Nghiên cứu phát triển mô hình thiết bị tự di chuyển nhờ rung động

1 L Ờ CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập thân thực Các số liệu sử dụng phân tích có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định chưa sử dụng cho khóa luận tốt nghiệp khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học tương tự công bố, trừ thông tin tham khảo trích dẫn Thái Nguyên, ngày 12 tháng năm 2021 Người th ực h íện La Ngọc Tuấn L Ờ CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn khoa học tôi, PGS.TS Nguyễn Văn Dự, người tận tình bảo, động viên giúp đỡ nhiều suốt thời gian nghiên cứu làm luận án tốt nghiệp Tôi xin cảm ơn Công ty TNHH Chế tạo máy Thái An, Xưởng cắt gọt kim loại - Khoa Cơ khí chế tạo - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Vinh giúp đỡ việc gia cơng, chế tạo thiết bị thí nghiệm đề tài Tôi xin cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm khoa Cơ khí chế tạo Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Vinh tạo điều kiện để tơi tham gia học tập hồn thành luận án Lịng biết ơn chân thành tơi xin bày tỏ tới người thân gia đình hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian qua Đặc biệt vợ Nguyễn Thị Thúy Hằng người đảm nhiệm thay trình tơi xa nhà để tham gia hồn thành cơng trình nghiên cứu Tơi muốn nói lời cảm ơn tới gia đình bác Chuân - Thứ, gia đình bạn Thanh - Huệ chăm sóc, động viên suốt thời gian sống học tập Cuối cùng, xin cảm ơn Thầy giáo, Cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp từ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Vinh hỗ trợ giúp đỡ thời gian học tập, nghiên cứu MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xiv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .xv MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết II Mục tiêu, nội dung nghiên cứu 11.1 Mục tiêu nghiên cứu .3 11.2 Nội dung nghiên cứu III Phương pháp nghiên cứu IV Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn IV.1 Ý nghĩa khoa học IV.2 Ý nghĩa thực tiễn .4 V Các đóng góp V Cấu trúc luận án CHƯƠNG T ỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ THIẾT BỊ Tự DI CHUYỂN 1.1 Nguyên tắc hoạt động thiết bị tự di chuyển 1.1.1 Thiết bị tự di chuyển có cấu dẫn động ngồi 1.1.2 Thiết bị tự di chuyển khơng có cấu dẫn động ngồi .10 1.2 Các nghiên cứu thiết bị tự di chuyển nhờ rung động .khơng có va đập 12 1.3 Các nghiên cứu thiết bị tự di chuyển nhờ rung động có va đập 20 1.4 Kết luận Chương .32 CHƯƠNG C Ơ SỞ KHOA HỌ C NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ Tự DI CHUYỂN NHỜ RUNG ĐỘNG .34 2.1 Mơ hình hóa thiết bị tự di chuyển .34 2.1.1 Mơ hình vật lý 34 2.1.2 Mơ hình toán học 35 2.2 Phân tích động lực học miền thời gian (time history) 38 2.3 Phân tích động lực học đồ thị pha đồ Poincaré .41 2.3.1 Phân tích đồ thị pha 41 2.3.2 Bản đồ Poincaré 43 2.4 Phân tích động lực học đồ thị rẽ nhánh (Bifurcation diagram) 46 2.5 Các cơng cụ phân tích động lực học giải tích số .48 2.5.1 Phần mềm XPPAUTO 49 2.5.2 Phần mềm Dynamics 51 2.5.3 Phần mềm OriginLab 53 2.6 Kết luận Chương 53 CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 55 3.1 Yêu cầu hệ thống thí nghiệm 55 3.2 Kết cấu khí cho hệ thống thí nghiệm 55 3.2.1 Bộ tạo rung (shaker) 56 3.2.2 Bộ phận thay đổi lực ma sát .58 3.3 Lựa chọn, lắp đặt thiết bị đo 59 3.3.1 Các thông số yêu cầu đo 59 3.3.2 Lựa chọn thiết bị đo thu thập liệu .61 3.4 Chế tạo, lắp đặt hệ thống vận hành thử nghiệm 69 3.4.1 Thực nghiệm xác định thông số kết cấu, thông số vận hành .69 3.4.2 Lắp đặt vận hành hệ thống thí nghiệm 73 3.5 Kết luận Chương 74 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH THIẾT BỊ Tự DI CHUYỂN MỚI .75 4.1 Mơ hình hóa hệ thống đề xuất 75 4.1.1 Mơ hình vật lý 75 4.1.2 Kiểm nghiệm nhanh mô hình phương pháp giải tích số .77 4.1.3 Mơ hình hóa hệ thống tự di chuyển nhờ rung động 78 4.2 Thí nghiệm kiểm chứng mơ hình 80 4.2.1 Thiết lập thí nghiệm 80 4.2.2 Kết kiểm chứng mơ hình .80 4.3 Phân tích ứng xử động lực học hệ 87 4.3.1 Ảnh hưởng tần số lực kích thích 88 4.3.2 Ảnh hưởng biên độ lực kích thích .89 4.3.3 Ảnh hưởng tỉ lệ khối lượng 90 4.3.4 Ảnh hưởng độ cứng phi tuyến củalò xo .91 4.4 Đánh giá mơ hình .93 4.4.1 Thực nghiệm kiểm chứng mơ hình tốn .94 4.4.2 So sánh khả dịch chuyển 96 4.4.3 So sánh đặc tính động lực học 99 4.5 Kết luận Chương 101 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .103 Kết luận 103 Hướng nghiên cứu .103 CÁC C ƠNG TRÌNH KHOA H ọ C ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NGHIÊN CỨU 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN Th ứ tự C h ữ vi ết tắt Gi ả i nghĩa DAQ Data Acquisition System - hệ thống thu thập liệu DC Direct Current - Nguồn điện chiều LVDT Linear Variable Displacement Transformer - Cảm biến dịch chuyển RLC Mạch điện gồm điện trở (R), cuộn cảm (L) tụ điện (C), mắc nối tiếp tạo thành dao động điều hòa cho dòng điện cộng hưởng PZT Lead Zirconate Titanate (Pb[ZrxTi(1.X)]O3) - Gốm áp điện SMA Shape memory alloy - Hợp kim nhớ hình TNUT Thai Nguyen University of Technology - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Ngun DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Ví dụ thiết bị có cấu dẫn động ngồi (a) khơng có cấu dẫn động ngồi (b) .1 Hình 1.1 Rơ-bốt có bánh xe dẫn động (a) rơ-bốt có bánh xích dẫn động (b) Hình 1.2 Một rơ-bốt có chân bước di chuyển đường lên dốc Hình 1.3 Nguyên lý biến dạng (a) sơ đồ nguyên lý (b) rơ-bốt sâu đo Hình 1.4 Mơ hình ngun lý làm việc rơ-bốt sâu đo .9 Hình 1.5 Sơ đồ hoạt động máy đào ngầm ngang Moling 11 Hình 1.6 Các nguyên tắc hình thành dịch chuyển hệ nhờ tương tác khối lượng 12 Hình 1.7 Mơ hình mơ tả ngun tắc hệ tự di chuyển gồm hai khối lượng 12 Hình 1.8 Ảnh chụp thiết bị tự di chuyển nhờ rung động dùng động tuyến tính chuyển