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.