Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phát triển và thiết kế hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm trong hệ thống định vị chính xác

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phát triển và thiết kế hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm trong hệ thống định vị chính xác.

• Tác giả: Trương Phan Nhựt Biên
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Phan Hưng
• 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 và thiết kế hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm trong hệ thống định vị chính xác
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lời nói đầu
• 1.2. Tổng quan về đề tài
• 1.3. Mục tiêu đề tài
• 1.4. Phạm vi đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ cấu mềm là gì?
• 2.2. Sự ra đời của cơ cấu mềm
• 2.3. Ưu điểm của cơ cấu mềm
• 2.4. Thách thức của cơ cấu mềm
• 2.5. Ứng dụng của cơ cấu mềm
• 2.6. Các ứng dụng của LabVIEW
• 2.6.1. Giới thiệu về bộ thu thập dữ liệu I/O NI USB-6001
• 2.6.2. Sơ đồ chân và thông số của NI USB-6001
• 2.7. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA)
• 2.8. Hệ thống đo kiểm
• 2.8.1. Yêu cầu đặt ra đối với cơ cấu mềm
• 2.8.2. Ý tưởng thiết kế
• 2.8.3. Tính toán, mô phỏng dựa trên phân tích phần tử hữu hạn (FEA)
• 2.8.4. Tối ưu hoá cơ cấu mềm
• 2.8.5. Sử dụng biến đã tối ưu cho cơ cấu mềm. Mô phỏng tần số
• 2.9. Thiết kế hệ thống điện
• 2.9.1. Lựa chọn cảm biến
• 2.9.2. Đồng hồ so điện tử
• 2.9.3. Sơ đồ kết nối hệ thống điện
• 2.10. Lập trình LabVIEW
• 2.10.1. Cách lấy dữ liệu
• 2.10.2. Một số khối được sử dụng cho đồ án
• 3. CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP HỆ THỐNG
• 3.1. Chế tạo cơ cấu mềm
• 3.2. Lắp ráp hệ thống điện
• 3.3. Lập trình LabVIEW
• 3.3.1. Các bước tiến hành
• 3.3.2. Đo chuyển vị của cơ cấu mềm bằng đồng hồ so
• 3.3.3. Đo chuyển vị cơ cấu mềm bằng hệ thống điện
• 3.3.4. Kết quả, thảo luận
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Những công việc đạt được
• 6.2. Phương hướng phát triển
• Tài liệu tham khảo
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Tổng quan

Đề tài 'Nghiên cứu phát triển và thiết kế hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm trong hệ thống định vị chính xác' tập trung vào việc phát triển một hệ thống điều khiển điện nhằm đo lường và phân tích đặc tính đầu ra của bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm. Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, việc ứng dụng công nghệ điều khiển và cơ cấu mềm ngày càng trở nên quan trọng. Đề tài không chỉ giúp nâng cao hiệu quả trong việc đo lường mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này. Nhóm nghiên cứu đã áp dụng các kiến thức lý thuyết và thực tiễn để thiết kế một hệ thống có khả năng hoạt động chính xác và hiệu quả.

1.1 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu chính của đề tài là phát triển một hệ thống điều khiển điện có khả năng đo lường đặc tính đầu ra của bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm. Đề tài hướng đến việc tìm hiểu sâu về cơ cấu mềm, từ đó thiết kế và chế tạo một hệ thống có thể đáp ứng yêu cầu đo lường chính xác. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao kiến thức về công nghệ điều khiển mà còn tạo ra những sản phẩm có giá trị thực tiễn trong ngành công nghiệp. Nhóm nghiên cứu mong muốn kết quả của đề tài sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu và phát triển tiếp theo trong lĩnh vực này.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về cơ cấu mềm và ứng dụng của nó trong hệ thống điều khiển. Cơ cấu mềm được định nghĩa là một thiết bị có khả năng truyền hoặc biến đổi chuyển động, lực hoặc năng lượng mà không cần sử dụng các thành phần cứng truyền thống. Sự phát triển của cơ cấu mềm đã mở ra nhiều cơ hội mới trong thiết kế và ứng dụng trong các lĩnh vực như y tế, robot và tự động hóa. Việc áp dụng công nghệ điều khiển trong việc đo lường đặc tính đầu ra của cơ cấu mềm là một bước tiến quan trọng, giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong các ứng dụng thực tiễn.

2.1 Cơ cấu mềm là gì

Cơ cấu mềm là một loại cơ cấu có khả năng biến đổi chuyển động và lực mà không cần sử dụng các thành phần cứng truyền thống. Điều này cho phép cơ cấu mềm có tính linh hoạt cao hơn, giúp nó có thể hoạt động trong nhiều điều kiện khác nhau. Các ứng dụng của cơ cấu mềm rất đa dạng, từ robot đến các thiết bị y tế, nhờ vào khả năng thích ứng và độ chính xác cao. Việc nghiên cứu và phát triển cơ cấu mềm không chỉ giúp nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho các nghiên cứu trong tương lai.

III. Thiết kế hệ thống điều khiển

Thiết kế hệ thống điều khiển điện cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm là một phần quan trọng trong đề tài. Hệ thống này bao gồm các cảm biến, bộ điều khiển và phần mềm lập trình để thu thập và phân tích dữ liệu. Việc lựa chọn cảm biến phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong việc đo lường. Phần mềm LabVIEW được sử dụng để lập trình và điều khiển hệ thống, cho phép thu thập dữ liệu một cách hiệu quả. Hệ thống điều khiển này không chỉ giúp đo lường chính xác mà còn có khả năng tự động hóa quá trình kiểm tra và phân tích, từ đó nâng cao hiệu quả làm việc.

