Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và chế tạo máy, yêu cầu về độ chính xác và khả năng tự phục hồi đàn hồi của các cụm truyền động ngày càng trở nên khắt khe. Các cơ cấu khớp nối truyền thống làm việc dựa trên nguyên lý trượt hoặc quay tương đối giữa các bề mặt kim loại thường phát sinh ma sát, mài mòn, khe hở lắp ghép và tiếng ồn, đòi hỏi phải bôi trơn định kỳ. Để khắc phục các hạn chế này, các loại khớp nối mềm (compliant mechanisms/flexible hinges) có khả năng biến dạng đàn hồi lớn được nghiên cứu ứng dụng nhằm thay thế các khớp bản lề cơ học thông thường. Trong số đó, cơ cấu khớp mềm biến dạng lớn ("Large Deformation Hinge") với biên dạng hình chữ thập là giải pháp kỹ thuật cho phép tạo ra chuyển động uốn - xoắn góc lớn trong khi vẫn duy trì độ cứng vững ngoài phương mong muốn. Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ in 3D (chế tạo bồi đắp) để sản xuất các cơ cấu này thường dẫn đến sự sai lệch về cơ tính và độ chính xác chuyển vị do ảnh hưởng của nhiều thông số công nghệ in.

Nhóm tác giả đã xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể trong văn bản như sau:

  1. Chế tạo thành công mô hình đo chuyển vị góc của cơ cấu khớp mềm "Large Deformation Hinge".
  2. Kiểm tra, đánh giá độ chính xác và độ ổn định của hệ thống đo thực nghiệm.
  3. Thu thập, phân tích số liệu đo và đưa ra kết luận về quy luật ảnh hưởng của một số thông số công nghệ trong quá trình in 3D (độ dày lớp in, mật độ điền đầy, góc đặt mẫu in) kết hợp với các thông số làm việc (góc quay chủ động, khoảng cách đo) đến độ lệch chuyển vị của cơ cấu.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là cơ cấu khớp mềm biến dạng lớn "Large Deformation Hinge" có tiết diện hình chữ thập, được gia công bằng phương pháp in 3D FDM từ vật liệu nhựa nhiệt dẻo PLA-F. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian tập trung vào việc khảo sát chuyển vị xoắn tại 12 vị trí cách đều nhau dọc theo chiều dài trục cơ cấu (từ vị trí 5 cm đến 16 cm so với mốc đo). Phạm vi thông số thử nghiệm bao gồm góc quay chủ động biến thiên trong dải từ 5° đến 55°. Nghiên cứu được triển khai thực hiện và bảo vệ vào tháng 02/2023 tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy và Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nội dung dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết cơ học kết cấu, công nghệ chế tạo bồi đắp, mô phỏng phần tử hữu hạn và các công cụ toán học thống kê:

  • Lý thuyết về khớp nối và khớp nối mềm: Khớp nối là chi tiết máy dùng để liên kết các trục với nhau nhằm truyền mô-men xoắn, đồng thời bù trừ sai lệch tâm và giảm tải trọng va đập. Khớp nối mềm là dạng cơ cấu có các khâu liên kết sở hữu khả năng biến dạng đàn hồi lớn. Năng lượng va đập và dao động trong quá trình truyền động được tích lũy vào phần tử đàn hồi và giải phóng dần, giúp triệt tiêu rung động đột ngột và giảm chấn cho hệ thống.
  • Công nghệ in 3D và thông số chế tạo: Văn bản tổng hợp các kỹ thuật in 3D phổ biến gồm FDM (Fused Deposition Modeling), SLA, DLP, SLS, SLM, EBM, LOM và BJ. Trong đó, công nghệ FDM sử dụng nguyên lý đùn sợi nhựa nóng chảy qua đầu phun và hóa rắn theo từng lớp. Các thông số công nghệ chính chi phối chất lượng sản phẩm in gồm: độ dày lớp in (Layer Height), mật độ điền đầy bên trong (Infill), tốc độ in (Speed), cấu trúc đỡ (Support) và lưu lượng nhựa đùn (Flow).
  • Lý thuyết cơ học và ứng suất: Khảo sát trạng thái chịu tải xoắn và uốn của trục chữ thập dựa trên mối quan hệ ứng suất tổng quát $\sigma = F / A$ (với $\sigma$ là ứng suất, $F$ là lực tác dụng và $A$ là diện tích bề mặt chịu lực).
  • Mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN): Ứng dụng mô hình mạng truyền thẳng nhiều lớp để xấp xỉ hàm phi tuyến phức tạp. Cấu trúc mạng được lựa chọn ưu tiên một lớp ẩn nhằm hạn chế sự bất ổn định của véc-tơ gradient và tránh hiện tượng rơi vào cực trị địa phương. Nhóm tác giả áp dụng các công thức kinh nghiệm để ước lượng số nơ-ron lớp ẩn ($m$) dựa trên số đầu vào ($t$) và số đầu ra ($z$), bao gồm $m \in [t, z]$, $m = 2(t + z)/3$, $m < 2t$, $m = \sqrt{t \cdot z}$, kết hợp với phương pháp thử - sai (trial-and-error). Mức độ hội tụ của mô hình được đánh giá qua hệ số tương quan $R$ tiệm cận 1.
  • Quy hoạch thực nghiệm Taguchi và phân tích phương sai ANOVA: Phương pháp Taguchi sử dụng các mảng trực giao (Orthogonal Arrays) nhằm giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thực hiện mà vẫn xác định được tổ hợp thông số tối ưu. Hiệu quả của từng yếu tố được đánh giá thông qua tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise ratio - S/N) và giá trị trung bình đáp ứng (Means). Phương pháp phân tích phương sai ANOVA (General Linear Model) được sử dụng để kiểm định mức độ ảnh hưởng của các biến nguyên nhân định tính lên biến kết quả chuyển vị định lượng.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm:

  1. Dữ liệu thực nghiệm đo đạc góc xoay vi sai thu thập thông qua encoder quang học kết nối PLC điều khiển trên mô hình thực tế (tổng cộng 2.304 điểm đo).
  2. Dữ liệu trường chuyển vị và phân bố ứng suất thu được từ mô hình mô phỏng số phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm ANSYS Workbench.

Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm

Khác với các nghiên cứu lý thuyết thuần túy, đồ án này bao gồm toàn bộ quá trình thiết kế cơ khí, chế tạo phần cứng và tích hợp hệ thống điều khiển thu thập dữ liệu đo chuyển vị góc.

Thiết kế kết cấu cơ cấu Large Deformation Hinge

Cơ cấu trục mềm được mô hình hóa không gian 3D trên phần mềm SolidWorks. Kết cấu hình học có kích thước tổng thể $270 \times 20 \times 20\text{ mm}$, chia thành hai phần:

  • Hai đầu mút liên kết: Là hai khối lập phương đặc có kích thước $20 \times 20 \times 10\text{ mm}$, dùng để kẹp chặt cố định vào hệ thống gá đỡ.
  • Thân trục đàn hồi: Có chiều dài $250\text{ mm}$, tiết diện cắt ngang dạng hình chữ thập đối xứng với kích thước bao ngoài $20 \times 20\text{ mm}$. Dạng hình học chữ thập giúp trục đạt độ mềm dẻo cao khi chịu mô-men xoắn nhưng vẫn giữ được độ cứng chống uốn ngoài trục cần thiết.
  • Mẫu thực nghiệm được chế tạo bằng công nghệ in 3D FDM từ vật liệu nhựa nhiệt dẻo PLA-F do hãng Filoalfa sản xuất.

