nghiên cứu phát triển thiết kế kết cấu mới cho bộ định vị 1 bậc tự do cho cơ cấu mềm định hướng ứng dụng cho hệ thống định vị chính xác và gia công có hỗ trợ của rung động

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (20.7 MB, 162 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH</b>

<b>NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN, THIẾT KẾ KẾT CẤU MỚI CHO BỘ ĐỊNH VỊ 1 BẬC TỰ DO CHO CƠ CẤU MỀM ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC VÀ GIA CƠNG CĨ HỖ TRỢ CỦA RUNG ĐỘNG</b>

<b>GVHD: GVC.TS. ĐẶNG MINH PHỤNG SVTH: LÊ ĐỨC TÀI </b>

<b> TRẦN NGUYỄN PHÚC LUÂN LƯU NGUYỄN HOÀNG TIẾN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP</b>

<b> NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY </b>

<b>Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3/2024</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH </b>

<b>KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY </b>

Sinh viên thực hiện: MSSV:

Lớp:

Sinh viên thực hiện: MSSV:

Lớp:

<b>Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2024 </b>

<b>MỚI CHO BỘ ĐỊNH VỊ 1 BẬC TỰ DO CHO CƠ CẤU MỀM ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHÍNH </b>

Giảng viên hướng dẫn: <b>GVC.TS. ĐẶNG MINH PHỤNG LÊ ĐỨC TÀI </b>

<b>TRẦN NGUYỄN PHÚC LUÂN </b>

<b>LƯU NGUYỄN HOÀNG TIẾN </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Học kỳ I/ năm học 2023-2024 </b>

Giảng viên hướng dẫn: GVC.TS. Đặng Minh Phụng Sinh viên thực hiện:

1. Lê Đức Tài MSSV: 20143493 Điện thoại: 0855020704 2. Trần Nguyễn Phúc Luân MSSV: 20143157 Điện thoại: 0965425933 3. Lưu Nguyễn Hoàng Tiến MSSV: 20143502 Điện thoại: 0899992443

<i><b>– Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển thiết kế kết cấu mới cho bộ định vị 1 bậc tự do </b></i>

cho cơ cấu mềm định hướng ứng dụng cho hệ thống định vị chính xác và gia cơng có hỗ trợ của rung động.

<i><b>Các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước </b></i>

<i><b>3. Nội dung chính của đồ án: </b></i>

-Tổng quan về cơ cấu mềm và độ định vị chính xác sử dụng cơ cấu mềm

- Phân tích phương án và đề xuất phương án thiết kế cho bộ định vị 01 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm

- Chế tạo và thử nghiệm 02 bộ định vị 01 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm

- Thuyết minh thiết kế, tính tốn bộ định vị 01 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm

<b>- Chế tạo và thử nghiệm bộ định vị 01 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm </b>

<i><b>7. Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh Tiếng Việt  Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh Tiếng Việt  </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

□ Được phép bảo vệ ………. (GVHD ký, ghi rõ họ tên)

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP </b>

<i><b>(Dành cho giảng viên hướng dẫn) </b></i>

Họ và tên sinh viên: Lê Đức Tài MSSV: 20143493 Hội đồng: 14 Họ và tên sinh viên: Trần Nguyễn Phúc Luân MSSV: 20143157 Hội đồng: 14 Họ và tên sinh viên: Lưu Nguyễn Hoàng Tiến MSSV: 20143502 Hội đồng: 14 Mã số đề tài: CTM-01

Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển thiết kế kết cấu mới cho bộ định vị 1 bậc tự do cho cơ cấu mềm định hướng ứng dụng cho hệ thống định vị chính xác và gia cơng có hỗ trợ của rung động.

Ngành đào tạo: Công nghệ Chế tạo máy

Họ và tên GV hướng dẫn: GVC. TS. Đặng Minh Phụng

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<i><small>Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục </small><sub>10 </sub><small>Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài </small><sub>10 </sub></i>

<i><small>Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, </small></i>

<i><small>Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá </small><sub>10 </sub><small>Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy </small></i>

<i><small>trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế. </small><sup>15 </sup></i>

<i><small>Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… </small><sub>5 </sub></i>

◻ Được phép bảo vệ ◻ Không được phép bảo vệ

<i>TP.HCM, ngày 2 tháng 3 năm 2024 </i>

Giảng viên hướng dẫn

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b><small>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM </small></b>

<b>PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP </b>

<i><b>(Dành cho giảng viên phản biện) </b></i>

Ngành đào tạo: Cơng nghệ Chế tạo máy

Họ và tên GV phản biện: TS. Mai Đức Đãi

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<i><small>Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, </small></i>

<i><small>Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá </small><sub>10 </sub><small>Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy </small></i>

<i><small>trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế. </small><sup>15 </sup></i>

<i><small>Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… </small><sub>5 </sub></i>

◻ Được phép bảo vệ ◻ Không được phép bảo vệ

<i>TP.HCM, ngày 2 tháng 3 năm 2024 </i>

Giảng viên phản biện

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>LỜI CAM KẾT </b>

- Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển thiết kế kết cấu mới cho bộ định vị 1 bậc tự do cho cơ cấu mềm định hướng ứng dụng cho hệ thống định vị chính xác và gia cơng có hỗ trợ của rung động.

- GVHD: GVC.TS. Đặng Minh Phụng 1. Họ tên sinh viên: Lê Đức Tài

Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): xx/01/2024<small> </small>

Lời cam kết: “Nhóm chúng em xin đảm bảo rằng khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là do chúng em đích thân nghiên cứu và thực hiện. Chúng em không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã cơng bố mà khơng trích dẫn rõ nguồn gốc. Nếu có bất cứ một sự sai phạm nào, chúng em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 2 tháng 3 năm 2024 Ký tên

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>LỜI CẢM ƠN </b>

Để có thể hồn tất đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu phát triển thiết kế kết cấu mới cho bộ định vị 1 bậc tự do cho cơ cấu mềm định hướng ứng dụng cho hệ thống định vị chính xác và gia cơng có hỗ trợ của rung động” khơng chỉ có sự chăm chỉ tìm tịi của nhóm chúng em mà cịn có sự giúp đỡ tận tình của các giảng viên hướng dẫn và những người cộng sự.

Nhóm chúng em xin được phép gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến GVHD T.S Đặng Minh Phụng. Dưới sự hướng dẫn và góp ý nhiệt tình đến từ thầy, nhóm đã giải quyết được các vấn đề từ nhỏ nhặt đến khi hồn thành đề tài. Những gì thầy đã truyền lại về lĩnh vực cơ cấu mềm này khơng chỉ là kiến thức mà cịn là những hiểu biết sâu sắc, giúp mỗi thành viên có được một nền tảng vững chắc nhất. Bên cạnh đó việc tạo điều kiện giúp nhóm tiếp xúc với nhiều thiết bị tại phịng thí nghiệm, là nền tảng to lớn trong quá trình nghiên cứu lý thuyết đi kèm với kiểm nghiệm thực tế, đánh giá được tổng quan kết quả nghiên cứu của nhóm.

Khơng thể phủ nhận cơng lao của từng người dẫn dắt chúng em ở từng mơn học, từ lý thuyết cho đến thực hành. Nhóm cũng muốn thể hiện lịng biết ơn đến tồn thể các thầy cô giáo tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật nói chung hay Khoa Cơ khí Chế Tạo Máy nói riêng, những người đã dành nhiều tâm huyết và thời gian để truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm suốt quãng thời gian học tập tại trường. Lý thuyết về các lĩnh vực khoa học xã hội cũng như kiến thức cơ sở ngành hay chuyên ngành, dù nhỏ hay lớn cũng đóng góp một phần vào việc hồn thành đồ án này ít nhiều. Những bài giảng, bài thực hành và những buổi hướng dẫn từ các thầy cô đã giúp chúng em hiểu sâu hơn về ngành nghề của mình và trang bị cho chúng em những kỹ năng cần thiết để thành công trong tương lai.

