Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Thiết kế và mô phỏng động cơ hai bậc tự do sử dụng gối đỡ đàn hồi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN MINH TUẤN

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ HAI BẬC TỰ DO SỬ DỤNG GỐI ĐỠ ĐÀN HỒI

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2023

Công trình hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Phạm Minh Tuấn

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Hữu Thọ Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Vũ Thịnh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 10 tháng 01 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch hội đồng: PGS TS Bùi Trọng Hiếu 2 Phản biện 1: TS Nguyễn Hữu Thọ

3 Phản biện 2: TS Nguyễn Vũ Thịnh 4 Ủy viên: TS Phạm Hữu Lộc

5 Thư ký: TS Phạm Quang Trung

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Minh Tuấn MSHV: 2270020 Ngày, tháng, năm sinh: 26/11/1999 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số : 8520103

I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế và mô phỏng động cơ hai bậc tự do sử dụng gối đỡ đàn hồi

Design and analysis of a flexure-based linear-rotary motor

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tìm hiểu tổng quan về các loại động cơ/cơ cấu chấp hành dạng tịnh tiến và quay sử dụng trong lĩnh vực cơ khí chính xác

2 Trình bày thiết kế gối đỡ đàn hồi trong động cơ 2 bậc tự do (tịnh tiến và quay) 3 Phân tích ưu-nhược điểm của thiết kế gối đỡ đàn hồi hiện tại và đề xuất hướng cải

tiến để mở rộng phạm vi hoạt động cho động cơ 2 bậc tự do

4 Thiết kế tối ưu cơ cấu đàn hồi với mục tiêu mở rộng phạm vi hoạt động

5 Thiết kế động cơ đàn hồi 2 bậc tự do (tịnh tiến và quay) sử dụng gối đỡ đàn hồi đã tối ưu hóa

6 Mô phỏng cơ tính của động cơ đàn hồi 2 bậc tự do đã thiết kế

7 So sánh ưu-nhược điểm của động cơ đàn hồi trong luận văn với những thiết kế khác

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 05/09/2022

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 21/05/2023 IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Phạm Minh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Cảm ơn Bách Khoa! Cảm ơn vì đã giúp tôi đã bước vào trường với một hoài bão nhỏ

và bước ra trường với những khát vọng to!

Cảm ơn Cơ Khí! Cảm ơn vì đã luôn là đam mê và thổi lửa để tôi chín chắn hơn khi bước

vào đời!

Cảm ơn Thầy Phạm Minh Tuấn! Cảm ơn thầy vì đã định hướng và dẫn đường không

chỉ về học thuật mà còn là lối sống, là tư duy của một người trưởng thành May mắn của tuổi trẻ này là được gặp thầy!

Cảm ơn Gia Đình! Cảm ơn vì đã đầu tư phi lợi nhuận và đặt trọn niềm tin vào một Start

up đã từng không rõ ràng về định hướng mà không yêu cầu bất kỳ điều gì cả! Con yêu gia đình!

Với tôi, việc học chương trình cao học như một bước đệm chắc chắn để tôi từng bước tiến sâu hơn vào con đường học thuật Tương lai có thể tiến xa hơn nữa hay không là phụ thuộc vào sự cố gắng ở công cuộc học tập lần này Đề tài luận văn cũng như những nghiên cứu liên quan trước đó đã mang đến cho tôi nhiều cảm hứng và góc nhìn mới mẽ hơn của Cơ Khí Tôi hi vọng những phát triển của đề tài sẽ đóng góp cho những nghiên cứu, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau ở tương lai gần Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng trong quá trình hoàn thiện luận văn không thể tránh khỏi việc mắc các thiếu sót Bản thân em rất mong sự góp ý của quý thầy, cô để hoàn thiện hơn!

