Thiết kế chế tạo và thực nghiệm bộ phản hồi lực dùng lưu chất từ biến MR

TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ……………….o0o…… ……… TRƢƠNG MINH HÒA THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM BỘ PHẢN HỒI LỰC DÙNG LƢU CHẤT TỪ BIẾN MR Chuyên ngành : Kỹ thuật khí Mã số : 60520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, 2018 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hƣớng dẫn khoa học: TS.Lê Thanh Danh Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ,tên,học hàm,học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ,tên,học hàm,học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ Trƣờng Đại Học Bách Khoa,ĐHQG TP.HCM ngày tháng năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ,tên,học hàm, học vị Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trƣởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sữa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Học viên: Trƣơng Minh Hòa TRƢỞNG KHOA Trang i MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC TP.HCM,ngày 01 tháng 01 năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRƢƠNG MINH HÒA MSHV:1670748 Ngày,tháng,năm sinh: 29/09/1991 Nơi sinh: Phú Yên Chuyên ngành: Kỹ thuật khí MN: 60520103 1.TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ,CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM BỘ PHẢN HỒI LỰC DÙNG LƢU CHẤT TỪ BIẾN MR 2.NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN: -Tổng quan đề tài -Thiết kế phản hồi lực tối đa (A) tƣơng ứng với (N.m) -Chế tạo,thực nghiệm -Kết luận kiến nghị 3.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15-01-2018 4.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17-06-2018 5.HỌ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS LÊ THANH DANH Nội dung đề cƣơng luận văn thạc sĩ đƣợc Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua: CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: CHỦ NHIỆM BỘ MƠN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TRƯỞNG KHOA Học viên: Trƣơng Minh Hòa Trang ii MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn: TS.Lê Thanh Danh tạo điều kiện hƣớng dẫn tận tình đề tài luận văn Các cán nhận xét: Cán nhận xét cán nhận xét dành thời gian đọc,nhận xét luận văn Quý Thầy Cô hội đồng chấm luận văn thạc sỹ Trƣờng Đại Học Bách Khoa Quý Thầy Cô truyền kiến thức cho suốt trình học tập Cuối cảm ơn đến gia đình bạn bè động viên mặt tinh thần hỗ trợ vật chất trong trình học,nghiên cứu thực luận văn Thành Phố Hồ Chí Minh,ngày 17 tháng 06 năm 2018 Tác giả Trƣơng Minh Hòa Học viên: Trƣơng Minh Hòa Trang iii MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh TĨM TẮT LUẬN VĂN Trong cơng nghiệp nay,ứng dụng công nghệ điện robot đƣợc điều khiển từ xa vô cấp thiết.Các robot làm môi trƣờng nguy hiểm độc hại nhƣ mơi trƣờng phóng xạ hay hóa chất,mơi trƣờng khắc nghiệt (robot thám hiểm khơng gian).Cơ robot đƣợc điều khiển từ xa bao gồm hai phần điều khiển cấu chấp hành,khi ta thực điều khiển robot theo kiểu cũ thiết bị điều khiển đƣa xuống cấu chấp hành,cơ cấu chấp hành thực theo nhƣng không đạt yêu cầu nhƣ ta mong muốn.Lý thiếu thông tin từ môi trƣờng làm việc cấu chấp hành để phản hồi đến thiết bị điều khiển dẫn đến điều khiển thiếu xác linh hoạt điều khiển vận hành.Hay lĩnh vực y học,ứng dụng robot mổ bác sĩ mổ xác an tồn có thiết bị phản hồi lực để điều chỉnh lực q trình mổ Chính thiết kế chế tạo thực nghiệm phản hồi lực dùng lƣu chất từ biến cho thiết bị điều khiển vô cần thiết Học viên: Trƣơng Minh Hòa Trang iv MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh A THESIS SUMMARY In the present industry, the application of electric and robotic technology to remote control is extremely imperative The robots work in hazardous environments such as radioactive or chemical environments, extreme environments (robots The robot is remotely controlled, which consists of two main parts: the controller and the actuator, when the old control robot is used to control the actuator , the actuator performs but is not as satisfactory as expected The reason is the lack of information from the operating environment of the actuator to feedback to the control device resulting in inaccurate control and less flexible in control and operation Or in the field of medicine, the robot application of the operation of the doctor A more accurate and safe operation can be provided with a force feedback device to adjust the force during the operation Therefore, the experimental design of the power feedback sensor for the control device is extremely necessary The Author Truong Minh Hoa Học viên: Trƣơng Minh Hòa Trang v MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng dƣới hƣớng dẫn TS.Lê Thanh Danh.Các số liệu,kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cá nhân khác công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn đƣợc cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Học viên cao học Trƣơng Minh Hòa Học viên: Trƣơng Minh Hòa Trang vi MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh MỤC LỤC TÓM TẮC LUẬN VĂN iv A THESIS SUMMARY v LỜI CAM ĐOAN vi DANH MỤC HÌNH ẢNH xi DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ LƢU CHẤT MRF VÀ ỨNG DỤNG 1 Tổng quan .1 1.1 Lƣu chất từ biến .1 1.2 Ứng dụng lƣu chất MRF 1.2.1 Giảm chấn 1.2.2 Máy đánh bóng 1.2.3 Chất lỏng MR nhƣ máu Robot 1.2.4 Phanh lƣu chất MRF 1.3 Tình hình nghiên cứu nƣớc 14 1.4 Lý chọn đề tài 14 1.5 Tính cấp thiết đề tài 15 1.6 Mục tiêu phƣơng pháp nghiên cứu 15 1.6.1 Mục tiêu nghiên cứu 15 1.6.2 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 15 1.6.2.1 Đối tượng nghiên cứu .15 1.6.2.2 Phạm vi nghiên cứu 16 Học viên: Trƣơng Minh Hòa Trang vii MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh 1.6.2.3 Ý nghĩa thực tiễn 16 1.6.2.4 Cách tiếp cận đề tài 16 1.6.3 Phƣơng pháp luận phƣơng pháp nghiên cứu đề tài 16 1.6.3.1 Phương pháp luận .16 1.6.3.2.1 Phân tích lý thuyết 16 1.6.3.2.2 Phân tích thực nghiệm 17 CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ PHẢN HỒI LỰC 17 Mơ hình kết cấu lựa chọn lƣu chất từ biến .18 2.1 Mơ hình kết cấu 18 2.2 Lựa chọn vật liệu làm vỏ đĩa phản hồi lực 19 2.3 Lƣu chất từ biến .21 2.4 Ảnh hƣởng từ trƣờng lên lƣu chất từ biến 25 2.5 Mô từ trƣờng .30 2.6 Xác định ứng suất trƣợt 34 2.7 Tính momen 37 CHƢƠNG III CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM 42 3.1 Chế tạo cấu phản hồi lực 42 3.1.1 Đĩa 42 3.1.2 Trục 42 3.1.3 Vỏ 43 3.1.4 Vỏ 44 3.2 Kết cấu mơ hình thực nghiệm 45 3.3 Quá trình thực nghiệm 47 3.4 Kết thực nghiệm 49 Học viên: Trƣơng Minh Hòa MSHV:16748 Trang viii Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh 3.5 Nhận xét đánh giá kết 52 3.6 Nguyên nhân 52 3.7 Mô hình trễ 53 CHƢƠNG IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60 4.1 Kết luận 60 4.2 Kiến nghị: .60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 Học viên: Trƣơng Minh Hòa Trang ix MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh Hình 3.8 Sơ đồ đo mô-men phản hồi lực Simulink Học viên: Trƣơng Minh Hòa Trang 48 MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh Hình 3.9 Mơ mơ-men matlab 3.4 Kết thực nghiệm - Để so sánh kết tính tốn mơ ta dùng