo) chính là đồ mềm của gối đỡ theo các phương tịnh tiến dọc trục Z và quay quanh trục Z của gối đỡ So sánh hai giá trị này với giá trị đồ mềm đạt được bằng phương pháp phần tử hữu hạn khi cho mô men và lực đơn vị tác động lên 2 phương tương ứng, ta được:
Bảng 4.3 So sánh độ cứng bằng phương pháp FEA và Giải tích
Rotational compliance (rad/Nm) Analytical 0.2412 0.2127
Sai số giữa giá trị tạo ra ở hai phương pháp là rất nhỏ, cụ thể là chênh lệch 2.87% ở độ mềm của gối đỡ theo phương tịnh tiến dọc trục Z và 3.58% ở độ mềm theo phương quay quanh trục Z Sự xấp xỉ này chứng mình được mô hình gối đỡ sau tối ưu có khả năng tạo ra độ cứng chính xác và hoàn toàn dự đoán được Gối đỡ sẽ được áp dụng vào việc thiết kế động cơ hai bậc tự do và chi tiết của thiết kế sẽ được trình bày cụ thể ở chương tiếp theo
THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ TỊNH TIẾN VÀ QUAY TRÊN CÙNG MỘT TRỤC
Lựa chọn động cơ trên thị trường
Khi kết hợp song song một cặp gối đỡ đàn hồi thì độ cứng của gối theo hai phương ∆𝑍 và 𝜃𝑍 tăng gấp đôi, ma trận độ cứng khi kết hợp một cặp gối đỡ đàn hồi đã chứng minh điều này:
Ta thấy phần tử K2(3;3) và K2(6;6) có độ lớn gắp đôi so với K1(3;3) và K1(6;6) Vì vậy khi thiết kế động cơ có thể tạo ra chuyển vị lớn nhất, các linh kiện như động cơ DC và voice coil phải đáp ứng được điều khi lực như ở bảng 5.1:
Bảng 5.1 Điều kiện lựa chọn động cơ và voice coil
Gối đỡ đàn hồi Động cơ Hành trình tối đa
Tải tác động tương ứng Chuyển động tịnh tiến 12.11 mm 18.778 N > 37.556 N
Chuyển động quay 18.77° 797.2 Nmm > 1594.4 Nmm
Dựa trên bảng 5.1 ta có thể lựa chọn động cơ và voice coil có khả năng tạo ra mô men và lực tương ứng lớn hơn yêu cầu đặt ra
Từ yêu cầu về mô men quay cần đạt được ở bảng 5.1, động cơ DC của hãng NANOTEC hoàn toàn có thể đáp ứng được khi tạo ra mô men xoắn định mực là 2250 Nmm và cực đại ở 6500 Nmm Thông tin chi tiết của động cơ được thể hiện ở bảng 5.2
Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật của động cơ quay
Mô men xoắn định mức 2250 Nmm
Mô men xoắn cực đại 6500 Nmm
Hiệu điện thế định mức 48 V
Website https://en.nanotec.com/products/2395-db80l048030-a
Hình 5.1 Mô hình động cơ DB80L048030-A cung cấp bởi NANOTEC
Hình 5.1 thể hiện mô hình tiêu chuẩn của động cơ được cung cấp bơi NANOTEC, mô hình này hoàn toàn được nhà cung cấp cho phép hiệu chỉnh về trục, hợp số, cách ghép nối… Vì vậy động cơ hoàn toàn có thể hiệu chỉnh về thiết kế để đảm bảo phù hơp trong việc tích hợp vào động cơ 2BTD Cụ thể trên hình 5.1 động cơ chỉ giữ lại các phần quan trọng như Rotor, stator và vỏ động cơ nhầm giữ nguyên đặc tính cơ học tạo ra của động cơ Những phần còn lại sẽ bỏ đi hoặc thay đổi như: cặp ổ bi sẽ được thay thế bằng cặp gối đỡ đàn hồi, trục động cơ sẽ được hãng thiết kế lại phù hợp cho việc kết hợp cả hai bên đầu trục phù hợp cho thiết kế mới và các phần nấp của động cơ sẽ được bỏ đi để tạo những mặt kết nối khác phù hợp với thiết kế mới
Từ yêu cầu về lực tạo ra cần đạt được ở bảng 5.1, voice coil tịnh tiến của hãng H2W Technologies hoàn toàn đáp ứng được khi có thể tạo ra lực tác động định mực là 27 N và cực đại lên đến 80N Thông tin chi tiết của động cơ được thể hiện ở bảng 5.3
Bảng 5.3 Thông số kỹ thuật của voice coil
Loại Voice coil tịnh tiến
Lực trung bình tạo ra 27N
Lực cực đại tạo ra 80N
Link https://www.h2wtech.com/product/voice- coil-actuators/NCC05-18-060-2X
Hình 5.2 Mô hình voice coil NCC05-18-060-2X cung cấp bởi H2W Technologies
Voice coil NCC05-18-060-2X là sản phẩm tiêu chuẩn được cung cấp bởi H2W Technologies và không được hiệu chỉnh thêm về mặt thiết kế Nên trong quá trình thiết kế tích hợp vào động cơ 2BTD, mô hình voice coil ban đầu cần được giữ nguyên.
