Luận văn: Mô hình hóa ảnh hưởng sai số chế tạo đến thiết bị dính trượt

Tài liệu nghiên cứu Ảnh hưởng sai số chế tạo đến thiết bị dính trượt mang tính hệ thống, nâng cao năng lực chuyên môn ứng dụng trong giảng dạy

• Tác giả: Nguyễn Hùng Anh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Hạ
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Mô hình hoá ảnh hưởng của sai số chế tạo đến đặc tính làm việc của thiết bị dính-trượt
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm về sai số chế tạo trong thiết bị dính trượt

Sai số chế tạo là những độ lệch không thể tránh khỏi xảy ra trong quá trình sản xuất và lắp ráp các thiết bị dính trượt (P/ASSMDs). Những sai số này có nguồn gốc từ các công nghệ gia công hiện đại, độ chính xác của các máy móc và kỹ năng của công nhân. Thiết bị dính trượt hoạt động dựa trên nguyên lý ma sát, nơi sai số chế tạo có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất làm việc. Các thông số vật lý quan trọng như góc tiếp xúc, góc liên kết giữa các phần tử kích hoạt, và độ cứng của phần tử chấp hành đều dễ bị tác động bởi những sai số này. Việc hiểu rõ ảnh hưởng của sai số chế tạo lên đặc tính làm việc là cần thiết để cải thiện chất lượng sản phẩm và độ tin cậy của thiết bị.

1.1. Định nghĩa thiết bị dính trượt

Thiết bị dính trượt (P/ASSMDs) là thiết bị đế dẫn động vi mô sử dụng hiệu ứng áp điện và nguyên lý ma sát để tạo chuyển động. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống microrobotics nhờ thiết kế đơn giản và hiệu suất cao. Các thiết bị này gồm phần tử kích hoạt và phần tử chấp hành, hoạt động dựa trên sự tương tác ma sát khô giữa các bề mặt tiếp xúc.

1.2. Nguồn gốc sai số chế tạo

Sai số chế tạo xuất phát từ nhiều nguyên nhân như độ chính xác máy móc, biến động điều kiện môi trường, và quy trình lắp ráp. Các sai số này tích lũy qua từng bước sản xuất, gây ra độ lệch từ thiết kế ban đầu, ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính làm việc của thiết bị dính trượt và độ chính xác của các chuyển động vi mô.

II. Các thông số vật lý bị ảnh hưởng bởi sai số chế tạo

Trong quá trình nghiên cứu mô hình hoá ảnh hưởng sai số chế tạo, các nhà khoa học đã xác định được ba thông số vật lý quan trọng chịu ảnh hưởng trực tiếp từ sai số chế tạo và lắp ráp. Những thông số này quyết định hiệu suất hoạt động của thiết bị. Góc tiếp xúc giữa bề mặt phần tử chấp hành và phần tử kích hoạt ảnh hưởng đến độ chính xác của lực ma sát. Góc liên kết giữa hai phần tử kích hoạt quyết định tính đồng bộ của chuyển động. Độ cứng của phần tử chấp hành ảnh hưởng đến khả năng chịu tải và ổn định của thiết bị. Những sai số nhỏ trong các thông số này có thể dẫn đến sai lệch đáng kể trong đặc tính làm việc, làm giảm độ chính xác định vị và vận tốc hoạt động.

2.1. Góc tiếp xúc và sai lệch góc

Góc tiếp xúc giữa các bề mặt là yếu tố quan trọng quyết định độ lớn lực ma sát. Sai số chế tạo gây ra độ lệch góc tiếp xúc, dẫn đến sự không đồng đều của lực tác động. Những sai lệch nhỏ cũng có thể làm thay đổi chiều hướng lực ma sát, gây ảnh hưởng đến tính chính xác của bước dịch chuyển và độ ổn định chuyển động.

2.2. Độ cứng phần tử chấp hành

Độ cứng của phần tử chấp hành là thông số vật lý ảnh hưởng đến khả năng biến dạng dưới tác động của hiệu ứng áp điện. Sai số trong quá trình chế tạo làm thay đổi độ cứng thực tế, dẫn đến sai lệch trong lực kích hoạt và hiệu ứng biên độ. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến vận tốc và độ chính xác của thiết bị.

