CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Cơ cấu đàn hồi 1. Giới thiệu Cơ cấu bao gồm một số vật thể rắn liên kết (nối động) với nhau (mỗi vật thể gọi là một khâu), có nhiệm vụ truyền hay biến đổi chuyển động, lực hay moment. Cơ cấu khâu cứng truyền thống gồm những khâu cứng tuyệt đối liên kết với nhau bằng các khớp truyền động như các khớp bản lề, khớp tịnh tiến loại 5,… “Cơ cấu đàn hồi/mềm (flexure mechanism/compliant mechanism) cũng cho phép truyền hay biến đổi chuyển động, lực và moment.
Tuy nhiên không giống cơ cấu cứng truyền thống, cơ cấu mềm có thể thực hiện ít nhất một hoặc một vài chuyển động nhờ vào sự biến dạng của các khớp đàn hồi chứ không chỉ dựa vào các khớp động thường dùng.” [1] Khi cơ cấu đàn hồi chuyển động các khâu của nó sẽ biến dạng và tích trữ năng lượng đàn hồi. Chức năng của cơ cấu sẽ thực hiện khi phần năng lượng này được giải phóng. Ngoài ra, xét theo chức năng thì cơ cấu đàn hồi còn có các dạng ổn định lực (constant force mechanism - CFM), ổn định moment (constant torque mechanism - CTM) và các cơ cấu ổn định hai vị trí (bistable mechanism - BM) hoặc ổn định nhiều vị trí (multistable mechanism). Ưu điểm của cơ cấu đàn hồi Giảm sai số chi tiết từ đó đơn giản hóa quá trình sản xuất và lắp ghép, mặt khác loại trừ khe hở tại các khớp nối và chống mài mòn do đó tăng độ chính xác và hiệu quả làm việc của cơ cấu.
Có khả năng thu nhỏ cơ cấu phù hợp với mục đích sử dụng. Tùy theo yêu cầu cụ thể mà tính chất đàn hồi luôn có sẵn trong từng loại vật liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo khớp nối đàn hồi. Không gây ra tiếng ồn khi hoạt động, không ma sát, không khe hở và không cần bôi trơn định kỳ do cơ cấu đàn hồi được chế tạo nguyên khối. Hạn chế của cơ cấu đàn hồi Không bền nếu tải lớn quá, vấn đề ứng suất đặc biệt trong trường hợp biến dạng lớn.
Ngoài ra, cơ cấu đàn hồi còn có một hạn chế nữa là quy trình thiết kế, tổng hợp cơ cấu vẫn chưa được thống nhất và tiêu chuẩn. Từ đó dẫn đến việc nở rộ các phương pháp thiết kế khác nhau của mỗi nhóm nghiên cứu. Đây cũng là hướng khai thác mà các nhóm nghiên cứu trên thế giới tập trung trong những năm gần đây. Tổng quan cơ cấu bistable 1.
Giới thiệu Cơ cấu bistable còn gọi là cơ cấu ổn định hai trạng thái là một loại cơ cấu cơ khí hoặc điện tử có hai trạng thái ổn định. Các cơ cấu này chỉ thay đổi trạng thái khi có tác động bên ngoài và sau đó sẽ duy trì trạng thái mới mà không cần năng lượng duy trì. Đây là nguyên lý hoạt động của nhiều thiết bị chuyển đổi, lưu trữ thông tin hoặc điều khiển cơ học và điện tử. Các ứng dụng cơ cấu bistable: Công tắc bật/tắt: Công tắc điện có hai trạng thái bật và tắt đó là hai trạng thái ổn định.
Khi người dùng ấn vào công tắc, nó sẽ thay đổi từ trạng thái này sang trạng thái kia và duy trì trạng thái mới.1 Công tắc điện Relay: Relay điện từ cũng có thể hoạt động như một cơ cấu bistable. Nó có thể duy trì vị trí của các tiếp điểm sau khi cuộn dây được kích hoạt và giải phóng.Nguyên lý ổn định vị trí của relay 4 Cơ cấu bistable là một phần quan trọng trong nhiều hệ thống vì khả năng duy trì trạng thái mà không cần tiêu thụ năng lượng liên tục, giúp tiết kiệm năng lượng và đảm bảo độ tin cậy trong vận hành. Cơ cấu mềm bistable Khác với cơ cấu bistable sử dụng khâu cứng truyền thống. Cơ cấu mềm bistable là dạng cơ cấu đàn hồi mang những ưu điểm vượt trội có cấu tạo nguyên khối không cần lắp ráp trong quá trình chế tạo, không ma sát, không cần bảo trì, tiết kiệm chi phí sản xuất mà vẫn giữ nguyên chức năng ổn định vị trí cần thiết.
