2.2.2. Phần mềm mô phỏng
Phần mềm ANSYS (22) là một phần mềm toàn diện và bao quát hầu hết các lĩnh vực vật lý, giúp can thiệp vào thế giới mơ hình ảo và phân tích kỹ thuật cho các giai đoạn thiết kế. Phần mềm phân tích mạnh này giúp quá trình thiết kế kỹ thuật qua một cấp độ mới, không chỉ làm việc với những môi trường, thông số biến động, các hàm nhiều cấp bậc, mà cịn hỗ trợ làm việc mang tính thích nghi với những mơ hình kỹ thuật mới, trong đó tương thích tốt với phần mềm thiết kế SOLIDWORKS. Ansys sẽ giúp nâng cao hiệu quả khi thiết kế, nâng cao tính sáng tạo, giảm bớt ràng buộc, hạn chế vật lý, thực hiện các bài kiểm tra mô phỏng mà không thể thực hiện trên những
22
phần mềm khác hay trên mẫu thật. Ansys tập trung vào tối ưu phương pháp phân tích phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng các vấn đề kỹ thuật. Phần mềm này tạo ra các mơ hình máy tính mơ phỏng cấu trúc, thiết bị điện tử hoặc linh kiện máy để mô phỏng ứng suất, độ dẻo dai, độ đàn hồi, phân bố nhiệt độ, điện từ, lưu lượng chất lỏng và các thuộc tính khác. Ansys được sử dụng để mô phỏng cách một sản phẩm hoạt động với các thông số kỹ thuật khác nhau, mà không cần làm các sản phẩm thử nghiệm hoặc tiến hành các thử nghiệm va chạm. Ví dụ, phần mềm Ansys có thể mơ phỏng một cây cầu sẽ ra sao sau nhiều năm sử dụng, cách xử lý tốt nhất cá hồi trong thùng để tránh lãng phí, hoặc cách thiết kế một tấm ván trượt sử dụng ít vật liệu hơn mà không bị mất an tồn. Hầu hết các mơ phỏng trong Ansys được thực hiện bằng phần mềm Ansys Workbench, là một trong những sản phẩm trung tâm của bộ phần mềm Ansys. Thông thường, người dùng Ansys phá vỡ các cấu trúc lớn hơn thành các thành phần nhỏ được mô phỏng và thử nghiệm riêng lẻ. Người dùng có thể bắt đầu bằng cách xác định kích thước của đối tượng, và sau đó thêm trọng lượng, áp suất, nhiệt độ và các đặc tính vật lý khác. Cuối cùng, phần mềm Ansys mơ phỏng và phân tích chuyển động, sự mỏi, tiêu chuẩn phá hủy, lưu lượng chất lỏng, phân bố nhiệt độ, hiệu quả điện từ và các hiệu ứng khác theo thời gian. Đối với những giới thiệu về phầm mềm đã nêu trên đây, Ansys được lựa chọn trong q trình nghiên cứu đầu gắp mềm cho cơng đoạn mô phỏng số.
Các mô đun sử dụng trong đề tài bao gồm “Ansys Design Modeler”, “Ansys Meshing”, “ANSYS Mechanical Workbench”. Ansys Design Modeler và Ansys Meshing là hai module mở đầu khi chúng ta bắt đầu tiếp cận với Ansys. Đây là hai Module quan trọng giúp chúng ta có thể vẽ mơ hình và chia lưới ngay trong ANSYS, phục vụ cho q trình tính tốn mơ phỏng sau này. Để tiếp cận hay module này cần kiến thức về mơ hình hóa cũng như sự linh hoạt sáng tạo để tận dụng được khả năng mô phỏng “gần như thật” của ANSYS. ANSYS Mechanical Workbench (WB) là một mơi trường nền chung, trong đó có tích hợp rất nhiều module xử lý liên quan đến các lĩnh vực: kết cấu, nhiệt động lực học, va chạm, lưu chất…WB đang ngày càng phát triển, hướng tới một giao diện thân thiện với người dùng. Bằng cách liên kết các kiểu bài tốn chỉ thơng qua các thao tác kéo thả đơn giản nhưng vẫn đạt hiệu quả cao nên WB ngày càng được nhiều đơn vị tin dùng. Ngồi ra WB cịn có khả năng tương tác với các phần mềm CAD rất cao cho phép người dùng có thể đưa những mơ hình phức tạp vào trong WB để tính tốn hướng tới mục tiêu “Mơ phỏng đi đầu tạo nền tảng cho sự phát triển sản phẩm”
2.2.3. Phần mềm thiết kế
SOLIDWORKS là phần mềm thiết kế số cho thiết kế 2D, 3D tham số chạy trên hệ điều hành Windows và có mặt từ năm 1995, được tạo bởi công ty SOLIDWORKS Dassault System, là một công ty thành viên của tập đồn cơng nghệ hàng đầu thế giới Dassault System, S. A. (Vélizy, Pháp). Những tính năng cơ bản của Solidworks bao gồm: Thiết kế bản vẽ kỹ thuật 2D; Thiết kế mơ hình 3D; Ghép nối mơ hình, lắp ghép các bản vẽ 3D; Xuất hình ảnh thiết kế với màu sắc, vật liệu; Xuất tệp tin có thể dùng để gia công trên nhiều thiết bị như máy CNC, máy cắt laser, máy in 3D…; Phân tích động lực học của thiết kế. Nhờ sự giúp sức của phần mềm SOLIDWORKS, quá trình
23
xây dựng ý tưởng, khái quát thiết kế được giảm thời gian và chi phí thực hiện. Mơ hình được trình bày trong tài liệu này cũng đã trải qua công đoạn thiết kế, chỉnh sửa, hoàn thiện bằng phần mềm SOLIDWORKS. Đồng thời những thiết kế từ phần mềm SOLIDWORKS cũng tương thích tốt đối với các phần mềm mô phỏng vật liệu nên quá trình chuyển đổi để mơ phỏng được khơng gặp q nhiều khó khăn.
