Nghiên cứu phát triển hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm

Đồ án hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị cơ cấu mềm tại ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Thành Đạt
• Người hướng dẫn: GVC. Đặng Minh Phụng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu phát triển hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về bộ định vị cơ cấu mềm tại ĐH SPKT TP

Cơ cấu mềm là kết cấu nguyên khối tạo ra chuyển động nhờ biến dạng đàn hồi của vật liệu. Thiết kế này loại bỏ hoàn toàn ma sát trượt và khe hở cơ khí. Nhờ đó, cơ cấu mềm đạt độ chính xác chuyển vị ở cấp độ micro và nanomet. Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, các nhà nghiên cứu đã tập trung phát triển bộ định vị mềm phục vụ gia công siêu chính xác. Cơ cấu này kết hợp các bản lề đàn hồi linh hoạt cùng bộ khuếch đại đòn bẩy. Đầu vào chuyển vị thường được kích hoạt bởi gốm áp điện PZT với hành trình rất nhỏ. Cơ cấu đòn bẩy tiếp nhận tín hiệu và khuếch đại hành trình đầu ra lên nhiều lần. Tuy nhiên, việc kiểm chứng các thông số hình học và động lực học đòi hỏi một hệ thống đo kiểm điện tử chuyên biệt. Hệ đo kiểm cần đảm bảo độ phân giải cao và tính toàn vẹn tín hiệu. Các kỹ sư tại phòng thí nghiệm Cơ điện tử đã hoàn thiện mô hình đo lường đa năng. Mô hình này phục vụ đánh giá đặc tính tĩnh và đặc tính động của các bộ định vị cơ cấu mềm một bậc, hai bậc và ba bậc tự do. Kết quả đo kiểm tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ vi cơ điện tử vào sản xuất.

1.1. Nguyên lý hoạt động của cơ cấu mềm trong định vị vi mô

Cơ cấu mềm vận hành dựa trên sự uốn cong đàn hồi của các phần tử kết nối. Khi chịu tác dụng của ngoại lực, vật liệu biến dạng có kiểm soát để tạo chuyển động định hướng. Cấu trúc nguyên khối không có khớp nối rời giúp triệt tiêu ma sát tĩnh và độ rơ. Đặc tính này mang lại độ nhạy vượt trội và khả năng lặp lại vị trí hoàn hảo. Trong hệ thống vi định vị, cơ cấu mềm thường tích hợp cơ chế khuếch đại dịch chuyển hình cầu hoặc đòn bẩy góc. Cơ cấu này phóng đại chuyển vị bước cực nhỏ của gốm áp điện PZT ra phạm vi làm việc rộng hơn. Sự dịch chuyển diễn ra mượt mà, liên tục và không gây rung lắc cơ học ngoài mong muốn.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu phát triển hệ điều khiển đo tại ĐH SPKT

Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM hướng đến việc tự chủ công nghệ đo kiểm chính xác cao. Mục tiêu trọng tâm là chế tạo phần cứng điều khiển và thiết lập phần mềm thu nhận dữ liệu thời gian thực. Hệ thống cho phép đo đạc chính xác hai thông số quan trọng: hệ số khuếch đại dịch chuyển và tần số dao động riêng của cơ cấu. Nghiên cứu giải quyết bài toán kiểm chứng thực nghiệm so với các mô hình giải tích lý thuyết và mô phỏng phần tử hữu hạn. Kết quả thu được khẳng định chất lượng gia công cơ khí chính xác tại Việt Nam. Đồng thời, công trình cung cấp bộ công cụ đo lường tiêu chuẩn phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về cơ điện tử.

II. Thách thức đo đặc tính bộ định vị cơ cấu mềm chính xác cao

Đo lường chuyển vị cấp độ micromet đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật khắt khe. Biến dạng của cơ cấu mềm rất nhỏ và nhạy cảm với các yếu tố môi trường. Rung động từ sàn nhà xưởng hay dao động nhiệt độ đều làm biến dạng kết quả thu thập. Ngoài ra, việc xác định tần số dao động riêng đòi hỏi dải tần đáp ứng cực nhanh và độ nhạy tín hiệu cao. Nếu tần số kích thích từ máy công cụ trùng với tần số riêng của bộ định vị, hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm sẽ xảy ra. Hiện tượng này gây sai số vị trí nghiêm trọng, thậm chí làm phá hủy kết cấu đàn hồi mỏng manh. Bên cạnh đó, các phương pháp đo tiếp xúc truyền thống tạo ra áp lực đè lên cơ cấu, làm méo mó biến dạng thực tế. Sai số phi tuyến từ nguồn cấp điện cho bộ chấp hành áp điện cũng làm giảm độ tin cậy của phép đo. Do đó, việc xây dựng một hệ thống đo không tiếp xúc có khả năng khử nhiễu động lực học là yêu cầu cấp thiết. Thách thức đặt ra là phải đồng bộ hóa dữ liệu từ nhiều cảm biến quang học đồng thời xử lý tín hiệu theo thời gian thực với độ trễ thấp nhất.

2.1. Rủi ro cộng hưởng tần số dao động riêng trong thực tế

Mỗi cơ cấu định vị mềm đều sở hữu các tần số dao động tự nhiên xác định. Trong quá trình gia công cơ khí như tiện hoặc phay, trục chính quay tạo ra tần số kích động tuần hoàn. Nếu trục chính quay ở tốc độ 6000 vòng/phút, tần số kích thích tương ứng là 100 Hz. Khi tần số kích động này trùng hợp với tần số riêng của bộ định vị mềm, biên độ dao động sẽ tăng đột ngột. Hiện tượng cộng hưởng làm biến dạng cục bộ các bản lề uốn và gây hư hỏng kết cấu vĩnh viễn. Vì vậy, việc đo đạc chính xác tần số dao động trước khi lắp đặt vào dây chuyền sản xuất đóng vai trò sống còn.

2.2. Khó khăn trong việc triệt tiêu nhiễu môi trường và ma sát

Phép đo vi mô cực kỳ nhạy cảm với các rung chấn từ môi trường xung quanh. Ngay cả bước chân người đi hay quạt gió phòng thí nghiệm cũng tạo ra dao động nhiễu. Nếu dùng thiết bị đo cơ học tiếp xúc thông thường, lực tiếp xúc sẽ làm sai lệch quỹ đạo chuyển dịch của cơ cấu đàn hồi. Hơn nữa, vật liệu chế tạo bộ định vị có thể xuất hiện hiện tượng trễ đàn hồi khi biến dạng lặp lại. Việc phân tách giữa tín hiệu chuyển vị thực tế và các thành phần sóng nhiễu đòi hỏi thiết bị đo phải có tần số lấy mẫu cao và bộ lọc số thông minh. Môi trường thử nghiệm bắt buộc phải được cách ly hoàn toàn trên các bệ đỡ chống rung chuyên dụng.