Tuy thời gian tiếp cận với lĩnh vực cơ cấu mềm này khá ngắn nhưng với nguồn tài liệu từ những cơng trình nghiên cứu đã được cơng bố cùng với sự hỗ trợ của GVHD là nền tảng vững chắc cho nhóm tiếp cận đến lĩnh vực khá mới này. Tuy vậy, trong khoảng thời gian hoàn thiện đồ án tốt nghiệp khó có thể để tránh được những thiếu sót, nhóm chúng em rất hoan nghênh và chân thành cảm ơn những nhận xét và góp ý quý báu của quý thầy cô.

Một lần nữa, cảm ơn những đóng góp từ thầy cơ, bạn bè đã hỗ trợ để nhóm có một trải nghiệm học tập và làm việc, đánh giá chặng đường đã qua trên giảng đường Đại học này.

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<b>TÓM TẮT ĐỒ ÁN </b>

Với đồ án “Nghiên cứu phát triển, thiết kế kết cấu mới cho bộ định vị 1 bậc tự do cho cơ cấu mềm định hướng ứng dụng cho hệ thống định vị chính xác và gia cơng có hỗ trợ của rung động”. Nhóm chúng em đã phát triển thiết kế 2 cơ cấu mềm với 2 định hướng ứng dụng và 2 đặc tính nổi trội khác nhau.

Ở cơ cấu mềm định hướng ứng dụng trong hệ thống định vị chính xác, thơng qua một số trao đổi cùng với giảng viên hướng dẫn, các dữ liệu đã được nhóm tổng hợp, vận dụng linh hoạt kết hợp cùng với các kiến thức đã học và nhóm quyết định tập trung phát triển đặc tính chuyển vị cho cơ cấu này. Với độ khuếch đại chuyển vị cao, cơ cấu sẽ được ứng dụng vào các yêu cầu định vị lớn và chính xác.

Với cơ cấu mềm gia cơng có hỗ trợ rung động, nhóm chúng em chọn phương pháp gia cơng Tiện. Như vậy, đầu dao tiện sẽ được tích hợp vào cơ cấu mềm để thay thế nguyên công gia công tinh lần cuối của các chi tiết hình trụ. Ở cơ cấu này, nhóm chúng em sẽ tập trung phát triển đặc tính tần số tự nhiên của cơ cấu nhằm gia tăng độ cứng vững. Hướng đến mục tiêu đạt được cấp độ nhám bề mặt cao hơn.

Hệ số khuếch đại và tần số tự nhiên của 2 cơ cấu được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) và phương trình giả cứng. Để có thể cho bộ định vị đạt hiệu suất tốt nhất, các tham số hình học chính của cơ cấu được điều chỉnh tối ưu hóa bằng các phương pháp như TOPO, phương pháp phản ứng bề mặt (RSM) và phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu. Các kết quả mơ phỏng đều đạt được các yêu cầu đề ra.

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

DANH MỤC VIẾT TẮT ... xvii

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ... 1

1.1 Lời nói đầu ... 1

1.2 Tổng quan về đề tài ... 1

1.3 Tính cấp thiết... 2

1.4 Đối tượng và phạm vi áp dụng của nghiên cứu ... 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu ... 3

1.6 Kết cấu đồ án tốt nghiệp ... 5

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU MỀM ... 7

2.1 Tổng quan về cơ cấu cơ khí ... 7

2.1.1. Lịch sử hình thành cơ cấu cơ khí [1] ... 7

2.1.2 Một số cơ cấu cơ khí phổ biến và ưu nhược điểm của chúng ... 12

2.2 Sự ra đời của cơ cấu mềm [3] ... 13

2.2.1 Khái niệm ... 14

2.2.2 Ưu điểm ... 14

2.2.3 Nhược điểm [6] ... 18

2.2.4 Các loại khớp mềm [7] ... 18

2.3 Ứng dụng cơ cấu mềm trong các lĩnh vực [9] ... 20

2.4 Những thách thức của cơ cấu mềm ... 21

2.5 Một số cơng trình nghiên cứu về cơ cấu mềm ... 22

2.5.1 Thiết kế và nghiên cứu hiệu suất của hệ thống giảm truyền động vi mơ chính xác mà không cần chuyển động bổ sung... 22

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

2.5.2 Thiết kế và tối ưu hóa bộ định vị micro/nano 2 bậc hồn tồn dựa trên tính toán

toán học ... 24

2.5.3 Phát triển cơ cấu ăn dao 2 bậc tự do điều khiển bởi hệ thống Piezo ... 26

2.5.4 Thiết kế và phân tích một bộ cơ cấu mềm 3 bậc tự do với phạm vi vi mô lớn . 29 2.6 Phần mềm ANSYS Workbench sử dụng cho việc nghiên cứu cơ cấu mềm [10] ... 32

2.6.1. Static Structural ... 32

2.6.2 Modal ... 36

2.6.3. Topology ... 40

2.6.4. Response Surface Optimization ... 44

CHƯƠNG III: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ TỐI ƯU HĨA ... 47

3.1 Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn FEA ... 47

3.2 Phương pháp Topology ... 49

3.3 Phương pháp giả cứng (PRBM) [11] ... 51

3.4 Phương pháp tối ưu hóa bề mặt (RSM) ... 52

CHƯƠNG IV: CƠ CẤU MỀM ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC ... 54

4.1 Giới thiệu về cơ cấu ứng dụng trong hệ thống định vị chính xác ... 54

4.2 Thiết kế cơ cấu mềm ... 57

4.2.1 Phương án 1 ... 57

4.2.2 Phương án 2 ... 60

4.2.3 So sánh và lựa chọn phương án ... 63

4.3 Áp dụng phương áp Topology cho bản thiết kế... 70

4.4 Tối ưu hóa thiết kế ... 77

4.4.1 Phương pháp Phần tử hữu hạn FEA – Finite Element Analysis ... 77

4.4.2 Phương pháp Tối ưu hóa bề mặt RSM – Response Surface Method ... 80

CHƯƠNG V: CƠ CẤU MỀM ỨNG DỤNG TRONG GIA CƠNG CĨ RUNG ĐỘNG . 92 5.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu và các sai số xuất hiện khi gia công ... 92

5.1.1 Q trình cắt gọt trên máy cơng cụ truyền thống và CNC [16] ... 92

5.1.2 Các nguồn sai số khi gia công ... 92

5.2 Thiết kế cơ cấu mềm ăn dao ... 94

5.3 Xây dựng phương trình tốn bằng phương pháp giả cứng ... 96

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

5.4 Phân tích bằng phần mềm ANSYS WORKBENCH ... 102

5.5 Tối ưu hóa cơ cấu mềm ... 110

5.5.1 Phương pháp Tối ưu hóa bề mặt RSM – Response Surface Method ... 111

5.5.2 Tối ưu hóa cơ cấu mềm bằng thuật tốn tối ưu đơn mục tiêu ... 122

CHƯƠNG VI: GIA CÔNG CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ ... 124

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>DANH MỤC BẢNG BIỂU </b>

Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của Nhôm 7075………...56

Bảng 4.2: Giá trị kích thước của cơ cấu mềm………...58

Bảng 4.3: Giá trị các kích thước của cơ cấu mềm……….61

Bảng 4.4: So sánh hai phương án………..70

Bảng 4.5: So sánh kết quả trước và sau khi áp dụng phương pháp Topology Optimization………...……...77