động thẳng (a); mơ hình điều khiển chuyển động (b) .14 Hình 1.9 Mơ hình sử dụng khối lượng lệch tâm 16 Hình 1.10 Mơ hình thiết bị tự di chuyển dùng khối lượng lệch tâm (a); Mơ hình điều khiển vận tốc góc (b); Đồ thị time history lượng dịch chuyển rơ-bốt (c) 17 Hình 1.11 Mơ hình giới hạn đàn hồi vi mơ thể giai đoạn dính (a); chuẩn bị trượt (b) trượt (c) cấu tự di chuyển sử dụng khối lượng lệch tâm 18 Hình 1.12 Mơ hình hệ khối lượng - lị xo kích thích xung lực điện từ .18 Hình 1.13 Mơ hình tạo rung động PZT dẫn động cấu tự di chuyển 19 Hình 1.14 Mơ hình điều chỉnh xác định lực ma sát rô-bốt mặt phẳng nghiêng 19 Hình 1.15 Mơ hình va đập máy khoan va đập (a); mơ hình rung động - va đập cải tiến Pavlovskaia cộng đề xuất phát triển (b,c) 21 Hình 1.16 Mơ hình thí nghiệm hệ thống tự di chuyển theo phương ngang dựa nguyên lý rung động - va đập 21 Hình 1.17 Sơ đồ mạch RLC (a) nguyên lý hoạt động thiết bị tự di chuyển (b) 22 Hình 1.18 Mơ hình thực nghiệm cấu tự di chuyển RLC (a) đồ thị lượng dịch chuyển theo thời gian (b) .22 Hình 1.19 Sơ đồ khối thí nghiệm mơ hình thực cấu tự di chuyển RLC có bổ sung lị xo nối lõi sắt thân thiết bị .23 Hình 1.20 Sơ đồ nguyên lý làm việc (a) sơ đồ khối thí nghiệm (b) cấu tự di chuyển RLC09 .24 Hình 1.21 Mơ hình vật lý capsubot sử dụng ngun tắc rung động va đập 25 Hình 1.22 Mơ hình thí nghiệm thiết bị tự di chuyển sử dụng động tuyến tính (a) sơ đồ khối đo tham số hệ thống (b) 26 Hình 1.23 Mơ hình vật lý (a) ảnh chụp mơ hình thực (b) hệ thống thí nghiệm dùng thiết bị phát rung động lực học .27 Hình 1.24 Sơ đồ nguyên lý cấu tự di chuyển dùng hệ Duffing (a) đặc tính phi tuyến lò xo hệ (b) 28 Hình 1.25 Mơ hình vật lý capsubot khai thác rung động - va đập theo hai phía 29 Hình 1.26 Mơ hình vật lý thiết bị tự di chuyển khai thác va đập hai phía (a) ảnh chụp hệ thống thiết bị thí nghiệm (b) .29 Hình 1.27 Sơ đồ khối thí nghiệm cấu va đập hai phía 30 Hình 1.28 Ảnh chụp capsubot tự di chuyển nhờ rung động va đập hai phía (a) sơ đồ khối thí nghiệm (b) .31 Hình 2.1 Mơ hình vật lý cấu rung-va đập có lực kích thích điều hịa: mơ hình đầy đủ (a); mơ hình thường sử dụng (b) 34 Hình 2.2 Đồ thị time history thể biến đổi theo thời gian của: (a) lượng dịch chuyển khối lượng m2; (b) dịch chuyển tương đối hai khối lượng m1 m2; (c) gia tốc khối lượng m2; (d) lực tác dụng lên khối lượng m1 .39 Hình 2.3 Đồ thị time history thể dịch chuyển (a) vận tốc (b) chuyển động tương đối x1 - x2 39 Hình 2.4 Đồ thị time history thể biến đổi theo thời gian lượng dịch chuyển tương đối hai khối lượng m1 m2 (bên trái) lượng dịch chuyển hệ (bên phải) cho trường hợp cấu: (a) tiến nhanh phía trước; (b) lùi nhanh phía sau; (c) tiến chậm phía trước 40 Hình 2.5 Đồ thị pha dao động điều hịa đơn giản khơng kể đến cản (a) kể đến cản (b) 41 Hình 2.6 Đồ thị pha xây dựng liệu thực nghiệm mô tả chuyển động tương đối hai khối lượng