III. Hệ điều khiển đo đặc tính bộ định vị cơ cấu mềm hiệu quả

Nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM đã thiết kế thành công hệ thống đo kiểm điện tử toàn diện. Hệ thống kết hợp bàn chống rung khí nén với cặp cảm biến laser không tiếp xúc Keyence LK-G15 và LK-G30. Cảm biến LK-G15 được định vị tại ngõ vào để giám sát dịch chuyển ban đầu. Cảm biến LK-G30 được đặt tại ngõ ra để ghi nhận hành trình khuếch đại của bàn trượt. Tín hiệu quang học được đưa về bộ điều khiển xử lý trung tâm nhằm tính toán tỷ số khuếch đại dịch chuyển thực tế. Đối với chuyển vị lớn, hệ thống sử dụng cụm vi chỉnh bằng vít micromet. Đối với chuyển vị siêu nhỏ dưới 18 micromet, bộ kích hoạt áp điện PZT được điều khiển để tạo xung dịch chuyển chính xác. Để đo tần số dao động tự nhiên, hai giải pháp kích thích được áp dụng song song: kích xung lực bằng dụng cụ gõ cơ học và kích sóng hình sin liên tục bằng PZT. Toàn bộ chuỗi dữ liệu phản hồi được phần mềm chuyên dụng ghi lại, phân tích phổ tần số và hiển thị đồ thị trực quan.

3.1. Quy trình đo hệ số khuếch đại bằng cảm biến Laser Keyence

Quy trình đo chuyển vị bắt đầu bằng việc cố định bộ định vị lên mặt bàn chống rung độc lập. Kỹ sư căn chỉnh hai đầu đo laser LK-G15 và LK-G30 vào đúng tiêu cự quan sát theo chỉ thị đèn xanh lá cây. Nguồn kích thích tác động lên điểm đầu vào thông qua đầu vít vi chỉnh hoặc bộ nguồn điều khiển PZT. Cảm biến laser phát tia và thu nhận chùm phản xạ để đo độ dịch chuyển với độ phân giải cấp nanomet. Driver xử lý số liệu hiển thị chuyển vị đầu vào và đầu ra đồng thời trên màn hình. Giá trị độ phóng đại dịch chuyển được xác định thông qua tỷ số giữa hành trình đầu ra và hành trình đầu vào.

3.2. Phương pháp xác định tần số riêng bằng xung kích PZT và gõ cơ học

Hệ thống triển khai hai phương pháp đo tần số tự nhiên để đối chiếu và kiểm chứng chéo. Phương pháp thứ nhất sử dụng bộ gốm PZT phát xung sóng sin quét qua dải tần số khảo sát. Phương pháp này mang lại độ chuẩn xác cao, tỷ lệ sai số so với mô phỏng chỉ đạt 0,38%. Phương pháp thứ hai sử dụng dụng cụ gõ tạo ngẫu lực xung tức thời kích thích dao động tự do của cơ cấu. Tín hiệu dao động tắt dần được cảm biến laser thu thập và biến đổi Fourier để tìm đỉnh tần số cộng hưởng. Sai số thực nghiệm của phương pháp gõ là 1,25%, hoàn toàn đáp ứng tốt nhu cầu thử nghiệm khi thiếu thiết bị kích hoạt PZT chuyên sâu.

IV. Đánh giá và ứng dụng bộ định vị cơ cấu mềm trong thực tế

Kết quả thực nghiệm tại ĐH SPKT TP.HCM chứng minh tính ưu việt của hệ thống điều khiển đo đặc tính. Tỷ lệ sai số giữa đo đạc thực tế và mô phỏng số học dao động dưới ngưỡng 2%, khẳng định độ chính xác gia công cơ khí rất cao. Hệ thống đã thử nghiệm thành công trên các mẫu bộ định vị mềm một bậc, hai bậc và ba bậc tự do. Độ tin cậy của mô hình mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong công nghiệp sản xuất công nghệ cao. Bộ định vị cơ cấu mềm hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe của hệ thống quang học, máy quét kính hiển vi lực nguyên tử và thiết bị căn chỉnh thấu kính laser. Ngoài ra, trong ngành công nghiệp bán dẫn, cơ cấu này đảm nhận vai trò định vị tấm wafer với sai số nhỏ hơn micromet. Việc làm chủ quy trình chế tạo và phương pháp đo kiểm giúp giảm mạnh chi phí đầu tư thiết bị ngoại nhập. Đây là bước tiến quan trọng thúc đẩy sự tự chủ về công nghệ tự động hóa chính xác cao tại các nhà máy thông minh hiện đại.

4.1. Độ chính xác thực nghiệm trên các cơ cấu 1 2 và 3 bậc tự do

Thực nghiệm trên các mẫu cơ cấu mềm đa bậc tự do cho thấy tính ổn định vượt bậc của hệ thống đo. Cả ba cấu hình một bậc, hai bậc và ba bậc tự do đều ghi nhận phản hồi chuyển vị tuyến tính và nhất quán. Sai số hệ số khuếch đại đo được so với tính toán lý thuyết nằm trong mức dung sai cho phép. Các đồ thị dao động tắt dần phản ánh rõ nét khả năng hấp thụ dao động và độ cứng vững cấu trúc. Dữ liệu thực nghiệm chứng minh kỹ thuật cắt dây và gia công chính xác đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu thiết kế ban đầu.

4.2. Khả năng tích hợp vào hệ thống gia công và định vị quang học

Bộ định vị cơ cấu mềm có khả năng tích hợp linh hoạt vào các hệ thống gia công vi cơ khí và quang điện tử. Thiết bị đóng vai trò là cơ cấu ăn dao vi mô trong máy tiện chính xác cao hoặc bàn dịch mẫu siêu mịn. Nhờ loại bỏ ma sát, hệ thống duy trì độ ổn định nhiệt và giảm thiểu hao mòn cơ khí suốt thời gian dài vận hành. Trong công nghệ quang học, bộ định vị giúp căn chỉnh gương phản xạ và sợi quang với độ nhạy phân giải nanomet. Thành công của nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM mang lại giải pháp cơ điện tử chi phí thấp nhưng đạt hiệu suất công nghiệp cao.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cơ cấu mềm (compliant mechanism - CCM) là cơ cấu biến đổi chuyển động, lực hoặc mô-men dựa trên sự biến dạng đàn hồi của chính vật liệu cấu thành. Với các ưu điểm nổi bật như truyền động không ma sát, không khe hở cơ học, không cần bôi trơn và loại bỏ hiện tượng mài mòn, cơ cấu mềm được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống định vị chính xác ở cấp độ micro và nano, đặc biệt là cơ cấu ăn dao trên máy công cụ CNC nhằm nâng cao chất lượng gia công.

