dựa trên nguyên tắc chuyển động Stick-Slip)
1. Giới thiệu chung về hệ thống
Bộ truyền động áp điện được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và cơng nghiệp vì chúng có thể đạt độ chính xác định vị cao. Tuy nhiên, hành trình làm việc của các loại thiết bị này luôn bị hạn chế làm giảm khả năng ứng dụng của thiết bị truyền động này. Cơ cấu chấp hành áp điện nói chung được chia thành hai loại là loại đẩy trực tiếp và loại bước. Cơ cấu chấp hành kiểu đẩy trực tiếp có đặc điểm là cấu tạo đơn giản, khơng có ma sát và đáp ứng nhanh nhưng hành trình làm việc chỉ vài micromet vì biến dạng nhỏ của vật liệu áp điện. Rất nhiều nỗ lực đã được thực hiện để cải thiện hành trình như áp dụng cơ chế phóng đại bản lề uốn để khuếch đại độ dịch chuyển đầu ra của phần tử áp điện. Tuy nhiên, hành trình làm việc chỉ đạt vài trăm micromet và tần số làm việc giảm xuống rõ rệt.
Để cải thiện hành trình làm việc của thiết bị truyền động áp điện, thiết bị truyền động kiểu bước được đề xuất, sử dụng chuyển động kiểu bước. Mặc dù mỗi bước trong một chu kỳ chuyển động là nhỏ nhưng khi tích lũy lại sẽ đạt được hành trình làm việc lớn. Cơ cấu chấp hành loại này được chia thành ba loại: loại siêu âm, loại inchworm và loại trượt dính. Bộ truyền chuyển động kiểu siêu âm đạt được hành trình làm việc lớn dựa hiệu ứng áp điện nghịch đảo và nguyên tắc rung siêu âm. Truyền động kiểu siêu âm có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, ít nhiễu nhưng bị mài mịn nhiều và khơng thích hợp để hoạt động liên tục. Bộ truyền động áp điện kiểu inchworm có độ chính xác cao. Tuy nhiên, cấu tạo và hệ thống điều khiển rất phức tạp Nghiên cứu này đề xuất một cơ cấu hình chiếc ơ, dựa trên nguyên lý thanh trượt và cơ chế uốn hình chiếc ơ, bộ truyền động áp điện có thể đạt được hành trình lớn.
2. Cấu tạo của hệ thống
Cơ cấu chấp hành áp điện tuyến tính hình ơ bao gồm một thanh trượt tuyến tính, hai ngăn xếp PZT, hai cặp khối nêm, bốn vít, hai núm micromet, một cơ cấu uốn hình ơ và một đế như hình 1a. Thanh trượt tuyến tính và cơ cấu uốn cong hình chiếc ơ được tiếp xúc với nhau và gắn chặt vào đế bằng vít. Hai ngăn xếp PZT và khối nêm được lắp ráp bên trong cơ cấu uốn hình chiếc ơ. Hình 1b cho thấy kích thước của cơ cấu uốn hình chiếc ơ. Kích thước chung của thiết bị truyền động là 60 x 50 x 18 mm.
Hình 55: Cấu tạo của cơ cấu chấp hành
1- thanh trượt tuyến tính 6-núm micromet
2,3- ngăn xếp PZT 7-cơ cấu uốn hình ơ
4- khối nêm 8- đế
3. Nguyên lý hoạt động của hệthống Nguyên lý hoạt động của hệ thống Nguyên lý hoạt động của hệ thống Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hình 56: Nguyên lý chuyển động của cơ cấu uốn hình chiếc ơ
Hình 2 mơ tả ngun lý hoạt động của cơ cấu uốn hình chiếc ơ. M là điểm tiếp xúc của cơ cấu uốn hình chiếc ơ và thanh trượt. A, B, C, D, E, H là bản lề uốn tròn, N là điểm tiếp xúc của ngăn xếp và đoạn EH. Khi ngăn xếp nhận được cấp điện và giãn ra thì cơ cấu hình chiếc ơ bị biến dạng và điểm M sẽ di chuyển đến vị trí M’ làm cho con trượt chuyển động do có ma sát. Cơ cấu hình chiếc ơ được thiết kế đối xứng, do đó thanh trượt sẽ di chuyển ngược lại khi ngăn xếp kia được cấp điện.