3.1 Lựa chọn cảm biến

Việc lựa chọn cảm biến cho hệ thống điều khiển là một yếu tố quyết định đến độ chính xác và hiệu quả của quá trình đo lường. Các cảm biến được sử dụng trong đề tài cần phải đáp ứng các yêu cầu về độ nhạy, độ chính xác và khả năng tương thích với cơ cấu mềm. Các loại cảm biến như cảm biến quang, cảm biến điện tử được xem xét và đánh giá để lựa chọn ra loại phù hợp nhất. Sự kết hợp giữa cảm biến và hệ thống điều khiển sẽ tạo ra một giải pháp hoàn chỉnh cho việc đo lường và phân tích đặc tính đầu ra của bộ định vị.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả của đề tài cho thấy hệ thống điều khiển điện được thiết kế có khả năng đo lường chính xác đặc tính đầu ra của bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm. Các thí nghiệm thực hiện đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của hệ thống trong việc thu thập và phân tích dữ liệu. Những kết quả này không chỉ khẳng định giá trị của đề tài mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này. Việc áp dụng công nghệ điều khiển trong các ứng dụng thực tiễn sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và chế tạo trong ngành công nghiệp.

4.1 Đánh giá khả năng ứng dụng

Đề tài đã chứng minh được khả năng ứng dụng của hệ thống điều khiển điện trong việc đo lường đặc tính đầu ra của cơ cấu mềm. Các kết quả thu được từ thí nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và chính xác, đáp ứng được yêu cầu của đề tài. Việc áp dụng công nghệ điều khiển trong các lĩnh vực khác nhau sẽ mang lại nhiều lợi ích, từ việc nâng cao hiệu quả sản xuất đến việc cải thiện chất lượng sản phẩm. Đề tài không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn cao, mở ra nhiều cơ hội cho các nghiên cứu và phát triển trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa và cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, các hệ thống cơ khí chính xác đòi hỏi chất lượng ngày càng cao, vận hành bền bỉ, an toàn và tối ưu chi phí chế tạo. Trong các cơ cấu truyền động truyền thống (cơ cấu thân cứng), chuyển động được hình thành từ các khớp nối bản lề hoặc khớp trượt cơ học. Nhược điểm cố hữu của cơ cấu thân cứng là hiện tượng ma sát, mài mòn bề mặt, khe hở tiếp xúc và độ rơ (backlash), dẫn đến sự suy giảm độ chính xác định vị theo thời gian cũng như phát sinh rung động và tiếng ồn. Để khắc phục các hạn chế này, cơ cấu mềm (compliant mechanism) được nghiên cứu ứng dụng như một giải pháp thay thế hiệu quả. Cơ cấu mềm tạo ra chuyển động dựa trên sự biến dạng đàn hồi linh hoạt của chính vật liệu thay vì các khớp quay trượt tiếp xúc, giúp triệt tiêu hoàn toàn ma sát cơ học, loại bỏ yêu cầu bôi trơn và cho phép chế tạo nguyên khối.

Bên cạnh sự phát triển của cơ cấu vi định vị, các hệ thống đo lường và thu thập dữ liệu đóng vai trò quyết định trong việc đánh giá và kiểm soát chất lượng sản phẩm công nghiệp. Việc đo đạc, kiểm thử thực nghiệm đặc tính chuyển vị của các cơ cấu mềm chính xác cao đòi hỏi hệ thống đo kiểm điện tử có tốc độ lấy mẫu nhanh, độ phân giải cao và khả năng khử nhiễu tốt. Trong khi việc nghiên cứu và đo kiểm cơ cấu mềm đã phổ biến tại nhiều quốc gia trên thế giới, các công trình tiếp cận toàn diện từ khâu thiết kế, mô phỏng tối ưu đến xây dựng hệ thống điện đo kiểm tự động tại Việt Nam vẫn còn tương đối hạn chế. Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu phát triển và thiết kế hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm trong hệ thống định vị chính xác" (Mã số đề tài: 221DT09) được thực hiện bởi sinh viên Trương Phan Nhựt Biên và Nguyễn Đình Hiệp, dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Phan Hưng và GVC. Đặng Minh Phụng tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, nhằm giải quyết bài toán thiết kế cơ cấu vi định vị và tích hợp hệ thống đo kiểm tự động tương ứng.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo văn bản gồm hai nội dung chính:

1. Tìm tòi và nghiên cứu sâu hơn về lý thuyết cơ cấu mềm; thực hiện tính toán, mô phỏng và thiết kế cơ cấu mềm khuếch đại chuyển vị.
2. Tìm hiểu về hệ thống điều khiển đo kiểm chính xác; thiết kế và hoàn thiện hệ điều khiển điện đo đặc tính chuyển vị đầu ra cho cơ cấu mềm đã chế tạo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

• Đối tượng nghiên cứu: Bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm khuếch đại chuyển vị và hệ thống điện thu thập dữ liệu đo kiểm đặc tính đầu ra.
• Phạm vi kỹ thuật: Cơ cấu mềm được thiết kế với 1 bậc tự do (1 DOF), đảm bảo hệ số an toàn tĩnh lớn hơn 1,8 và hệ số khuếch đại chuyển vị đầu ra lớn hơn 10 lần. Hệ thống điện đo kiểm sử dụng card thu thập dữ liệu DAQ kết hợp cảm biến laser quang học, được lập trình điều khiển và hiển thị dữ liệu chuyển vị thời gian thực thông qua phần mềm LabVIEW, có sự đối sánh với đồng hồ so điện tử tiêu chuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ cấu mềm là hệ thống cơ học có khả năng truyền hoặc biến đổi chuyển động, tải trọng và năng lượng dựa trên sự biến dạng đàn hồi của các phần tử dẻo. Khác với cơ cấu thân cứng truyền thống vốn phụ thuộc vào các chốt xoay hay con trượt, cơ cấu mềm sở hữu các đặc tính kỹ thuật nổi bật: giảm thiểu số lượng chi tiết cấu thành, khả năng gia công phẳng nguyên khối từ một tấm phôi duy nhất (thông qua cắt dây EDM, cắt laser hoặc in 3D), tiết kiệm không gian lắp ráp, loại bỏ khe hở cơ học và không cần dầu mỡ bôi trơn. Nhờ đó, cơ cấu mềm đặc biệt phù hợp trong môi trường chân không, công nghệ hàng không vũ trụ, thiết bị y tế và hệ thống vi cơ điện tử (MEMS). Tuy nhiên, việc tính toán cơ cấu mềm gặp phải thách thức lớn do ứng xử biến dạng phi tuyến hình học, sự tích trữ thế năng đàn hồi bên trong các khớp uốn và vấn đề độ bền mỏi dưới tải trọng chu kỳ.