Tuy nhiên, theo tác giả Nguyễn Thành Đạt (2023), phần lớn các nghiên cứu về bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm tại Việt Nam hiện nay chỉ dừng lại ở phạm vi tính toán lý thuyết, thiết kế tối ưu và mô phỏng trên phần mềm (như ANSYS). Các khâu gia công chế tạo, đo kiểm thực nghiệm và ứng dụng vào môi trường làm việc thực tế còn gặp nhiều hạn chế do thiếu trang thiết bị và hệ thống đo kiểm chuyên dụng. Trong chu trình đưa cơ cấu mềm vào sản xuất, đo kiểm thực nghiệm là giai đoạn mang tính quyết định để đối chiếu dữ liệu thực tế với mô phỏng, phát hiện sai số và xác định vùng làm việc an toàn của cơ cấu.

Để giải quyết vấn đề trên, đề tài xác định mục tiêu tổng quát là phát triển một hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra phục vụ quá trình thực nghiệm bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được phân bổ như sau:

1. Xác định cấu hình các thành phần trong hệ điều khiển điện và thiết lập sơ đồ kết nối, phương thức vận hành hệ thống.
2. Thực hiện đo kiểm đặc tính chuyển vị của cơ cấu với độ chính xác đạt cấp độ micromet.
3. Đo kiểm và phân tích đặc tính tần số dao động tự nhiên của bộ định vị.
4. Xây dựng chương trình thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu đo tự động trên máy tính.
5. Chuẩn hóa quy trình thực nghiệm đo kiểm bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống điều khiển điện kết hợp phần mềm LabVIEW và Matlab nhằm đo kiểm chính xác hai đặc tính đầu ra cơ bản (chuyển vị và tần số dao động tự nhiên) của bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm tích hợp bộ khuếch đại dịch chuyển. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quá trình thực nghiệm đo lường trên mô hình phần cứng trong phòng thí nghiệm thông qua các thiết bị đo cảm biến laser, bộ thu nhận dữ liệu DAQ và bộ chấp hành gốm áp điện (PZT), dựa trên nền tảng kế thừa và phát triển từ đề tài tháng 2/2023 của nhóm Trương Phan Nhựt Biên và Nguyễn Đình Hiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án xoay quanh nguyên lý đàn hồi của vật liệu, động lực học cơ cấu mềm và các nguyên lý đo lường - xử lý tín hiệu số:

• Cơ cấu mềm và khớp mềm nguyên khối: Nghiên cứu cơ chế biến dạng đàn hồi thay thế cho các khớp bản lề truyền thống; khảo sát các cơ chế khuếch đại dịch chuyển vi mô dạng đòn bẩy đơn và đòn bẩy kép nhằm khắc phục hạn chế hành trình của các bộ truyền động chính xác.
• Hiện tượng cộng hưởng và tần số dao động tự nhiên: Lý thuyết dao động cơ học chỉ ra rằng khi tần số kích thích từ môi trường ngoài trùng với tần số riêng của kết cấu, biên độ dao động sẽ tăng đột biến, gây mất độ chính xác gia công hoặc phá hủy cơ cấu. Đồ án áp dụng công thức xác định tần số kích thích trong gia công cắt gọt ($f_0 = n / 60$, với $n$ là số vòng quay trục chính) để làm rõ yêu cầu bắt buộc phải đo chính xác tần số riêng trước khi vận hành.
• Lý thuyết lấy mẫu và xử lý tín hiệu: Áp dụng định lý lấy mẫu Nyquist ($f_s > 2 f_{max}$) để thiết lập tốc độ lấy mẫu trên bộ thu thập dữ liệu và cảm biến, tránh hiện tượng chồng phổ (aliasing); sử dụng thuật toán biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform - FFT) để chuyển đổi dữ liệu dao động từ miền thời gian sang phổ biên độ miền tần số.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tích hợp phần cứng và thực nghiệm kiểm chứng:

• Phương pháp phân tích tài liệu: Nghiên cứu datasheet kỹ thuật của cảm biến laser Keyence, bộ điều khiển và card thu thập dữ liệu DAQ của hãng National Instruments.
• Phương pháp tích hợp phần cứng và phần mềm: Thiết kế sơ đồ mạch điện, kết nối cảm biến quang học, bộ điều khiển và máy tính; lập trình giao diện đo đạc, lọc nhiễu, chuyển đổi đơn vị và lưu trữ dữ liệu tự động bằng LabVIEW, kết hợp mã nguồn Matlab để phân tích dữ liệu chuyên sâu.
• Phương pháp thực nghiệm đối chứng: Sử dụng cơ cấu chấp hành gốm áp điện PZT P-225 phối hợp với bộ phát sóng AFG 1022 làm nguồn chuẩn để kiểm định độ chính xác đo lường của hệ thống điện; sau đó áp dụng hệ thống để thực nghiệm trên các mẫu cơ cấu mềm 1 bậc, 2 bậc và 3 bậc tự do, đối chiếu kết quả đo với mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm ANSYS.

Nguồn dữ liệu trong nghiên cứu gồm: tín hiệu điện áp tương tự ($\pm 10\text{ V}$) từ cảm biến laser thu thập qua card NI USB-6001, dữ liệu mô phỏng từ phần mềm ANSYS và dữ liệu đo đạc thực nghiệm lưu trữ dưới định dạng bảng tính Excel.

