- Yêu cầu ứng dụng: Tích hợp cơ cấu bistable dạng xoay vào bản lề và tay kẹp để đạt được ổn định vị trí.. Lên phương án ứng dụng cơ cấu vào bản lề và tay kẹp dựa trên khả năng mà cơ cấu
NỘI DUNG
Cơ cấu bao gồm các khâu rắn liên kết với nhau, có nhiệm vụ truyền và biến đổi chuyển động, lực hoặc moment Các khâu cứng trong cơ cấu khâu cứng truyền thống được kết nối bằng các khớp truyền động như khớp bản lề và khớp tịnh tiến loại 5, giúp đảm bảo sự chuyển động chính xác và hiệu quả.
Cơ cấu đàn hồi/mềm (flexure mechanism/compliant mechanism) có khả năng truyền và biến đổi chuyển động, lực và moment Khác với cơ cấu cứng truyền thống, cơ cấu mềm thực hiện chuyển động thông qua sự biến dạng của các khớp đàn hồi, thay vì chỉ dựa vào các khớp động thông thường.
Khi cơ cấu đàn hồi hoạt động, các khâu của nó sẽ biến dạng và lưu trữ năng lượng đàn hồi Năng lượng này sẽ được giải phóng để thực hiện chức năng của cơ cấu.
In addition, based on their functions, elastic mechanisms can be categorized into constant force mechanisms (CFM), constant torque mechanisms (CTM), and mechanisms that provide stability in two positions (bistable mechanisms - BM) or multiple positions (multistable mechanisms).
1.1.2 Ưu điểm của cơ cấu đàn hồi
Giảm sai số chi tiết giúp đơn giản hóa quá trình sản xuất và lắp ghép, đồng thời loại bỏ khe hở tại các khớp nối và chống mài mòn, từ đó nâng cao độ chính xác và hiệu quả làm việc của cơ cấu.
Có khả năng thu nhỏ cơ cấu phù hợp với mục đích sử dụng
Tính chất đàn hồi của vật liệu rất đa dạng và phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo các khớp nối đàn hồi hiệu quả.
Hoạt động êm ái mà không gây tiếng ồn, không có ma sát, không có khe hở và không cần bôi trơn định kỳ nhờ vào cơ cấu đàn hồi được chế tạo nguyên khối.
1.1.3 Hạn chế của cơ cấu đàn hồi
Cơ cấu đàn hồi không bền khi chịu tải lớn, đặc biệt gặp vấn đề về ứng suất trong trường hợp biến dạng lớn Hơn nữa, quy trình thiết kế và tổng hợp cơ cấu vẫn chưa được thống nhất và tiêu chuẩn hóa, dẫn đến sự phát triển đa dạng các phương pháp thiết kế từ các nhóm nghiên cứu khác nhau Đây là một lĩnh vực nghiên cứu đang được chú trọng trong những năm gần đây trên toàn cầu.
TỐI ƯU HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC CƠ CẤU BISTABLE
Cơ sở lý thuyết đường cong Bezier
2.1.1 Dạng tổng quát đường cong Bezier Đường cong Bezier được tạo ra thông qua việc sử dụng các điểm điều khiển (V0,…Vn), để xác định hình dạng và đường cong của một đối tượng trong không gian hai chiều Điều này cho phép người dùng tinh chỉnh các điểm điều khiển để kiểm soát việc biến đổi hình dạng của đối tượng một cách linh hoạt và chính xác Qua quá trình điều chỉnh này, người dùng có thể tạo ra các hiệu ứng đồ họa phong phú và đa dạng, phục vụ cho việc thiết kế và tạo ra các sản phẩm đồ họa chất lượng cao
Bezier có dạng đa thức đa thức bậc n, xác định bởi n+1 điểm điều khiển:
𝑖=0 (2.1) [1] các véc-tơ 𝑉𝑖 biểu diễn 𝑛 + 1 điểm điều khiển
Hàm 𝐵 𝑖,𝑛 (𝑡) là hàm cơ sở của đường cong Bezier và được mô tả bằng đa thức Bernstein:
Trong đó n là bậc của đa thức
𝑖!(𝑛−1)! 𝑖 = 0,…n (2.3) [1] là hệ số nhị thức
2.1.2 Đường cong Bezier bậc nhất (Linear Bezier curve)
Trong trường hợp có hai điểm điều khiển V0, V1, khi đó n+1 = 2, nên bậc n của đa thức bằng 1 (Hình 2.1a) Phương trình (3.1):
Dựa trên đa thức Bernstein (phương trình (3.2)), ta được hai hàm cơ sở:
Ta suy ra phương trình đoạn thẳng xấp xỉ hai điểm:
Biểu diễn ở dạng ma trận:
2.1.3 Đường cong Bezier bậc hai (Quadratic Bezier curve)
Trong trường hợp ba điểm điều khiển V0,V1,V2, khi đó n +1 = 3, nên bậc của đa thức là
2 (Hình 2.1b) Khai triển phương trình (2.1):
Dựa trên đa thức Bernstein (phương trình (2.2)), ta có 3 hàm cơ sở:
Phương trình đường cong bậc hai xấp xỉ ba điểm:
Biểu diễn ở dạng ma trận:
Hình 2.1 Các dạng đường cong Bezier[1]
2.1.4 Đường cong Bezier bậc ba (Cubic Bezier curve)
Trường hợp ba điểm điều khiển V0, V1, V2, V3, khi đó n+1 = 4, nên bậc n của đa thức là 3 (Hình 2.1c) Khai triển phương trình (3.1)1
Dựa vào đa thức Bernstein phương trình (3.2), ta có 4 hàm cơ sở (Hình 2.2)
Biểu diễn ở dạng ma trận:
Hình 2.2 Đồ thị cơ sở của đường cong Bezier bậc ba [1]
Trong quá trình xây dựng đường cong Bezier, trọng số của mỗi điểm điều khiển được xác định dựa trên hàm cơ sở liên kết Sự biến đổi của các điểm này sẽ phụ thuộc vào biến tham số t trong khoảng từ 0 đến 1 Việc điều chỉnh trọng số linh hoạt giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách hoạt động của đường cong Bezier, từ đó mô phỏng đường cong một cách hiệu quả và chính xác.
2.1.5 Các tính chất của đường cong Bezier
Nội suy điểm cuối cho phép xác định rằng đường cong Bezier sẽ đi qua hai điểm cuối cùng của chuỗi điểm điều khiển, được biểu diễn bằng P(0) = V0 và P(1) = Vn.
Bằng cách sử dụng các hàm cơ sở Bezier Bi,n(t), chúng ta có thể tạo ra một đa thức bậc n cho n + 1 điểm điều khiển
Quy tắc này yêu cầu đường cong Bezier phải đi qua các điểm điều khiển ở đầu và cuối chuỗi, đảm bảo tính liên tục và mượt mà cho đường cong.
Các hàm cơ sở của đường cong Bezier đảm bảo rằng đường cong tiếp xúc với các đoạn thẳng nối hai điểm điều khiển đầu tiên và cuối cùng Điều này có thể được mô tả bằng cách cho rằng đạo hàm của đường cong tại điểm cuối bằng đạo hàm của đoạn thẳng nối hai điểm này.
Khi điểm đầu và điểm cuối của chuỗi điểm điều khiển gặp nhau, đường cong sẽ trở nên khép kín, hình thành một hình dạng đóng nguyên khối Điều này giúp duy trì tính liên tục và hoàn chỉnh của đường cong.