Chế tạo cụm gá đặt và hệ thống truyền động đo lường

Hệ thống đo thực nghiệm được thiết kế khép kín nhằm khử các chuyển vị phụ không mong muốn và chuyển đổi chính xác biến dạng xoắn của trục thành tín hiệu góc quay:

  • Hệ thống khung đế đỡ: Tấm đế chính đỡ toàn bộ trục được gia công bằng máy phay CNC từ phôi nhôm tấm có độ dày $10\text{ mm}$. Tấm đỡ cụm cảm biến encoder được chế tạo bằng nhôm tấm dày $5\text{ mm}$. Hai đầu cơ cấu được cố định vào các đế hình chữ L bằng bu-lông để khóa bậc tự do tịnh tiến.
  • Cụm định vị và truyền mô-men: Để đặt lực xoắn và đo góc quay mà không làm bóp méo hình dạng chữ thập của trục, nhóm tác giả thiết kế bộ phận hỗ trợ quay (cục hỗ trợ quay). Chi tiết này có dạng hình trụ tròn với đường kính ngoài $30\text{ mm}$, mặt trong khoét rãnh chữ thập ôm khít lấy thân cơ cấu. Bộ phận được chia làm hai nửa đối xứng và ghép chặt lại bằng hai bu-lông M4. Mặt ngoài có tiện một rãnh dẫn đai tròn rộng $5\text{ mm}$.
  • Gối đỡ định tâm: Để đảm bảo trục quay thuần túy quanh tâm cố định khi chịu lực, cụm hỗ trợ quay được lồng bên trong một gối đỡ vòng bi mã hiệu KP006 cố định trên bàn đo.
  • Hệ thống cảm biến và truyền động đai: Chuyển vị góc tại các vị trí trên trục được truyền động đến trục của bộ mã hóa xung vòng (Encoder) thông qua dây đai trơn có bề rộng bản đai $5\text{ mm}$. Dây đai luôn được duy trì trạng thái căng và đặt vuông góc với trục cơ cấu.
  • Cấu hình thu thập dữ liệu: Bộ mã hóa Encoder phát tín hiệu xung vi sai về bộ điều khiển lập trình PLC. Phần mềm chuyên dụng GX Works 2 được sử dụng để lập trình đọc bộ đếm tốc độ cao, ghi nhận số lượng xung thực tế và truyền dữ liệu lên máy tính. Toàn bộ số liệu xung sau đó được trích xuất sang bảng tính Microsoft Excel để quy đổi tuyến tính từ giá trị xung sang đơn vị góc quay (độ).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài, lý do lựa chọn cơ cấu biến dạng lớn "Large Deformation Hinge" và xác định 3 mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu. Nội dung chương phân tích chi tiết tổng quan lý thuyết về các loại khớp nối công nghiệp, đặc tính làm việc và khả năng giảm chấn của khớp nối mềm khi chịu tải trọng động. Chương này cũng phân loại 8 công nghệ in 3D phổ biến (FDM, SLA, DLP, SLS, SLM, EBM, LOM, BJ) và phân tích ảnh hưởng của các thông số in cơ bản (độ dày lớp in, mật độ điền đầy, tốc độ in, vật liệu đỡ, lưu lượng đùn nhựa). Đồng thời, tác giả giới thiệu các công cụ phần mềm kỹ thuật hỗ trợ xuyên suốt đồ án gồm GX Works 2, MATLAB, ANSYS Workbench, Minitab cùng cơ sở lý thuyết về phân tích phương sai ANOVA và công thức ứng suất kéo/nén/xoắn.

Chương 2: Phương án thiết kế

Nội dung chương 2 tập trung vào việc thiết kế hình học và phương án chế tạo mô hình đo đạc. Tác giả trình bày bản vẽ 3D trên SolidWorks của cơ cấu Large Deformation Hinge với kích thước $270 \times 20 \times 20\text{ mm}$ (gồm 2 đầu khối vuông $20 \times 20 \times 10\text{ mm}$ và phần thân chữ thập $250 \times 20 \times 20\text{ mm}$). Trên thân trục, tác giả xác định tọa độ của điểm đặt lực cố định (cách đầu mút $60\text{ mm}$) và 12 vị trí đo biến dạng cách đều nhau mỗi bước $10\text{ mm}$ (vị trí đầu tiên cách điểm đặt lực $50\text{ mm}$). Toàn bộ kết cấu bàn đo thực nghiệm được hoàn thiện thiết kế gồm: đế nhôm CNC dày $10\text{ mm}$, đế encoder dày $5\text{ mm}$, cục hỗ trợ quay đường kính $30\text{ mm}$ ghép bu-lông M4, gối đỡ vòng bi KP006, dây đai trơn rộng $5\text{ mm}$ và cơ cấu kẹp giữ hai đầu trục dạng chữ L.