Thiết kế và triển khai hệ thống đo kiểm

Hệ thống đo kiểm được thiết kế dưới dạng một trạm đo tích hợp hoàn chỉnh giữa phần cứng thu nhận tín hiệu và phần mềm xử lý dữ liệu:

Cấu hình phần cứng hệ thống

Hệ thống điện bao gồm các thiết bị chính được lắp ráp đồng bộ:

• Bộ nguồn: Nguồn tổ ong 24VDC - 20A cung cấp năng lượng hoạt động ổn định cho bộ điều khiển cảm biến và các mạch phụ trợ.
• Cảm biến dịch chuyển laser không tiếp xúc Keyence:
  • Cảm biến đầu vào LK-G15: Dải đo $9 - 11\text{ mm}$, tần số lấy mẫu $50\text{ kHz}$, độ chính xác $0{,}01\ \mu\text{m}$, ngõ ra tín hiệu tương tự $0 - 10\text{ V}$. Thiết bị này được dùng để đo chuyển vị đầu vào có biên độ nhỏ.
  • Cảm biến đầu ra LK-G30: Dải đo $25 - 35\text{ mm}$, tần số lấy mẫu $50\text{ kHz}$, độ chính xác $0{,}05\ \mu\text{m}$, ngõ ra tín hiệu tương tự $0 - 10\text{ V}$. Thiết bị này dùng đo chuyển vị đầu ra đã qua cơ cấu khuếch đại.
  • Bộ điều khiển trung tâm LK-3001: Nhận tín hiệu quang từ đầu đọc laser và xuất tín hiệu điện áp tương tự trong dải $\pm 10\text{ V}$.
• Bộ thu thập dữ liệu Card NI USB-6001: Trang bị 8 kênh Analog Input (Single-ended) hoặc 4 kênh (Differential), độ phân giải 14-bit, dải điện áp đầu vào $\pm 10\text{ V}$, kết nối với máy tính qua cổng USB và tương thích với trình điều khiển NI-DAQmx. Dải điện áp của NI USB-6001 hoàn toàn tương thích với ngõ ra của LK-3001 mà không cần mạch đệm suy giảm tín hiệu.
• Cơ cấu chấp hành gốm áp điện và nguồn kích: PZT P-225 (Physik Instrumente - Đức) có độ phân giải chuyển vị $0{,}3\text{ nm}$, hành trình tối đa $15\ \mu\text{m}$; kết hợp Driver PI E-470 và máy phát xung Tektronix AFG 1022 để tạo kích thích dao động chính xác.
• Bệ gá đặt: Toàn bộ hệ thống cơ cấu và cảm biến được định vị trên bàn chống rung chuyên dụng để loại trừ nhiễu từ môi trường xung quanh.

Thiết bị / Thành phần	Model / Thông số kỹ thuật chính	Chức năng trong hệ thống
Nguồn cấp	Tổ ong 24VDC - 20A	Cung cấp nguồn cho bộ điều khiển LK-3001
Cảm biến đo đầu vào	Keyence LK-G15 (Độ chính xác $0{,}01\ \mu\text{m}$)	Đo chuyển vị vi mô đầu vào của cơ cấu
Cảm biến đo đầu ra	Keyence LK-G30 (Độ chính xác $0{,}05\ \mu\text{m}$)	Đo chuyển vị đầu ra sau khuếch đại
Bộ điều khiển cảm biến	Keyence LK-3001 (Ngõ ra $\pm 10\text{ V}$)	Xử lý tín hiệu quang, xuất điện áp tương tự
Bộ thu thập dữ liệu	NI USB-6001 (14-bit, DAQmx)	Số hóa tín hiệu điện áp đưa vào máy tính
Cơ cấu chấp hành chuẩn	PZT P-225 + Driver E-470 + AFG 1022	Tạo kích thích chuẩn kiểm tra hệ thống

Xây dựng phần mềm điều khiển và xử lý tín hiệu

Phần mềm điều khiển được xây dựng trên môi trường đồ họa LabVIEW với cấu trúc gồm 2 giao diện chính:

• Giao diện Page 1 (Đo chuyển vị): Sử dụng hàm cấu hình DAQ Assistant để đọc tín hiệu điện áp analog từ NI USB-6001. Điện áp sau đó được nhân tỉ lệ chuyển đổi về đơn vị micromet ($\mu\text{m}$) và đưa qua các khối xử lý lọc nhiễu trước khi hiển thị giá trị chuyển vị tức thời trên giao diện đồ họa.
• Giao diện Page 2 (Thu thập dữ liệu và phân tích tần số):
  • Tích hợp các nút điều khiển chức năng: "Start" (bắt đầu đo), "Save Data?" (bật chế độ tự động ghi dữ liệu vào tệp định dạng Excel và tự động đổi tên tệp theo từng phiên đo).
  • Cho phép người dùng nhập trực tiếp tham số tốc độ lấy mẫu (rate (Hz)) và số lượng mẫu cần lấy (Number of samples).
  • Sử dụng khối chức năng Spectral Measurements để thực hiện biến đổi Fourier rời rạc tín hiệu chuyển vị theo thời gian, hiển thị trực quan phổ tần số dao động.
• Chương trình xử lý dữ liệu trên Matlab: Tiếp nhận tệp dữ liệu đã lưu từ LabVIEW, áp dụng thuật toán FFT và các bộ lọc toán học để trích xuất đồ thị phổ biên độ - tần số phục vụ công tác phân tích học thuật.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc nghiên cứu cơ cấu mềm trong các hệ thống định vị chính xác, chỉ rõ khoảng trống nghiên cứu thực nghiệm tại Việt Nam. Tác giả xác định mục tiêu xây dựng hệ thống đo kiểm điện - phần mềm hoàn chỉnh, giới hạn phạm vi nghiên cứu ở hai thông số cốt lõi là chuyển vị và tần số dao động tự nhiên, đồng thời tóm tắt phương pháp tiếp cận và kết cấu 5 chương của khóa luận.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương này tổng hợp cơ sở lý thuyết về cơ cấu mềm, phân tích ưu điểm loại bỏ ma sát, tiếng ồn và nhược điểm hạn chế về hành trình chịu tải. Tác giả điểm luận các công trình tiêu biểu trên thế giới và trong nước:

• Nghiên cứu của Phạm Huy Hoàng và Trần Văn Thùy về cơ cấu dẫn động vi mô dùng thanh piezo nhiều lớp kết hợp bộ khuếch đại vi sai với hệ số khuếch đại 9,53 và độ phân giải $0{,}5 - 1\ \mu\text{m}$.
• Nghiên cứu của Phillipp và cộng sự về bộ định vị phẳng XY 2 bậc tự do (kích thước $224\times 254\text{ mm}$, hành trình $\pm 10\text{ mm}$, sai số $5 - 8{,}6\ \mu\text{m}$, nhưng tần số tự nhiên chỉ đạt $10{,}38\text{ Hz}$).
• Nghiên cứu của Lu và cộng sự (2015) về cơ cấu đòn bẩy kép (hệ số khuếch đại 6,28 – 8,96); nghiên cứu của Chen và cộng sự dùng khớp ellipse đạt hệ số khuếch đại 40 lần nhưng độ cứng vững thấp.
• Các thiết kế cơ cấu ăn dao dùng PZT của Ding và cộng sự (tần số riêng $156{,}77\text{ Hz}$, chuyển vị $96{,}75\ \mu\text{m}$), Hao Liang và cộng sự ($316{,}84\text{ Hz}$, $114{,}9\ \mu\text{m}$) và Zhou và cộng sự ($1{,}25\text{ kHz}$, $60{,}18\ \mu\text{m}$, tích hợp cảm biến đo lực cắt).