2.2.4. Thiết kế và mơ phỏng
Hình 19. Kết quả mơ phỏng cơ cấu chấp hành mềm. (a) và (b) cho thấy sự biến dạng của một buồng khơng khí trước (a) và sau khi (b) bơm khơng khí vào trong buồng
Ý tưởng và mơ hình thiết kế được tham khảo từ các mơ hình kết cấu của cấu trúc thiết bị truyền động dạng mạng khí nén tốc độ chậm (Slow Pneumatic net actuator - SPn) để mơ phỏng nhằm dự đốn chuyển vị, góc uốn, số lượng khoang khí, độ dày bên trên và bên trong giữa các khoang khí. Trong Hình 19 (a), là một mặt cắt ngang của một buồng khơng khí của thiết bị truyền động mềm ở trạng thái ban đầu, không được cung cấp khơng khí. L0 và L1 bằng nhau (nếu bỏ qua tác dụng của trọng lực) lần lượt là chiều dài của buồng khơng khí của lớp trong và lớp có thể kéo dài. Khi được cung cấp khơng khí như thể hiện trong Hình 19 (b), L1 sẽ nở ra và đạt chiều dài L1 * trong khi L0 sẽ thay đổi nhỏ hoặc giữ nguyên do lớp đáy cấu thành từ vật liệu không biến dạng. Khi buồng khơng khí nở ra sẽ tạo ra hai đường trịn đồng tâm, góc α là góc mở của buồng khơng khí. Dựa trên mơ phỏng cho kết quả góc mở của một buồng khí là 15 độ với áp suất cài đặt là 20 KPa, độ dày thành trên là 1 mm. Từ đó thiết kế được chọn là một thiết bị truyền động mềm với 7 buồng khí. Số lượng khoang khí này thích hợp để gắp vật bằng cơ cấu 4 bộ truyền động mềm xếp theo hình dấu cộng vì góc gập chỉ cần nhỏ hơn hoặc bằng 90 độ. Thiết kế và chiều dài, chiều rộng và chiều cao của đầu kẹp mềm được thể hiện trong Hình 17. Thiết kế kiểu dáng và các chi tiết của đầu gắp mềm được thể hiện trong Hình 20.
24
Hình 20. Thiết kế của bộ kẹp mềm. (a) Các bước để tạo ra bộ kẹp mềm bằng cách sử dụng bộ truyền động khí nén và các bộ phận hỗ trợ, (b) Bộ kẹp mềm sau khi được lắp
ráp
Để kết nối từng bộ truyền động với nhau, cần sử dụng thiết kế một đầu nối cứng và một đế kẹp. Đầu nối bao gồm hai phần: nửa trên và nửa dưới. Bệ đỡ có 4 cổng hình dấu cộng. Các bước lắp ráp được trình bày trong Hình 20 (a). Đầu tiên, bộ kẹp mềm (1) được lắp vào nửa dưới của đầu nối (3). Sau đó, nửa trên của đầu nối (2) được lắp vào (3) và giữ cố định bằng vít. Ba bộ phận này được kết hợp thành một bộ truyền động Mềm và sẽ được lắp vào đế Grip (4). Góc của thiết bị truyền động mềm với đế Grip có thể từ 0 đến 80 độ và có thể được điều khiển tại điểm C. Gripper mềm bao gồm 4 thiết bị truyền động mềm được sắp xếp theo hình dấu cộng. Hình 20 (b) hiện diện bộ gắp hoàn chỉnh sau khi được lắp ráp.