Chương 3: Thực nghiệm

Chương 3 trình bày quy trình triển khai đo đạc thực nghiệm trên mô hình đã chế tạo. Các bước đo đạc được chuẩn hóa: kiểm tra độ song song của hai nhánh dây đai và phương vuông góc với trục; đặt lực gây xoắn tại vị trí cách đầu mút $60\text{ mm}$; lần lượt đo chuyển vị góc tại 12 vị trí (được đánh số từ 5 đến 16). Tại mỗi vị trí, góc quay chủ động $\beta$ được thay đổi từ 5° đến 55° (bước tăng 5°, tương ứng 12 lần đo cho mỗi vị trí, tạo ra 144 điểm đo cho một mẫu trục). Tác giả tiến hành thay đổi 3 thông số công nghệ in 3D của trục gồm độ dày lớp in, góc in và mật độ nhựa (mỗi thông số khảo sát ở 5 mức khác nhau), nâng tổng số lần thí nghiệm đo thực tế lên $(15 + 1) \times 144 = 2.304$ lần. Tín hiệu xung từ encoder được phần mềm GX Works 2 ghi nhận và lập bảng số liệu thực nghiệm để chuyển đổi sang độ lệch góc giữa góc quay chủ động $\beta$ và góc quay bị động $\alpha$.

Chương 4: Mô phỏng

Chương 4 bao gồm ba nội dung kỹ thuật chính:

  • Mô phỏng phần tử hữu hạn (ANSYS Workbench): Mô hình hình học từ SolidWorks được nhập vào môi trường kết cấu tĩnh (Static Structural) với vật liệu PLA-F. Lưới phần tử hữu hạn được chia ở cấp độ phần tử bậc hai (quadratic mesh order) với kích thước mắt lưới $1\text{ mm}$, tổng số lượng phần tử là 47.186 phần tử. Điều kiện biên được thiết lập: ngàm cố định hai đầu tại điểm C (khóa chuyển vị tịnh tiến theo phương X và Z), sử dụng lệnh Remote Displacement tại điểm đặt lực (A, B) để khống chế hướng chuyển vị và đặt góc xoay quanh phương Y từ 5° đến 55°. Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất tại điểm đặt lực ứng với góc quay 5° đạt $15,27\text{ MPa}$. Tác giả sử dụng các lệnh Directional Deformation và Deformation Probe để trích xuất chuyển vị góc tại các vị trí tương ứng với thực nghiệm.
  • Ứng dụng Mạng nơ-ron nhân tạo (MATLAB): Sử dụng công cụ nntool để xây dựng mô hình mạng nơ-ron truyền thẳng giải quyết bài toán dự đoán chuyển vị. Bộ dữ liệu gồm 5 biến đầu vào (Inputs: góc quay chủ động, vị trí đo, độ dày lớp in, mật độ nhựa, góc nghiêng khi in) và 1 biến đầu ra (Target: độ lệch giữa góc quay chủ động và góc quay bị động). Mạng được thiết lập với 1 lớp ẩn, số lượng nơ-ron ẩn được xác định qua các công thức thực nghiệm và phương pháp thử - sai. Quá trình huấn luyện (training) được thực hiện lặp lại cho đến khi hệ số hồi quy $R$ đạt giá trị trong khoảng từ 0,95 đến gần bằng 1, cho phép dự đoán chính xác các điểm biến dạng chưa được đo thực tế.
  • Tối ưu hóa bằng phương pháp Taguchi và ANOVA (Minitab 18): Thiết kế quy hoạch thực nghiệm với 5 yếu tố, mỗi yếu tố 5 mức:
Yếu tố Ký hiệu Đơn vị Mức 1 Mức 2 Mức 3 Mức 4 Mức 5
Góc xoay A Độ 5 15 30 40 55
Khoảng cách B cm 5 8 10 13 16
Lớp in C mm 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
Mật độ D % 80 85 90 95 100
Góc in E Độ 90 10 20 40 50