Bộ phận cốt lõi của cơ cấu mềm là các khớp bản lề uốn (flexure hinges). Dựa trên hình học mặt cắt, khớp mềm được phân loại thành dạng khớp notch đơn giản (khớp hình tròn, khớp bo cong góc, khớp hình chữ V, khớp hình elip, khớp hình parabol, khớp hình hyperbol) và các khớp phức tạp (khớp dải chéo, khớp kiểu bánh xe). Trong đồ án này, nhóm tác giả lựa chọn khớp uốn bo tròn đối xứng để ứng dụng vào cơ cấu đòn bẩy khuếch đại.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai kết hợp giữa mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng:

• Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA/FEM): Sử dụng phần mềm ANSYS 19 để rời rạc hóa hình học cơ cấu thành mạng lưới phần tử hữu hạn, thiết lập các điều kiện biên cố định và đặt tải trọng đầu vào. Mô phỏng tĩnh học giúp xác định trường ứng suất tập trung tại các khớp uốn, tính toán hệ số an toàn và chuyển vị đầu ra. Phân tích dao động riêng (Modal Analysis) được thực hiện để xác định các tần số dao động tự nhiên của hệ thống.
• Phương pháp tối ưu hóa bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM): Kết hợp chặt chẽ với FEA nhằm thiết lập ma trận thí nghiệm số, khảo sát mức độ tương quan giữa các biến kích thước hình học then chốt với chuyển vị đầu ra, từ đó xác định bộ thông số kích thước tối ưu cho cơ cấu.
• Phương pháp thu thập dữ liệu thực nghiệm (Data Acquisition): Tích hợp phần cứng card chuyển đổi tương tự - số (ADC) đa chức năng NI USB-6001 kết hợp trình điều khiển NI-DAQmx. Hệ thống sử dụng cảm biến dịch chuyển laser công nghiệp để đo khoảng cách không tiếp xúc và đồng hồ so điện tử để đo kiểm chứng chuyển vị đầu vào/đầu ra.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu hình học được xây dựng trên phần mềm thiết kế Autodesk Inventor; thông số cơ tính vật liệu trích xuất từ cơ sở dữ liệu kỹ thuật của hợp kim nhôm Al 7075; tín hiệu điện áp đo đạc thực tế từ cảm biến quang học truyền qua card DAQ về máy tính xử lý.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật của đề tài được triển khai đồng bộ qua hai phân hệ: phân hệ kết cấu cơ khí chính xác và phân hệ điện điều khiển - đo lường tự động.

Thiết kế và tối ưu hóa kết cấu cơ cấu mềm

Cơ cấu mềm được thiết kế dựa trên nguyên lý đòn bẩy đa tầng nhằm khuếch đại vi chuyển vị từ đầu vào đến bàn dịch chuyển đầu ra. Tỷ số khuếch đại lý thuyết của một cánh tay đòn được xác định theo tỷ lệ khoảng cách hình học:

$$\text{Độ khuếch đại} = \frac{y_2}{y_1} = \frac{x_2}{x_1}$$

Nhằm đảm bảo chuyển động thẳng thuần túy và triệt tiêu chuyển vị ký sinh theo các phương không mong muốn, nhóm tác giả xây dựng kết cấu đối xứng hoàn toàn gồm 3 tầng khuếch đại đối xứng qua trục tâm. Hai phương án thiết kế ban đầu đã được xây dựng, trong đó phương án thứ hai được lựa chọn để tiến hành mô phỏng chi tiết do tính cân bằng cơ học và tính khả thi trong gia công.

Vật liệu được lựa chọn để chế tạo cơ cấu là hợp kim nhôm Al T73-7075 nhờ giới hạn bền kéo cao, khối lượng riêng thấp và giới hạn đàn hồi tốt, giúp các khớp uốn chịu được biến dạng uốn chu kỳ mà không bị phá hủy dẻo.

Thông số vật liệu	Ký hiệu / Đơn vị	Giá trị kỹ thuật
Nhôm (Aluminium)	Al (%)	90,00
Kẽm (Zinc)	Zn (%)	5,23
Giới hạn bền kéo	$\sigma_b$ (MPa)	503
Mô-đun đàn hồi đàn hồi	$E$ (MPa)	71.700
Khối lượng riêng	$\rho$ ($\text{kg/m}^3$)	2.810
Hệ số Poisson	$\nu$	0,33

Cơ cấu có kích thước chiều dài tổng thể đặc trưng $a = 322,5\text{ mm}$. Quá trình phân tích FEA trên phần mềm ANSYS 19 được thiết lập với các điều kiện biên: ngàm cố định tại các vị trí lỗ bắt bulông trên thân bệ, áp đặt chuyển vị cưỡng bức hoặc lực tại điểm đặt đầu vào, và giám sát biến dạng tại điểm thu nhận đầu ra. Kết quả cho thấy ứng suất tương đương von-Mises tập trung lớn nhất tại các cổ thắt của khớp uốn bo tròn. Bằng việc kết hợp phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) với các biến thiết kế hình học ($S_1, S_2$), nhóm nghiên cứu đã xác định được cấu hình tối ưu đảm bảo hệ số an toàn lớn hơn 1,8.

Bên cạnh phân tích tĩnh, phân tích dao động (Modal Analysis) đã trích xuất 6 dạng dao động tự nhiên đầu tiên của cơ cấu, tương ứng với các tần số riêng: 125 Hz, 268 Hz, 309 Hz, 341 Hz, 351 Hz và 358 Hz. Việc xác định các tần số này cho phép đánh giá dải tần công tác an toàn, tránh cộng hưởng động lực học khi cơ cấu vận hành ở tốc độ cao.