m1 m2 khơng có va đập (a) có va đập (b) 42 Hình 2.7 Đồ thị pha xây dựng liệu mô mô tả chuyển động tương đối hai khối lượng m1 m2 va đập (a) có va đập (b) 42 Hình 2.8 Đồ thị pha theo thời gian khônggian ba chiều (a) quỹ đạo pha -n é t liền màu xám, kèm đồ Poincar é - chấm tròn màu đỏ, chuyển động (b) 43 Hình 2.9 Quỹ đạo pha kèm đồ Poincaré (a,b,c,d) thể đặc tính chuyển động tuần hồn đồ thị time history lượng dịch chuyển x1, x2 (e,f,g,h) 44 Hình 2.10 Quỹ đạo pha kèm đồ Poincaré (a) thể đặc tính chuyển động hỗn loạn đồ thị time history lượng dịch chuyển x1, x2 (b) 45 Hình 2.11 Đồ thị rẽ nhánh Logistic map .46 Hình 2.12 Đồ thị rẽ nhánh lượng dịch chuyển vận tốc tương đối theo tần số kích thích ® (a); quỹ đạo pha kèm đồ thị Poincaré tần số kích thích khác (b,c,d,e,f) 48 Hình 2.13 Anh chụp hình soạn thảo file ODE .50 Hình 2.14 Anh chụp hình giao diện XPP 51 Hình 2.15 Lời giải số XPP kết xuất .52 Hình 2.16 File khai báo hệ phương trình cần giải Dynamics 52 Hình 2.17 Quá trình vẽ lưu trữ liệu đồ thị pha trongDynamics 53 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm đề xuất (a) ảnh chụp hệ thống triển khai (b) .56 Hình 3.2 Kết cấu mini shaker .57 Hình 3.3 Sơ đồ (a) kết cấu (b) hệ thống thay đổi ma sát 58 Hình 3.4 Sơ đồ xác định lực ma sát theo điện áp cấp cho nam châm điện 59 Hình 3.5 Nguyên tắc thu thập liệu sơ đồ đo thơng dụng 60 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý làm việc LVDT (a,b); nguyên lý cấu tạo (c) ảnh chụp cảm biến LVDT LHC-25E sử dụng nghiên cứu luận án (d) .63 Hình 3.7 Dữ liệu kiểm chuẩn LVDT Holzman LHC-25E .64 Hình 3.8 Cảm biến tiệm cận Kaman KD-2306: đầu đo (a); chuyển đổi tín hiệu (b) sơ đồ nguyên lý cấu tạo mạch đo (c) .65 Hình 3.9 Dữ liệu calib cảm biến tiệm cận Kaman KD-2306 (Exp- liệu thực nghiệm; Fitted Linear- đường hồi quy) 65 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo Loadcell đo lực tĩnh (a) ảnh chụp Loadcell MDB-5 sử dụng nghiên cứu thực nghiệm (b) 66 Hình 3.11 Dữ liệu calib Loadcell MDB-5 (Exp- liệu thực nghiệm; Fitted Linearđường hồi quy) 67 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý áp điện (a) thơng số cảm biến Kistler thích % cường độ lực ma sát fr Trong phạm vi khảo sát (%e[0^2]; frE.[0v2|), sử dụng mơ hình rung động khơng va đập (Hình 4.18a) nhận lượng dịch chuyển lớn so với mơ hình rung động có va đập (Hình 4.18b) Tuy nhiên, tùy mức độ lực ma sát khác nhau, cần thiết lập cường độ lực kích thích phù hợp để nhận lượng chiều dịch chuyển mong muốn Hình 4.19 mô tả hai đồ thị dạng contour tương ứng với đồ thị bề mặt nêu Trên Hình 4.19a, mơ hình rung động khơng có va đập tạo lượng dịch chuyển theo chiều tiến hầu hết dải giá trị lực kích thích lực ma sát Chỉ có phạm vi nhỏ lực ma sát fr e|0.5v2|, tác dụng lực kích thích Hình 4.19 Đồ thị contour lượng dịch chuyển theo hai tham so: mơ hình khơng có va đập (a) mơ hình có va đập (b) %