III. Mô hình hoá và phương pháp nghiên cứu

Để hiểu rõ ảnh hưởng sai số chế tạo lên đặc tính làm việc, các nhà nghiên cứu sử dụng mô hình động lực học kiểu lai kết hợp giữa mô phỏng vĩ mô và vi mô. Mô hình này cho phép phân tích chuyển động vĩ mô của phần tử chấp hành và phần tử kích hoạt, đồng thời mô tả ứng xử vi mô của tiếp xúc ma sát thông qua phương pháp giảm chiều. Phần mềm Matlab R2016a được sử dụng để thực hiện mô phỏng số. Phương pháp này cung cấp cái nhìn toàn diện về cách sai số chế tạo tác động đến hiệu suất thiết bị, từ đó đưa ra các khuyến nghị cải thiện thiết kế trong tương lai.

3.1. Mô hình động lực học kết hợp

Mô hình động lực học kiểu lai là sự kết hợp giữa phân tích cấp độ vĩ mô (chuyển động chung) và cấp độ vi mô (tiếp xúc ma sát). Mô hình này cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi tác động của sai số chế tạo đến từng khía cạnh hoạt động của thiết bị dính trượt, từ đó xác định các thông số tối ưu cho quá trình lắp ráp.

3.2. Kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tiễn

Kết quả mô phỏng cho thấy ảnh hưởng lớn của sai số chế tạo đến độ chính xác lập lại bước dịch chuyển, hiệu ứng biên độ và vận tốc tối ưu. Những phát hiện này có giá trị thực tiễn cao, giúp các nhà thiết kế tối ưu hoá quy trình chế tạo và lắp ráp để cải thiện hiệu suất thiết bị.

IV. Các đặc tính làm việc bị ảnh hưởng và giải pháp cải thiện

Ảnh hưởng sai số chế tạo rõ rệt nhất thể hiện ở ba đặc tính làm việc chính của thiết bị dính trượt. Thứ nhất là độ chính xác lập lại bước dịch chuyển, sai số chế tạo làm giảm khả năng lặp lại chính xác các bước chuyển động. Thứ hai là hiệu ứng biên độ, sai số gây ra sự dao động không mong muốn trong quá trình hoạt động. Thứ ba là vận tốc tối ưu, sai số làm thay đổi tần số điều khiển tối ưu của thiết bị. Để khắc phục những vấn đề này, cần kiểm soát chặt chẽ sai số chế tạo thông qua nâng cao độ chính xác máy móc, tối ưu hoá quy trình lắp ráp, và sử dụng các vật liệu chất lượng cao. Những biện pháp này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị dính trượt trong các ứng dụng microrobotics.

4.1. Đặc tính độ chính xác và độ tin cậy

Độ chính xác lập lại là tiêu chí quan trọng đánh giá chất lượng thiết bị dính trượt. Sai số chế tạo làm giảm khả năng lặp lại các chuyển động chính xác. Để cải thiện, cần kiểm soát sai số công nghệ trong từng bước sản xuất, áp dụng tiêu chuẩn chất lượng quốc tế và thực hiện kiểm tra tại từng giai đoạn lắp ráp.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Nghiên cứu về ảnh hưởng sai số chế tạo mở ra hướng phát triển mới cho các thiết bị P/ASSMDs tiếp theo. Các nhà thiết kế có thể áp dụng kết quả mô phỏng để tối ưu hoá thiết kế, giảm thiểu sai số và nâng cao hiệu suất hoạt động. Trong tương lai, việc kết hợp kỹ thuật chế tạo tiên tiến và phân tích mô hình hoá sẽ tạo ra các thiết bị có độ chính xác và độ tin cậy cao hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TONG QUAN THIET BI DINH TRUGT 1.1 Tổng quan về nguyên lý dính trượt 1.1 Nguyên lý chuyển dộng dinh trượt Ma sát là một hiện tượng vật lý cực kì phức tạp, xuất hiện tại phản tiếp xúc giữa hai bê mặt bi ở hệ cơ khí như ổ lăn, phanh, bộ truyền đai,. Trong các hệ ma sát khô, có rất nhiều các yếu tổ vật lý tác động tới hiện tượng ma sát như biên dạng dẻo và dàn hỏi của các lớp bề mặt phan tiếp xúc, các tương tác với những phần mòn, những vết mứt lế vị,. |1] Trong những hiệu ứng phí tuyến của các hệ động lực học, đao động đính- trượt có liên quan mal.