Sau cùng, cảm ơn nhà trường đã tạo điều kiện học tập và phát triển cho sinh viên, học viên để có những nghiên cứu và phát triển trong đời sống xã hội hiện nay

Tp.HCM, Ngày 16 tháng 12 năm 2022 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Minh Tuấn

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài luận văn trình bày quá trình xây dựng một thiết kế động cơ đàn hồi 2 bậc tự do (2-BTD) tịnh tiến và quay trên cùng một trục, phục vụ trong lĩnh vực cơ khí chính xác Bắt đầu từ việc tìm hiểu những thiết bị truyền động phù hợp dựa trên những tiêu chí đánh giá về độ chính xác chuyển động, khả năng chịu tải, phạm vi hoạt động… Thiết bị được chọn sẽ kết hợp với cơ cấu đàn hồi để tạo ra một thiết kế động cơ vượt trội vì những đặc điểm không tạo ra ma sát khi truyền động, hoàn toàn tính toán được chuyển vị của bộ phận công tác nhờ vào nguyên lý truyền động đàn hồi của gối đỡ và điều khiển vòng hở để thiết kế đơn giản, nhỏ gọn cũng có thể được xem xét

Sự kết hợp gối đỡ đàn hồi được xem như chìa khóa của thiết kế khi cho phép động cơ thực hiện chuyển động chính xác ở 2 BTD mong muốn và hạn chế chuyển động ở các phương còn lại tạo ra bởi những tải trọng không mong muốn Những nâng cấp về phạm vi hoạt động của gối đỡ đàn hồi được thực hiện khi áp dụng phương pháp tối ưu hóa bề mặt đáp ứng (Respond surface optimization) động cơ sử dụng một gối đỡ cho phép chuyển vị tạo ra lớn hơn nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác cấp độ mirco/nano mét Cụ thể gối đỡ sau khi tối ưu đã được tăng phạm vi hoạt động lên một khoảng 25% theo phương tịnh tiến và hơn 62% theo phương quay Ngoài ra, tính chính xác của chuyển vị mà gối đỡ đàn hồi tạo ra cũng được kiểm chứng bằng hai phương pháp: giải tích và phần tử hữu hạn để khẳng định tính chính xác của kết quả Thiết kế chi tiết động cơ đàn hồi sau đó được đưa ra với những mô phỏng cơ học để đánh giá được phạm vi hoạt động của động cơ, đặc tính chuyển động và ứng suất Những so sánh với các thiết bị, động cơ chính xác cấp độ cao cũng đã được thực hiện để đánh giá những ưu điểm mà động cơ mang lại

Luận văn sẽ trình bày những nội dung sau: Chương 1 tìm hiểu tổng quan về các loại thiết bị truyền động Chương 2 nghiên cứu những động cơ/ thiệt bị tịnh tiến và quay sử dụng trong lĩnh vực cơ khí chính xác Chương 3 trình bày những vấn đề của thiết kế và

mục tiêu cần đạt được Chương 4 là tối ưu hóa vùng hoạt động mong muốn của gối đỡ đàn hồi Chương 5 là thiết kế chi tiết động cơ đàn hồi 2BTD Chương 6 là mô phỏng cơ tính của động cơ Chương 7 là so sánh ưu nhược điểm động cơ mang lại so với những thiết bị truyền động chính xác khác Chương 8 là kết luận và hướng phát triển tương lai

ABSTRACT

The thesis presents the process of building a design of a 2-degree-of-freedom BTD) compliant motor that can create both linear and rotary motions on the same axis to serve in the field of precision mechanics Starting from finding out the suitable actuator based on the evaluation criteria of motion accuracy, load capacity, operating range, etc The selected device will be combined with a compliant mechanism to creates an outstanding motor design because of its frictionless characteristics during drive and fully calculates the displacement of the end-effector That thank to the elastic principle of the compliant bearing, open-loop control can also be considered for simple and compact design