Thiết kế hệ thống điện và tích hợp thiết bị đo kiểm

Hệ thống điều khiển điện có chức năng cung cấp nguồn ổn định, thu thập tín hiệu dịch chuyển vi mô từ cảm biến quang và truyền về máy tính để số hóa. Trung tâm xử lý tín hiệu là bộ thu thập dữ liệu NI USB-6001 của hãng National Instruments.

Đặc tính kỹ thuật	Cấu hình trên NI USB-6001
Chuẩn giao tiếp máy tính	USB (hỗ trợ Windows, Linux, macOS)
Kênh ngõ vào tương tự (Analog Input)	8 kênh Single-ended hoặc 4 kênh Differential (vi sai)
Độ phân giải bộ chuyển đổi ADC	14-bit
Tốc độ lấy mẫu tối đa ngõ vào	20 kS/s
Ngưỡng điện áp ngõ vào định mức	$\pm 10\text{ V}$
Kênh ngõ ra tương tự (Analog Output)	2 kênh (14-bit, 5 kS/s, $\pm 10\text{ V}$, dòng $\pm 5\text{ mA}$)
Kênh vào/ra số (Digital I/O)	Port 0 (8 kênh), Port 1 (4 kênh), Port 2 (1 kênh)

Trong hệ thống đo đạc, nhóm tác giả khảo sát các dòng cảm biến laser công nghiệp chuyên dụng gồm Keyence LK-030 (kết nối bộ xử lý LK-2000) và dòng Keyence LK-G15, LK-G30 (kết nối bộ điều khiển LK-G3001). Tín hiệu điện áp ngõ ra tương tự (tỷ lệ tuyến tính với khoảng cách dịch chuyển của bề mặt đo) được đưa vào kênh Analog Input của card NI USB-6001 theo cấu hình đo vi sai (Differential) hoặc RSE (Referenced Single Ended) để triệt tiêu nhiễu đất. Nguồn cấp cho các bộ điều khiển cảm biến sử dụng nguồn tổ ong 24 VDC công nghiệp.

Về chế tạo và bố trí thực nghiệm:

• Cơ cấu mềm được gia công cắt dây tia lửa điện (Wire-EDM) từ phôi nhôm Al 7075 nguyên khối nhằm đảm bảo độ chính xác biên dạng khớp uốn và tránh nhiệt luyện cục bộ gây biến tính vật liệu.
• Cơ cấu sau gia công được định vị và gá chặt trên mặt bàn chống rung quang học để cô lập các dao động môi trường xung quanh.
• Tại đầu vào, một cơ cấu vít vi chỉnh cơ khí chính xác được lắp đặt kèm theo đồng hồ so điện tử tiếp xúc để tạo và kiểm soát lượng dịch chuyển cưỡng bức đầu vào.
• Tại đầu ra của cơ cấu mềm, đầu đo cảm biến laser Keyence được gá đặt vuông góc với bề mặt phản xạ để đo không tiếp xúc lượng chuyển vị khuếch đại.

Chương trình phần mềm được xây dựng trong môi trường LabVIEW dựa trên kiến trúc luồng dữ liệu (Dataflow) kết hợp thư viện NI-DAQmx. Cấu trúc chương trình sử dụng khối hỗ trợ cấu hình tác vụ phần cứng (DAQ Assistant) và chuỗi hàm cấp thấp bao gồm: DAQmx Timing (thiết lập tần số lấy mẫu và chế độ đọc liên tục), DAQmx Read (đọc mảng giá trị điện áp số hóa từ bộ đệm ADC), DAQmx Wait Until Done (đồng bộ chu kỳ đo lường) và DAQmx Clear Task (giải phóng tài nguyên phần cứng khi dừng chương trình). Tín hiệu điện áp thu thập được thuật toán nội suy quy đổi trực tiếp sang độ dịch chuyển cơ học ($\mu\text{m}$) và hiển thị trực quan dạng đồ thị sóng theo thời gian thực trên giao diện người dùng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu thu thập dữ liệu phục vụ điều khiển chính xác trong công nghiệp 4.0 và xu thế ứng dụng cơ cấu mềm thay thế cơ cấu cứng truyền thống. Chương này công bố mục tiêu nghiên cứu (tính toán, thiết kế cơ cấu mềm và xây dựng hệ thống điện đo đặc tính đầu ra), phạm vi giới hạn của đề tài (cơ cấu 1 bậc tự do, hệ số khuếch đại $> 10$, hệ số an toàn $> 1,8$, sử dụng NI USB-6001 và LabVIEW) cùng phương pháp luận nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng số và thực nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung hệ thống hóa nền tảng lý thuyết về cơ cấu mềm, phân tích nguồn gốc phát triển lịch sử từ các công cụ tích trữ năng lượng cổ đại (cung tên, máy bắn đá) đến bản lề bìa sách và các kết cấu vi cơ điện tử hiện đại. Tác giả phân tích chuyên sâu các ưu điểm (giảm chi tiết, không cần bôi trơn, không có độ rơ, trọng lượng nhẹ) và thách thức kỹ thuật (phi tuyến hình học, ứng suất mệt mỏi, chuyển vị góc bị giới hạn). Chương này cũng phân loại chi tiết các dạng khớp uốn trục đơn kiểu notch và khớp phức tạp; giới thiệu cấu trúc phần mềm LabVIEW; tổng quan cấu hình phần cứng card NI USB-6001; nguyên lý phương pháp phần tử hữu hạn (FEA); và kiến trúc thư viện điều khiển NI-DAQmx.