Phân tích tỷ số S/N chỉ ra tổ hợp thông số lý tưởng là A5B5C5D3E5 (tương ứng góc xoay 55°, khoảng cách 16 cm, độ dày lớp in 0,3 mm, mật độ nhựa 90%, góc in 90°). Phân tích giá trị trung bình (Means) xác định tổ hợp mức tối ưu là A5B5C3D3E5 (góc xoay 55°, khoảng cách 16 cm, lớp in 0,2 mm, mật độ nhựa 90%, góc in 90°). Biểu đồ phân tích độ dốc khẳng định hai biến A (góc xoay) và B (khoảng cách) có ảnh hưởng mạnh nhất đến hàm đáp ứng (GRG). Tiếp đó, mô hình tuyến tính tổng quát (Fit General Linear Model) của phương pháp ANOVA được thực hiện để đánh giá độ tin cậy và phân tích phương sai.

Chương 5: Kết luận

Chương 5 thực hiện việc đối sánh giữa dữ liệu đo đạc thực nghiệm trên bàn thử với kết quả mô phỏng số trên phần mềm ANSYS. Tác giả tổng kết các kết quả đạt được về tính khả thi của mô hình đo, độ chính xác của cơ cấu khớp mềm in 3D và đề xuất một số nhận định kỹ thuật tổng quan phục vụ cho quá trình chế tạo thực tế.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại các kết quả định lượng cụ thể được trích xuất trực tiếp từ các bước đo đạc và tính toán:

  • Số liệu chế tạo và thử nghiệm thực nghiệm:
    • Hoàn thiện mô hình đo với kết cấu cơ khí chính xác: đế nhôm phay CNC dày $10\text{ mm}$ và $5\text{ mm}$; cơ cấu Large Deformation Hinge kích thước $270 \times 20 \times 20\text{ mm}$ (thân chữ thập dài $250\text{ mm}$).
    • Đã thực hiện tổng cộng 2.304 phép đo thực tế trên phần mềm GX Works 2 thông qua bộ đếm xung encoder kết nối PLC, khảo sát đầy đủ 12 vị trí từ vị trí 5 đến 16 với các góc quay chủ động từ 5° đến 55°.
  • Số liệu mô phỏng ANSYS Workbench:
    • Thiết lập thành công mô hình phần tử hữu hạn với 47.186 phần tử bậc hai (quadratic), kích thước lưới $1\text{ mm}$.
    • Xác định ứng suất tương đương tại điểm đặt lực khi cơ cấu xoay một góc 5° là $15,27\text{ MPa}$. Vị trí chịu biến dạng lớn nhất tập trung tại vùng đặt mô-men (điểm A, B) và giảm dần đều về hai phía ngàm cố định.
  • Kết quả mô hình học máy ANN:
    • Huấn luyện thành công mạng nơ-ron 1 lớp ẩn với 5 thông số đầu vào và 1 thông số đầu ra. Quá trình đào tạo đạt hệ số tương quan $R$ trong khoảng $0,95 - 1$, đảm bảo độ tin cậy cao cho việc nội suy và dự đoán dữ liệu chuyển vị còn thiếu.
  • Kết quả tối ưu hóa Taguchi:
Phương pháp phân tích Ký hiệu tổ hợp tối ưu Thông số cụ thể tương ứng
Phân tích tỷ số S/N A5B5C5D3E5 Góc xoay: 55°
Khoảng cách: 16 cm
Độ dày lớp in: 0,3 mm
Mật độ nhựa: 90%
Góc in: 90°
Phân tích giá trị trung bình (Means) A5B5C3D3E5 Góc xoay: 55°
Khoảng cách: 16 cm
Độ dày lớp in: 0,2 mm
Mật độ nhựa: 90%
Góc in: 90°

Kết quả phân tích độ dốc chỉ rõ: Biến góc xoay chủ động (A) và biến khoảng cách/vị trí đo (B) là hai yếu tố có tác động chi phối mạnh nhất đến biến dạng góc của cơ cấu, trong khi các yếu tố về góc in (E), mật độ nhựa (D) và độ dày lớp in (C) có mức độ ảnh hưởng thấp hơn.