thiết Lới ma sát [2] Củng xét mô hình dưới đây Fe ‡ Pol Phần tử chấp hành. Fe m Fr » Hình 1 1 Giần đồ của một hệ wirgt dish-treot [3] Nếu không xét lới các mất ruất nói chúng, hình 1.1 có thể được mỗ tã như sau: phần tử chấp hành (PTCH) với khối lượng m trượt tương đổi với phần tủ kích loạt (PTEH) (giá sử là đải vô tận). Dịch chuyểnx cua phần tử m được xac định từ định luật 2 Newten, phụ thuộc vào sự thay đổi ngợi lực F, và Tue ma sab Tự: mã = E„—E,. Theo như định luật, phần tử m sẽ được giữ cổ định (đính) trên PTKH nêu ngoại lực nhỏ hơn lực ma sắt tĩnh.

Côn nếu không thì phần tửm sẽ trượt trên để Nếu xét hiện tượng nảy trong các hệ trượt maoro, đính-trượt bị coi là yêu tổ gây nhiễu. Do đỏ đã có rất nhiều mô hình, công cụ phân tích và cdc phương pháp én định được phát triển đi u khiển các hệ động lực học với ma sát. Những trong các hệ micro, hiện tượng nảy có thẻ được tận đụng đề thành một nguyên lý kích hoạt, gợi là chuyển động đỉnh-trượt. Nếu các lực tác động lên PTCTI cỏ thể được điều khiến cá về độ lớn lấn phương chiều thì hoàn toàn có thể thu được chuyển động dinh-truol lap di lp lại theo một hướng định sẵn.

Trong trường hợp đơn giần nhất, với lực ƒ„ là quán tinh của phân tử m trong quá trình gia tốc, lực nảy có thé được tạo ra luân phiên thông qua chuyên vị w của phần tử kích hoạt; ngoài ra lực zma sát cũng có thế thay đối được thông qua tải trọng đặt vào #, hoặc sử đựng bé mặt ma sát không đẳng hưởng, Các thiết bị sử dụng chuyển động dinh-tuot lam nguồn động, lực sẽ được coi là thiết bị đính-trượt. DANH MỤC KÍ HIỆU STM Kinh hiển vĩ quốt sử đụng liệu ứng đường hằm SEM Kinh hiển vi diện tử quét EPM M6 hinh dan hai - déo TC-MDR Phương pháp giảm chiều với tiêu chuẩn tiếp xúc tiếp tuyến. MDR Phuong pháp giăm chiều TASSMDs Thiết bị dẫn đông dựa vào hiệu ứng áp điện vả nguyên lý đính trượt vi Hinh 2.8 Độ chính xác lặp lại của vận tốc PTCH phụ thuộc vào lần số điển khiển với bán kính bản câu rưby R = 0.5mm vả lực giữ Fp = 0.1 Mô hinh vĩ mê của thiết bị khao sat.2 Mô hình hoá ảnh hưởng của đụng sai chế tạo vàvà lấp ráp lên biên độ kích hoạt và lực pháp tuyển 35 Hình 3.3 Mô hình hoá vi tiếp xúc sửở dụng MDR:ea) mô hình tiếp xúc ba chiêu; b) ing hinh tiếp xúc một chiều sử đựng MDR |S8| [40] - 36 Hình 3.4 Giải thuật mô phông động lực học kiểu lại [37] - -.5 Sai lệch bước địch chuyên phụ thuộc vào lực giữ khi so sánh kết quả mô pháng oỗa trường hợp tiên chuẩn với cáo trường hợp có sai số (hay đối ö và y} trên mặt kiểu l3: a) R = Inưn; B) R—Ô25mm.6 Sai lệch bước địch chuyên phụ thuộc vào lực giữ khi sơ sánh kết quá mô phỏng của trường hợp tiêu chuẩn với các trường hợp có sai số (thay đổi Š và y) trén mat kiéu A: a) R = Imm; b) R= 0.7 Sai lệch của bước địch chuyển phụ thuộc vào lực giữ khi so sánh kết quả mô phỏng của tường hợp tiêu chuẩn với các trường hợp có hệ số độ cứng và độ cân giảm: a) R — Imm, b) R ~ 0.8 So sảnh giá trị sai lệch cũa bước địch chuyển thú dược từ thí nghiệm với mnô phông trong các trường hợp lực giữ khác nhau.9 Quan hệ giữa biên độ tới hạn và lực giữ: Sai lệch giữa kết quả mỗ phỏng trường hợp tiêu chuẩn và trường hợp sai số trên mặt kiểu T3: a) 6 = 70° hoặc 110°, 6)y = B5°, c) kp,cp giảm 2096 ; b), d). g) so sánh giữa kết quả mô phông với công thức giải tích được xác định từ các công thức (3.10 Quan hệ giữa biên đệ tới hạn và lực giữ: Sai lệch giữa két quả mô phỏng trường hợp tiêu chuẩn và trường hợp sai sở trên mặt kiểu A: a) 8 = 70° hoặc 1109, 6)y = B5°, c) kp,cp giảm 2096 ; b), d).