kết thực nghiệm,đánh giá phản hồi lực ta tiến hành thí nghiệm mơ hình.Theo tính tốn lý thuyết từ phƣơng trình (1.15) - Mơ tính tốn lý thuyết với kích thƣớc khe e=0.7 (mm) dịng điện 1.5 (A) ứng với 2.6 (N.m) Hình 3.10 Phân bố mật độ từ trƣờng + Thực nghiệm ứng với dòng điện 1.5 (A) giá trị momen tƣơng ứng 2.8 (N.m) Học viên: Trƣơng Minh Hòa Trang 49 MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh Hình 3.11 Mơ 1.5 (A) - Mơ tính tốn lý thuyết với dịng điện (A) ứng với 1.4 (N.m) + Thực nghiệm ứng với dịng điện (A) giá trị momen tƣơng ứng 1.5 (N.m) Học viên: Trƣơng Minh Hòa Trang 50 MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh Hình 3.12 Mơ (A) - Ứng với dịng điện (A) giá trị momen tƣơng ứng 4.2 (N.m) thực nghiệm,cịn mơ tính tốn lý thuyết với dịng điện (A) ứng với (N.m) Học viên: Trƣơng Minh Hòa Trang 51 MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh Hình 3.13 Mơ (A)  Kết thực nghiệm xấp xỉ với kết tính tốn.Vì MRB đƣợc thiết kế đảm bảo đáp ứng yêu cầu để điều khiển.Vậy ta chọn dòng (A) khe e=0.7 (mm) tƣơng ứng với mơ-men (N.m) mơ tính tốn 4.2 (N.m) với thực nghiệm 3.5 Nhận xét đánh giá kết - Momen phanh phụ thuộc nhiều vào bề mặt tiếp xúc lƣu chất cƣờng độ dòng điện đặt vào.Thời gian đáp ứng phanh nhanh,sai lệch tính tốn lý thuyết thực nghiệm khoảng 5-10 % ứng với mức độ dòng điện khác 3.6 Ngun nhân - Do q trình mơ tính toán bỏ qua phần tiếp xúc theo hƣớng trục đĩa bề mặt tiếp xúc nhỏ mm nên khơng tính q trình tính tốn.Trong mơ Học viên: Trƣơng Minh Hòa Trang 52 MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh hình thực nghiệm lại có momen chỗ nên kết momen lực mơ hình lớn q trình mơ tính tốn - Về mặt vật liệu gia công chƣa đạt yêu cầu kích thƣớc dẫn đến từ thơng qua MRF yếu nên giảm momen sinh ra.Còn vật liệu C45 chƣa đảm bảo đầy đủ kỹ thuật thép C45 nên độ từ thẩm thấp - Sai số trình lắp ráp chế tạo,từ trƣờng có tổn thất + Nhƣợc điểm: Khi cho dòng điện vƣợt (A) cấu phản hồi lực nhiệt độ nóng,ảnh hƣởng độ xác lực vận hành thiết bị 3.7 Mơ hình trễ Do đặc tính lƣu chất phi tuyến nên có tính trễ,khi cho dịng điện tăng giảm đột ngột từ trƣờng thay đổi đƣờng đi,đƣờng lƣu chất từ biến không trùng đƣờng nên: -Nhận dạng trễ mơ hình Preisach: Ngƣời ta biết mơ hình Preisach đƣợc xây dựng nhƣ chồng chất toán tử trễ đơn giản  (α, β) nhƣ hình 3.14a Mỗi tốn tử đƣợc trình bày vịng trịn hình chữ nhật sơ đồ đầu vào-đầu nhƣ đƣợc mơ tả hình 3.14b Số α β tƣơng ứng với giá trị chuyển đổi “lên” “xuống” đầu vào tƣơng ứng Nó đƣợc giả định phần mà βα Các đầu toán tử trễ giả định có hai giá trị +1 và đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Khi đầu vào đƣợc tăng đơn điệu:[20] 1 0   ,     u (t )   u (t ) (1.17) Khi đầu vào giảm đơn điệu: Học viên: Trƣơng Minh Hòa Trang 53 MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ 1 0   ,   GVHD: TS.Lê Thanh Danh   u (t )   u (t ) (1.18) (a) (b)  1,1 1 1 1 u(t) 2 n n u 2,2 2    F(t) n,n Hình 3.14 Sơ đồ khối mơ hình Preisach (a) nhân tố trễ Preisach (b) [9] Khi đầu vào thay đổi theo thời gian, hysteron β, α tạo đầu theo định nghĩa Cùng với tập hợp hysteron β, α hàm trọng số tùy ý  (α, β) mà gọi hàm Preisach Sau đó, mơ hình Preisach đƣợc thể nhƣ sau: f (t )   ( ,  )   u(t )d d     (1.19) ,   , ,  T  Hình 3.15 Mặt Preisach Học viên: Trƣơng Minh Hịa Trang 54 MSHV:16748 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS.Lê Thanh Danh u  1 2 3 So 1 2 3 3 S+ 2 T(2,1) 1  t t1 t2 t3 t4 t5 t6 1 2 3 Hình 3.16: (a) Lịch sử thời gian dòng đầu vào; (b) Phân chia mặt phẳng Preisach Giả sử tín hiệu đầu vào liên tục u (t) có hỗ trợ nhỏ gọn: βo