Đóng góp mới mà nhóm tác giả tự nêu: Đề tài đã xây dựng và kiểm chứng thành công một phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng hoàn chỉnh cho cơ cấu khớp mềm biến dạng lớn. Thay vì chỉ phân tích lý thuyết thuần túy, nhóm đã chế tạo được bàn đo phần cứng hoạt động ổn định sử dụng cảm biến encoder và PLC, kết hợp đồng bộ công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn (ANSYS), mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (MATLAB) để dự báo số liệu và phương pháp Taguchi/ANOVA (Minitab) để xác định rõ quy luật tác động của các thông số in 3D đến đặc tính làm việc của cơ cấu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các giới hạn kỹ thuật được trình bày trong văn bản:

  • Hạn chế:
    • Mẫu thử nghiệm trong đồ án chỉ tập trung vào một loại vật liệu in 3D duy nhất là nhựa nhiệt dẻo PLA-F (Filoalfa) với công nghệ FDM, chưa đối chứng cơ tính với các vật liệu in khác (như ABS, PETG, Nylon) hoặc các công nghệ in bột/chất lỏng khác (SLA, SLS).
    • Phạm vi khảo sát góc quay chủ động mới dừng lại trong khoảng từ 5° đến 55°, chưa mở rộng đến dải góc xoay cực hạn của cơ cấu để xác định điểm phá hủy dẻo.
    • Vị trí đo bị giới hạn trên 12 điểm cách đều dọc trục (từ vị trí 5 cm đến 16 cm); văn bản chưa khảo sát chi tiết hiện tượng suy giảm đàn hồi và độ bền mỏi sau chu kỳ nhiều lần biến dạng xoắn lặp lại.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng khảo sát biến dạng trên các vật liệu in kỹ thuật có độ bền cao hơn hoặc các phương pháp chế tạo tiên tiến như in 3D kim loại (SLM/EBM).
    • Tăng cường dải đo góc quay vượt quá 55° để khảo sát trạng thái phi tuyến hình học sâu hơn.
    • Tích hợp thêm các cảm biến đo mô-men xoắn trực tiếp và phân tích độ bền mỏi chu kỳ cao của khớp mềm chữ thập dưới các tần số kích động khác nhau.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho các đối tượng người đọc sau:

  • Sinh viên và học viên cao học ngành Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử: Cung cấp giải pháp mẫu hoàn chỉnh về quy trình thiết kế đồ gá đo lường cơ khí chính xác, phương pháp tích hợp cảm biến encoder với PLC công nghiệp (phần mềm GX Works 2) để thu thập dữ liệu chuyển vị góc vi sai.
  • Người nghiên cứu về cơ cấu mềm (Compliant Mechanisms) và công nghệ in 3D: Phần thiết kế kết cấu chữ thập của trục Large Deformation Hinge và các bảng thông số quy hoạch thực nghiệm Taguchi là tài liệu tham khảo trực tiếp để thiết lập chế độ in (layer height, infill, printing angle) nhằm tối ưu hóa độ đàn hồi.
  • Kỹ sư mô phỏng và phân tích dữ liệu: Chương 4 là tài liệu hướng dẫn từng bước về: (1) thiết lập điều kiện biên Remote Displacement và chia lưới phần tử hữu hạn bậc hai trong ANSYS Static Structural; (2) sử dụng công cụ nntool trong MATLAB để huấn luyện mạng nơ-ron dự đoán dữ liệu kỹ thuật; (3) ứng dụng phần mềm Minitab 18 để lập mảng trực giao Taguchi, phân tích tỷ số S/N, giá trị trung bình và phân tích phương sai ANOVA.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu "Large Deformation Hinge" trong đồ án có kích thước và đặc điểm hình học như thế nào?