Mơ hình mơ phỏng đầu kẹp mềm được tiến hành trên phần mềm Ansys, các kết quả khảo sát bao gồm: biến dạng tổng, số liệu stress và strain của vật liệu; dịch chuyển đầu uốn ứng với việc tăng áp suất. Mơ hình vật liệu được dùng là mơ hình Yeoh. Mơ hình được chia lưới tự động, có áp dụng trọng lực tác dụng lên mơ hình. Thơng qua phương pháp phân tích FEM và sử dụng phần mềm kỹ thuật hỗ trợ. Q trình chạy mơ phỏng trên máy tính cho kết quả mơ phỏng về mối liên hệ giữa lực tác động từ tay gắp mềm lên đối tượng và áp suất cung cấp. Các thí nghiệm mơ phỏng đươc thực hiện bao gồm điều chỉnh chiều cao đỉnh khoang khí, khoảng cách giữa các khoang khí, hệ số của vật liệu, áp suất tác động vào, thời gian áp suất tác động. Nhờ có máy tính giúp đỡ
25
nên thời gian tạo mẫu và thí nghiệm, chi phí nguyên vật liệu được giảm đi đáng kể. Chúng ta có thể quan sát về kết quả của mô phỏng ở phần 2.4
Q trình mơ phỏng hành vi của bộ truyền động mềm bắt đầu với việc đưa vào mơ hình vật liệu, cần xác lập rõ là vật liệu đàn hồi hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay phi tuyến, với mỗi vật liệu sẽ có những thơng số vật lí đặc trưng khác nhau. Trong đề tài này sử dụng vật liệu dựa trên mơ hình Yeoh có hệ số bậc 2 C10 = 0.0055 và C20 =
0.0004, nhiệt độ mô phỏng của môi trường là 22 độ C, đơn vị đo áp suất là Pa, khối
lượng riêng của Eco_flex 00-30 là 1064 kg/cm3. Sau khi chọn các thông số vật liệu
tương ứng, Ansys sẽ dựa trên mơ hình Yeoh để sinh ra biểu đồ biến dạng của vật liệu dưới tác động của áp suất, ở đây chúng ta chỉ quan tâm đến hệ số Stress vì chỉ cài đặt thơng số cho mơ hình Yeoh bậc 2. ANSYS là phần mềm giải bằng các phương pháp số, sau khi chọn vật liệu chúng ta sẽ giải trên mơ hình 3D đã được số hóa. ANSYS cho phép xây dựng các mơ hình 2D và 3D với các kích thước thực, hình dáng đơn giản hóa hoặc mơ hình như vật thật, vì thế nên chúng ta phải xây dựng mơ hình gần như thật. Mơ hình được số hóa bằng phần mềm SOLIDWORKS trước khi đưa vào Ansys và gắn với hệ trục của phần mềm. Sau khi gán hệ trục tọa độ thì cần định danh các mặt phẳng sẽ chịu lực trực tiếp khi có tác động của khí nén. Loại tương tác sẽ là tác động khí và khơng có ma sát (frictionless) giữa các bề mặt với nhau. Tiếp theo đến cơng việc chia lưới để sử dụng tính tốn FEM. Chia phần tử có thể là chọn các nút, hoặc khai báo số lượng phần tử, chương trình sẽ tự động chia vật thể thành một số hữu hạn các phần tử. Kích thước nhỏ nhất của mỗi cạnh của từng phần tử sẽ là 3e-3 (m) và vì vật liệu là polime đàn hồi nên ưu tiên phân tích với mơ hình phi cơ học. Bên cạnh đó cịn một tùy chọn quan trọng là “Quadratic element”. Phần tử bậc hai hoặc phần tử bậc cao hơn sử dụng hàm hình dạng phi tuyến tính. Các chuyển vị giữa các nút được nội suy bằng cách sử dụng một đa thức bậc cao. Các phần tử này có các nút ở giữa – mỗi cạnh của mỗi phần tử sẽ bao gồm ba nút đầu – giữa – cuối thay vì hai nút đầu - cuối. Các phần tử bậc hai phù hợp hơn để biểu diễn các dạng hình học phức tạp và các biến dạng uốn.
Bước tiếp theo là đặt các điều kiện biên: đặt áp suất tác dụng lên vật thể khảo sát, đặt giá trị gia tốc trọng trường, mặt phẳng cố định. Áp suất đặt vào lõi của bộ truyền động mềm tối đa là 30Kpa, tăng tuyến tính theo đường chéo trong vịng 1s. Gia tốc trọng trường trong thí nghiệm được đặt giá trị trung bình là 9.8066 m/s2. Mặt phẳng cố định là mặt mà trong quá trình mơ phỏng sẽ khơng bị biến dạng hay di chuyển, coi như gốc 0 của biến dạng uốn. Mặt phẳng cố định trong thực tế là mặt có đường cấp khí của bộ truyền động mềm, mặt này cũng cố định với gá. Như vậy trong mô phỏng chọn 1 mặt phẳng cố định và là mặt chứa đường cấp khí là chính xác. Bước cuối cùng là cài đặt thời gian chạy và thời gian chạy mỗi bước giải với từng mặt lưới được chia nhỏ từ mặt phẳng lớn.