Mô hình động cơ
Sau khi lựa chọn động cơ phù hợp cùng với những thay đổi kết cấu của động cơ DC Một thiết kế mới của động cơ 2BTD được hình thành
Hình 5.3 thiết kế chi tiết động cơ 2-BTD Ở thiết kế này, động cơ DC và động cơ quay được kết hợp nối tiếp với nhau và định vị bằng một cặp gối đỡ đàn hồi Phần vỏ cũng như là stator của động cơ sẽ được kết nối cố định với khung của gối đỡ, tương tư phần vỏ ngoài của voice coil cũng được liên kết cứng với phần khung phía sau của động cơ Phần di chuyển của động cơ gồi có trục, rotor và cuộn coil di động được kết nối trực tiếp với tâm của gối đỡ đàn hồi với mục đích tạo ra chuyển động tịnh tiến và quay tại phần trục công tác Cụ thể chi tiết bên trong của thiết kế động cơ đàn hồi được thể hiện ở hình 5.4
Hình 5.4 Chi tiết bên trong của thiết kế động cơ 2BTD Đánh giá thiết kế nhằm đảm bảo khả năng hoạt động có thể tạo ra 2-BTD, phần chuyển động sẽ gồm có những phần như: trục động cơ, rotor của động cơ DC, moving coil của voice coil tịnh tiến Điều này làm giảm nhẹ tối thiểu khối lượng gối đỡ đàn hồi phải chịu và phần chuyển động hoàn toàn tách rời, không tạo ra ma sát vì không tiếp xúc với những phần đứng yên Những yêu điểm của thiết kế làm cho động cơ trở nên nhỏ gọn và đơn giản những vẫn đảm bảo tính hiệu quả Tiếp theo động cơ sẽ thực hiện mô phỏng để thể hiện rõ đặc tính chuyển động cũng như khả năng thực hiện chuyển động
Cuộn coil di động Đế sau
MÔ PHỎNG CƠ TÍNH ĐỘNG CƠ 2-BTD
Chuyển động tịnh tiến
Đối với dạng chuyển động này, quá trình mô phỏng sẽ thực hiện tác động lực Lorentz như ở hình 6.1 để phù hợp với điều kiện thực tế Phần moving coil nhận được lực tác động F khi áp cường độ dòng điện vào cuộn coil
Hình 6.1 Điều kiện tác động lực tạo chuyển vị tịnh tiến
Tiến hành mô phỏng trạng thái hoạt động của động cơ ra được chuyển vị sinh ra tối đa ở hình 6.2
Hình 6.2 chuyển động tịnh tiến của động cơ
Chuyển vị tối đa tạo ra dưới tác động lực 37.713N dưới giới hạn chảy 276MPa là ± 6.0541 mm Phần chuyển động và đứng yên của động cơ được thể hiện trực quan ở mặt cắt hình 6.3
Hình 6.3 Mặt cắt thể hiện toàn bộ phần chuyển động tịnh tiến của động cơ
Trên hình ảnh mô phỏng, ta nhận thấy động cơ hoạt động đúng với mục đích thiết kế đã đề cập ở chương 5 với phần di chuyển là trục, rotor của động cơ DC và moving coil của voice coil Trong thời gian hoạt động, ứng suất sinh ra hoàn toàn phân bố trên các dầm tịnh tiến của gối đỡ đàn hồi và được thể hiện ở hình 6.4
Hình 6.4 Ứng suất sinh ra trong quá trình chuyển động tính tiến (a) ISO view và
Chuyển động quay
Đối với chuyển động quay, mô men quay sẽ tác động ở vị trí của rotor trong điều kiện động thực tế và được thể hiện ở hình 6.5 Rotor quay sẽ làm cho trục công tác thực hiện chuyển động quay tương ứng Nguyên lý của quá trình tác động mô men xoắn dựa trên nguyên lý hoạt động của động cơ DC a b
Hình 6.5 Điều kiện tác động mô men quay của động cơ
Dựa trên điều kiện hoạt động, kết quả mô phỏng quá trình hoạt động quay của động cơ được thể hiện ở hình 6.6
Hình 6.6 Chuyển động quay của động cơ (a) ISO view và (b) front view
Chuyển vị tối đa tạo ra dưới tác động mô men 1594.4 Nmm dưới giới hạn chảy 276MPa là ± 9.385° Phần chuyển động và đứng yên của động cơ được thể hiện trực quan ở mặt cắt hình 6.7
Hình 6.7 Mặt cắt thể hiện toàn bộ phần chuyển động quay của động cơ