Chương 2 cũng phân tích kế thừa trực tiếp từ đề tài tháng 2/2023 của Trương Phan Nhựt Biên và Nguyễn Đình Hiệp: chỉ ra nhóm trước dùng 1 cảm biến laser LK-G30 kết hợp đồng hồ so cơ khí gây phản lực làm sai lệch kết quả, chưa đo được tần số tự nhiên và chưa có cơ chế thu thập dữ liệu tự động.

Chương 3: Phương hướng và giải pháp về đo kiểm đặc tính đầu ra của cơ cấu mềm

Chương 3 chi tiết hóa giải pháp công nghệ: loại bỏ hoàn toàn đồng hồ so cơ học, thay thế bằng cặp cảm biến quang học không tiếp xúc Keyence LK-G15 và LK-G30. Tác giả trình bày sơ đồ nguyên lý mạch điện, sơ đồ đấu nối chân I/O giữa controller LK-3001 và card NI USB-6001. Chương này đi sâu vào việc lập trình các khối chức năng trên LabVIEW (xử lý tín hiệu analog từ DAQ Assistant, thuật toán FFT trong Spectral Measurements, cấu trúc xuất file Excel tự động) và viết mã lệnh Matlab để xử lý hậu kỳ tín hiệu dao động.

Chương 4: Thử nghiệm / Thực nghiệm - Đánh giá hệ thống điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cơ cấu mềm

Nội dung chương 4 gồm hai giai đoạn thực nghiệm chính:

1. Kiểm chuẩn trên bộ chấp hành PZT P-225 không tải: Khảo sát chuyển vị của PZT dưới các mức điện áp điều khiển khác nhau, xác nhận đặc tính chuyển vị phi tuyến tính vốn có của vật liệu áp điện. Tiến hành kiểm tra khả năng bắt tần số dao động bằng cách kích sóng hình sin từ máy phát xung Tektronix AFG 1022 ở các mốc $100\text{ Hz}$, $250\text{ Hz}$ và $400\text{ Hz}$. Hệ thống đo kiểm bắt chính xác tần số phát ở $100\text{ Hz}$ và $250\text{ Hz}$; ở mốc $400\text{ Hz}$ bắt đầu xuất hiện nhiễu biên độ nhưng đỉnh phổ tần số vẫn nhận dạng chính xác.
2. Thực nghiệm trên bộ định vị và khuếch đại 1 bậc tự do:
   • Đo chuyển vị: Tác động dịch chuyển đầu vào $45\ \mu\text{m}$ bằng vít vặn vi sai; ghi nhận chuyển vị đầu ra qua 10 lần đo độc lập. Giá trị đo trung bình đạt $422{,}382\ \mu\text{m}$, tương ứng hệ số khuếch đại thực tế đạt xấp xỉ 9,38 lần (so với kết quả mô phỏng ANSYS là $429{,}15\ \mu\text{m}$ và hệ số khuếch đại 9,36).
   • Đo tần số dao động tự nhiên: So sánh hai phương pháp kích thích là dùng PZT quét tần số và dùng búa gõ (Hammer testing). Mô phỏng ANSYS cho kết quả $183{,}92\text{ Hz}$. Kết quả thực nghiệm bằng PZT đạt độ lệch $0{,}38%$, trong khi phương pháp búa gõ đạt độ lệch $1{,}25%$.
   • Mở rộng thực nghiệm trên các mô hình cơ cấu 2 bậc và 3 bậc tự do, đúc kết quy trình 5 bước thực nghiệm chuẩn.

Chương 5: Kết luận - Đề nghị

Tác giả tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành (chế tạo hoàn chỉnh hệ thống điện, xây dựng chương trình LabVIEW/Matlab, đo kiểm thành công chuyển vị và tần số riêng), nêu rõ các giới hạn còn tồn tại về dải tần số đo và đề xuất phương hướng nâng cấp phần cứng trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã lượng hóa toàn bộ kết quả thực nghiệm thông qua các số liệu đo kiểm cụ thể:

Kết quả đo kiểm chuyển vị phi tuyến của PZT không tải

Khảo sát chuyển vị của PZT P-225 ở các mức điện áp đầu vào cho thấy tính chất biến thiên phi tuyến rõ rệt qua hai lần đo kiểm độc lập:

Điện áp đầu vào (V)	Chuyển vị lần 1 ($\mu\text{m}$)	Chuyển vị lần 2 ($\mu\text{m}$)
0	0	0
2	0,85	0,87
4	2,15	2,18
6	3,82	3,85
8	5,91	5,94
10	8,43	8,46

Kết quả đo chuyển vị bộ định vị 1 bậc tự do

Khi tác động độ dịch chuyển đầu vào cố định $45\ \mu\text{m}$, kết quả đo kiểm 10 lần dịch chuyển đầu ra và hệ số khuếch đại được ghi nhận như sau:

Lần đo	Chuyển vị đầu vào ($\mu\text{m}$)	Chuyển vị đầu ra ($\mu\text{m}$)	Hệ số khuếch đại
1	45	422,15	9,38
2	45	423,26	9,40
3	45	421,80	9,37
4	45	422,50	9,39
5	45	423,10	9,40
6	45	422,05	9,38
7	45	422,90	9,40
8	45	421,95	9,38
9	45	422,00	9,38
10	45	422,11	9,38
Trung bình	45	422,382	9,38
Mô phỏng ANSYS	45,828	429,15	9,36

Kết quả đo tần số dao động tự nhiên

Đối chiếu kết quả phân tích tần số riêng của cơ cấu mềm 1 bậc tự do giữa mô phỏng ANSYS ($183{,}92\text{ Hz}$) và hai phương pháp thực nghiệm:

• Phương pháp kích dao động hình sin bằng PZT: Tần số đo được có sai số $0{,}38%$ so với mô phỏng.
• Phương pháp kích xung bằng búa gõ (Hammer testing): Tần số đo được có sai số $1{,}25%$ so với mô phỏng.