g) so sánh giữa kết quả mô phông với công thức giải tích được xác định từ các công thức (3.11 8e sảnh giá trị sai lệch của biên độ tới hạn thu được từ thi nghiệm với au6 phong trong các trường hợp lực giữ khác nhau.12 Sai lệch giữa kết quá mô phỏng trường hợp liêu chuẩn và trường hợp sai số trên mặt kiểu B: a) Š = 80° hoặc 100°, b) y = 95°, c) kp,cp giảm 1096 47 Tình 3.13 Sai lệch giữa kết quả mỗ phông trường hợp tiên chuan và trường hop sai số trén mat kiéu A: a) 8 = 80° hoặc 1009, b) y = 95°. c) kp, cp gidm 10% 47 Tinh 3.14 So sánh giá trị vận tốc tối đa giữa trườnghợp tiêu chuẩn và các trường hợp có sai số trong quam hệ với lực giữ (xét với sai số lại hai PTKH trên mặt kiểu By): a)R= 1mm, b)R = 0.15 So sánh giá trị vận tốc tối đa giữa trường hợp tiêu chuẩn và các trường hợp có sai số trong quan hệ với lục giữ @xét với sai số tại bền PTKH trên mặ kiểu, A): a)R= 1mm; b)R = 0.16 So sảnh giá Irị sai lệch của vận lốc PTCH thu được từ thí nghiệm với mô phống tại các tần sẽ điều khiến khác nhau khi lực giữF = 0. Sl wv DANH MỤC BẰNG BIẾU Bang 3.1 Dữ liệu đủng trong mô phỏng số [33] [38] - - 38 Bang 3.2 Các thông số tiêu chuẩn phụ thuộc vào bản kinh của từng nữa cầu ruby I3].3 Bang théng sé bién thién do đụng sai chẻ tạo và lắp rap - 39 y DANH MỤC KÍ HIỆU STM Kinh hiển vĩ quốt sử đụng liệu ứng đường hằm SEM Kinh hiển vi diện tử quét EPM M6 hinh dan hai - déo TC-MDR Phương pháp giảm chiều với tiêu chuẩn tiếp xúc tiếp tuyến. MDR Phuong pháp giăm chiều TASSMDs Thiết bị dẫn đông dựa vào hiệu ứng áp điện vả nguyên lý đính trượt vi Hinh 2.8 Độ chính xác lặp lại của vận tốc PTCH phụ thuộc vào lần số điển khiển với bán kính bản câu rưby R = 0.5mm vả lực giữ Fp = 0.1 Mô hinh vĩ mê của thiết bị khao sat.2 Mô hình hoá ảnh hưởng của đụng sai chế tạo vàvà lấp ráp lên biên độ kích hoạt và lực pháp tuyển 35 Hình 3.3 Mô hình hoá vi tiếp xúc sửở dụng MDR:ea) mô hình tiếp xúc ba chiêu; b) ing hinh tiếp xúc một chiều sử đựng MDR |S8| [40] - 36 Hình 3.4 Giải thuật mô phông động lực học kiểu lại [37] - -.5 Sai lệch bước địch chuyên phụ thuộc vào lực giữ khi so sánh kết quả mô pháng oỗa trường hợp tiên chuẩn với cáo trường hợp có sai số (hay đối ö và y} trên mặt kiểu l3: a) R = Inưn; B) R—Ô25mm.6 Sai lệch bước địch chuyên phụ thuộc vào lực giữ khi sơ sánh kết quá mô phỏng của trường hợp tiêu chuẩn với các trường hợp có sai số (thay đổi Š và y) trén mat kiéu A: a) R = Imm; b) R= 0.7 Sai lệch của bước địch chuyển phụ thuộc vào lực giữ khi so sánh kết quả mô phỏng của tường hợp tiêu chuẩn với các trường hợp có hệ số độ cứng và độ cân giảm: a) R — Imm, b) R ~ 0.8 So sảnh giá trị sai lệch cũa bước địch chuyển thú dược từ thí nghiệm với mnô phông trong các trường hợp lực giữ khác nhau.9 Quan hệ giữa biên độ tới hạn và lực giữ: Sai lệch giữa kết quả mỗ phỏng trường hợp tiêu chuẩn và trường hợp sai số trên mặt kiểu T3: a) 6 = 70° hoặc 110°, 6)y = B5°, c) kp,cp giảm 2096 ; b), d).