Các tính chất của đa thức Bernstein:
∑ 𝑛 𝑖=0 𝐵 𝑖,𝑛 (𝑡)=1 với 0 ≤ t ≤ 1 Đệ quy: Đa thức Bi,n(t) có thể được tính bằng cách kết hợp hai đa thức Bernstein có bậc thấp hơn
Bi,n-1(t) là đa thức Bernstein bậc n-1 tương ứng với i
Bi-1,n-1(t) là đa thức Bernstein bậc n-1 tương ứng với i-1
Giải thuật di truyền GA (Genetic Algorithm)
Giải thuật di truyền là một phương pháp tối ưu hóa lấy cảm hứng từ quy luật tiến hóa và sinh tồn trong tự nhiên Nó xây dựng và tiến hóa các thế hệ tìm kiếm tối ưu thông qua các quy luật phân loại và chọn lựa tự nhiên Quá trình này giả định rằng sự chọn lọc tự nhiên không ngừng cải thiện, dẫn đến các thế hệ sau mạnh mẽ và thích nghi hơn với môi trường thay đổi.
Trong giải thuật di truyền, cá thể được tạo ra và tiến hóa thông qua lai ghép và đột biến, tương tự như quá trình sinh sản tự nhiên Những cá thể tốt nhất sẽ được chọn lọc để duy trì cho thế hệ tiếp theo, trong khi những cá thể không phát triển tốt sẽ bị loại bỏ.
Giải thuật di truyền sử dụng cơ chế tiến hóa để tạo ra các thế hệ ngày càng tốt hơn và tối ưu hơn, giúp giải quyết hiệu quả các vấn đề tối ưu hóa và tối ưu hóa hàm mục tiêu Điều này chứng tỏ sự linh hoạt và hiệu quả của giải thuật di truyền trong việc tìm kiếm các giải pháp tối ưu trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Trong quá trình tiến hóa, toán học sử dụng nhiều kỹ thuật để nâng cao giải pháp cho các bài toán phức tạp Thuật toán di truyền áp dụng phương pháp "lai ghép", trong đó các giá trị của biến cụ thể được kết hợp để tạo ra một cá thể con mới, kết hợp những yếu tố tốt nhất từ các cá thể cha mẹ.
Đột biến trong thuật toán di truyền là sự thay đổi ngẫu nhiên các giá trị gen trong cá thể con, tạo ra đặc điểm mới và gia tăng sự đa dạng, từ đó khám phá ra các giải pháp mới cho bài toán Lai ghép và đột biến đồng bộ với việc tối ưu hóa hàm mục tiêu trong toán học, giúp tìm ra giải pháp tối ưu thông qua sự kết hợp, biến đổi và lựa chọn giá trị Việc áp dụng các phương pháp này làm cho thuật toán di truyền trở nên linh hoạt và hiệu quả trong việc giải quyết các bài toán tối ưu hóa Để hoạt động hiệu quả, một giải thuật di truyền cần có các thành phần cơ bản.
Cấu trúc dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc biểu diễn không gian lời giải của bài toán, quyết định cách thức biểu diễn cá thể trong quần thể và hướng dẫn thực hiện các phép toán di truyền hiệu quả.
Phương pháp khởi tạo quần thể ban đầu P(0) là bước quan trọng trong quá trình tối ưu hóa, nơi quần thể này cần được tạo ra một cách ngẫu nhiên hoặc theo một chiến lược cụ thể Điều này giúp đảm bảo rằng không gian lời giải được khám phá một cách đầy đủ và hiệu quả.
Hàm định nghĩa độ thích nghi (fitness function) là công cụ quan trọng trong việc đo lường mức độ thích nghi của từng cá thể trong quần thể Hàm này giúp xác định cá thể nào xứng đáng được tự nhiên chọn lọc và tiếp tục quá trình tái sinh, từ đó góp phần vào sự tiến hóa của loài.
Các phép toán di truyền như lai, đột biến, tái sinh và chọn lọc rất quan trọng trong việc tạo ra sự đa dạng gen Chúng giúp khám phá các giải pháp mới và cải thiện quần thể qua các thế hệ.
Các tham số cài đặt cho thuật toán di truyền rất quan trọng, bao gồm kích thước quần thể, số lượng thế hệ tiến hóa, và dân số trong mỗi thế hệ Ngoài ra, xác suất lai và tỷ lệ đột biến cũng là những yếu tố quyết định hiệu suất của thuật toán này.
Tất cả các yếu tố này kết hợp với nhau để xây dựng một hệ thống tối ưu hóa hiệu quả, sử dụng thuật toán di truyền, nhằm đảm bảo quá trình tiến hóa diễn ra một cách linh hoạt và hiệu quả.
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method)
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một kỹ thuật số gần đúng để giải các bài toán vi phân đạo hàm riêng trong các miền có hình dạng và điều kiện biên phức tạp, nơi mà nghiệm chính xác không thể tìm được bằng phương pháp giải tích FEM chia nhỏ miền xác định thành các phần tử hữu hạn và sử dụng các hàm cơ sở để biểu diễn chúng Thông qua phương pháp biến đổi Galerkin, phương trình vi phân ban đầu được chuyển đổi thành một hệ thống các phương trình đại số Với khả năng xử lý các hình dạng phức tạp, FEM được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như cơ học, điện từ, nhiệt độ và dòng chảy chất lỏng.
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một kỹ thuật quan trọng để giải quyết các bài toán vi phân số một cách gần đúng Phương pháp này dựa trên việc rời rạc hóa miền xác định, giúp phân tích và mô phỏng các hiện tượng vật lý phức tạp.
Bài toán được giải quyết bằng cách chia thành nhiều phần tử con, mỗi phần tử được kết nối tại các điểm nút chung Trong phạm vi mỗi phần tử, nghiệm được xác định thông qua hàm xấp xỉ, đảm bảo điều kiện cân bằng Tập hợp các phần tử cần tuân thủ điều kiện liên tục về biến dạng và chuyển vị tại các điểm nút liên kết.
Hệ phương trình đại số tuyến tính với các giá trị hàm xấp xỉ tại các điểm nút là các ẩn số chính, và việc giải hệ phương trình này giúp xác định giá trị hàm xấp xỉ tại các nút của mỗi phần tử Từ đó, ta có thể xác định hàm xấp xỉ trên toàn miền Phương pháp FEM cho phép giải quyết hiệu quả và linh hoạt các bài toán vi phân số gần đúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Tối ưu hình dạng, kích thước cơ cấu bistable
Cơ cấu bistable bao gồm ba nhánh chính là các đường cong Bezier Vành ngoài của cơ cấu được cố định, khi tác động một góc quay ban đầu từ vị trí thứ nhất vào trục, giá trị moment sẽ tăng dần đến T1 rồi giảm xuống gần 0, sau đó lại tăng lên đến T2 và trở về 0 Vị trí mà moment bằng 0 lần thứ ba chính là vị trí ổn định của cơ cấu BRM.
Hình 2.3 Đồ thị moment xoắn – Góc quay của cơ cấu BRM
Khi hoạt động, cơ cấu BRM được cố định với 6 bậc tự do trong không gian, trong khi trục BRM hạn chế 5 bậc tự do, đảm bảo độ đồng tâm giữa biên ngoài và trục Khi tác dụng một góc quay ngược chiều kim đồng hồ, ba đường cong bezier biến dạng, cơ cấu BRM sẽ chuyển từ trạng thái ban đầu sang trạng thái thứ hai.
Bài viết này trình bày việc tối ưu hóa hình dạng và kích thước các đường cong của BRM bằng thuật toán di truyền (GA) trên MATLAB, đồng thời xác minh kết quả thông qua phân tích phần tử hữu hạn (FEM) thực hiện trong ABAQUS.