Đóng góp mới của đề tài

So với nghiên cứu của nhóm Trương Phan Nhựt Biên và Nguyễn Đình Hiệp (tháng 2/2023), đồ án đã đạt được các đóng góp cụ thể:

1. Thay thế hoàn toàn đồng hồ so cơ khí bằng cảm biến laser không tiếp xúc LK-G15 tại đầu vào, loại bỏ hoàn toàn lực cản cơ học tác động lên cơ cấu mềm.
2. Bổ sung hoàn chỉnh tính năng đo và xác định tần số dao động tự nhiên thông qua thuật toán biến đổi Fourier trên LabVIEW và Matlab.
3. Tự động hóa quá trình thu nhận dữ liệu, loại bỏ ghi chép thủ công bằng cách xuất trực tiếp dữ liệu đo sang file Excel kèm nhãn thời gian.
4. Đúc kết và đề xuất quy trình thực nghiệm chuẩn hóa gồm 5 bước gá đặt và đo đạc cho các bộ định vị cơ cấu mềm từ 1 đến 3 bậc tự do.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận tự xác định các hạn chế kỹ thuật trong quá trình thực hiện:

• Tốc độ lấy mẫu của card thu thập dữ liệu NI USB-6001 bị giới hạn ở mức $20\text{ kS/s}$ (20 kHz), khiến dải tần số đo thực tế của hệ thống không thể vượt quá $10\text{ kHz}$ theo định lý Nyquist. Khi đo các tín hiệu có tần số dao động cao từ $400\text{ Hz}$ trở lên, tín hiệu xuất hiện nhiều nhiễu và độ chính xác suy giảm.
• Bộ chấp hành gốm áp điện PZT có đặc tính dịch chuyển phi tuyến phụ thuộc vào điện áp kích, đòi hỏi phải hiệu chuẩn phức tạp khi tạo các bước dịch chuyển vi mô chuẩn.
• Thử nghiệm mới chỉ tiến hành trên các mẫu bộ định vị đơn lẻ trong điều kiện phòng thí nghiệm tĩnh, chưa khảo sát được tác động khi tích hợp trực tiếp vào hệ thống gia công cắt gọt có rung động nền lớn.

Hướng phát triển tiếp theo được đề xuất:

• Nâng cấp phần cứng thu thập dữ liệu với card DAQ có tốc độ lấy mẫu và băng thông cao hơn nhằm mở rộng dải tần số đo lường chính xác trên $1\text{ kHz}$.
• Phát triển thêm các thuật toán lọc số thích nghi trên LabVIEW để triệt tiêu nhiễu tần số cao.
• Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển hồi tiếp vòng kín (closed-loop control) sử dụng cảm biến laser để bù sai số phi tuyến cho bộ chấp hành PZT.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Cơ khí Chế tạo máy, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa:

• Tài liệu tham khảo về tích hợp hệ thống đo lường: Cung cấp chi tiết cách đấu nối tín hiệu analog giữa bộ điều khiển quang Keyence LK-3001 với card thu thập dữ liệu NI USB-6001 (Chương 3).
• Tài liệu hướng dẫn lập trình LabVIEW DAQmx: Hướng dẫn cụ thể cách cấu hình khối DAQ Assistant, lọc nhiễu, chuyển đổi đơn vị điện áp sang micromet và sử dụng khối Spectral Measurements để phân tích phổ FFT theo thời gian thực (Chương 3).
• Cẩm nang thực nghiệm cơ cấu mềm: Cung cấp quy trình 5 bước gá đặt, căn chỉnh tiêu cự cảm biến laser và kỹ thuật kích dao động (dùng PZT hoặc búa gõ) để xác định tần số riêng, hỗ trợ trực tiếp cho các nhóm nghiên cứu muốn kiểm chứng mô hình ANSYS sau khi gia công chế tạo (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

Tại sao tác giả phải sử dụng hai model cảm biến laser khác nhau (LK-G15 và LK-G30) cho đầu vào và đầu ra?

Cơ cấu mềm trong đồ án được tích hợp bộ khuếch đại dịch chuyển, khiến biên độ dịch chuyển đầu ra lớn gấp nhiều lần biên độ đầu vào (hệ số khuếch đại lý thuyết đạt 9,36 lần). Do đó, tác giả sử dụng cảm biến LK-G15 cho đầu vào vì vị trí này yêu cầu dải đo nhỏ ($9 - 11\text{ mm}$) nhưng đòi hỏi độ chính xác rất cao ($0{,}01\ \mu\text{m}$). Ngược lại, tại đầu ra chuyển vị đã bị phóng đại lớn nên tác giả dùng cảm biến LK-G30 có dải đo rộng hơn ($25 - 35\text{ mm}$) với độ chính xác $0{,}05\ \mu\text{m}$.

Tần số dao động tự nhiên của bộ định vị 1 bậc tự do được đo bằng những phương pháp nào và sai số so với mô phỏng ra sao?

Tác giả sử dụng hai phương pháp thực nghiệm để đo tần số tự nhiên dựa trên hiện tượng cộng hưởng cơ học:

1. Dùng bộ chấp hành PZT tạo sóng quét hình sin biến đổi tần số liên tục tác động vào cơ cấu: Sai số đạt $0{,}38%$ so với mô phỏng ANSYS ($183{,}92\text{ Hz}$).
2. Dùng búa gõ (Hammer testing) tác động lực xung tức thời vào cơ cấu: Sai số đạt $1{,}25%$ so với mô phỏng ANSYS.

Tốc độ lấy mẫu của hệ thống được tính toán và cấu hình như thế nào để đảm bảo tính chính xác?

Tác giả áp dụng định lý Nyquist, yêu cầu tần số lấy mẫu phải lớn hơn ít nhất 2 lần tần số tín hiệu đo. Mặc dù cảm biến Keyence có tần số lấy mẫu lên đến $50\text{ kHz}$, nhưng card NI USB-6001 chỉ đáp ứng tốc độ lấy mẫu tối đa $20\text{ kS/s}$ (20 kHz). Do đó, tác giả cấu hình tốc độ lấy mẫu của hệ thống về ngưỡng $20\text{ kHz}$, giới hạn dải tần số dao động có thể đo lường chính xác của hệ thống ở mức dưới $10\text{ kHz}$.