Bảng 4.6: Giá trị Lower và Upper của các biến đầu vào………...81

Bảng 4.7: Kết quả tối ưu hóa………...86

Bảng 4.8: Kiểm nghiệm lại bằng FEA………..90

Bảng 4.9: Kết quả hệ số an toàn ứng với các giá trị chuyển vị đầu vào khác nhau ………...91

Bảng 5.1: Giá trị kích thước của cơ cấu mềm………...94

Bảng 5.2: Các thơng số cho phương trình giả cứng………..98

Bảng 5.3: Kết quả FEA………...110

Bảng 5.4: Giá trị Lower và Upper của các biến đầu vào……….116

Bảng 5.5: Kết quả tối ưu hóa………...118

Bảng 5.6: Kết quả giữa RSM và kiểm nghiệm lại sau RSM………...121

Bảng 5.7: Giá trị biến các khe hở sau khi dùng thuật toán tối ưu hóa đơn mục tiêu…...123

Bảng 6.1: Số liệu gia cơng thực nghiệm………..128

Bảng 6.2: Giá trị đầu ra trong lần đo cao nhất (1411 µm)………...131

Bảng 6.3: Bảng so sánh kết quả đo………..131

Bảng 6.4: Bảng so sánh kết quả đo………..133

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

<b>DANH MỤC HÌNH ẢNH </b>

Hình 1.1: Máy tiện LEADWELL T5……….…..3

Hình 1.2: Lưu đồ thiết kế bộ định vị cơ cấu mềm………...4

Hình 1.3: Thiết kế cơ cấu mềm của cơ cấu ăn dao………...5

Hình 2.1: Một máy bơm vít ở Ai Cập dùng cơ chế vít Archimedes………...8

Hình 2.2: Một trang phác thảo máy bay của Leonardo da Vinci (1452-1519) [2]……...9

Hình 2.3; 2.4: Một số hình ảnh về bản vẽ kỹ thuật thời kỳ Phục Hưng [2]…………..9, 10 Hình 2.5: Máy hơi nước đầu tiên do James Watt phát minh năm 1765 tại Anh………...10

Hình 2.20: Kẹp bướm, súng bắn đĩa, chốt gài………..21

Hình 2.21: Thiết kế hệ thống truyền động vi mơ [17]………...22

Hình 2.22: Phân tích chuyển vị trên phần mềm Ansys Workbench 2020 R2 [17]……...23

Hình 2.23: Tần số tự nhiên của cơ cấu [17]………...23

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Hình 2.24: Thiết lập hệ thống đo đạc của nghiên cứu [17]……….24

Hình 2.25: Cấu trúc địn bẩy đối xứng 2 tầng [18]………..24

Hình 2.26: Bộ định vị 2 bậc tự do trong nghiên cứu [18]………25

Hình 2.27: Thiết lập hệ thống đo của bài nghiên cứu này [18]………...26

Hình 2.28: Bản thiết kế trong bài nghiên cứu này [19]………...27

Hình 2.29: Mơ phỏng trên phần mềm Ansys Workbench………...27

Hình 2.30: Thiết lập hệ thống thực nghiệm cho cơ cấu mềm………...28

Hình 2.31: Gắn cơ cấu mềm lên máy tiện CNC………..28

Hình 2.32: Bề mặt phơi sau gia cơng [19]………...29

Hình 2.33: Sử dụng máy chuyên dùng kiểm tra độ bóng bề mặt phơi [19]……….29

Hình 2.34: Thiết kế cơ cấu mềm 3 bậc tự do………...30

Hình 2.35: Mơ phỏng chuyển động theo trục X [20]………..30

Hình 2.36: Mơ phỏng chuyển động xoay quanh trục Z [20]………...31

Hình 2.37: Các thiết bị dùng để thực nghiệm [20]………..31

Hình 2.38: Giao diện làm việc của ANSYS Workbench………....32

Hình 2.39: Giao diện Modul Static Structural………...33

Hình 2.40: Giao diện Engineering Data trong Static Structural………..33

Hình 2.41: Giao diện Geometry trong Static Structural………..34

Hình 2.42: Giao diện Model trong Static Structural………...34

Hình 2.43: Chia lưới trong Ansys………...35

Hình 2.44: Biến đầu vào trong Static Structural……….35

Hình 2.45: Biến đầu ra trong Static Structural………36

Hình 2.46: Minh họa về tính năng Static Structural………36

Hình 2.47: Giao diện modul Modal……….37

Hình 2.48: Liên kết giữa các modul trong Ansys………37

Hình 2.49: Giao diện Model trong Modal………...38

Hình 2.50: Chia lưới trong Modal………...38

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Hình 2.51: Biến đầu vào trong Modal………..39

Hình 2.52: Biến đầu ra trong Modal……….39

Hình 2.53: Minh họa về tính năng Modal……….40

Hình 2.54: Giới thiệu tính năng Topology………41

Hình 2.55: Giao diện tính năng Topology………42

Hình 2.56: Hàm mục tiêu trong Topology………42

Hình 2.57: Tỉ lệ phần trăm của cấu trúc cần giữ lại………..43

Hình 2.58; 2.59: Minh họa về tính năng Topology………...44

Hình 2.60: Giới thiệu về RSM………..45

Hình 2.61: Mơ phỏng các điểm với các biến đầu vào khác nhau……….45

Hình 2.62: Minh họa về tính năng RSM………...46

Hình 4.1; 4.2: Minh họa về cơ cấu địn bẩy [8] ………54

Hình 4.3: Khớp cầu………...55

Hình 4.4: Khớp elip………...55

Hình 4.5: Khớp lá………..56

Hình 4.6: Khớp chữ V………...56

Hình 4.7: Vị trí của mục Engineering Data trong phần mềm Ansys Workbench……….57

Hình 4.8: Bảng giá trị thơng số kỹ thuật của Al 7075………...57

Hình 4.9: Thiết kế cơ cấu mềm phương án 1………58

Hình 4.10: Dựng bản thiết kế trên phần mềm Inventor 2023………...59

Hình 4.11: Sơ đồ phân tích chuyển động của phương án 1………..60

Hình 4.12: Thiết kế cơ cấu mềm phương án 2………..61

Hình 4.13: Dựng bản thiết kế trên phần mềm Inventor 2023………...62

Hình 4.14: Sơ đồ phân tích chuyển động của phương án 2………..63

Hình 4.15: Vị trí của tab “Browse” để thêm file từ phần mềm khác………....64

Hình 4.16: Giao diện mơi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise]….65 Hình 4.17: Gán vật liệu cho cơ cấu………...65

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

Hình 4.18: Giá trị Element Size………66

Hình 4.19: Lựa chọn body để Automatic Method………66

Hình 4.20: Lựa chọn các mặt để Refinement………67

Hình 4.21: Cố định vị trí cơ cấu trong khơng gian bởi các lỗ bậc………67

Hình 4.22: Lựa chọn mặt phẳng và nhập giá trị chuyển vị đầu vào……….68

Hình 4.23: Lựa chọn mặt phẳng để đo chuyển vị đầu ra phương án 1……….68

Hình 4.24: Các kết quả sẽ được thể hiện ở tab Solution (A6)………..69

Hình 4.25: Kết quả phân tích phương án 2………...70

Hình 4.26: Vị trí của Topology Optimization………...71

Hình 4.27: Liên kết giữa Static Structural và Topology Optimization……….71

Hình 4.28: Các lựa chọn của Topology……….72

Hình 4.29: Đối tượng hiệu chỉnh của Topology………72

Hình 4.30: Kết quả của phương pháp Topology………...73

Hình 4.31: Các bước để tái thiết kế dựa trên kết quả của Topology……….74

Hình 4.32: Dựng lại nửa bên bản thiết kế ban đầu………74

Hình 4.33: Thiết kế lại một số vị trí phù hợp hơn……….75

Hình 4.34: Dựng khối và mirror qua mặt YOZ để hoàn chỉnh bản thiết kế………..75

Hình 4.35; 4.36: Mơ phỏng chuyển vị trong mơi trường Model-Static Structural – Mechanical [Ansys Mechanical Enterprise]………..76