Cơ cấu có kích thước tổng thể là $270 \times 20 \times 20\text{ mm}$. Cấu trúc gồm hai phần: hai đầu mút là hai khối vuông đặc kích thước $20 \times 20 \times 10\text{ mm}$ dùng để kẹp cố định, và phần thân làm việc ở giữa có chiều dài $250\text{ mm}$ với tiết diện hình chữ thập đối xứng bao trong kích thước $20 \times 20\text{ mm}$.

2. Mô hình đo thực nghiệm thu thập và chuyển đổi dữ liệu góc quay bằng cách nào?

Biến dạng góc của cơ cấu tại vị trí đo được truyền động qua dây đai trơn bản rộng $5\text{ mm}$ đến bánh quay của cảm biến Encoder. Tín hiệu xung vi sai từ Encoder được đọc bởi PLC thông qua chương trình lập trình trên phần mềm GX Works 2. Số lượng xung sau đó được trích xuất vào bảng tính Excel để quy đổi tuyến tính từ giá trị xung sang độ (°) nhằm xác định độ lệch góc giữa trục chủ động và trục bị động.

3. Các biến đầu vào và đầu ra khi thiết lập mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trong MATLAB gồm những thông số nào?

Mạng nơ-ron trong đồ án sử dụng 5 thông số đầu vào (Inputs) gồm: Góc quay chủ động, Vị trí đo, Độ dày lớp in, Mật độ nhựa và Góc nghiêng khi in. Đầu ra mục tiêu (Target) là 1 thông số: Độ lệch giữa góc quay chủ động và góc quay bị động. Mạng được cấu hình với 1 lớp ẩn và huấn luyện đạt hệ số tương quan $R$ trong khoảng $0,95 - 1$.

4. Kết quả phân tích Taguchi trên Minitab chỉ ra tổ hợp thông số tối ưu nào cho tỷ số S/N và giá trị trung bình?

Tổ hợp tối ưu theo phân tích tỷ số S/N là A5B5C5D3E5, tương ứng với: Góc xoay 55°, Khoảng cách đo 16 cm, Độ dày lớp in 0,3 mm, Mật độ nhựa 90% và Góc in 90°. Tổ hợp tối ưu theo phân tích giá trị trung bình (Means) là A5B5C3D3E5, tương ứng với: Góc xoay 55°, Khoảng cách đo 16 cm, Độ dày lớp in 0,2 mm, Mật độ nhựa 90% và Góc in 90°.

5. Mô hình mô phỏng tĩnh trên ANSYS Workbench được thiết lập lưới và điều kiện biên ra sao?

Mô hình kết cấu tĩnh được chia lưới phần tử bậc hai (quadratic) với kích thước mắt lưới $1\text{ mm}$, tổng số lượng phần tử đạt 47.186 phần tử. Điều kiện biên ngàm cố định hai đầu tại điểm C (khóa tịnh tiến theo phương X và Z), sử dụng lệnh Remote Displacement tại điểm đặt lực để điều khiển góc quay quanh trục Y từ 5° đến 55°. Kết quả ghi nhận tại góc quay 5°, ứng suất sinh ra trên cơ cấu đạt $15,27\text{ MPa}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống phần cứng đo chuyển vị góc cho cơ cấu khớp mềm biến dạng lớn "Large Deformation Hinge" chế tạo bằng công nghệ in 3D FDM từ vật liệu PLA-F. Nghiên cứu đã hoàn thành khối lượng thực nghiệm lớn với 2.304 phép đo qua hệ thống PLC - Encoder, kết hợp đối sánh chặt chẽ với mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn 47.186 phần tử trên ANSYS và xây dựng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo MATLAB đạt hệ số tin cậy $R \approx 0,95 - 1$. Thông qua quy hoạch thực nghiệm Taguchi và phân tích phương sai ANOVA trên Minitab 18, nhóm tác giả đã xác định chính xác các tổ hợp thông số công nghệ in tối ưu (A5B5C5D3E5 và A5B5C3D3E5), đồng thời chứng minh góc xoay chủ động và vị trí đo là hai yếu tố chi phối mạnh mẽ nhất đến đặc tính chuyển vị của khớp mềm.