Hình 57: Nguyên lý hoạt động của bộ truyền động áp điện tuyến tính hình chiếc ơ được đề xuất
Hình 3 minh họa nguyên lý hoạt động của thiết bị truyền động hình chiếc ơ được đề xuất. Ban đầu, tất cả các bộ phận được lắp ráp như hình 3.1. Quá trình chuyển động của bộ truyền động áp điện hình răng cưa được chia thành 2 bước. Bước 1, điện thế hình răng cưa tăng dần từ a đến b. Ngăn xếp PZT giãn ra từ từ khiến cơ cấu hình ơ bị biến dạng và làm cho thanh trượt di chuyển. Bước 2, điện áp giảm mạnh từ b xuống c, ngăn xếp PZT lùi lại một cách nhanh chóng và cơ chế hình chiếc ơ sẽ lùi lại tương ứng. Tuy nhiên, thanh trượt gần như đứng yên do lực quán tính, nghĩa là thanh trượt đã di chuyển một khoảng ΔS theo phương x so với vị trí ban đầu. Lặp lại chu trình trên sẽ thu được một hành trình làm việc lớn. Hướng chuyển động được thay đổi bằng cách sử dụng ngăn xếp PZT khác.
4. Thí nghiệm, kết quả và đánh giá4. 1. Hệ thống thí nghiệm 4. 1. Hệ thống thí nghiệm
Hệ thống thí nghiệm gồm một máy tính cá nhân (PC), bộ tạo tín hiệu (9400, Tabor Electronics), nguyên mẫu của thiết bị truyền động hình ơ và cảm biến laser. Trong q
trình thí nghiêm, tín hiệu điện hình răng cưa được tạo bởi bộ tạo tín hiệu và được khuếch đại lên. Sau đó tín hiệu điện áp được đặt lên ngăn xếp. Cảm biến laser phát hiện thông tin dịch chuyển trong khi thanh trượt đang di chuyển. Thơng tín dịch chuyển được hiển thị trên màn hình PC.
Hình 58: Hệ thống thí nghiệm 4.2. Kết quả và đánh giá
Hình 7 cho thấy mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và độ dịch chuyển khi f = 1 Hz. Hình 7a cho thấy sự dịch chuyển theo thời gian với các hiệu điện thế khác nhau. Nhìn chung, độ dịch chuyển tăng theo thời gian. Trong mỗi bước chuyển động, người ta thấy rằng chuyển động lùi tuần hồn xuất hiện theo sau chuyển động phía trước do ma sát giữa cơ cấu hình ơ và thanh trượt khi cơ cấu hình ơ về vị trí ban đầu. Chuyển vị bước thực tế là:
ΔL=Lđi−Lvề
Hình 7b cho thấy mối quan hệ của độ dịch chuyển bước và điện áp đầu vào. Bước dịch chuyển ΔL tăng dần từ 0,495 µm đến 1,412 µm khi điện áp đầu vào tăng từ 30 V đến 120 V. Hệ số tương quan R2 = 0,9762 chỉ ra rằng hệ thống hoạt động ổn định. Dịch chuyển bước có thể tuyến tính hóa bởi hàm số: ΔL=0.0107 U +0.1909
Hình 59: Mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và độ dịch chuyển
Hình 8 cho thấy mối quan hệ giữa tần số đầu vào và chuyển vị bước khi U = 120 V. Sự dịch chuyển bước dao động từ 1,12 µm đến 1,52 µm khi f = 100Hz và giảm xuống 0,882 µm khi f = 200Hz. Sau đó bước dịch chuyển đạt cực đại 2,481 µm tại f = 400Hz và giảm xuống 0,019 µm khi f = 1300Hz. Điều này là do khi f quá lớn, ngăn xếp PZT không kịp kéo hết chiều dài. Nguyên mẫu không thể giữ ổn định khi tần số đầu vào vượt quá 400Hz và U =120 V.