Để xác định hình dạng và kích thước của các đường cong Bezier trong thiết kế BRM, cần xác định các điểm kiểm soát (Control point) Với tính đối xứng của thiết kế, chỉ cần phân tích một nhánh cho từng cấp độ Để đơn giản hóa quá trình phân tích trong thuật toán di truyền, chọn một trong ba đường Bezier Để tìm biên dạng của đường cong Bezier, các điểm kiểm soát sẽ được tham số hóa tọa độ, còn được gọi là các biến thiết kế.
Cơ cấu BRM được mô tả qua sơ đồ biến thiết kế và điều kiện biên, với 3 đường cong Bezier, mỗi đường có 5 điểm điều khiển (Ci(x,y) với i = 0÷4) Tất cả 3 đường cong đều có chiều rộng w và chiều dày tb Điểm C4 nằm trên vòng ngoài của cơ cấu, đánh dấu giới hạn biên tương ứng với giá trị 𝑅𝑜 Điểm C0 quay quanh vòng tròn với bán kính 𝑅𝑜𝑖 và góc 𝛼, kết nối với trục quay của cơ cấu BRM Thiết kế này bao gồm tổng cộng 11 biến thiết kế.
9 giá trị x,y là tọa độ của 5 điểm điều khiển của 1 đường cong và 2 biến w; tb tương đương với bề rộng và bề dày của đường cong Bezier (Hình 2.5.)
Nhiệm vụ tối ưu hóa nhằm tăng cường vùng ổn định của cấu trúc BRM và xác định giá trị 𝑇 𝑛𝑒𝑔 gần với 𝑇 𝑝𝑜𝑠, dựa trên hàm mục tiêu được mô tả trong các phương trình (2.15) và (2.16).
𝑇 𝑝𝑜𝑠 : Giá trị moment lớn nhất
𝑇 𝑛𝑒𝑔 : Giá trị moment nhỏ nhất
Mô hình tối ưu của các biến thiết kế được thể hiện trên bảng 2.1
Bảng 2.1 Mô hình tối ưu hóa cơ cấu bistable
Vùng ổn định BRM lớn nhất thỏa phương trình (2.15)
Cực tiểu giá trị hàm 𝑓 theo phương trình (2.16)
Biến thiết kế: Điểm điều khiển (Control Point): Ci(x,y) (i = 0 ÷ 4)
Bề rộng đường cong Bezier: w
Ci(x) < 0 (i= 2÷ 3); Ci(x) > 0 (i= 0÷ 1) Ứng suất lớn nhất trong BRM: m < y/SF
Các biến thiết kế của cơ cấu bistable được tối ưu hóa thông qua thuật toán di truyền, nhằm xác định kích thước và hình dạng của các phần tử trong cơ cấu đàn hồi Quá trình tối ưu hóa sẽ được thực hiện trên nền tảng MATLAB và ABAQUS/CAE.
Hình 2.6 Lưu đồ thuật toán giải thuật di truyền [1]
Mô phỏng trên MATLAB sẽ được thực hiện dựa vào các thông số ban đầu để tạo ra phiên bản đầu tiên, đồng thời áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trên ABAQUS/CAE nhằm xác định mối quan hệ giữa moment và chuyển vị của góc quay Ngoài ra, việc đánh giá ứng suất của phần tử đàn hồi cũng sẽ được tiến hành để đảm bảo cơ cấu hoạt động hiệu quả.
Trong quy trình tối ưu hóa GA, thông số đầu vào được chia thành hai khối chính là
"Input Parameters" và "Define GA settings" nhằm giúp người đọc hiểu rõ hơn về quá trình này
Các tham số đầu vào là những thông số quan trọng liên quan đến hình dạng của cơ cấu hoặc thuộc tính cần tối ưu Những thông số này có ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả cuối cùng của quá trình tối ưu hóa.
Trong phần xác định cấu hình GA, người thực hiện sẽ thiết lập các thông số quan trọng của thuật toán di truyền, bao gồm kích thước quần thể, xác suất lai ghép, xác suất đột biến, phương pháp chọn lọc và các thông số cần thiết khác cho quá trình tối ưu hóa.
Sau khi xác định các thông số đầu vào, ở vòng đầu tiên, MATLAB sẽ tạo tập tin mã
Tập tin "BRM_input.txt" được sử dụng để xác định mô hình mô phỏng dựa trên các thông số thiết kế do GA tạo ra Mô hình này sau đó được chuyển vào phần mềm ABAQUS để thực hiện phân tích Kết quả mô phỏng sẽ cung cấp mối quan hệ giữa moment xoắn và góc độ, phục vụ cho việc đánh giá theo hàm mục tiêu đã được định nghĩa.
Giá trị "fitness" được GA tính toán để đánh giá và sắp xếp các thiết kế trong thế hệ hiện tại Giải thuật di truyền NSGA-II áp dụng lai ghép và đột biến nhằm tạo ra thế hệ tiếp theo Quá trình này tiếp tục cho đến khi đạt được điều kiện dừng, như sự tiến hóa hội tụ hoặc khi số vòng lặp tối đa được hoàn thành.
Việc lựa chọn vật liệu cho thiết kế BRM rất quan trọng do cơ cấu chịu biến dạng lớn Đề tài này đặt ra mục tiêu tạo ra cơ cấu BRM với kích thước nhỏ nhưng vẫn đảm bảo moment lớn, vì vậy thép được nhóm khảo sát đầu tiên Với độ bền cao và mô đun đàn hồi lớn, thép là vật liệu lý tưởng cho việc nghiên cứu cơ cấu này.
Do đặc tính của BRM cần vật liệu có độ đàn hồi cao và sức bền lớn, thép đàn hồi SUP
SUP 10 là một trong những lựa chọn hàng đầu nhờ vào mô đun đàn hồi lớn từ 190 đến 210 GPa và giới hạn chảy đạt 1034 MPa Những thông số này cho phép SUP 10 đáp ứng tốt các yêu cầu ban đầu cho cơ cấu BRM.
Tiến hành thực hiện thử nghiệm mô phỏng trên MATLAB
Hình 2.7 Biểu đồ Moment SUP 10
Hình 2.8 Biểu đồ ứng suất SUP 10
Kết quả mô phỏng 1D cho thấy việc sử dụng vật liệu thép đàn hồi là không khả thi, khi mà moment đạt 3x10^5 N.mm và ứng suất lên tới 4,5x10^4 MPa, vượt quá giới hạn ứng suất cho phép của vật liệu.
MÔ PHỎNG CƠ CẤU BISTABLE TRÊN PHẦN MỀM ABAQUS/CAE
Sơ lược về ABAQUS/CAE
ABAQUS là phần mềm mới và thân thiện với người dùng trong môi trường giáo dục, nổi bật với tính thương mại cao và dễ sử dụng Phần mềm này xử lý thông tin qua ba giai đoạn: xử lý số liệu, phân tích và xử lý kết quả Sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn, ABAQUS tự động chọn tải và điều chỉnh độ chính xác hội tụ, giúp người dùng không cần lo lắng về việc điều chỉnh tham số.
To date, ABAQUS has released 27 versions, with new updates typically launched at the end of each year The software suite includes five core products: ABAQUS/CAE (Complete ABAQUS Environment), ABAQUS/Standard, ABAQUS/Explicit, ABAQUS/CFD (Computational Fluid Dynamics), and ABAQUS/Electrosystem.