Chương 3: Thiết kế tính toán

Chương 3 là phần trọng tâm về kỹ thuật tính toán của đồ án. Tác giả xác lập yêu cầu thiết kế và phân tích nguyên lý khuếch đại đòn bẩy đối xứng 3 tầng, lựa chọn khớp uốn bo tròn và hợp kim nhôm Al T73-7075. Mô hình 3D được xây dựng trên Inventor và nhập vào ANSYS 19 để chia lưới, gán điều kiện biên và giải bài toán tĩnh học (FEA). Quy trình tối ưu hóa bề mặt đáp ứng (RSM) kết hợp FEA được thực hiện nhằm khảo sát tương quan các biến thiết kế $S_1, S_2$ với chuyển vị đầu ra. Phân tích dao động riêng trích xuất 6 tần số dao động tự nhiên (125 Hz đến 358 Hz). Phần sau của chương trình bày sơ đồ thiết kế hệ thống điện, so sánh các cảm biến laser Keyence (LK-030, LK-G series), sơ đồ kết nối chân bộ điều khiển LK-2000, nguồn 24 VDC và cấu trúc các hàm lập trình NI-DAQmx trong LabVIEW.

Chương 4: Chế tạo và lắp ráp

Chương 4 ghi lại toàn bộ quy trình triển khai phần cứng thực nghiệm. Cơ cấu mềm sau khi tối ưu được gia công hoàn thiện bằng phương pháp cắt dây EDM từ khối nhôm 7075. Hệ thống thực nghiệm được lắp ráp hoàn chỉnh trên bàn chống rung, bao gồm: gá lắp cơ cấu mềm, lắp đặt cụm vít đẩy vi chỉnh và đồng hồ so điện tử tại vị trí đầu vào, cố định cảm biến laser quang học tại vị trí đầu ra, đấu nối dây tín hiệu từ bộ điều khiển cảm biến về card NI USB-6001 và kết nối máy tính. Mã lệnh đồ họa trên LabVIEW được cấu hình hoàn chỉnh để sẵn sàng ghi nhận dữ liệu đo.

Chương 5: Kết quả và thảo luận

Chương 5 mô tả quy trình thực nghiệm và tổng hợp các số liệu đo lường. Tác giả tiến hành kích hoạt chuyển vị đầu vào bằng vít cơ khí, ghi nhận lượng dịch chuyển đầu vào qua đồng hồ so điện tử, sau đó đo lường chuyển vị khuếch đại ở đầu ra qua hai phương thức độc lập: dùng đồng hồ so cơ/điện tử và dùng hệ thống cảm biến laser tích hợp phần cứng điện tử NI USB-6001. Số liệu thực nghiệm được đối chiếu trực tiếp với kết quả mô phỏng số FEA để đánh giá sai số, thảo luận về độ tuyến tính, hệ số khuếch đại thực tế và độ tin cậy của chuỗi đo kiểm.

Chương 6: Kết luận và phương hướng phát triển

Chương 6 tóm tắt các kết quả kỹ thuật đã hoàn thành: thiết kế thành công cơ cấu mềm 1 bậc tự do có hệ số khuếch đại $> 10$, ứng dụng hiệu quả phương pháp FEA kết hợp RSM, chế tạo thành công mẫu cơ cấu bằng cắt dây và hoàn thiện hệ thống đo kiểm điện tử tự động trên LabVIEW. Đồng thời, chương này chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện tại và đề xuất các phương hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn bộ các mục tiêu thiết kế và chế tạo đặt ra, thể hiện qua các kết quả định lượng cụ thể:

• Thiết kế và chế tạo thành công bộ vi định vị cơ cấu mềm 3 tầng khuếch đại đối xứng 1 bậc tự do bằng vật liệu Al T73-7075, đáp ứng yêu cầu hệ số an toàn tĩnh lớn hơn 1,8 dưới điều kiện làm việc định mức.
• Hệ số khuếch đại chuyển vị thực tế của cơ cấu đạt trên 10 lần, đáp ứng đúng chỉ tiêu kỹ thuật đã đặt ra ở mục tiêu đề tài.
• Xây dựng thành công chuỗi đo kiểm tự động bằng cảm biến laser quang học tích hợp card thu thập dữ liệu NI USB-6001 và phần mềm LabVIEW, cho phép thu thập tín hiệu liên tục, hiển thị và lưu trữ số liệu dịch chuyển với sai số nhỏ.

Bảng tổng hợp đối sánh kết quả chuyển vị giữa các phương pháp nghiên cứu trong đồ án:

Đại lượng / Phương pháp	Kết quả mô phỏng FEA (ANSYS)	Đo kiểm bằng đồng hồ so	Đo kiểm bằng hệ thống điện (Laser + DAQ)
Chuyển vị đầu vào	Áp đặt giá trị bước dịch chuyển danh định	Đo trực tiếp bằng đầu đo vít vi chỉnh / đồng hồ so	Đồng bộ theo bước dịch chuyển đầu vào
Chuyển vị đầu ra	Tính toán từ biến dạng phần tử hữu hạn	Ghi nhận trực tiếp trên mặt hiển thị đồng hồ so	Tín hiệu điện áp quy đổi qua thuật toán LabVIEW
Tỷ số khuếch đại	Đạt trên 10 lần theo thiết kế hình học	Xác nhận thực nghiệm $> 10$ lần	Xác nhận thực nghiệm tương đương phương pháp đồng hồ so
Đặc tính làm việc	Ứng suất tập trung chủ yếu tại khớp uốn	Đo từng điểm tĩnh	Thu thập dữ liệu liên tục theo thời gian thực

Về mặt đóng góp khoa học và kỹ thuật, đồ án đã tự thực hiện một quy trình kỹ thuật hoàn chỉnh: từ khâu phân tích lý thuyết đòn bẩy, mô hình hóa tham số trên CAD, tối ưu hóa kích thước bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) kết hợp giải tích số FEA, chế tạo chính xác bằng phương pháp cắt dây EDM, đến việc thiết kế mạch điện đo lường và lập trình giao diện thu thập dữ liệu thời gian thực. Công trình cung cấp giải pháp đo kiểm thực nghiệm tin cậy cho các cơ cấu vi định vị cơ điện tử tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các nội dung được nhóm tác giả ghi nhận và phạm vi nghiên cứu thực tế, đề tài tồn tại một số điểm hạn chế:

• Do giới hạn về thời gian thực hiện, đồ án mới chỉ tiến hành mô phỏng sâu và chế tạo thực nghiệm trên phương án cơ cấu thứ hai, chưa triển khai so sánh thực nghiệm song song với phương án thiết kế thứ nhất.
• Nguồn kích hoạt chuyển vị đầu vào vẫn sử dụng vít vi chỉnh cơ học tác động thủ công, dễ dẫn đến hiện tượng sai số do lực tì đè không đều giữa các lần đo.
• Chưa khảo sát thực nghiệm chuyên sâu về độ bền mỏi dài hạn của vật liệu nhôm 7075 dưới tác động của tải trọng uốn tần số cao liên tục trong thời gian dài.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất bao gồm:

• Tích hợp bộ truyền động gốm áp điện (Piezoelectric Actuator - PZT) ở đầu vào thay thế vít vi chỉnh cơ học để tự động hóa hoàn toàn quá trình tạo chuyển vị với độ phân giải cấp nanomét.
• Phát triển thuật toán điều khiển vòng kín (closed-loop control) sử dụng tín hiệu phản hồi từ cảm biến laser để hiệu chỉnh chính xác vị trí đầu ra, triệt tiêu sai số phi tuyến và độ trễ đàn hồi.
• Mở rộng nghiên cứu thiết kế các cơ cấu mềm đa bậc tự do (2 DOF, 3 DOF) phục vụ các hệ thống định vị phẳng $XY$ hoặc không gian $XYZ$ trong thiết bị quang học và vi cơ điện tử.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên và học viên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa và Kỹ thuật Đo lường: Cung cấp tài liệu tổng quan mạch lạc về phân loại cơ cấu mềm, phương pháp tính toán biến dạng khớp uốn và kỹ thuật chia lưới, thiết lập điều kiện biên mô phỏng FEA trên ANSYS.
• Kỹ sư phát triển hệ thống đo lường: Phần đáng tham khảo nhất là quy trình thiết kế và kết nối phần cứng card thu thập dữ liệu NI USB-6001 (cấu hình vi sai/RSE) kết hợp kỹ thuật lập trình chuỗi hàm NI-DAQmx trong LabVIEW để xử lý tín hiệu cảm biến tương tự thời gian thực.
• Các nhóm nghiên cứu về cơ cấu vi định vị chính xác: Tham khảo quy trình ứng dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) kết hợp mô phỏng số để tối ưu hóa kích thước hình học chi tiết cơ khí trước khi gia công cắt dây EDM.

Câu hỏi thường gặp

Cơ cấu mềm trong đồ án được thiết kế với mấy bậc tự do và sử dụng loại khớp uốn nào?
Cơ cấu được thiết kế với 1 bậc tự do (1 DOF), sử dụng cấu trúc đòn bẩy khuếch đại 3 tầng đối xứng. Loại khớp uốn linh hoạt được lựa chọn là khớp uốn bo cong góc / khớp uốn tròn đối xứng nhằm tạo thuận lợi cho việc tính toán giải tích và mô phỏng tập trung ứng suất.

Tại sao hợp kim nhôm Al T73-7075 được lựa chọn làm vật liệu chế tạo cơ cấu mềm?
Al T73-7075 được chọn vì sở hữu giới hạn bền kéo cao ($503\text{ MPa}$), tương đương nhiều loại thép nhưng có khối lượng riêng nhẹ ($2.810\text{ kg/m}^3$), mô-đun đàn hồi $E = 71.700\text{ MPa}$ và tỷ lệ Poisson 0,33. Đặc tính cơ học này cho phép các khớp uốn biến dạng đàn hồi linh hoạt mà không vượt quá giới hạn bền, đảm bảo hệ số an toàn lớn hơn 1,8.

Hệ thống đo lường điện tử sử dụng những thiết bị phần cứng chính nào?
Hệ thống sử dụng bộ thu thập dữ liệu đa chức năng NI USB-6001 (14-bit ADC, kết nối máy tính qua USB), nguồn tổ ong 24 VDC công nghiệp, và cảm biến dịch chuyển quang học laser Keyence (LK-030 kết hợp bộ điều khiển LK-2000 hoặc dòng LK-G) để đo khoảng cách dịch chuyển đầu ra không tiếp xúc.

Các hàm NI-DAQmx nào trong phần mềm LabVIEW được sử dụng để thu thập tín hiệu đo?
Chương trình LabVIEW sử dụng khối cấu hình đồ họa DAQ Assistant cùng các hàm cấp thấp chuyên dụng gồm: DAQmx Timing (định cấu hình tần số lấy mẫu), DAQmx Read (đọc dữ liệu điện áp từ kênh Analog Input), DAQmx Wait Until Done (chờ hoàn thành tác vụ đọc mẫu) và DAQmx Clear Task (xóa và giải phóng tài nguyên tác vụ DAQ).

Kết quả phân tích dao động riêng (Modal Analysis) của cơ cấu mềm cho ra những tần số nào?
Quá trình phân tích dao động trên phần mềm ANSYS đã xác định được 6 tần số dao động tự nhiên tương ứng với các dạng dao động riêng của cơ cấu mềm: 125 Hz, 268 Hz, 309 Hz, 341 Hz, 351 Hz và 358 Hz.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu phát triển và thiết kế hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm trong hệ thống định vị chính xác" đã hoàn thành trọn vẹn quy trình nghiên cứu từ tính toán lý thuyết, tối ưu hóa mô phỏng số đến chế tạo thực nghiệm và tích hợp hệ thống điều khiển đo kiểm. Bằng việc kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) và phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), cơ cấu mềm 1 bậc tự do gia công từ nhôm 7075 đã đạt hệ số khuếch đại trên 10 lần và hệ số an toàn tĩnh trên 1,8. Hệ thống đo lường tự động sử dụng cảm biến laser, card NI USB-6001 và phần mềm LabVIEW cho kết quả đo đạc tin cậy, mở ra tiền đề thực tiễn cho việc phát triển các hệ thống vi định vị điều khiển vòng kín chính xác cao trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Lời nói đầu Chúng ta đang ở trong thời đại hiện đại hóa và công nghiệp 4.0, không một ai có thể phủ nhận tầm quan trọng của máy móc cũng như công nghệ. Trong lĩnh vực cơ khí, các máy cơ cấu, máy móc được cải tiến và ứng dụng không ngừng đặc biệt là cơ cấu mềm ngày càng được sử dụng rộng rãi do những ưu điểm của chúng. Bên canh đó, xã hội hiện nay bị tác động bởi ngày một nhiều hệ thống dữ liệu. Trong công nghiệp hiện nay đang được sử dụng dữ liệu theo nhiều cách hơn bao giờ hết.