Hình 4.37: Giao diện Geometry trong Ansys………78

Hình 4.38: Xây dựng thiết kế trên 2D Sketch với các kích thước đã được ẩn…………..78

Hình 4.39: Hồn tất q trình xây dựng mơ hình 3D………79

Hình 4.40: Giá trị trung bình của Skewness và Orthogonal Quality……….79

Hình 4.41: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Skewness………...80

Hình 4.42: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Orthogonal……….80

Hình 4.43: Tiêu chuẩn quang phổ mắt lưới hệ thống Skewness và Orthogonal [13]……80

Hình 4.44: Thêm phương pháp tối ưu hóa bề mặt RSM vào giao diện Ansys…………..81

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

Hình 4.45: Bảng Parameter Set chứa các biến đầu với ký hiệu và giá trị tương ứng……81

Hình 4.46: Nhập khoảng giá trị các biến………...82

Hình 4.47: Các giá trị Design Point do phần mềm tự động cập nhật………....83

Hình 4.48: Thiết lập biến đầu ra………83

Hình 4.49: Kiểu đáp ứng bề mặt-Kriging………..84

Hình 4.50: Điều kiện ràng buộc..………...85

Hình 4.51: Kết quả tối ưu…..………85

Hình 4.52: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến giá trị chuyển vị………..87

Hình 4.55: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến hệ số an tồn………...87

Hình 4.56; 4.57: Chạy lại biến đưa ra kết quả tối ưu nhất……….89

Hình 4.58; 4.59: Kết quả mơ phỏng lại FEA……….90

Hình 4.60: Design of Experiment………..91

Hình 5.1: Thiết kế cơ cấu ăn dao………...95

Hình 5.2: Dựng bản thiết kế trên phần mềm Inventor 2023………..95

Hình 5.3: Sơ đồ phân tích chuyển động……….96

Hình 5.4: Chuyển vị vào và ra của cơ cấu……….96

Hình 5.5: Sơ đồ động học………..97

Hình 5.6: Sơ đồ giả cứng………...97

Hình 5.7: Vị trí của tab “Browse” để thêm file từ phần mềm khác……….103

Hình 5.8: Giao diện mơi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise]…..103

Hình 5.9: Gán vật liệu cho cơ cấu………104

Hình 5.10: Giá trị Element Size………...104

Hình 5.11: Lựa chọn body để Automatic Method………...105

Hình 5.12: Lựa chọn các mặt để Refinement………..105

Hình 5.13: Cố định vị trí cơ cấu trong khơng gian bởi các lỗ bậc………...106

Hình 5.14: Lựa chọn mặt phẳng và nhập giá trị chuyển vị đầu vào………106

Hình 5.15: Lựa chọn mặt phẳng để đo chuyển vị đầu ra……….107

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

Hình 5.16: Kết quả giá trị hệ số an tồn………..107

Hình 5.17: Các kết quả sẽ được thể hiện ở tab Solution (A6)………...108

Hình 5.18: Cách thêm hệ thống Modal vào mơi trường Ansys Workbench…………...109

Hình 5.19: Giao diện mơi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise]…109 Hình 5.20: Kết quả tần số tự nhiên………..110

Hình 5.21: Xây dựng thiết kế trên 2D Sketch……….111

Hình 5.22: Đặt tên các biến khe hở khớp………....111

Hình 5.23: Hồn tất q trình xây dựng mơ hình 3D………..112

Hình 5.24: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Skewness……….112

Hình 5.25: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Orthogonal………...112

Hình 5.26: Tiêu chuẩn quang phổ mắt lưới hệ thống Skewness và Orthogonal……….113

Hình 5.27: Thêm phương pháp tối ưu hóa bề mặt RSM vào giao diện Ansys…………113

Hình 5.28: Thiết lập biến đầu ra………..114

Hình 5.29: Bảng Parameter Set chứa các biến đầu vào với ký hiệu và giá trị tương ứng………...115

Hình 5.30: Nhập khoảng giá trị các biến……….115

Hình 5.31: Các giá trị Design Point do phần mềm tự động cập nhật………..116

Hình 5.32: Kiểu đáp ứng bề mặt-Kriging………....117

Hình 5.33: Điều kiện Tối ưu hóa……….118

Hình 5.34: Kết quả tối ưu hóa………..118

Hình 5.35: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến giá trị chuyển vị………....119

Hình 5.36: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến tần số tự nhiên………..119

Hình 5.37: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến hệ số an tồn……….119

Hình 5.38: Chạy lại biến đã tối ưu………...120

Hình 5.39: Kết quả sau khi thử nghiệm lại………..120

Hình 5.40; 5.41: Kết quả mơ phỏng lại FEA………...121

Hình 5.42: Lưu đồ tối q trình tối ưu bằng thuật tốn tối ưu hóa đơn mục tiêu………122

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Hình 5.43: Chạy lại các biến đã tối ưu bằng FEA………..123 Hình 6.1: Phương án kẹp chặt được chia sẻ từ đơn vị gia cơng khi phay cơ cấu mềm..124 Hình 6.2: Cơ cấu mềm sau khi được gia cơng………125 Hình 6.3: Đồng hồ so điện tử Mitutoyo………..126 Hình 6.4: Bộ cơ cấu mềm sau khi được lắp ráp đo……….126 Hình 6.5; 6.6; 6.7; 6.8: Một số hình ảnh về giá trị kết quả đo thực nghiệm………129,130 Hình 6.9: Vẽ lại đồ thị các điểm nhận xét về độ ổn định của cơ cấu……….131 Hình 6.10: Chuẩn bị các dụng cụ, thiết bị để tiến hành đo đạc………..132 Hình 6.11: Kết quả thực nghiệm tần số tự nhiên………132 Hình 6.12: Thiết kế cải tiến bộ định vị một bậc tự do………134 Hình 6.13: Hệ số an tồn của phương án cải tiến………...134 Hình 6.14: Giá trị chuyển vị đầu ra của phương án cải tiến………...135

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

PRBM: Pseudo-Rigid-Body Method RSM: Response Surface Methodology DOE: Design of Experiment

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

<b>CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU </b>

Trong cơng cuộc Cơng nghiệp hóa – Hiện đại hóa đất nước, lĩnh vực cơ khí nói riêng là một yếu tố quan trọng khơng thể thiếu. Đóng góp những nhu cầu to lớn cho khoa học kỹ thuật, làm nền tảng cho sự phát triển đất nước, mang đến nhiều giá trị về máy móc và cơng nghệ. Bên cạnh những lợi ích to lớn, nó cịn thách thức con người trong sự tìm kiếm những điều mới mẻ vì sự đa dạng và ngày càng phức tạp của các chi tiết máy móc.

Lời nói đầu này nhằm mục đích giới thiệu một cách tổng quan về cơ cấu mềm – một trong những xu hướng nghiên cứu trong những năm gần đây và cũng là một thách thức mới cho lĩnh vực cơ khí nói riêng hay khoa học cơng nghệ nói chung. Trong q trình nghiên cứu, những kiến thức đã được lưu trữ và sử dụng cơng nghệ phần mềm để phân tích kỹ lưỡng về cơ cấu mềm được đặc biệt sử dụng để mang lại những ứng dụng hiệu quả và sự tin cậy. Trong vấn đề gia công, sự phát triển của máy công cụ đã đạt đến kích thước micromet, bên cạnh đó chất lượng bề mặt sản phẩm cũng được đặc biệt quan tâm, điều này địi hỏi các cơng cụ hỗ trợ liên quan cũng phải đáp ứng được điều kiện như vậy. Vì vậy nhóm chúng em quyết định chọn đề tài này nhằm tạo ra những nghiên cứu về bộ định vị một bậc tự do mang tính mới mẻ, kèm theo sự hiệu quả và có những đóng góp cho xu hướng nghiên cứu mới này.