g) so sánh giữa kết quả mô phông với công thức giải tích được xác định từ các công thức (3.10 Quan hệ giữa biên đệ tới hạn và lực giữ: Sai lệch giữa két quả mô phỏng trường hợp tiêu chuẩn và trường hợp sai sở trên mặt kiểu A: a) 8 = 70° hoặc 1109, 6)y = B5°, c) kp,cp giảm 2096 ; b), d). g) so sánh giữa kết quả mô phông với công thức giải tích được xác định từ các công thức (3.11 8e sảnh giá trị sai lệch của biên độ tới hạn thu được từ thi nghiệm với au6 phong trong các trường hợp lực giữ khác nhau.12 Sai lệch giữa kết quá mô phỏng trường hợp liêu chuẩn và trường hợp sai số trên mặt kiểu B: a) Š = 80° hoặc 100°, b) y = 95°, c) kp,cp giảm 1096 47 Tình 3.13 Sai lệch giữa kết quả mỗ phông trường hợp tiên chuan và trường hop sai số trén mat kiéu A: a) 8 = 80° hoặc 1009, b) y = 95°. c) kp, cp gidm 10% 47 Tinh 3.14 So sánh giá trị vận tốc tối đa giữa trườnghợp tiêu chuẩn và các trường hợp có sai số trong quam hệ với lực giữ (xét với sai số lại hai PTKH trên mặt kiểu By): a)R= 1mm, b)R = 0.15 So sánh giá trị vận tốc tối đa giữa trường hợp tiêu chuẩn và các trường hợp có sai số trong quan hệ với lục giữ @xét với sai số tại bền PTKH trên mặ kiểu, A): a)R= 1mm; b)R = 0.16 So sảnh giá Irị sai lệch của vận lốc PTCH thu được từ thí nghiệm với mô phống tại các tần sẽ điều khiến khác nhau khi lực giữF = 0. Sl wv Hinh 2.8 Độ chính xác lặp lại của vận tốc PTCH phụ thuộc vào lần số điển khiển với bán kính bản câu rưby R = 0.5mm vả lực giữ Fp = 0.1 Mô hinh vĩ mê của thiết bị khao sat.2 Mô hình hoá ảnh hưởng của đụng sai chế tạo vàvà lấp ráp lên biên độ kích hoạt và lực pháp tuyển 35 Hình 3.3 Mô hình hoá vi tiếp xúc sửở dụng MDR:ea) mô hình tiếp xúc ba chiêu; b) ing hinh tiếp xúc một chiều sử đựng MDR |S8| [40] - 36 Hình 3.4 Giải thuật mô phông động lực học kiểu lại [37] - -.