Các doanh nghiệp sản xuất thu thập một lượng lớn thông tin thông qua việc đo lường cũng như kiểm tra. Những công việc đo lường kiểm tra này nhằm sử dụng để đưa ra những quyết định có liên quan trọng quá trình sản xuất và chế tạo. Với đồ án “Nghiên cứu phát triển và thiết kế hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm trong hệ thống định vị chính xác” cùng với yêu cầu của đồ án, nhóm được vận dụng các kiến thức đã học một cách tổng hợp và linh hoạt, qua những trao đổi với giảng viên hướng dẫn và trao đổi nhóm với nhau để tìm ra nhưng phương án hợp lí và thuận lợi nhất cho việc thực hiện đồ án này. Nhóm hy vọng với đề tài này sẽ làm cơ sở nghiên cứu cho các nhóm sau có thể phát triển, mở rộng hơn nữa.2 Tổng quan về đề tài Trong thế giới 4.0 và thị trường cạnh tranh, nhu cầu về các thiết kế với chất lượng nâng cao, tiết kiệm và an toàn.

Những tiến bộ trong lý thuyết cơ cấu mềm, sự phát triển của những vật liệu có chất lượng vượt trội và sự tiến bộ trong công nghệ in 3D trong những năm gần đây đã mang lại kết quả vào sự tăng trưởng nhanh chóng trong các ứng dụng cơ cấu mềm. Trong công nghiệp hiện nay đang được sử dụng dữ liệu theo nhiều cách hơn bao giờ hết. Các doanh nghiệp sản xuất thu thập một lượng lớn thông tin thông qua việc đo lường cũng như kiểm tra. Những công việc đo lường kiểm tra này nhằm sử dụng để đưa ra những quyết định có liên quan trọng quá trình sản xuất và chế tạo.

Hiện nay, việc đo kiểm cơ cấu mềm ở ngoài nước khá phổ biến nhưng ở Việt Nam còn hạn chế. Do đó, nhóm em muốn thử sức với đề tài này. Dựa trên nền tảng kiến thức đã học, vốn hiểu biết về cơ khí và điện tử cùng với sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn – thầy Đặng Minh Phụng và thầy Lê Phan Hưng, nhóm chúng em chọn đề tài “Nghiên cứu phát triển và thiết kế hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm trong hệ thống định vị chính xác”.3 Mục tiêu đề tài Đề tài có 2 mục tiêu chính: -Thứ nhất,tìm tòi và nghiên cứu sâu hơn về cơ cấu mềm. Tính toán, thiếtkế cơ cấu mềm.

- Thứ hai, tìm hiểu về hệ thống điều khiển đo kiểm chính xác. Thiết kế hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho cấu mềm.4 Phạm vi đề tài - Cơ cấu mềm một bậc tự do với hệ số an toàn trên 1.8 và độ khuếch đại của đầu ra trên 10. - Xây dựng hệ thống điện đo đặc tính đầu ra. - Dùng phần mềm LabVIEW để lập trình đo dộ dịch chuyển đầu ra của cơ cấu mềm.5 Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu sách, bài báo khoa học, tài liệu trên internet về cơ cấu mềm, hệ thống đo đạc cơ cấu mềm.

2 - Thiết kế cơ cấu mềm trên phần mềm Inventor. - Tìm hiểu Datasheet của các thiết bị điện để lựa chọn thiết bị phù hợp và cách kết nối. - Tìm hiểu về phần mềm lập trình LabVIEW. 3 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ cấu là gì [1, 11] Cơ cấu là một thiết bị cơ khí được sử dụng để truyền hoặc biến đổi chuyển động, lực hoặc năng lượng.

Các cơ cấu cứng truyền thống bao gồm các thanh cứng được nối với nhau tại các khớp. Ví dụ hình ảnh bên trái cho thấy một động cơ pittông. Đầu vào tuyến tính được chuyển đổi thành vòng quay đầu ra và lực đầu vào được chuyển đổi thành mô- men xoắn đầu ra. Một ví dụ khác, chiếc kìm (hiển thị trong hình bên phải).

Cơ chế này truyền năng lượng từ đầu vào (lực của bàn tay) sang đầu ra (răng kẹp). Vì năng lượng được bảo toàn giữa đầu vào và đầu ra (bỏ qua tổn thất ma sát), lực đầu ra có thể lớn hơn nhiều so với lực đầu vào, nhưng độ dịch chuyển đầu ra nhỏ hơn nhiều so với độ dịch chuyển đầu vào.2 Cơ cấu mềm là gì? [1, 11] Cơ cấu mềm là cơ cấu phù hợp cũng truyền hoặc biến đổi chuyển động, lực hoặc năng lượng. Tuy nhiên, không giống như các cơ cấu cứng, các cơ cấu mềm đạt được ít nhất một số tính di động của chúng từ sự lệch hướng của các bộ phận linh hoạt hơn là chỉ từ các khớp di động. Một ví dụ về cơ cấu mềm được thể hiện trong hình: 4 (a) (b) Hình 2.2: Một số ví dụ về cơ cấu mềm [11] 2.3 Sự ra đời của cơ cấu mềm [1] Thật ra, cơ cấu mềm được tạo ra để lưu trữ năng lượng và tạo ra chuyển động đã được sử dụng trong nhiều thiên niên kỷ.