Kết quả đo thực nghiệm chuyển vị đầu ra của cơ cấu 1 bậc tự do với đầu vào 45 µm đạt giá trị bao nhiêu?

Qua 10 lần đo độc lập với độ dịch chuyển đầu vào cố định $45\ \mu\text{m}$, giá trị chuyển vị đầu ra trung bình đạt được là $422{,}382\ \mu\text{m}$ (các giá trị đơn lẻ dao động trong khoảng $421{,}80\ \mu\text{m}$ đến $423{,}26\ \mu\text{m}$). Kết quả này tiệm cận sát với giá trị tính toán mô phỏng trên phần mềm ANSYS ($429{,}15\ \mu\text{m}$), tương ứng với hệ số khuếch đại thực tế đạt xấp xỉ 9,38 lần (so với mô phỏng là 9,36 lần).

Kết luận

Đồ án đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công hệ thống điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm, kết hợp hoàn chỉnh giữa phần cứng cảm biến laser Keyence, card NI USB-6001 và phần mềm LabVIEW/Matlab. Hệ thống đã giải quyết triệt để các hạn chế của nghiên cứu trước đó, cho phép đo lường chính xác chuyển vị vi mô và xác định tần số dao động riêng với sai số thực nghiệm dưới $1{,}3%$ so với mô phỏng ANSYS. Kết quả nghiên cứu cung cấp một trạm đo thực nghiệm tin cậy cùng quy trình chuẩn hóa 5 bước, hỗ trợ thiết thực cho việc kiểm định và đưa các bộ định vị cơ cấu mềm vào ứng dụng thực tế trong gia công cơ khí chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Với những ưu điểm vượt trội như có độ chính xác cao, truyền động tốt, ít ma sát, va đập giữa các phần cứng, …. Cơ cấu mềm (CCM) đã và đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong đời sống và sản xuất, khoa học và công nghệ. Đặc biệt là việc ứng dụng CCM vào bộ định vị chi tiết gia công trong các nguyên công đòi hỏi độ chính xác cao, yêu cầu dung sai kích thước lên đến 1/1000 (mm) đang được nghiêm cứu và thiết kế ngày càng phát triển và trở nên quan trọng hơn. Tuy nhiên, hầu hết các công trình, dự án nghiêm cứu và thiết kế bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm hiện nay ở nước ta chỉ dừng lại ở giai đoạn tính toán, tối ưu thiết kế và mô phỏng.

Việc tiến hành gia công chế tạo, thực nghiệm và sử dụng bộ định vị vào môi trường làm việc thực tế vẫn còn nhiều hạn chế. Trong quá trình đưa những công trình nghiêm cứu bộ định sử dụng CCM vào trong thực tế sản xuất, thì giai đoạn thực nghiệm là quan trọng nhất. Vì căn cứ vào kết quả thực nghiệm sau khi đối chiếu với với kết quả tính toán và mô phỏng, ta có thể đưa ra những cải tiến và phương hướng sử dụng bộ định vị vào môi trường làm việc thực tế. Mục tiêu của quá trình thực nghiệm bộ định vị sử dụng CCM là đo được đặc tính đầu ra của bộ định vị.

Để đo được đặc tính đầu ra với độ chính xác cao ta cần các thiết bị điện hiện đại hỗ trợ cho quá trình đo kiểm. Bên cạnh đó, ta cần lưu trữ các giá trị đã đo được làm dữ liệu tham khảo cho các thiết kế trong tương lai. Nhằm giúp quá trình thực nghiệm bộ định vị sử dụng CCM trở nên đơn giản, dễ dàng mà vẫn đảm bảo được độ chính xác, ta cần xây dựng một hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng CCM.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đồ án này là tài liệu tham khảo quan trọng trong quá trình thực nghiệm đối với những đề tài nghiêm cứu về bộ định vị sử dụng CCM trong hệ thống định vị chính xác. Cụ thể là những nghiêm cứu cần xác định được 2 đặc tính đầu ra quan trọng nhất của bộ định vị là “chuyển vị” và “tần số dao động tự nhiên”.

Thông qua việc đo lường, kiểm tra đặc tính đầu ra của bộ định vị sử dụng CCM, ta không chỉ xác minh lý thuyết, kiểm tra sự chính xác của mô hình toán học đã áp dụng, phát hiện những vấn đề có thể không thấy trong giai đoạn lý thuyết hoặc mô phỏng mà còn có thể kiểm tra hiệu suất, khả năng làm việc thực tế của thiết kế, góp phần thúc đẩy quá trình sản xuất, chế tạo và sử dụng những bộ định vị có độ chính xác cao vào môi trường làm việc thực tế, từ đó nâng cao chất lượng gia công chính xác ở Việt Nam. Sản phẩm của đề tài đã ứng dụng đo kiểm thành công trên một số bộ định vị kết hợp khuếch đại dịch chuyển dùng cơ cấu mềm với độ chính xác dịch chuyển lên đến micro mét.3 Mục tiêu nghiêm cứu của đề tài Mục tiêu chính của đề tài là phát triển hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra phục vụ cho việc thực nghiệm bộ định vị sử dụng CCM. Ta có thể chia mục tiêu chính thành các mục tiêu nhỏ như: 1. Xác định các thành phần trong hệ điều khiển điện và cách kết nối, sử dụng chúng.

Đo đặc tính chuyển vị với độ chính xác micro mét. Đo đặc tính tần số dao động tự nhiên của bộ định vị. Lưu trữ kết quả đo. Trình bày quá trình thực nghiệm đo bộ định vị sử dụng CCM làm tài liệu tham khảo cho các nghiêm cứu sau này.4 Đối tượng và phạm vi nghiêm cứu 1.1 Đối tượng nghiêm cứu Hệ thống điện và cách sử dụng phần mềm LabVIEW để đo kiểm chính xác đặc tính đầu ra của bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm tích hợp bộ khuếch đại dịch chuyển cho hệ thống định vị chính xác.2 Phạm vi nghiêm cứu Đồ án này chỉ tập trung vào quá trình thực nghiệm đo kiểm 2 đặc tính đầu ra quan trọng nhất của bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm là: chuyển vị và tần số dao động tự nhiên.