"Cơ cấu mềm" là một thuật ngữ được sử dụng trong ngành cơ khí để mơ tả các thiết kế có khả năng linh hoạt hoặc co giãn để chịu lực, đặc biệt trong các ứng dụng mà yêu cầu tính linh hoạt hoặc độ chính xác cao. Đây là một hệ thống các kết cấu linh hoạt đạt truyền lực hoặc chuyển động bằng phương pháp biến dạng, thay vì các khớp hoặc cơ cấu cứng truyền thống. Các cơ chế này được thiết kế để thể hiện các kiểu biến dạng cụ thể dưới tác dụng của tải trọng, cho phép chúng thực hiện các chức năng mong muốn. Dưới đây là một cái nhìn tổng quan.

Nguyên lý hoạt động của cơ cấu mềm là tận dụng tính linh hoạt và độ co giãn của các vật liệu để chịu lực hoặc truyền lực theo hình thức chuyển động hoặc truyền động. Thay vì sử dụng các khớp nối, bản lề hoặc liên kết cứng truyền thống, cơ cấu mềm dựa vào sự biến dạng của các phần tử linh hoạt như dầm, màng hoặc các cấu trúc khớp mềm (elip, cầu,...). Chuyển động hoặc truyền lực mong muốn đạt được thông qua sự biến dạng có kiểm sốt của các phần tử linh hoạt này, thường theo cách có thể dự đốn và lặp lại.

Cơ cấu mềm cơ khí thường được ứng dụng cho các trường hợp yêu cầu độ chính xác cao như các hệ thống truyền động trong máy móc cơng nghiệp, robot, và thiết bị tự động hóa, thiết bị y sinh và sản phẩm tiêu dùng. Ngồi ra chúng cịn được sử dụng trong các tình huống mà các cơ chế cứng nhắc truyền thống có thể cồng kềnh, dễ bị mài mịn

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

hoặc khơng thể đạt được các chỉ số hiệu suất mong muốn. Một số ví dụ bao gồm các dụng cụ kẹp dùng cơ cấu mềm để thao tác với các vật thể mỏng manh, các khớp nối mềm trong cánh tay robot để tương tác giữa con người và robot an toàn hơn và các cơ cấu mềm trong dụng cụ phẫu thuật.

Các cơ cấu mềm có thể mang lại độ chính xác cao và khả năng lặp lại trong chuyển động hoặc truyền lực do các đặc tính biến dạng có thể dự đốn được của chúng. Với ít bộ phận chuyển động hơn nên thường ít hao mịn hơn, dẫn đến yêu cầu bảo trì thấp hơn. Tuy nhiên, việc thiết kế các cơ cấu mềm đòi hỏi sự hiểu biết thấu đáo về các đặc tính vật liệu, cơ học kết cấu và các thông số kỹ thuật hiệu suất mong muốn. Việc chế tạo các cơ cấu mềm với các đặc tính biến dạng chính xác có thể là thách thức, đặc biệt đối với các thiết kế phức tạp hoặc vật liệu có hành vi phi tuyến.

Nhìn chung, cơ cấu mềm đưa ra một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để đạt được chuyển động hoặc truyền lực nhẹ, chính xác và an tồn trong các ứng dụng kỹ thuật khác nhau, mặc dù việc thiết kế và chế tạo chúng đặt ra những thách thức đặc biệt địi hỏi kiến thức và trình độ chun mơn cao.

<b>1.3 Tính cấp thiết </b>

So với những cơ cấu cơ khí thơng thường, khơng thể phủ nhận những ưu điểm của cơ cấu mềm trong các lĩnh vực khoa học và đời sống. Với độ chính xác cao, hạn chế sự mài mòn giữa các chi tiết, tính linh động và có thể đáp ứng nhỏ gọn trong những ứng dụng có tính u cầu đặc biệt về kích thước. Đặt biệt lĩnh vực cơ cấu mềm cịn được ứng dụng trong hệ thống định vị chính xác, với yêu cầu mức độ đến hàng micromet. Lĩnh vực này đã và đang được nghiên cứu ngày càng rộng rãi, mang tính quan trọng đóng góp cho ngành cơ khí chế tạo nói riêng và sự phát triển của đất nước nói chung. Nhiều bộ định vị đã được nghiên cứu, chế tạo và thực nghiệm nhưng vẫn còn hạn chế về hệ số khuếch đại và còn ràng buộc bởi tần số dao động tự nhiên. Nghiên cứu về việc tối ưu hóa hệ số khuếch đại trong cơ cấu mềm không chỉ hướng đến sự hiệu quả trong ứng dụng mà còn là một thách thức lớn trong việc duy trì tần số dao động tự nhiên. Điều này đặt ra một yêu cầu cao về sự chính xác và độ tin cậy trong q trình thiết kế và chế tạo. Mục tiêu bài nghiên cứu này sẽ phân tách hệ số khuếch đại và tần số tự nhiên ra khỏi nhau, hướng đến hệ số của mỗi yếu tố đạt được cao nhất có thể.

Sự kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) là một bước tiến quan trọng, ứng dụng công nghệ trong nghiên cứu để đảm bảo tính bền và an toàn của cơ cấu mềm trong mọi điều kiện hoạt động. Nó khơng chỉ giúp dự đốn và mơ phỏng độ chịu tải của cơ cấu mềm mà còn là cơ sở để cải tiến và tối ưu hóa sau này. Ngoài ra, việc lưu trữ thiết kế là nền tảng cải tiến cho sau này nhằm khắc phục những hạn chế cịn thiếu sót. Cuối cùng, đề

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

tài này khơng chỉ mang lại đóng góp quan trọng cho sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo mà còn thúc đẩy sự nâng cao vị thế kỹ thuật của đất nước thông qua ứng dụng thực tế và tiến bộ khoa học.

<b>1.4 Đối tượng và phạm vi áp dụng của nghiên cứu </b>

Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu mềm ứng dụng trong định vị ở các phương pháp gia cơng có rung động mạnh như phay. Cơ cấu ăn dao dùng trong gia công có rung động được dùng để gia cơng trên máy tiện LEADWELL T-5.

<i>Hình 1.1: Máy tiện LEADWELL T5 </i>

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học khuếch đại chuyển vị của cơ cấu khâu cứng tương đương và cơ cấu đàn hồi. Xây dựng mô hình tốn học giả cứng để tìm tần số dao động riêng lớn nhất. Về mặt phương pháp tính tốn, thiết kế tối ưu: thuật toán Matlab và phương pháp đáp ứng bề mặt và tối ưu hóa đơn mục tiêu.

<b>1.5 Phương pháp nghiên cứu</b>

Thiết kế kết cấu cho cơ cấu mềm định hướng cho hệ thống định vị chính xác: Các tầng của cơ cấu mềm được thiết kế theo cơ chế đa đòn bẩy. Tiếp theo đó, một mơ hình phân tích được thực hiện thơng qua sự kết hợp giữa phương pháp phân tích phần tử hữu

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

hạn, phương pháp tối ưu hóa bề mặt và phương pháp Topology. Lưu đồ của phương án được đề xuất cho giai đoạn này được minh họa trong hình 1.2 Chúng được tổng hợp lại như sau:

- Xây dựng sơ đồ động học của cơ cấu mềm một bậc tự do- Xác định trước các thông số kỹ thuật cho cơ cấu.