(2-The combination of compliant bearings play a key role in the design when they allow the motor to perform precise motion in the two desired DOF and eliminate motion in the other directions caused by unwanted loads Some improvements in the moving range of the compliant bearing are implemented by the response surface optimization method The motor uses the optimized bearings that allows larger displacements while still ensures mirco/nanometer level accuracy Specifically, the compliant bearing has been increased the operating range by about 25% in the translational motion and more than 62% in the rotational motion range after optimization process In addition, the precision of displacement is also verified by two methods: analytic and finite element to confirm the accuracy of the results A detail design of linear-rotary motor is then proposed with mechanical simulations to evaluate the motor's operating range, motion and stress characteristics Some comparisons with high-level precision motors have also been made to evaluate the advantages that the motor offers

The thesis presents the following contents: Chapter 1 provides an overview of the types of actuators Chapter 2 studies the linear and rotary motors/devices used in the field of precision mechanics Chapter 3 presents design issues and goals to be achieved

Chapter 4 describes the optimization process of moving range for the compliant bearing Chapter 5 is the detailed design of the linear and rotary motor Chapter 6 shows the mechanical simulation of the motor Chapter 7 presents the advantages and disadvantages of motors compared to other precision actuators Chapter 8 is the conclusion and future work

Nguyễn Minh Tuấn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG 1

1.1 Cơ cấu tác động 1

1.2 Tổng hợp và so sánh yếu tố ảnh hưởng 6

1.3 Cơ cấu tác động đàn hồi – compliant mechanism 8

CHƯƠNG 2 CƠ CẤU CHẤP HÀNH DẠNG TỊNH TIẾN VÀ QUAY SỬ DỤNG TỎNG LĨNH VỰC CƠ KHÍ CHÍNH XÁC 12

2.1 Cơ cấu tác động dạng tịnh tiến 12

2.1.1 Linear solenoid – Nam châm điện tịnh tiến 12

2.1.2 Voice coil 13

2.1.3 Piezoelectric actuator – PZT 13

2.1.4 So sánh tiêu chí cơ cấu tác động dạng tịnh tiến 14

2.2 Cơ cấu quay 15

2.2.1 Servo motor – động cơ servo 15

2.2.2 Stepper motor – động cơ bước 16

2.2.3 Rotary voice coil – Voice coil quay 17

2.2.4 So sánh tiêu chí cơ cấu quay 18

2.3 Cơ cấu xoay và tịnh tiến kết hợp 19

2.3.1 Động cơ Kết hợp trực giao 2 động cơ quay 19

2.3.2 Động cơ kết hợp servomotor và bộ truyền động tuyến tính điện từ 21

2.3.3 Cơ cấu khí nén kết hợp xi lanh tịnh tiến và xi lanh xoay 22

2.4 Cơ cấu đàn hồi cho phép chuyển vị tịnh tiến và quay trên cùng một trục 22

CHƯƠNG 3 NHỮNG VẤN ĐỀ THIẾT KẾ VÀ MỤC TIÊU LUẬN VĂN 29

3.1 Tối ưu hóa gối đỡ đàn hồi 29

3.2 Thiết kế động cơ đàn hồi – Linear and rotary motor 35

CHƯƠNG 4 TỐI ƯU HÓA – MỞ RỘNG VÙNG HOẠT ĐỘNG CỦA GỐI ĐỠ ĐÀN HỒI 38

4.1 Lưu đồ tối ưu và mô hình hóa 38

4.2 Tối ưu vùng hoạt động tịnh tiến 43

4.3 Tối ưu vùng hoạt động quay 44

4.4 So sánh kết quả đạt được 46

4.5 Kiểm chứng kết quả tối ưu bằng phương pháp giải tích 48

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ TỊNH TIẾN VÀ QUAY TRÊN CÙNG MỘT TRỤC 50

5.1 Lựa chọn động cơ trên thị trường 50

7.1 Linear-Rotary Electromagnetic Actuator (LR actuator) 62

7.2 Flexure-based Electromagnetic Linear Actuator (FELA) [2] 63

CHƯƠNG 8 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI 64

8.1 Kết luận 64

8.2 Hướng phát triển tương lai 65

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 87

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thủy lực đơn giản [1] 2

Hình 1.2 Xy lanh khí nén cung cấp (a) chuyển động tịnh tiến [2] và (b) chuyển vị quay [3] 3