Phần mềm ABAQUS là công cụ mô phỏng kết cấu mạnh mẽ, giúp kỹ sư và nhà thiết kế phân tích các hệ thống kết cấu phức tạp Với kho phần tử đa dạng, ABAQUS tái hiện chân thực mọi hình dạng trong các dự án xây dựng, hỗ trợ mô phỏng vật liệu phổ biến như kim loại và bê tông cốt thép, đồng thời xử lý các vật liệu đặc biệt như polyme cao phân tử và vật liệu phức hợp Phần mềm này không chỉ giới hạn trong phân tích kết cấu mà còn mở rộng sang truyền nhiệt, điện tử cơ học và phân tích âm thanh, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình phân tích.
Thực hiện mô phỏng
Thanh công cụ chính của môi trường được chia thành 10 module cơ bản, bao gồm Part (cấu kiện), Property (đặc tính), Assembly (lắp ghép), Step (bước phân tích), Interaction (tác dụng tương hỗ), Load (tải trọng), Mesh (mạng lưới), Job (công tác phân tích), Visualization (xử lý đồ họa), và Sketch (vẽ hình) Trong đó, module Sketch được coi là một phần mở rộng của module Part Mô hình BRM được xây dựng 3D bằng phần mềm INVENTOR, với các thông số kích thước được tối ưu từ các biến thiết kế trên MATLAB.
Hình 3.1 Mô hình 3D trong module PART
Có hai cách để xây dựng part: Dùng các feature có sẵn trong module part: extrude, revolve, sweep, round/fillet,…
Để đưa mô hình 3D đã được xây dựng vào môi trường ABAQUS/CAE, bạn có thể sử dụng file 3D có sẵn bằng cách truy cập vào menu File > Import > Part Trong báo cáo này, chúng tôi sẽ trình bày phương pháp chuyển đổi mô hình 3D từ INVENTOR sang môi trường làm việc của ABAQUS/CAE.
Module này có thể hiểu đơn giản là gán vật liệu cho mô hình 3D
Gán thuộc tính vật liệu đàn hồi cho mô hình bao gồm:
• Gán vật liệu cho mặt cắt
Hình 3.2 Môi trường module Property
Mỗi mô hình 3D được xây dựng dựa trên một hệ trục tọa độ riêng biệt, độc lập cho từng mô hình Module này đóng vai trò quan trọng trong việc định vị các mô hình trong một hệ tọa độ tổng thể, từ đó tạo nên một cấu trúc lắp ghép hoàn chỉnh.
Module này hoàn thành các thao tác quan trọng bao gồm: định nghĩa các bước phân tích, xác định số liệu đầu ra, thiết lập mạng lưới tự thích ứng và kiểm soát quá trình giải.
Bước phân tích ban đầu trong ABAQUS/CAE được tự động thiết lập với tên gọi "initial" Đây là bước phân tích duy nhất mà người dùng không thể đổi tên, sao chép hay xóa bỏ.
Hình 3.3 Môi trường module STEP
Module Interaction định nghĩa các khái niệm như Interaction (tiếp xúc), Constraint (ràng buộc), Connector (liên kết), Inertia (quán tính), Crack (nứt), và Springs/Dashpots (lò xo và cản) Trong mô hình phân tích BRM, việc tạo ràng buộc (Constraint) dạng khớp nối (Coupling) cho trục quay vào một điểm (point) là cần thiết để gán các ràng buộc tại các modules load.
Hình 3.4 Môi trường module Interaction
Trong mô phỏng cơ cấu BRM, việc gán tải trọng và điều kiện biên là rất quan trọng Chúng ta cần thiết lập điều kiện biên cho BRM bằng cách ràng buộc 6 bậc tự do tại biên và hạn chế 5 bậc tự do (tịnh tiến theo trục x, y, z và quay quanh các trục x, y) tại tâm quay của BRM.
Module Mesh là quá trình chia lưới cho mô hình 3D, giúp phân chia kết cấu thành các phần tử hình học đơn giản được kết nối qua các nút Trong xây dựng mô hình ABAQUS/CAE, việc phân chia lưới đóng vai trò quan trọng và phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phân tích.
Cơ cấu BRM với biên và các đường cong Bezier có độ dày khác nhau cùng với các góc bo không cho phép chia lưới tự động theo cấu trúc (HEX) Do đó, cần phải thực hiện phân vùng thủ công và chia lưới dưới dạng không theo cấu trúc (TET) để đạt được kết quả hội tụ và chính xác nhất.
Hình 3.5 Chia lưới không theo cấu trúc
Biên ngoài của cấu trúc không ảnh hưởng đến giá trị kết quả, vì vậy để tiết kiệm tài nguyên máy tính và thời gian phân tích, chúng ta nên chọn mật độ lưới cao ở những khu vực này.
Việc kiểm soát mật độ lưới tại các đường cong Bezier là rất quan trọng, yêu cầu phải chia lưới một cách mịn nhất có thể Các giá trị kích thước lưới cần được điều chỉnh cho đến khi kết quả mô phỏng của mô hình đạt được sự hội tụ.
Hình 3.6 Thực hiện chia nhỏ lưới thủ công
Hình 3.7 Biên dạng lưới không theo cấu trúc
Module Job thực hiện các nhiệm vụ như xây dựng và biên tập công việc phân tích, tạo file INP, kiểm tra khống chế trạng thái vận hành công việc phân tích, và vận hành công việc phân tích Người dùng có thể tạo một hoặc nhiều Job để phân tích mô phỏng cơ cấu.
Hình 3.8 Tạo phân tích cho cơ cấu
Trong module Visualization, người dùng có thể hiển thị kết quả phân tích từ file ODB Để xem các kết quả cụ thể như moment, ứng suất và góc, cần thực hiện các thao tác trong module này.
Hình 3.9 Kết quả của mô phỏng phân tích
Sau tất cả các công việc từ việc thực hiện thử các thiết kế, vật liệu trên MATLAB và thực hiện mô phỏng trên ABAQUS/CAE
So sánh các đồ thị giá trị moment, ứng suất và góc quay giữa kết quả từ MATLAB và ABAQUS/CAE cho cơ cấu BRM cho thấy sự tương đồng đáng kể Qua đó, chúng ta có thể đưa ra những nhận xét và đánh giá chính xác về hiệu suất và độ tin cậy của các phương pháp phân tích này Kết quả cuối cùng góp phần nâng cao hiểu biết về hành vi cơ học của cơ cấu BRM.
Hình 3.10 Biểu đồ tổng hợp số liệu mô phỏng BRM (w = 1mm)
Hình 3.11 Biểu đồ tổng hợp số liệu mô phỏng BRM (w = 1.5mm)
Kết quả từ hình 3.10 và 3.11 cho thấy giá trị moment và ứng suất giữa các biểu đồ của MATLAB và ABAQUS/CAE có sự sai lệch nhỏ Nguyên nhân của sự sai lệch này có thể do nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm biên dạng của các đường cong Bezier trong mô hình 3D, các góc bo, và đặc biệt là việc chia lưới phần tử trong quá trình mô phỏng Do đó, cần thực hiện chia lưới nhiều lần cho đến khi đạt được kết quả hội tụ.
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU BẢN LỀ
Xây dựng ý tưởng cho bản lề
Nhóm đã thu thập ý tưởng từ các thành viên để đánh giá khả năng thực tiễn và khả năng thực hiện của đề tài Chức năng chính của đề tài là tích hợp cơ cấu bistable dạng xoay vào cơ cấu bản lề, nhằm đạt được sự ổn định vị trí khi đóng mở.