Phần thực hiện chuyển động quay cũng tương tự như ở phần chuyển động quay và trong quá trình thực hiện chuyển vị, ứng suất của động cơ phân bố hoàn toàn ở các dầm của mô đung quay trên gối đỡ đàn hồi và được thể hiện ở hình 6.8
Hình 6.8 Ứng suất sinh ra trong quá trình thực hiện chuyển động quay
Giới hạn chuyển động của động cơ
Sau khi thực hiện quá trình mô phỏng, giới hạn vùng hoạt động lớn nhất của động cơ 2BTD tạo ra cũng được xác định cụ thể ở bảng 6.1
Bảng 6.1 Phạm vị hoạt động trong giới hạn chảy của động cơ
Phạm vi hoạt động Tải tối đa Max stress
Bảng 6.1 cho thấy rằng động cơ hoạt động được trong vùng làm việc lớn với hơn 12mm tịnh tiến và hơn 18° quay Phạm vi hoạt động này đang là ưu điểm rất lớn cho những thiết bị truyền động chính xác sử dụng cơ cấu đàn hồi Những so sánh sẽ được trình bày ở chương tiếp theo để làm rõ ràng hơn những ưu điểm vượt trội mà động cơ mang lại so với những cơ cấu chính xác tương tự
SO SÁNH
Linear-Rotary Electromagnetic Actuator (LR actuator)
Hình 7.1 Mô tả chi tiết về động cơ Linear-rotary electromagnetic [29]
Hình 7.1 trình bày mẫu thiết kế động cơ 2BTD ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao như lắp ráp chip IC, phân loại tắm wafer và gắn khuôn trong thiết bị điện tử Hành trình của động cơ lớn và được trình bày trong bảng 7.1 Tuy như ma sát vẫn còn là vấn dề khi động cơ sử dụng ray trượt dẫn hướng với con lăn bi Ma sát sinh ra là ma sát lăn, sau một thời gian sử dụng, các đặc tính chuyển động của động cơ sẽ thay đổi và dẫn đến sai số do độ mòn của bi trong ray trượt dẫn hướng
Bảng 7.1 So sánh hành trình hoạt động của LR actuator và Động cơ đàn hồi
Hành trình Chuyển động tịnh tiến Chuyển động quay
LR actuator ±5 𝑚𝑚 ±45° ĐC đàn hồi ±6 𝑚𝑚 ±9°
Bảng 7.1 cho thấy khả năng tạo ra chuyển vị tịnh tiến của động cơ được đề xuất lớn hơn 2 mm trong khi chuyện vị góc quay nhỏ hơn rất nhiều so với LR actuator Tuy nhiên đặc tính không ma sát của động cơ đàn hồi sẽ giúp cho động cơ chuyển động chính xác hơn tránh hiện tượng vượt qua ma sát tĩnh và hoạt động trong điều kiện ma sát động của động cơ và tránh tạo ra những sai số theo phát sinh theo thời gian như sự mài mòn, khe hỡ…
Flexure-based Electromagnetic Linear Actuator (FELA) [2]
Hình 7.2 Mô tả chi tiết về động cơ FELA [30] Động cơ FELA là động cơ tịnh tiến sử dụng cơ cấu đàn hồi để tạo ra chuyển vị chính xác nên vấn đề về ma sát không còn là yếu điểm của cơ cấu FELA được ứng dụng trong các lĩnh vực lắp ráp MEMS, bàn định vị, thao tác tế bào và liên kết các sợi quan học Động cơ sử dụng cơ cấu đàn hồi là dạng màng mỏng đống vai trò như một cặp ổ đỡ cho phép thực hiện chuyển vị tịnh tiến dự đoán được và có thể điều khiển vòng hỡ trên đặc tính độ cứng của gối đỡ Hành trình hoạt động của FELA được thể hiện rõ ở bảng 7.2
Bảng 7.2 So sánh hành trình hoạt động của LR actuator và Động cơ đàn hồi
Hành trình Chuyển động tịnh tiến Chuyển động quay
Bảng 7.2 thể hiện động cơ đàn hồi được đề xuất có thể tạo ra chuyển vị tịnh tiến lớn gấp
6 lần đối với khả năng của động cơ FELA Ngoài ra cơ cấu đàn hồi mà động cơ FELA áp dụng chỉ có thể thích hợp vào ra chuyển vị tịnh tiến và hoàn toàn không đa dụng như động cơ đàn hồi đã được đề xuất khi tạo ra được lớn hơn 18° chuyển vị quay Điều này khẳng định động cơ đề xuất nhỏ gọn, đa dụng hơn so với những gì mà FELA có thể làm được.