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] 4

Hình 1.4 Hệ cơ học (a) truyền động bánh răng [8] và (b) truyền động đàn hồi [9] 5

Hình 1.5 Nguyên lý (a) truyền động nhiệt đơn giản [10] và (b) truyền động mềm bằng khí nén [11] 6

Hình 1.7 Thiết kế (a) khớp đàn hồi và (b) khớp truyền thống [14] 9

Hình 1.8 Thiết bị định vị in thạch bản phát triển bởi SIMTech (Singapore Institute of Manufacturing Technology) [14] 10

Hình 1.6 Nguyên lý cơ bản của động cơ 2 BTD [15] 11

Hình 2.1 (a) Nguyên lý điện từ trường cơ bản [16] và (b) Solenoid 12

Hình 2.2 Voice coil bao gồm (a) rotor và (b) stator [17] 13

Hình 2.3 Bộ truyền động khuếch đại PZT [18] 14

Hình 2.4 Cấu tạo cơ bản của động cơ servo [19] 16

Hình 2.5 Nguyên lý cấu tạo của động cơ bước – stepper motor [20] 17

Hình 2.6 Voice coil quay dạng (a) Cylindrical – L và dạng Arc-segment – S [21] 18

Hình 2.7 cơ cấu kết hợp trực giao 2 động cơ quay [22] 20

Hình 2.8 Động cơ tịnh tiến và quay PR01 phát triển ở LinMot [23] 21

Hình 2.9 Cơ cấu khí nén tích hợp 2 chuyển động DSL-B [24] 22

Hình 2.10 Gối đỡ đàn hồi 2 BTD [15] 23

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] 25

Hình 2.12 Nguyên lý cấu tạo cơ bản của động cơ 2BTD [15] 26

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 26

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 27

Hình 2.15 Ý tưởng thiết kế ban đầu của động cơ 2BTD 27

Hình 2.16 Nguyên lý thiết kế của động cơ 2BTD [15] 28

Hình 3.1 Nguyên bản tối ưu ban đầu của CCĐHSS 3-BTD (θx – θy – Z) được chế tạo bằng gia công CNC [25] 29

Hình 3.2 Lưu đồ trình tự các bước tối ưu CCĐHSS 3-BTD [26] 30

Hình 3.3 Gối đỡ đàn hồi ban đầu [15] 32

Hình 3.4 Phân bố ứng suất của gối đỡ dưới tác dụng của Fz và Mz 33

Hình 3.5 Tập trung ứng suất tại (a) hai cạnh của dầm tịnh tiến và (b) các dầm trung tâm 34

Hình 3.6 cấu trúc cơ bản của động cơ DC 36

Hình 3.7 Ý tưởng thiết kế động cơ 2BTD 37

Hình 4.1 Lưu đồ tối ưu được đề xuất cho gối đỡ đàn hồi 38

Hình 4.2 Mô hình gối đỡ đàn hồi được xây dựng trên DesignModeler 39

Hình 4.3 Sự thay đổi trong phân bố ứng suất ở hai cách kết nối khác nhau 40

Hình 4.4 Kích thước các dầm của một chân đàn hồi 41

Hình 4.5 Hướng tác động tải tại bộ phận công tác của gối đỡ 42

Hình 4.6 thiết kế gối đỡ đàn hồi đã được tối ưu 48

Hình 5.1 Mô hình động cơ DB80L048030-A cung cấp bởi NANOTEC 52

Hình 5.2 Mô hình voice coil NCC05-18-060-2X cung cấp bởi H2W Technologies 53

Hình 5.3 thiết kế chi tiết động cơ 2-BTD 54

Hình 5.4 Chi tiết bên trong của thiết kế động cơ 2BTD 55

Hình 6.1 Điều kiện tác động lực tạo chuyển vị tịnh tiến 56

Hình 6.2 chuyển động tịnh tiến của động cơ 57

Hình 6.3 Mặt cắt thể hiện toàn bộ phần chuyển động tịnh tiến của động cơ 57

Hình 6.4 Ứng suất sinh ra trong quá trình chuyển động tính tiến (a) ISO view và (b) front view 58