✓ Ý tưởng 1: Ứng dụng khả năng cơ cấu BRM vào hệ thống nâng, đỡ và giữ cánh tủ
Hình 4.1: Ý tưởng thiết kế thay thế tay nâng thủy lực hệ tủ bếp
Cơ cấu hoạt động của hệ thống được thực hiện thông qua hai thanh truyền động liên kết bởi các chốt xoay Một thanh gắn với tâm quay của BRM, trong khi thanh còn lại nối với chốt xoay trên cánh tủ Khi có năng lượng kích hoạt (mở cửa), cơ cấu quay đến vị trí ổn định, đồng thời đẩy thanh thứ hai và nâng cánh tủ Nguyên lý hoạt động dựa trên sự tương đồng giữa bán kính góc quay của BRM và cánh tủ, với tâm quay của BRM cách tâm quay của cánh tủ bằng bán kính góc quay, trong đó thanh truyền thứ hai đóng vai trò là tiếp tuyến của hai đường tròn.
• Cơ cấu cần có moment đủ lớn để có thể nâng cánh tủ
• Chưa hoàn toàn thay thế bản lề tủ bếp với khả năng ổn định vị trí
Thiết kế cơ cấu bản lề tủ bếp hiện đại, thay thế bản lề giảm chấn và tay nâng thủy lực, giúp nâng đỡ và giữ cánh tủ khi mở một cách an toàn và tiện lợi.
Hình 4.2 Ý tưởng thiết kế cho bản lề tủ bếp
Cơ cấu hoạt động bao gồm hai trục cố định: trục BRM và một trục phụ, trong đó thanh truyền gắn trên trục phụ song song với thanh truyền trên trục BRM thông qua trục trung gian Thanh đỡ kết nối các thanh truyền bằng các chốt xoay và rãnh trượt, giúp cơ cấu chuyển động đi lên Khi có năng lượng kích hoạt BRM (mở cửa), thanh truyền trên tâm quay của BRM sẽ nâng cánh tủ đến vị trí ổn định thứ hai Nguyên lý hoạt động dựa trên sự chuyển động đồng thời của hai thanh truyền song song qua thanh trung gian và giá đỡ, kết hợp với rãnh trượt để nâng cơ cấu đến vị trí nhất định.
• Cần khoảng trống phía trên hệ tủ cho việc mở cửa
• Cơ cấu cũng cần một moment đủ lớn để có thể nâng cánh tủ
Chọn ý tưởng 2 để phát triển sản phẩm:
• Thay thế hoàn toàn các bản lề tủ bếp thông thường gồm bản lề giảm chấn và tay nâng thủy lực
Mục tiêu của việc tối ưu hóa cơ cấu BRM là thay thế các hệ tủ bếp thông thường, yêu cầu moment lớn để nâng cánh tủ Điều này không chỉ đòi hỏi góc quay lớn mà còn cần kích thước nhỏ gọn, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho sản phẩm.
• Cơ cấu bản lề kết hợp nâng, giữ cánh tủ có nhiều ứng dụng ngoài bản lề tủ bếp cho mục đích sử dụng khác nhau
• Các chi tiết lắp ghép có biên dạng thanh đơn dễ gia công, lắp ghép, sửa chữa và sản phẩm sau khi hoàn thiện dễ dàng lắp đặt.
Quá trình phát triển sản phẩm
Biên dạng cơ cấu BRM được tối ưu hóa và mô phỏng nhằm đảm bảo phù hợp với thiết kế của phần bọc kín, đồng thời hoạt động như một phần cố định cho bản lề.
Hình 4.3 Thiết kế phần hộp BRM
✓ Cắt rãnh trên thân phần khung để giảm ma sát với các thanh đàn hồi khi cơ cấu hoạt động
Hình 4.4 Khung và nắp khung cố định cơ cấu
✓ Phần hộp bistable thêm vòng bi với mục đích giảm ma sát và định tâm cho cơ cấu
Hình 4.5 Thiết kế lại hộp để lắp vòng bi
✓ Thay đổi biên dạng thanh truyền động để tối ưu kích thước tổng thể và khi lắp ghép được dễ dàng
Hình 4.6 Thiết kế lại các thanh truyền động
✓ Do cơ cấu quay không quá 90 o nên thiết kế rãnh trượt giới hạn đồng thời khoét lỗ bỏ bớt các khoảng kích thước để giảm trọng lượng
Hình 4.7 Thiết kế hoàn thiện cho các thanh truyền động
Lựa chọn kích thước thiết kế tủ bếp thông thường
Tủ bếp dưới cần có cấu trúc vững chắc để hỗ trợ mặt bếp, với kích thước được xác định bởi ba yếu tố: chiều cao của tủ, chiều cao chân tủ và độ dày mặt bàn bếp Các thông số tiêu chuẩn cho những yếu tố này rất quan trọng để đảm bảo tính năng và thẩm mỹ cho không gian bếp.
- Tổng chiều cao tủ bếp dưới: 820mm – 920mm (tính từ sàn lên tới mặt bàn bếp)
- Chiều sâu của tủ từ 560mm – 600mm; chiều rộng thường là bội số của 10 hoặc 15cm
- Độ dày mặt bàn bếp thường là 20 – 40 mm và độ rộng của mặt bàn bếp từ 600 – 650mm
- Chân đế tủ bếp có chiều cao từ 90 – 100mm, độ sâu thụt vào so với tủ bếp dưới là 70mm
Tủ bếp trên, hay còn gọi là tủ treo tường, không chỉ cung cấp không gian lưu trữ bổ sung mà còn phù hợp với kích thước tiêu chuẩn của các thiết bị như máy hút mùi và rổ kệ ráo nước Với thiết kế sáng tạo, tủ bếp trên mang đến tính tiện nghi và sang trọng cho không gian bếp, thể hiện phong cách riêng của từng gia chủ.
- Chiều cao chuẩn của tủ bếp trên: từ 350mm đến 700mm, 900mm; chiều sâu tủ trung bình từ 300 đến 350mm
- Chiều rộng: tương tự tủ bếp dưới, tủ bếp trên có chiều rộng là bội số của 10 hoặc 15 Các kích thước phổ biến: 300, 400, 450, 500, 600, 800, 1000 mm
Hình 4.8 Kích thước thường dùng hệ tủ bếp [6]
Chọn kích thước cho tủ bếp trên dạng nằm ngang có kích thước:
➔ Chiều cao: 300 mm; chiều sâu 300 mm; chiều rộng: 400 mm; chiều dày: khung tủ 10 mm, đáy tủ 10 mm, cánh tủ 10 mm
Chọn vật liệu cho cơ cấu bản lề
❖ Nhựa ABS với công nghệ In 3D:
Nhựa ABS, hay Acrylonitrin Butadien Styren, là một loại nhựa nguyên sinh đang được ưa chuộng trên thị trường vật liệu hiện nay Với đặc tính cứng, không giòn, khả năng cách điện tốt và độ bền cao, nhựa ABS không bị ăn mòn bởi nhiệt độ hay hóa chất Loại nhựa này dễ gia công, có màu trắng hơi đục tự nhiên và dễ dàng nhuộm thành nhiều màu sắc đa dạng, bắt mắt Nhờ vào những ưu điểm nổi bật này, nhựa ABS ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất với số lượng lớn và phong phú về màu sắc cũng như mẫu mã.
Nhựa ABS nổi bật với khả năng chịu lực rất tốt nhờ vào các thành phần hóa học có tính liên kết mạnh Chính điều này giúp nhựa ABS trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc sản xuất vali và tủ đựng đồ mini.