Bằng chứng khảo cổ cho thấy rằng cung đã được sử dụng từ 8000 trước công nguyên và là vũ khí và công cụ săn bắn chính trong hầu hết các nền văn hóa. Những chiếc cung ban đầu được làm bằng vật liệu tương đối mềm dẻo như gỗ và gân động vật. Năng lượng căng trong cung được chuyển hóa thành động năng của mũi tên. Máy bắn đá là một ví dụ khác về việc sử dụng sớm các thành viên tuân thủ được người Hy Lạp sử dụng ngay từ thế kỷ thứ tư trước Công nguyên.

Máy phóng ban đầu 5 được làm bằng các bộ phận bằng gỗ bị lệch hướng để lưu trữ năng lượng và sau đó giải phóng nó để đẩy một viên đạn. Các bộ phận linh hoạt cũng đã được sử dụng để mô phỏng chuyển động của các khớp quay. Bản lề uốn của bìa sách được tạo ra bằng cách thay đổi thành phần vật liệu và độ dày tại điểm uốn mong muốn để có được chuyển động mong muốn. Các phương pháp khác đã được phát triển vào đầu thế kỷ 20 để thu được loại chuyển động này cho các ứng dụng khác.3: Cung tên 6 Hình 2.

Ưu điểm của cơ cấu mềm [1, 11] Các cơ cấu mềm có thể được cân nhắc sử dụng trong một ứng dụng cụ thể vì nhiều lý do. -Giảm số lượng chi tiết: Một lợi thế của các cơ cấu mềm là khả năng giảm đáng kể tổng số bộ phận cần thiết để hoàn thành một nhiệm vụ cụ thể. Có thể giảm số lượng bộ phận bằng cách sử dụng các bộ phận linh hoạt thay vì lò xo, chốt và bản lề cứng truyền thống. Số lượng các thành phần cần thiết cho một cơ chế tuân thủ có thể ít hơn đáng kể so với phiên bản cứng của cùng một cơ cấu.

Ví dụ, bộ ly hợp dùng cơ cấu mềm được thể hiện trong Hình và bộ ly hợp cứng của nó ta thấy được cơ cấu mềm phù hợp cần ít thành phần hơn đáng kể so với cơ cấu cứng 7 (a) (b) Hình 2.5: Bộ ly hợp sử dụng cơ cấu mềm (a) và cơ cấu cứng (b) [1] -Quy trình sản xuất: Các cơ chế phù hợp có thể được sản xuất đơn giản vì chúng phù hợp tốt với các quy trình sản xuất khác nhau. Bởi vì chúng nhận được chuyển động từ các vùng linh hoạt, nhiều cơ chế phù hợp có thể được chế tạo phẳng từ các tấm vật liệu phẳng. Ví dụ: các kẹp gắp mềm được trình bày ở trên có thể được chế tạo từ một tấm polypropelene duy nhất. Các cơ chế phù hợp có thể được sản xuất bằng nhiều phương pháp bao gồm gia công, dập, máy cắt laser, máy cắt tia nước, in 3D và EDM.6: Kẹp gắp mềm được chế tạo từ 1 khối duy nhất [11] - Chi phí thấp: Bởi vì chúng có ít bộ phận hơn và quy trình sản xuất đơn giản, các cơ cấu mềm có thể rất rẻ để sản xuất.

Việc giảm số lượng bộ phận có thể đơn giản hóa việc 8 sản xuất và giảm cả thời gian và chi phí sản xuất và lắp ráp. Các cơ cấu phù hợp có thể được sản xuất đơn giản vì chúng phù hợp tốt với các quy trình sản xuất khác nhau. Ví dụ: một số cơ cấu có thể được sản xuất từ vật liệu có thể ép phun và được chế tạo từ một mảnh, như minh họa trong ảnh bên dưới.7: Chiếc kéo sử dụng cơ cấu mềm [11] - Chuyển động chính xác: Các cơ cấu truyền thống có thể mất độ chính xác do độ rơ và mài mòn. Các cơ cấu mềm có thể cho phép chuyển động chính xác bằng cách giảm hoặc loại bỏ mài mòn.

Cơ cấu cứng nhận chuyển động của chúng từ các chốt vật lý và bản lề trượt vào nhau. Sự mài mòn cơ học xảy ra khi các bộ phận cọ xát vào nhau khi chúng di chuyển. Cuối cùng, điều này có thể làm mất đi hoặc sửa đổi vật liệu, làm thay đổi hình dạng và chuyển động của cơ chế một cách hiệu quả. Vì các cơ cấu mềm sử dụng vật liệu uốn cong thay vì các chốt truyền thống và bản lề cứng nên độ mài mòn có thể giảm đáng kể (vì không có bộ phận nào cọ xát vào nhau).

Độ rơ được gây ra bởi dung sai của các phần kết nối với nhau. Độ rơ các cơ cấu mềm có thể được giảm thiểu hoặc loại bỏ do không có (hoặc ít hơn) các phần kết nối với nhau. Thực tế này thường được sử dụng trong thiết kế thiết bị đo đạc. Độ rung và tiếng ồn gây ra bởi các khớp xoay và trượt của các cơ cấu cứng cũng có thể được giảm thiểu trong một số ứng dụng bằng cách sử dụng các cơ cấu mềm.

- Hiệu suất: Các cơ cấu mềm có số lượng khớp di động ít hơn, chẳng hạn như chốt (quay) và khớp trượt. Điều này dẫn đến giảm ma sát và nhu cầu bôi trơn. Đây là những đặc điểm có giá trị đối với các ứng dụng mà các cơ cấu không dễ hoạt động trong môi trường khắc nghiệt có thể ảnh hưởng xấu đến khớp. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng 9 dụng không gian vì chất bôi trơn có xu hướng "thoát khí" (về cơ bản là bay hơi) trong môi trường trọng lực thấp.