Hình 6.5 Điều kiện tác động mô men quay của động cơ 59

Hình 6.6 Chuyển động quay của động cơ (a) ISO view và (b) front view 59

Hình 6.7 Mặt cắt thể hiện toàn bộ phần chuyển động quay của động cơ 60

Hình 6.8 Ứng suất sinh ra trong quá trình thực hiện chuyển động quay 61

Hình 7.1 Mô tả chi tiết về động cơ Linear-rotary electromagnetic [29] 62

Hình 7.2 Mô tả chi tiết về động cơ FELA [30] 63

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tiêu chí lựa chọn cơ cấu tác động [12] 7

Bảng 2.1 So sánh tiêu chí của cơ cấu tịnh tiến 15

Bảng 2.2 so sánh tiêu chí của cơ cấu quay 18

Bảng 2.3 Bảng so sánh sai lệch giữa 2 phương pháp: Giải tích và FEM 25

Bảng 3.1: So sánh đặc tính cơ học của các CCĐHSS 3-BTD (θx – θy – Z): [28] 31

Bảng 4.1 Tóm tắt điều kiện tối ưu chuyển động tịnh tiến 43

Bảng 4.2 Bảng giá trị quy hoạch thực nghiệm 44

Bảng 4.3 Tóm tắt điều kiện tối ưu chuyển động quay 45

Bảng 4.4 Bảng giá trị quy hoạch thực nghiệm vùng hoạt động quay 46

Bảng 4.5 Sự thay đổi kích thước dầm sau khi tối ưu 47

Bảng 4.6 So sánh phạm vi hoạt động của hai phiên bản gối đỡ đàn hồi 47

Bảng 4.3 So sánh độ cứng bằng phương pháp FEA và Giải tích 49

Bảng 5.1 Điều kiện lựa chọn động cơ và voice coil 50

Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật của động cơ quay 51

Bảng 6.1 Phạm vị hoạt động trong giới hạn chảy của động cơ 61

Bảng 7.1 So sánh hành trình hoạt động của LR actuator và Động cơ đàn hồi 62

Bảng 7.2 So sánh hành trình hoạt động của LR actuator và Động cơ đàn hồi 64

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG 1.1 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,

Định luật Pascal

Lưu chất

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

Chuyển động quay

Buồng 1 Buồng 2

Buồng 1

Buồng 2

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,

Cuộn dây

Cặp cực nam châm

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 1.2 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

Chuyển vị tuyến tính 27°C

80°C

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

Tùy chọn

Tùy chọn

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

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

1.3 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:

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

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

CHƯƠNG 2 CƠ CẤU CHẤP HÀNH DẠNG TỊNH TIẾN VÀ QUAY SỬ DỤNG TỎNG LĨNH VỰC CƠ KHÍ CHÍNH XÁC

Qua chương 1, những cơ cấu truyền động điện, từ và cơ học sẽ nằm trong vùng nghiên cứu của luận văn Từ đây, ta sẽ tiến hành tìm hiểu sâu hơn về những cơ cấu tác động cung cấp chuyển vị tịnh tiến và quay nhầm thiết kế ra động cơ cung cấp chuyển vị quay và tịnh tiến trên cùng một trục Nhiều tiêu chí hơn sẽ được đặt ra để ta lựa chọn được những thiết bị phù hợp cho động cơ, đặc biệt là liên quan đến độ chính xác

2.1 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

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

2.1.2 Voice coil

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

2.1.3 Piezoelectric actuator – PZT

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

- 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

actuator

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

2.2 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

Hộp số

Encoder

DC Motor

Bộ điều khiển

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

Stator Rotor

Trục

Ổ bi

Vỏ - cover

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

Độ chính xác, phân giải

Vừa phải (min 0.72°)

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

2.3 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

2.4 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

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)