Sản phẩm từ nhựa ABS nổi bật với khả năng ổn định kích thước và dễ gia công, giúp chống co rút hiệu quả Chúng không chỉ duy trì kích thước ổn định mà còn khó bị biến dạng do tác động của nhiệt độ và hóa chất.
Do vậy, nhựa ABS có tính ứng dụng rất cao trên thị trường có thể gia công bằng nhiều phương pháp khác nhau
Nhựa ABS nổi bật với độ bền cơ học cao, không bị biến đổi trong quá trình gia công sản xuất Với khả năng hút nước rất thấp, loại nhựa này không dễ bị mài mòn bởi các tác động thông thường, đảm bảo tính ổn định và độ bền lâu dài.
Nhựa ABS nổi bật với khả năng chịu nhiệt và cách điện tốt, giúp ngăn chặn sự lan truyền của lửa sang các vật dụng khác khi bị cháy, chỉ co lại và tỏa ra mùi khét Điều này làm cho nhựa ABS trở thành lựa chọn lý tưởng cho các sản phẩm nội thất Hơn nữa, nhựa ABS còn được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất chất bán dẫn nhờ vào tính cách điện ưu việt của nó.
Nhựa ABS nổi bật với khả năng chống trầy xước, là một trong những ưu điểm quan trọng giúp nó dẫn đầu trong các loại vật liệu nhựa Với đặc tính cứng cáp, nhựa ABS không dễ bị móp méo hay hư hại khi chịu tác động trong quá trình sử dụng.
Nhựa ABS có khả năng nhuộm màu đa dạng và bền màu theo thời gian Với màu sắc tự nhiên trắng hơi đục, nhựa ABS dễ dàng được nhuộm sang các màu khác, mang lại nhiều lựa chọn cho sản phẩm.
Nhựa ABS không có mùi, điều này giúp các sản phẩm như bình sữa, bình nước, và ly chén trở nên an toàn cho người sử dụng.
✓ Nhược điểm của nhựa ABS
- Khi phải tiếp xúc với ánh nắng mặt trời trong thời gian dài nhựa ABS dễ hư hỏng
- Nhựa ABS sẽ tạo ra rất nhiều chất độc hại cho cơ thể khi bị đốt cháy
- Hạn chế trong ngành công nghiệp thực phẩm
- Giá thành của nhựa ABS cao hơn rất nhiều so với các loại nhựa khác trên thị trường
Several factors influence the tensile strength of materials when using FDM 3D printing technology, including layer thickness, infill percentage, and printing speed.
Hình 4.9 Ảnh hưởng của chiều cao lớp in và khoảng điền đầy đến giới hạn bền [8]
Hình 4.10 Ảnh hưởng khoảng điền đầy khác khác nhau đến vật liệu [8]
Theo nghiên cứu [8], với chiều cao lớp in 0.2 mm và khoảng điền đầy 50%, giới hạn bền của vật liệu ABS không dưới 20 MPa Do đó, để tính toán kiểm nghiệm cho cơ cấu, ứng suất cho phép tương đương của vật liệu ABS được xác định là 20 MPa, tương đương 20 N/mm².
Tính toán và kiểm nghiệm bền
4.5.3 Tính toán khả năng nâng cửa
Ta có sơ đồ đặt lực:
Hình 4.11 Sơ đồ đặt lực cơ cấu bản lề
Theo mô phỏng cơ cấu Bistable dạng xoay ở chương 2 ta có: T ≈ 370 Nmm
Lực cánh tay đòn cho cơ cấu sinh ra: 𝑌 𝐵 = 𝑇
65 = 5,69 𝑁 Lực nâng cửa của cơ cấu bản lề: 𝑁 = 𝑌 𝐵 cos(𝛼) = 5,69 cos(12) = 5,56 N
➔ Với sơ đồ đặt lực như hình xét trạng thái đứng yên cơ cấu có thể khoảng 0,5 Kg
4.5.4 Kiểm nghiệm bền cơ cấu
Ta có sơ đồ đặt lực hình 4.9:
❖ Tính diện tích mặt cắt ngang cho thanh AB:
❖ Tính đường kính cần thiết tại B: Chốt sử dụng vật liệu Inox 304 có giới hạn bền là 520 N/mm 2 [9]
𝜋 𝑑2 4 ≤ 520 𝑁/𝑚𝑚 2 → 𝑑 ≥ 0,59 𝑚𝑚 (do các thông tin về cơ tính vật liệu chưa cụ thể ta lấy giá trị tương dương)
❖ Tính tiết diện mặt cắt tại A:
Ta có phản lực 𝑃⃗ bằng lực nâng của cơ cấu 𝑁⃗⃗ : 𝑃⃗ = 𝑁⃗⃗ = 5,56 𝑁
➔ Phản lực theo phương x tại B: 𝑋 𝐵 = 𝑃
𝐶𝑂𝑆(90−12) = 26,74 𝑁 Mặt khác xét hệ đang đứng yên ta có:
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU TAY KẸP
Xây dựng ý tưởng cho tay kẹp
5.1.1 Ứng dụng vào cánh tay robot
Cánh tay robot công nghiệp là thiết bị cơ khí với các khớp xoay, cho phép hoạt động linh hoạt như cánh tay con người Chúng thường được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể nhằm thay thế con người Các cánh tay robot có kích thước đa dạng, từ nhỏ đến lớn, tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
Cánh tay robot được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: cơ khí, thực phẩm, hàng không vũ trụ, công nghệ lắp ráp,…
Cánh tay robot được thiết kế để gấp và xếp nhiều hàng hóa lên pallet hoặc vào thùng carton một cách nhanh chóng và hiệu quả hơn so với con người Ngoài ra, robot còn có khả năng di chuyển các vật nặng như sắt, thép, gỗ, giúp giảm thiểu nguy cơ tai nạn lao động cho con người.
Hàn cơ khí đóng vai trò quan trọng trong sản xuất ô tô và chế tạo máy móc thiết bị, yêu cầu nhiều yếu tố để tạo ra mối hàn chất lượng, như tốc độ và góc độ hàn Việc sử dụng cánh tay robot hàn không chỉ mang lại độ chính xác cao mà còn cải thiện chất lượng mối hàn, đặc biệt ở những vị trí khó mà con người khó tiếp cận.
Cánh tay robot gấp, thả được trang bị hệ thống camera nhận diện sản phẩm, cho phép gấp và thả đồ vật từ vị trí này sang vị trí khác một cách chính xác Ứng dụng của công nghệ này trong lắp ráp, phân loại và đóng gói sản phẩm giúp tăng tốc độ sản xuất, nâng cao hiệu quả làm việc.
❖ Ưu điểm và nhược điểm của cánh tay robot
Cánh tay robot giúp tăng năng suất bằng cách hoạt động liên tục và ổn định trong thời gian dài, từ đó giảm thiểu thời gian sản xuất Điều này cũng giải quyết hiệu quả vấn đề hao hụt nguồn nhân lực lao động.
Cánh tay robot được lập trình với độ chính xác cao, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và đảm bảo độ đồng nhất trong quá trình sản xuất, từ đó dễ dàng kiểm soát chất lượng.
Cánh tay robot giúp giảm thiểu rủi ro về an toàn lao động bằng cách thay thế con người trong các công việc nguy hiểm, khó khăn và yêu cầu độ chính xác cao.