Từ đặc tính chuyển vị ta sẽ tìm được hệ số khuếch đại và các đặc tính đầu ra khác của bộ định vị sử dụng CCM. Từ đặc tính tần số dao động tự nhiên ta có thể chọn môi trường làm việc phù hợp cho bộ định vị khi đưa vào sử dụng trong môi trường làm việc thực tế. Các thiết bị điện sử dụng trong đồ án này hầu hết được sự hỗ trợ của giáo viên hướng dẫn và nhóm đồ án trước đó cung cấp. Nhằm khắc phục những tồn tại của nhóm trước và phát triển hoàn thiện hệ thống điều khiển điện, phần lập trình LabVIEW là phần có vai trò quan trọng nhất trong đồ án này.5 Phương pháp nghiêm cứu - Tìm hiểu sách, bài báo khoa học, tài liệu trên internet về CCM, hệ thống đo đạc, đặc tính đầu ra của CCM.

- Tìm hiểu Datasheet của các thiết bị điện để lựa chọn thiết bị và cách sử dụng phù hợp. - Tìm hiểu các định luật và công thức liên quan đến việc xử lý tín hiệu số, chuyển vị và tần số để áp dụng vào việc lập trình điều khiển hệ thống đo kiểm. - Tìm hiểu về phần mềm lập trình LabVIEW, Matlab. - Tiến hành thực nghiệm và kiểm tra độ chính xác của kết quả đo trên nhiều bộ định vị khác nhau từ đó có những điều chỉnh và cải tiến phù hợp với yêu cầu của đề tài.6 Kết cấu của ĐATN ĐATN bao gồm 5 chương, trong đó chương 2 giới thiệu về CCM và một số nghiêm cứu về bộ định vị sử dụng CCM, từ đó xác định được đối tượng và tầm quan trọng của đặc tính đầu ra cần khảo sát trong báo cáo này.

Chương 3 trình bày về phương hướng, giải pháp và trình tự công việc tiến hành để giải quyết những yêu cầu của đề tài, bên cạch đó, trong phần trình tự công việc đã trình bày gần như hoàn chỉnh quá trình xây dựng nên 1 hệ thống điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng CCM. Chương 4 là quá trình thực nghiệm hệ thống điện đã xây dựng và sử dụng hệ thống điện để thực nghiệm trên bộ định vị kết hợp khuếch đại dùng CCM. Chương 5 nêu những kết luận chung, kết quả đạt được, những đóng góp mới, những hạn chế và phương hướng phát triển của đề tài. 3 CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊM CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu cơ cấu mềm Cơ cấu mềm (hay còn gọi là cơ cấu đàn hồi) là cơ cấu có khả năng biến đổi chuyển động, lực hoặc momen bằng cách sử dụng sự biến dạng của kết cấu trong phạm vi đàn hồi của vật liệu.

[1] Một số ví dụ minh họa các CCM được sử dụng phổ biến trong đời sống hằng ngày như Hình 2. 1: Các cơ cấu mềm phổ biến trong đời sống Một dạng CCM thường được sử dụng phổ biến trong nghiêm cứu, thiết kế và tổng hợp cơ cấu là kết hợp nhiều khớp mềm lại với nhau. Khớp mềm có cấu tạo đơn giản từ một khối vật liệu được cắt khoét một phần và tạo ra chuyển động được là dựa trên độ mềm trong bản thân vật liệu. Vì vậy nó khắc phục được các điểm yếu của khớp truyền thống và tỏ ra ưu thế khi sử dụng để truyền chuyển động có độ chính xác cao trong các tác vụ gia công đòi hỏi độ chính xác ở mức micro và dưới micro.

2: Khớp nối truyền thống Hình 2. 3: Khớp mềm với cấu tạo nguyên khối Ưu điểm của cơ cấu dùng khớp mềm: Không ma sát, tiếng ồn, mài mòn, không cần phải bôi trơn và không tồn tại khe hở giữa các chi tiết. Ngoài ra, nó còn tiết kiệm được không gian và giảm chi phí của các bộ phận, vật liệu, lắp ráp và bảo trì. 4 CHƯƠNG 2 Nhược điểm: không bền khi chịu tải quá lớn và có độ dịch chuyển nhỏ, không thể quay liên tục nên chỉ phù hợp với những chuyển động nhỏ có độ chính xác cao.

Các nghiêm cứu về CCM trong những năm gần đây nhằm tạo ra chuyển động nhỏ cỡ micron và có độ chính xác dưới micron, thậm chí nano nhưng chịu tải lớn. Đặc biệt các nghiêm cứu về cơ cấu định vị chính xác dùng CCM để tạo chuyển động nhỏ cỡ micro nhằm làm cơ cấu ăn dao chính xác nếu thành công có thể áp dụng vào việc nâng cao độ chính xác trong gia công cơ khí rất hiệu quả.2 Một số nghiêm cứu về bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm Trong thao tác ở quy mô vi mô, định vị micro/nano là hoạt động cơ bản nhất vì định vị chính xác là tiền đề của các hoạt động tiếp theo. Các hoạt động cụ thể của vi thao tác bao gồm định vị, kẹp, gá, chọc thủng, tiêm,… và hầu hết các hoạt động trên đều là ứng dụng mở rộng của định vị. Ví dụ việc kẹp được thực hiện bằng cách định vị tương đối của hai đầu kẹp; đâm thủng là vị trí của kim… Độ chính xác của các phương pháp định vị được sử dụng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của thao tác tương ứng, do đó bộ định vị chính xác đóng vai trò quan trọng trong miền vi thao tác.

[3] Cơ cấu dẫn động và định vị với độ phân giải micro Nhóm tác giả Phạm Huy Hoàng và Trần Văn Thùy đã nghiêm cứu thiết kế thành công cơ cấu dẫn động thẳng với độ phân giải micro (Hình 2.6) được tạo thành từ các khớp mềm khuếch đại biến dạng của thanh piezo nhiều lớp thành chuyển vị thẳng. Thiết kế bao gồm thanh piezo nhiều lớp, phần dẫn, bộ khuếch đại vi sai và phần bị dẫn. Cơ cấu có độ khuếch đại 9,53 và độ phân giải từ 0,5-1 µm. Các cơ cấu dẫn động có độ phân giải micro rất cần thiết cho các lĩnh vực nghiên cứu mũi nhọn như: gia công chính xác, cáp quang, công nghệ sinh học, công nghệ y sinh học.

4: Cơ cấu dẫn động với độ phân giải Micro 5 CHƯƠNG 2 Bộ định vị XY sử dụng CCM Phillipp và các cộng sự đã nghiêm cứu thành công bộ định vị 2 bậc tự do có hành trình di chuyển lên đến ±10 mm.