- Kiểm nghiệm lại kết quả bằng phần mềm ANSYS

- Nếu mơ hình tốn được kiểm nghiệm như mong muốn, quy trình sẽ chuyển sang bước tiếp theo. Nếu khơng thì, quy trình sẽ về lại bước 1.

- Áp dụng phương pháp Topology để tối ưu kết cấu cơ cấu và so sánh với cơ cấu ban đầu- Lựa chọn bản thiết kế có mục tiêu đã đặt ra từ đầu hiệu quả hơn

- Dùng bản thiết kế đó để tối ưu hóa bằng RSM- Mơ phỏng lại giá trị từ kết quả RSM bằng FEA

- Gia công kiểm nghiệm thực tiễn và so sánh kết quả với ANSYS

<i>Hình 1.2: Lưu đồ thiết kế bộ định vị cơ cấu mềm </i>

Thiết kế cơ cấu mềm của cơ cấu ăn dao: Các tầng của cơ cấu mềm được thiết kế theo cơ chế đa địn bẩy và hình bình hành. Tiếp theo đó, một mơ hình phân tích được thực hiện thông qua sự kết hợp giữa phương pháp giả cứng và phương pháp nhân tử Lagrange

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

để thiết lập phương trình động lực của giai đoạn. Lưu đồ của phương án được đề xuất cho giai đoạn này được minh họa trong hình 1.3. Chúng được tổng hợp lại như sau:

- Xây dựng sơ đồ động học của cơ cấu mềm một bậc tự do- Xác định trước các thông số kỹ thuật cho cơ cấu.

- Thiết lập phương trình động học cho cơ cấu mềm bằng cách xây dựng sơ đồ giả cứng vàphương pháp nhân tử Lagrange.

- Kiểm chứng lại kết quả lý thuyết bởi phần mềm ANSYS và MATLAB.

- Nếu mơ hình tốn học được sửa đúng, quy trình sẽ chuyển sang bước kế tiếp. Nếu khơng, quy trình sẽ về lại bước 1.

- Xác định các biến thiết kế, hàm ràng buộc và hàm mục tiêu.

- Kết quả tối ưu được kiểm nghiệm qua mô phỏng trên phần mềm ANSYS và MATLAB.- Mơ phỏng lại giá trị từ kết quả bằng FEA

<i>Hình 1.3: Thiết kế cơ cấu mềm của cơ cấu ăn dao</i>

<b>1.6 Kết cấu đồ án tốt nghiệp </b>

Kết cấu của nghiên cứu này gồm 6 chương. Trong đó thì chương II sẽ giới thiệu một cách tổng quan về Cơ cấu mềm, những ưu - nhược điểm hay những thách thức cũng được

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

trình bày ở chương này. Cũng tại chương này phần mềm hỗ trợ Ansys Workbench cũng được giới thiệu. Một số phương pháp phân tích và tối ưu hóa sẽ được giới thiệu ở chương III, tập trung chủ yếu sử dụng các thuật tốn máy tính để nghiên cứu được nhiều mẫu trên lý thuyết, mang lại nhiều giá trị hữu ích cho người sử dụng. Chương IV và V sẽ đi sâu vào quá trình thiết kế Cơ cấu mềm ứng dụng trong định vị và gia cơng có rung động, trình bày cụ thể các thơng số thiết kế và áp dụng các phương pháp đã nêu ở chương III để tăng tính tin cậy. Chương VI sẽ tiến hành chế tạo và đo kiểm trong thực nghiệm bởi hệ thống điện sử dụng Piezo. Cuối cùng sẽ là phần Kết luận – Kiến nghị sẽ nêu lên những giá trị đạt được, bên cạnh đó xem xét những hạn chế cần khắc phục, đóng góp cho những nghiên cứu trong tương lai.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

<b>CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU MỀM </b>

Cơ cấu cơ khí truyền thống là những hệ thống cơ khí được thiết kế và sử dụng theo các nguyên tắc và cấu trúc cổ điển, đã được áp dụng và phát triển qua nhiều năm. Đó là một hệ thống của các thành phần cơ học được kết hợp hoạt động cùng nhau thực hiện một nhiệm vụ nào đó. Các cơ cấu này thường chủ yếu sử dụng cơ học cổ điển và đơn giản, được sáng tạo để thực hiện các nhiệm vụ cơ bản trong các máy móc và thiết bị. Các thành phần trong kết cấu cơ khí có thể gồm các bộ phận chuyển động như bánh răng, cần cẩu, trục, vòng bi, và các bộ phận cố định như khung, ốc vít, và các bộ phận khác. Cơ cấu cơ khí đề cập đến hệ thống các thành phần tương tác được thiết kế để truyền tải, sửa đổi và kiểm soát lực để đạt được các chức năng cụ thể, thiết kế để chuyển động, truyền động, hoặc chuyển đổi năng lượng từ một hình thức sang hình thức khác. Q trình hình thành cơ cấu cơ khí là một sự tiến triển phức tạp và liên tục, kéo dài qua nhiều thập kỷ được điều chỉnh bởi nhu cầu ngày càng tăng về sự hiệu quả và chức năng trong các ứng dụng công nghiệp và cuộc sống hàng ngày. Sự phát triển của cơ cấu cơ khí có thể được theo dõi qua các giai đoạn lịch sử khác nhau, mỗi giai đoạn đều được đặc trưng bởi những tiến triển đáng kể trong công nghệ và kỹ thuật. Dưới đây là một cái nhìn tổng quan về quá trình này.

<b>2.1.1. Lịch sử hình thành cơ cấu cơ khí [1]</b>

Những hình thức sơ bộ của cơ cấu cơ khí có thể được truy vết về các nền văn minh cổ đại, nơi các máy đơn giản như cần cẩu, máng nghiêng và các máy đơn giản khác được sử dụng cho các công việc như tưới tiêu, xây dựng và vận chuyển. Các kỹ sư Hy Lạp cổ đại, bao gồm cả Archimedes, đã đóng góp quan trọng vào việc hiểu về cơ học và thiết kế các thiết bị như máy bơm vít. Q trình bắt đầu với sự phát triển của những động cơ cơ bản như còi, máy bơm nước, và các công cụ đơn giản như cần cẩu, lò xo. Những phát hiện đầu tiên về các nguyên lý cơ học được thực hiện trong giai đoạn này, giúp nâng cao hiểu biết về sự tương tác giữa các thành phần cơ cấu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

<i>Hình 2.1: Một máy bơm vít ở Ai Cập dùng cơ chế vít Archimedes </i>

<i>b. Thời kỳ Trung Cổ và Phục Hưng:</i>

Trong thời Trung Cổ, có sự giảm sút trong tiến triển kỹ thuật và khoa học. Tuy nhiên, thời kỳ Phục Hưng chứng kiến sự hồi sinh của sự quan tâm đối với khoa học và kỹ thuật. Trong giai đoạn này, máy móc đã trở nên đa dạng hóa hơn và phức tạp hơn. Leonardo da Vinci là một trong những người nổi tiếng đầu tiên nắm vững nghệ thuật kỹ thuật và cơ học. Leonardo da Vinci, vào thế kỷ 15, đã vẽ các thiết kế cho nhiều máy móc, chứng tỏ sự hiểu biết của mình về các nguyên lý cơ học. Sự xuất hiện của bản vẽ kỹ thuật đã trở thành một phương tiện quan trọng để truyền đạt và lưu giữ kiến thức về cơ học và cơ cấu. Những phát minh của thời kỳ Phục hưng thường không được chú ý nhiều vì đa số chúng chỉ dừng lại ở mức độ thiết kế. Tuy nhiên, một số sản phẩm hàng ngày của chúng ta có nguồn gốc trực tiếp từ thời đại thay đổi liên tục đáng chú ý này.