51 cao, trong môi trường khắc nghiệt, nên giúp giảm thiểu tai nạn lao động và bảo vệ sức khỏe cho người lao động
Giảm chi phí vận hành là một yếu tố quan trọng giúp tiết kiệm chi phí trả lương và các chính sách xã hội cho công nhân Bên cạnh đó, việc tối ưu hóa quy trình sản xuất cũng giúp giảm thiểu vật liệu bị lỗi, đồng thời không chiếm nhiều không gian trong quá trình sản xuất.
Chi phí đầu tư cho việc ứng dụng cánh tay robot công nghiệp trong sản xuất là rất cao, bao gồm cả chi phí lắp đặt và công nghệ cần thiết cho hệ thống robot.
Chi phí vận hành và bảo dưỡng cánh tay robot cao do thiết bị và linh kiện có giá trị lớn, dẫn đến chi phí sửa chữa và thay thế cũng cao Hơn nữa, việc sử dụng công nghệ cao trong cánh tay robot yêu cầu người vận hành có trình độ chuyên môn, do đó, chi phí nhân sự để vận hành cũng tăng lên.
Trong thời đại công nghiệp 4.0, nhu cầu và chất lượng cuộc sống của con người ngày càng tăng, buộc các doanh nghiệp phải nghiên cứu và ứng dụng công nghệ mới để nâng cao chất lượng sản phẩm Một trong những giải pháp hiệu quả là tự động hóa quy trình sản xuất, thay thế dần lao động thủ công bằng robot tự động, giúp nâng cao độ chính xác và khả năng làm việc liên tục Tuy nhiên, chi phí lắp đặt và vận hành robot vẫn còn cao Để giúp nhiều doanh nghiệp tiếp cận công nghệ này hơn, cần nghiên cứu và phát triển các vật liệu và cấu trúc mới nhằm giảm giá thành Việc ứng dụng cơ cấu bistable vào cơ cấu kẹp của robot thay cho hệ thống khí nén hay động cơ có thể giúp giảm chi phí, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng trong sản xuất.
5.1.2 Lên ý tưởng ứng dụng cơ cấu BRM vào tay kẹp Ý tưởng 1: Cơ cấu kẹp sử dụng bánh răng để truyền moment xoắn từ BRM đến cơ cấu kẹp Cơ cấu BRM được tích hợp vào phần đế và được gắn với hai bánh răng, khi cơ cấu BRM xoay thì bánh răng sẽ xoay theo làm cho hai tay kẹp mở ra
Hình 5.1 Ý tưởng thiết kế sử dụng bánh răng truyền moment Ưu điểm:
• Có độ bền cao, chịu va đập tốt
• Có thể điều chỉnh góc quay thông qua việc điều chỉnh sự ăn khớp của bánh răng
• Yêu cầu độ chính xác cao
Bánh răng có khối lượng lớn ảnh hưởng đến hoạt động của cơ cấu Để khắc phục, có thể sử dụng các thanh thẳng và thanh bán nguyệt để truyền moment từ cơ cấu bistable dạng xoay đến cơ cấu kẹp Cơ cấu BRM được kết nối với trục nối bistable, trong đó hai thanh bán nguyệt được gắn với hai tay kẹp và cố định qua hai trục nối Khi cơ cấu BRM xoay, trục nối bistable cũng xoay, dẫn đến việc hai tay kẹp mở ra.
Hình 5.2 Ý tưởng sử dụng các thanh thẳng và thanh bán nguyệt để truyền moment
• Các chi tiết có kích thước nhỏ gọn
• Chi tiết đơn giản dễ gia công chế tạo
• Các chi tiết được thiết kế riêng lẻ thuận tiện cho việc thay thế và sửa chữa
• Các chi tiết nhỏ khả năng chịu va đập kém
• Phụ thuộc vào góc quay của BRM
Chọn ý tưởng 2 để phát triển sản phẩm:
• Dễ dàng kẹp nhiều sản phẩm với nhiều má kẹp khác nhau
• Kẹp các sản phẩm nhỏ phù hợp với góc quay của BRM
• Thay thế được các hệ thống động cơ, cảm biến so với các tay kẹp thông thường
5.1.3 Quá trình phát triển sản phẩm
Thiết kế hộp bọc kín cho cơ cấu BRM nhằm bảo vệ cơ cấu bistable khỏi va đập trong quá trình làm việc Việc lắp vòng bi giúp giảm ma sát và đảm bảo định tâm cho hoạt động hiệu quả của BRM.
Hình 5.3 Thiết kế phần cố định tích hợp BRM
Cắt rãnh tại khu vực lắp đặt cơ cấu BRM và thiết kế hộp bọc kín bên ngoài cao hơn độ dày của bistable là cần thiết để giảm ma sát cho thanh đàn hồi.
Hình 5.4 Phần khung và nắp cố định cơ cấu
Tính toán thiết kế cho cơ cấu kẹp
Gọi moment xoắn cực tiểu do cơ cấu BRM tạo ra là Mz có giá trị là 60 N.mm
Hình 5.8 Sơ đồ phân tích lực cơ cấu tay kẹp
Ta có Fz là lực do cơ cấu BRM tạo ra: Fz = Mz / d = 60/20 = 3 (N)
Lực tác dụng lên vật khi tay kẹp hoạt động được gọi là Ftk Lực Fk là lực trục nối bistable, ảnh hưởng đến tay kẹp thông qua thanh bán nguyệt.
Theo sơ đồ phân tích lực ta có:
Fkx = cos53 o xFK = 1,08 (N) Xét trạng thái lúc cơ cấu kẹp đang kẹp vật thì ta có thể lấy Fkx = Ftk
Khối lượng của vật bị kẹp được ký hiệu là m, trong khi trọng lực tác động lên vật đó được ký hiệu là Fg Để có thể kẹp được vật, lực kẹp do tay sinh ra cần phải lớn hơn hoặc bằng trọng lực của vật.
Vậy với moment xoắn cực tiểu có giá trị là 60 N.mm thì cơ cấu tay kẹp có thể kẹp được vật có khối lượng nhỏ hơn hoặc bằng 220 (g)
5.2.1 Tính đường kính cần thiết cho chốt tại C, B
Chốt tại C chịu cắt hai mặt V = 1
4 d 𝑐 2 ≤ [𝜏] = 520 N/mm 2 dC ≥ 0.06mm Chốt tại B chịu cắt hai mặt V = 1
4 d 𝐵 2 ≤ [𝜏] = 520 N/mm 2 dB ≥ 0.04mm Chốt sử dụng vật liệu inox 304 có giới hạn bền 520 N/mm 2 [9]
5.2.2 Tính điều kiện bền và điều kiện cứng cho cơ cấu trục nối bistable
Moment xoắn cực tiểu của cơ cấu BRM Mz = 60 N.mm
Gọi h,b lần lượt là kích thước của mặt cắt ngang, ta có h = b = 6 mm
Hình 5.9 Tiết diện mặt cắt ngang của trục nối bistable
Bảng 5.1 Bảng các hệ số α, β, γ
Từ bảng trên ta có = 0.208, = 0.141 vào công thức 8.30, 8.31 trang 174 [16]
Ta có G = 2,17 GPa = 2.17 10 6 N/m 2 [15] Điều kiện bền và điều kiện cứng của trục nối bistable có tiết diện mặt cắt ngang là hình vuông:
0.208𝑥6𝑥6 2 = 1,335 ≤ [𝜎 𝑡đ ] = 20 𝑁/𝑚𝑚 2 ( điều kiện bền) ( do các thông tin về cơ tính vật liệu chưa cụ thể ta lấy giá trị tương đương)
GIA CÔNG, THỬ NGHIỆM CƠ CẤU BISTABLE DẠNG XOAY
Thử nghiệm cơ cấu bistable dạng xoay
Hình 6.1 Bố trí lắp đặt đo cơ cấu BRM (w = 1mm)
Cơ cấu BRM được thiết kế với 5 bậc tự do và được cố định bằng vít trên đồ gá Một đầu của tua vít điện tử kết nối với cơ cấu BRM, trong khi đầu còn lại nối với trục của bộ truyền trục vít bánh vít Qua bộ điều khiển, động cơ bước truyền động cho bộ truyền này, làm quay tua vít điện tử Để đo giá trị moment, chúng ta thực hiện đo ở từng góc độ bằng cách nhập giá trị độ trên máy tính qua phần mềm kết nối với bộ điều khiển, sau đó ghi lại các giá trị moment thu được từ tua vít điện tử, thực hiện ba lần đo.