Hình 60: Mối quan hệ giữa tần số đầu vào và độ dịch chuyển bước khi U= 120V.
Hình 61: Mối quan hệ giữa độ dịch chuyển bước và tải trong trường hợp U =120 V và f = 1Hz
Trong quá trình thử nghiệm, một loạt trọng lượng tiêu chuẩn được đặt lên thanh trượt. Hình 9 cho thấy chuyển vị bước giảm tuyến tính khi tăng tải trọng. Hệ số tương quan R2 =0,9432 cho thấy hệ thống ổn định. Chuyển vị bước được biểu thị bằng hàm số:
ΔL=−0,0041 m+ 1,1213. Nếu tải m > 220 thì ngun mẫu khơng thể hoạt động ổn định
được.
5. Kết luận
Nghiên cứu này cho thấy rằng bộ truyền động áp điện tuyến tính hình ơ là khả thi và có thể đạt được hành trình lớn và độ chính xác cao. Kết quả dịch chuyển cho thấy độ dịch chuyển bước nhỏ nhất là 0,495 µm khi điện áp U = 30 V và f = 1Hz, tải tối đa là m = 220 g; độ dịch chuyển bước lớn nhất là 2,481 µm khi f = 400 Hz và U = 120 V, tốc độ cực đại đạt 992,4 µm/s.
Chúng tơi đề xuất làm giảm hệ số ma sát của cơ cấu hình ơ và thanh trượt để tăng hiệu suất bằng cách làm tăng độ bóng của thanh trượt.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] KK Sappati, S Bhadra, “Piezoelectric polymer and paper substrates: a review,”
2018.
[2] Z Li, L Zhao, X Yu, “A novel stick-slip piezoelectric actuator based on two-stage flexible hinge structure,” 2020.
[3]TK Das, B Shirinzadeh, M Ghafarian, “Design, analysis, and experimental investigation of a single-stage and low parasitic motion piezoelectric actuated microgripper,” 2020.
[4] S Zhang, Y Liu, J Deng, X Tian, X Gao, “Development of a two-DOF inertial rotary motor using a piezoelectric actuator constructed on four bimorphs,” 2021.
[5]Z Xu, H Huang, J Dong, “A stick-slip piezoelectric actuator with measurable contact force,” 2020.
[6] X Gao, J Yang, J Wu, X Xin, Z Li, X Yuan, “Piezoelectric actuators and motors: materials, designs, and applications,” 2020.
[7]Digvijay S. Raghunvanshi, Steven I. Moore, Andrew John Fleming, Yuen Kuan Yong, "Electrode Configurations for Piezoelectric Tube Actuators With Improved Scan Range and Reduced Cross-Coupling," 2020.
[8] S. M. Afonin, "Structural-Parametric Model of Electromagnetoelastic Actuator for Nanomechanics, " 2018.
[9] K. Srinivasa Rao, Md. Hamza1, P. Ashok Kumar1, K. Girija Sravani, “Design and
optimization of MEMS based piezoelectric actuator for drug delivery systems,” 2019 [10] Jingnan Cai, Fangxin Chen, Lining Sun, Wei Dong, “Design of a Linear Walking Stage based on Two Types of Piezoelectric Actuators”, 2021.
[11]Jiafeng Yao, Junjie Cai, Yili Hu, Jianming Wen, Nen Wan, Hao Wang, and Jianping Li, “An Umbrella-Shaped Linear Piezoelectric Actuator Based on Stick- Slip Motion Principle”, 2019.
[12] Ahsan Ali, Riffat Asim Pasha, Hassan Elahi, “Investigation of Deformation in
Bimorph Piezoelectric Actuator: Analytical, Numerical and Experimental Approach”, 2019.