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

<i>Hình 2.2: Một trang phác thảo máy bay của Leonardo da Vinci (1452-1519) [2] </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

<i>Hình 2.3; 2.4: Một số hình ảnh về bản vẽ kỹ thuật thời kỳ Phục Hưng [2] </i>

<i>c. Cách Mạng Công Nghiệp (Thế Kỷ XVIII - XIX):</i>

Sự đổi mới cơng nghệ có chuyển biến mạnh mẽ nhờ vào cách mạng công nghiệp đánh dấu sự chuyển đổi lớn từ sản xuất thủ công sang sản xuất công nghiệp, với sự xuất hiện của máy hơi và máy công cụ. Cách mạng công nghiệp đánh dấu một giai đoạn chuyển đổi với sự sử dụng rộng rãi của máy hơi, nhà máy dệt và các hệ thống cơ khí khác. Máy hơi là cột mốc cho sự xuất hiện của nguồn năng lượng mới, mở ra khả năng sử dụng máy móc mạnh mẽ và hiệu quả hơn. Người phát minh như James Watt đã cải thiện hiệu suất của động cơ hơi, dẫn đến những tiến bộ đáng kể trong việc phát điện và giao thơng.

<i>Hình 2.5: Máy hơi nước đầu tiên do James Watt phát minh năm 1765 tại Anh </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

Thế kỷ 19 chứng kiến sự phát triển của kỹ thuật chính xác và sự tăng trưởng của ngành công nghiệp máy công cụ. Các bộ phận có thể thay thế trở nên phổ biến. Ngành cơ khí trở nên ngày càng chuyên sâu và phát triển, với sự xuất hiện của những nguyên tắc cơ học và vật liệu mới. Sự tiến bộ trong cơ học điều khiển và tự động hóa mở ra những khả năng mới cho cơ cấu cơ khí, với sự xuất hiện của robot và hệ thống tự động hóa cơng nghiệp. Kỹ sư cơ khí xuất hiện như một ngành riêng biệt, và các trường đại học như MIT và École Centrale ở Pháp được thành lập để đào tạo kỹ sư.

Đầu thế kỷ 20 đã mang lại những tiến triển cơng nghệ nhanh chóng. Sự phát triển của ô tô, máy bay và việc sử dụng rộng rãi của điện đã biến đổi xã hội. Lĩnh vực robot học bắt đầu xuất hiện, với sự phát triển đầu tiên trong tự động hóa và hệ thống kiểm sốt.

<i>e. Sau chiến tranh thế giới II: </i>

Thời kỳ sau Chiến tranh thế giới II chứng kiến sự tiến triển đáng kể trong khoa học vật liệu, dẫn đến sự phát triển của vật liệu mạnh mẽ và nhẹ hơn. Tiến triển trong máy tính và hệ thống kiểm sốt đã đóng góp vào sự phát triển của cơ học điều khiển, tích hợp cơ và điện tử.

<i>f. Thời đại đương đại (Thế Kỷ XXI):</i>

Công nghệ ngày càng hội nhập vào lĩnh vực cơ khí, với sự kết hợp của cơ học, điện tử, và thông tin. In 3D đã mở ra khả năng sản xuất cơ cấu cơ khí phức tạp và tùy chỉnh. Vật liệu mới, như các loại composite, giúp tạo ra các cơ cấu nhẹ và bền. Cơ cấu cơ khí được tích hợp vào ngành y tế với sự phát triển của thiết bị y tế và máy móc y tế thơng minh. Bên cạnh đó cơ cấu cơ khí đóng vai trị quan trọng trong phát triển các công nghệ năng lượng mới và thiết bị giảm thiểu tác động mơi trường.

Q trình hình thành của cơ cấu cơ khí khơng ngừng và được thúc đẩy bởi sự sáng tạo, nghiên cứu và tiến triển công nghệ. Cơ cấu ngày càng trở nên phức tạp và hiệu quả hơn, phản ánh sự phát triển liên tục của ngành cơ khí và vai trị quan trọng của nó trong cuộc sống hàng ngày và trong các lĩnh vực công nghiệp đa dạng. Suốt lịch sử, sự hình thành của cơ cấu cơ khí liên quan chặt chẽ với các khám phá khoa học, sự đổi mới công nghệ và sự tiến triển của kỹ thuật là một ngành riêng biệt. Sự theo đuổi liên tục về hiệu suất, độ chính xác và chức năng tiếp tục thúc đẩy sự tiến triển trong ngành cơ khí và phát triển các cơ cấu cơ khí mới và phức tạp, trong đó đặc biệt là cơ cấu mềm, được đặc biệt nhắc đến trong bài nghiên cứu này.

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

<b>2.1.2 Một số cơ cấu cơ khí phổ biến và ưu nhược điểm của chúng</b>

<i>a. Đòn bẩy (Lever): Gồm một điểm xoay (điểm fulcrum) và hai lực được áp dụng ở hai </i>

đầu của địn bẩy. Ví dụ: cần cẩu, đòn bẩy trong cửa sổ.

- Ưu điểm: Tăng cường lực địn, chuyển động dễ dàng, tính ổn định, độ tin cậy cao, dễ bảo trì, khả năng điều chỉnh, ứng dụng rộng rãi, tiết kiệm năng lượng.

- Nhược điểm: Giới hạn tầm hoạt động, mất mát năng lượng, hỏng hóc khi q tải, kích thước và trọng lượng, khó trong việc điều chỉnh và điều khiển,..

<i>b. Cam: có hình dạng khơng đều được sử dụng để chuyển động và lực theo một biểu đồ </i>

quy định. Cam thường được sử dụng trong các ứng dụng như van, máy in, và các máy móc tự động.

- Ưu điểm: Chuyển động cơ cấu CAM rất trơn tru, nhẹ nhàng.

- Nhược điểm: Cơ cấu cam có biên dạng phức tạp vì vậy mà giá thành gia cơng cao

<i>c. Bánh răng (Gear): Sử dụng để truyền động năng giữa các trục xoay. Các bánh răng có </i>

thể có số răng khác nhau để tăng hoặc giảm tốc độ.

- Ưu điểm: truyền động hiệu quả, tính đồng bộ và chính xác cao, tính ổn định cao, dễ thay đổi tỉ số truyền, ứng dụng rộng rãi, chịu lực tốt,..

- Nhược điểm: yêu cầu chính xác cao, mất mát năng lượng, hạn chế truyền động đối với trục góc,..

<i>e. Thanh răng: Cơ cấu này thường được sử dụng để chuyển động tuyến tính (di chuyển </i>

theo đường thẳng) thành chuyển động quay và ngược lại.

- Ưu điểm: Tốc độ chuyển động cao ,quãng di chuyển dài ,có khả năng tăng tốc và làm việc ở tốc độ cao

- Nhược điểm: Chi phí bơi trơn, bảo dưỡng cao, tiếng ồn phát ra khi làm việc khá lớn<small>, </small>

phát sinh mài mòn khi hoạt động

<i>d/ Trục vít (Screw): Là một cơ cấu xoay có rãnh xoắn, thường được sử dụng để chuyển </i>

động xoay thành chuyển động dọc.

- Ưu điểm: Định vị vị trí chính xác, có khả năng tăng tốc và làm việc ở tốc độ cao

- Nhược điểm: Quãng di chuyển ngắn và bị giới hạn<small>, </small>tiếng ồn phát ra khi làm việc khá lớn<small>, </small>chi phí cao,...