26
Hình 21. Chọn mơ hình và thơng số của vật liệu
Hình 22. Thiết kế mơ hình bộ truyền động mềm có khoang khí (xanh) ở bên trong, góc nhìn tồn bộ.
27
Hình 23. Thiết kế mơ hình bộ truyền động mềm có khoang khí (xanh) ở bên trong, mặt cắt
28
Hình 25. Xác định các mặt phẳng chịu áp suất khi mơ phỏng
29
Hình 27. Cài đặt thời gian mơ phỏng
30
Hình 29. Xác định mặt cố định khi mơ phỏng
Hình 30. Đặt áp suất tác động vào mơ hình
2.2.5. Kết quả sau mô phỏng
Từ kết quả mô phỏng, bảng thông số thiết kế một bộ kẹp mềm được trình bày dưới bảng sau. Từ các thơng số này, bước tiếp theo của q trình đó là tạo khn, chế tạo đầu kẹp và hoàn thiện đầu gắp mềm.
31
Bảng 1. Các thông số thiết kế của một bộ kẹp mềm dựa trên thiết kế trong Hình 17.
Ký hiệu Giá trị (mm) Giải thích
H 8 Chiều cao bộ truyền động mềm
H1 1 Độ dày lớp đế không biến dạng
H2 3 Độ cao đường dẫn khí
H3 3 Độ cao của khoang khí
H4 1 Độ dày của đỉnh khoang khí
L 62 Chiều dài của bộ truyền động mềm
L1 2 Chiều dài của khoang khí
L2 4 Khoảng cách giữa các khoang khí
L3 6 Chiều dài của phần đầu bộ truyền động
W 17 Chiều rộng của bộ truyền động
Kiểm chứng bằng phương pháp thực nghiệm 2.3.
2.3.1. Chế tạo và lắp ráp
Phương pháp in 3D
2.3.1.1.
Chúng ta sẽ so sánh giữa việc tạo khuôn sử dụng công nghệ in 3D SLA, công nghệ 3D PLA và phương pháp in 3D thông thường. Từ những hình ảnh trực quan này chúng ta có thể thấy việc in khn 3D đổ đầu gắp bằng những cơng nghệ bình thường gây ra những sai khác đối với phần khn, chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy những vết sần, lồi lên trên bề mặt. Điều này là không tốt đối với việc chúng ta chế tạo khn cho đầu gắp mềm vì nó sẽ gây ra việc đầu gắp khơng đạt chất lượng như tính tốn và mong muốn cuối cùng.
Hình 31. Một số hình ảnh về q trình in khn 3D đổ đầu gắp 4 ngón mềm
Từ những hình ảnh trực quan này chúng ta có thể thấy việc in khn 3D đổ đầu gắp bằng công nghệ in 3D SLA cho ra kết quả khuôn với chất lượng bề mặt rất cao. Bề
32
mặt của khuôn nhẵn, mịn và có tính cơ tính rất tốt. Chúng ta chỉ việc cắt bỏ đi phần nhựa thừa bám vào các phần khuôn rồi dùng dũa để làm nhẵn thêm bề mặt tại một số vị trí cần thiết trên khn là đã có được phần khn đổ đầu gắp. Tuy nhiên trải qua quá trình thử nghiệm chế tạo đầu gắp mềm bằng khuôn in SLA đã phát hiện ra một vấn đề đó chính là khi sử dụng các chất phụ gia để làm nhẵn mịn bề mặt của khn thì nó sẽ làm cho phần hỗn hợp ecoflex đổ đầu gắp mềm không thể đông đặc và gặp vấn đề về độ nhớt bề mặt lớn. Đây là một kết quả cần lưu ý khi chúng ta thực hiện đổ đầu gắp mềm ở những lần kế tiếp. Nhận thấy vấn đề trong việc sử dụng cả máy in 3D thông thường để tạo mẫu đến việc gặp vấn đề về chất phụ gia khi sử dụng công nghệ in 3D SLA. Một phương án đã được thử nghiệm đó là sử dụng cơng nghệ in 3D PLA cho việc tạo khuôn đổ đầu gắp mềm và kết quả phần khn thu được đã phần nào đó đạt chất lượng tốt về bề mặt và khơng gặp vấn đề trong q trình đổ khn hỗn hợp do