Hình 6.2 Bố trí lắp đặt cơ cấu BRM (w = 1,5m)
Hình 6.3 Tiến hành đo moment
Hình 6.4 Moment bằng 0 khi cơ cấu BRM ở trạng thái ổn định thứ 2
HÌnh 6.5 Cơ cấu BRM ở vị trí có moment lớn nhất
Hình 6.6 Ghi kết quả đo và xuất biểu đồ trên excel
Kết quả đo
Bảng 6.1 kết quả ba lần đo moment cơ cấu BRM (w =1 mm)
Góc(độ) Momen(N.mm) Góc(độ) Momen(N.mm) Góc(độ) Góc(độ)
Hình 6.7 Biểu đồ moment đo lần 1
Hình 6.8 Biểu đồ moment đo lần 2
Hình 6.9 Biểu đồ moment đo lần 3
Hình 6.10 Biểu đồ moment mô phỏng ABAQUS/ CAE so với thực tế ba lần đo (w=1mm)
Bảng 6.2 Kết quả ba lần đo moment cơ cấu BRM (w =1.5mm)
Góc(độ) Momen(N.mm) Góc(độ) Momen(N.mm) Góc(độ) Góc(độ)
Hình 6.11 Biểu đồ moment đo lần 1 (1.5mm)
Hình 6.12 Biểu đồ moment đo lần 2 (1.5mm)
Hình 6.13 Biểu đồ moment đo lần 3 (1.5mm)
Hình 6.14 Biểu đồ moment mô phỏng ABAQUS/CAE so với thực tế ba lần đo
Đánh giá kết quả
Việc đánh giá kết quả mô phỏng mô hình BRM dựa trên thử nghiệm biến thiết kế với nhiều loại vật liệu trên MATLAB và kết quả từ biểu đồ moment trên ABAQUS/CAE cùng với thực đo moment trên tua vít điện tử cho thấy vật liệu TPU 95A có khả năng đạt được giá trị khả thi cho cơ cấu BRM mà không vượt quá giới hạn cho phép Điều này giúp ổn định vị trí mong muốn Tuy nhiên, độ dày và bề rộng tương đương với w và tb có giá trị nhỏ, làm cho việc gia công cho cơ cấu BRM trở nên phức tạp và khó có thể đáp ứng bằng các phương pháp gia công thông thường hoặc in 3D.
GIA CÔNG, THỬ NGHIỆM CHO CÁC ỨNG DỤNG
Gia công cơ cấu
Sau khi thực hiện các kiểm tra tính toán về độ bền, thiết kế và mô phỏng, các chi tiết được gia công chính xác theo bản vẽ thiết kế, đảm bảo tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật về dung sai đã được ghi trong bản vẽ Để hoàn thiện mô hình cơ cấu, các chi tiết được gia công bằng phương pháp phù hợp.
Công nghệ in 3D FDM sử dụng khoảng điền đầy 50% và chiều cao lớp in 0,2 mm để tạo ra các chi tiết như chốt dù, vòng bi, bu lông và đai ốc.
❖ Chi tiết cơ cấu bản lề
Hình 7.1 Hộp và nắp gắn cơ cấu BRM
Hình 7.2 Thanh đỡ và các thanh truyền động
Hình 7.3.Các chi tiết mua
❖ Chi tiết cơ cấu tay kẹp
Hình 7.4 Hộp bảo vệ cơ cấu kẹp và gắn cơ cấu BRM
Hình 7.5 Nắp hộp bảo vệ cơ cấu kẹp và cơ cấu bistable
Hình 7.6 Trục nối, thanh bán nguyệt, tay kẹp, trục nối bistable
Hình 7.7 Các chi tiết mua
- Lắp các thanh truyền động và thanh đỡ với nhau theo bản vẽ bằng các chi tiết chốt dù
Hình 7.8 Cụm lắp ráp phần chuyển động
- Lắp ráp phần cố định cơ cấu theo thứ tự hộp – BRM – nắp – trục cuối cùng cố định nắp hộp bằng bu lông và đai ốc
Hình 7.9 Cụm lắp ráp phần cố định cơ cấu
Lắp ráp cụm cố định cho cơ cấu theo thứ tự BRM – nắp hộp bistable - nắp hộp bảo vệ cơ cấu kẹp bằng cái bu lông lục giác
Hình 7.10 Lắp ráp cụm cố định cho cơ cấu
Lắp ráp tay kẹp, trục nối bistable, thanh bán nguyệt, trục nối bằng bu lông dù và đai ốc
Hình 7.11 Lắp ráp phần chuyển động cho cơ cấu kẹp
Hình 7.12 Lắp cụm cố định và cụm chuyển động
Hình 7.13 Cơ cấu lắp ráp hoàn chỉnh
Thử nghiệm cơ cấu
- Kiểm tra tính chắc chắn và ổn định của các chi tiết, ưu nhược điểm sau khi chế tạo và đưa ra các ý tưởng cải tiến sản phẩm
- Kiểm nghiệm khả năng chịu lực của cơ cấu, độ bền
- Khảo sát tính ứng dụng thức tế so với khả năng của cơ cấu bistable dạng xoay
Hình 7.14 Trạng thái đóng của cơ cấu
Hình 7.15 Trạng thái mở của cơ cấu
Hình 7.16 Trạng thái mở của cơ cấu bản lề khi mô phỏng chuyển động
Hình 7.17 Trạng thái mở của cơ cấu bản lề thực tế
Hình 7.18 Ứng dụng cơ cấu tay kẹp vào dây chuyền hàn đa điểm vi mạch điện tử
Hình 7.19 Cơ cấu tay kẹp gắn trên cánh tay robot
Hình 7.20 Cơ cấu tay kẹp ở trạng thái kẹp mô phỏng
Hình 7.21 Cơ cấu ở trạng thái kẹp thực tế
Hình 7.22 Cơ cấu ở trạng thái không kẹp
7.2.2 Đánh giá kết quả thử nghiệm
- Cơ cấu bản lề đảm bảo nguyên lý hoạt động, ổn định hai vị trí đóng mở như yêu cầu đầu vào
- Cơ cấu tay kẹp cho thấy được khả năng kẹp giữ vật của BRM
- Các chi tiết lắp ghép đảm bảo về mặt kích thước
- Khoảng làm việc lớn cho ra góc độ mở lên đến 78 o
- Phương pháp gia công là in 3D FDM còn hạn chế cho ra các chi tiết không đồng đều về bề mặt
- Vấn đề ma sát với khả năng chuyển động dẫn đến xuất hiện khe hở giữa các khớp của cơ cấu
- Khả năng nâng cánh tủ nhỏ chỉ phù hợp vật liệu tủ bếp nhẹ (trọng lượng dưới 0,4 kg)
- Cơ cấu tay kẹp với lực kẹp nhỏ