<i>e. Vịng bi (Bearing): Dùng để giảm ma sát giữa các bộ phận chuyển động, thường được </i>

sử dụng trong trục quay.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

- Ưu điểm: giảm ma sát, chịu tải cao, chuyển động chính xác, giảm độ lệch trục, ứng dụng đa dạng,…

- Nhược điểm: hạn chế trong môi trường bẩn, cần bảo trì, bơi trơn, khả năng chịu lực trục đôi, nguy cơ mất bôi trơn,…

<i>f/ Điều chỉnh cơ cấu (Linkage): Sử dụng các khớp nối để tạo ra chuyển động phức tạp từ </i>

các chuyển động đơn giản.

Từ những ưu và nhược điểm của các cơ cấu cơ khí trên, sự ra đời của cơ cấu mềm đã mang lại một bước tiến đầy mới mẻ cho các loại cơ cấu cơ khí, có khả năng thích ứng linh hoạt với các tác động, tải trọng, hoặc điều kiện làm việc thay đổi mà không gây ra sự hỏng hóc hoặc giảm hiệu suất hoạt động.

Ý tưởng sử dụng các kết cấu linh động nhằm tích trữ năng lượng để tạo ra chuyển động đã được hình thành từ hàng nghìn năm trước. Bằng chứng khảo cổ cho thấy cung tên đã được sử dụng từ hơn 8000 năm trước Công nguyên. Cung tên được làm từ vật liệu dẻo, có tính đàn hồi từ gỗ và gân động vật để chuyển hóa năng lượng từ cung thành động năng cho mũi tên.

Một ví dụ khác về cơ cấu mềm được ứng dụng rộng rãi là trong máy bắn đá được người Hy lạp sử dụng từ thế kỷ IV trước Công nguyên. Máy bắn đá sơ khai được làm từ gỗ và thực hiện tác động làm biến dạng để tích trữ năng lượng, sau đó giải phóng để tạo chuyển động cho viên đạn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

Cơ cấu mềm cũng được ứng dụng để mô phỏng tạo các chuyển động xoay. Ví dụ như bản lề sách được thay đổi thành phần cấu tạo hay độ dày tại các điểm tương thích để tạo ra chuyển động mong muốn. Các phương pháp khác đã được nghiên cứu vào đầu những năm thế kỷ XX để tạo các chuyển động ứng dụng cho đa dạng lĩnh vực hơn.

Cơ cấu mềm cũng có thể truyền hay biến đổi chuyển động, lực hoặc năng lượng như cơ cấu cứng. Tuy nhiên không giống cơ cấu cơ khí thơng thường (hay cịn được gọi là cơ cấu cứng), cơ cấu mềm đạt được ít nhất một số tính linh động từ một số bộ phận có tính linh hoạt hơn là từ những khớp có khả năng di động.

Cơ cấu mềm ra đời để khắc phục những nhược điểm của cơ cấu cơ khí truyền thống. Một ví dụ điển hình về kết cấu của kìm kẹp trong 2 lĩnh vực được thể hiện như hình nên. Lực sẽ chuyển đổi từ tay cầm đến ngàm kẹp, tuy nhiên năng lượng trong cơ cấu mềm sẽ được tích trữ vào những khớp mềm để tạo ra chuyển động. Còn khi là một cơ cấu cơ khí thơng thường, tồn bộ khớp sẽ là khớp cứng, được tạo thành từ những chi tiết riêng lẻ khơng có khả năng linh động độc lập.

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

Cơ cấu mềm ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn vì nhiều lợi ích của nó, được xem xét phân loại nhờ vào 2 yếu tố chính đó là giảm giá thành (giảm số lượng chi tiết trong một sản phẩm, giảm thời gian lắp ráp và quy trình sản xuất trở nên đơn giản hơn) và tăng hiệu suất (tăng mức độ chính xác, tăng khả năng linh động, giảm mức độ kém bền và giảm việc phải bảo trì thường xun.)

Lợi ích của việc giảm số lượng chi tiết được ứng dụng để hoàn thành những nhiệm vụ đặc biệt. Một số cơ cấu được sản xuất bằng phương pháp phun ép khuôn và được chế tạo như một khối thống nhất. Một ví dụ thể hiện cho điều này với bộ ly hợp là cơ cấu mềm ở hình 2.9 và ở dạng cơ cấu cứng hình 2.10 [4]. Ví dụ này đã chỉ ra rằng với cơ cấu mềm, số lượng chi tiết lắp ráp đã giảm, đồng nghĩa với việc thời gian để sản xuất, lắp ráp của mỗi cơ cấu cũng được giảm theo đáng kể so với một cơ cấu cơ khí thơng thường.

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

Một ví dụ khác thể hiện cho điều này [5]

Cơ cấu mềm có ít chi tiết có khả năng linh động như chốt hay con trượt. Điều này sẽ dẫn đến việc tránh bị mài mịn và u cầu bơi trơn thường xun. Đây là những đặc tính cần thiết cho những cơ câú cơ khí thơng thường trong điều kiện làm việc khắc nghiệt có thể ảnh hưởng đến các khớp.

Một ví dụ về cơ cấu mềm được thiết kế cho yêu cầu làm việc trong mơi trường khắc nghiệt như hình 2.13 Đây là một thiết bị kẹp đơn giản cho chi tiết của khn. Chi tiết này được ngâm trong hóa chất để tránh hư hỏng. Cơ cấu này được làm bởi Teflon kết hợp với một số chất khác, đặt vào dung dịch và hoạt động như một chiếc kẹp khơng cần ngoại lực.

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

<i>Hình 2.13: Kẹp dùng trong ngành hóa chất </i>

Cơ cấu mềm hoạt động nhờ sự biến dạng của các khớp mềm, nên năng lượng sẽ tích trữ vào các khớp này. Năng lượng này giống với năng lượng được tích trữ trong một lò xo biến dạng. Tương tự với cung tên, năng lượng được tích trữ vào cung khi xạ thủ kéo cung và chuyển hóa thành động năng để mũi tên có thể bay xa.

Một lưu ý rằng có thể giảm đáng kể khối lượng của một sản phẩm khi sử dụng cơ cấu mềm so với một cơ cấu cứng. Điều này cực kỳ hữu ích và quan trọng khi được ứng dụng trong hàng không vũ trụ và các lĩnh vực đặc biệt khác. Bên cạnh đó việc này sẽ mang lại lợi ích cho đơn vị sản xuất trong việc hỗ trợ giảm khối lượng, giá thành vận chuyển các sản phẩm.

Một ưu điểm đặc biệt khác của cơ cấu mềm là có thể tối thiểu kích thước một cách đáng kể. Các cấu trúc vi mô, cảm biến đơn giản hay bộ truyền động đang được sử dụng rộng rãi cùng nhiều hệ thống vi cơ điện tử. Việc giảm số lượng các chi tiết trong một cụm lắp ghép là một lợi thế. Các cơ cấu mềm vi mô này được chế tạo và sử dụng vật liệu tương tự như chiếc kẹp gắp đã được nhắc đến phía trên.

Chiếc kẹp tháo lưỡi câu ở dạng cơ cấu mềm như hình 2.14 đã thể hiện một số ưu điểm thể hiện ở trên. Giảm số lượng chi tiết trong một cụm lắp được biểu hiện bằng việc chế tạo chúng trong việc ép phun thành một mảnh duy nhất. Nó cũng làm việc ngay trong môi trường khắc nghiệt, nếu là một cơ cấu cơ khí thơng thường, các chốt của nó sẽ dễ bị gỉ sét và yêu cầu bảo dưỡng thường xun. Ngồi ra nó được chế tạo bằng vật liệu nhẹ, không chỉ dễ dàng mang theo mà nó sẽ nổi lên khi người câu cá lỡ đánh rơi nó xuống nước.

</div>