Việc thay thế cơ cấu với khâu cứng truyền thống bằng các cơ cấu đàn hồi dẫn đến thay đổi kết cấu, hình dạng của cơ cấu. Với cơ cấu mềm bistable thay thế các thanh cứng được chế tạo từ vật liệu kim loại gắn với các khớp cố định hoặc khớp xoay bằng các thanh đàn hồi được chế tạo từ các vật liệu dẻo và được cố định hai đầu. Nguyên lý lưỡng ổn định [2] Cơ cấu mềm bistable hoạt động dựa trên nguyên lý lưỡng ổn định (Bistability) là một hiện tượng trong đó một hệ thống cơ học, điện tử hoặc một hệ thống nào đó có khả năng duy trì hai trạng thái ổn định. Nguyên lý này được hiểu như sau: trạng thái ban đầu là một trong hai trạng thái ổn định (ví dụ như thanh đàn hồi uốn cong theo một chiều), sau đó lực hay tín hiệu đủ lớn được tác động để đẩy hệ thống ra khỏi trạng thái ổn định ban đầu, khi vượt qua một ngưỡng nhất định hệ thống nhanh chóng chuyển qua trạng thái ổn định thứ hai, tại đây hệ thống đã đạt được trạng thái ổn định mới và duy trì đến khi có lực hay tín hiệu tác động ngược lại.
Nguyên lý có thể minh họa dễ hiểu thông qua bài toán The-ball-on-the-hill (quả bóng trên đồi) hình 1. Trạng thái ổn định là một trong hai thung lũng của đồi, khi có lực tác động chẳng hạn như gió hay đẩy quả bóng lên đỉnh đồi tại đây là trạng thái không ổn định, tác động một lực nhỏ, quả bóng sẽ rơi xuống và đứng yên tại thung lũng bên kia. Nguyên lý này thể hiện rằng cơ cấu mềm bistable sẽ luôn ổn định hai vị trí. Cơ cấu mềm bistable dạng tịnh tiến Cơ cấu mềm bistable dạng tịnh tiến được hiểu là hai trạng thái ổn định do chuyển động tịnh tiến của các phần tử đàn hồi sinh ra.
Một cơ cấu bistable dạng tịnh tiến có thể được phát triển gồm bộ dầm cong đơn hoặc đôi đối xứng được định hình sẵn có cùng đặc tính. Các dầm đối xứng cùng nối với một con thoi ở giữa, ở một trạng thái thụ động (không có tải dọc con thoi) tạo ra độ cứng tương đối. Dầm cong đôi cơ cấu bistable tịnh tiến Cấu hình song song ngăn cản sự mất ổn định đối xứng của dầm cong, điều này tăng khả năng phân đôi của dầm định hình trước và hạn chế sự dịch chuyển xuyên qua tuyến tính của con thoi. Trong ngữ cảnh của hệ thống cơ khí hoặc điện tử, dịch chuyển tuyến tính thường được sử dụng để chỉ sự di chuyển dọc theo trục tuyến tính mà không có sự xoay tròn.
Kẹp tóc một cơ cấu mềm bistable dạng tịnh tiến Thông thường, chỉ cần một lực nhỏ để chuyển đổi giữa hai trạng thái bistable. Các ứng dụng của cơ cấu bistable dạng tịnh tiến có thể bao gồm cơ chế chuyển đổi giữa các trạng thái hoặc cơ chế cài đặt tự động trong các ứng dụng khác như robot, thiết bị y tế, hoặc thiết bị điện tử,… 6 1. Cơ cấu mềm bistable dạng xoay (bistable rotating mechanism – BRM) Cơ cấu mềm bistable dạng xoay hiện nay trên thế giới chưa có nhiều nghiên cứu, cơ cấu đang là hướng nghiên cứu mà GVHD theo đuổi và đây là một trong những mô phỏng và ứng dụng cơ cấu mềm bistable dạng xoay đầu tiên tại Việt Nam. Thay vì các phần tử đàn hồi được biến dạng do chuyển động tịnh tiến của cơ cấu, thì ở đây sự biến dạng đó là do chuyển động quay quanh một trục.
Ổn định hai vị trí được hiểu là ở vị trí đứng yên ban đầu là vị trí ổn định thứ nhất sau khi vượt qua giai đoạn đặt tải trọng ban đầu thì cơ cấu sẽ quay đến một góc độ thích hợp và đứng yên tại đây là vị trí ổn định thứ hai, ngược lại khi vượt qua giai đoạn tải trọng thích hợp thứ hai thì cơ cấu lại quay trở về vị trí ban đầu. Cơ cấu mềm bistable dạng xoay với khả năng ổn định vị trí thông qua chuyển động quay lên đến 80o phù hợp với các ứng dụng đời sống hằng ngày đến các thiết bị trong công nghiệp sản xuất mà cơ cấu mềm bistable dạng tịnh tiến khó có thể đáp ứng. Như các cơ cấu bản lề (bản lề giảm chấn, bản lề sàn, bản lề cối, bản lề cốp sau ôtô,…) sử dụng cho các sản phẩm linh hoạt trong gia đình, văn phòng; các van khóa an toàn trong công nghiệp khi dòng chảy, khí nén, áp suất,… vượt quá lưu lượng sẽ tạo ra năng lượng kích hoạt bistable; các cơ cấu tay kẹp trong công nghiệp cần duy trì lực kẹp lâu, khoảng kẹp lớn;… 1. Tổng quan về bản lề và tay kẹp ❖ Bản lề Bản lề là cơ cấu có mặt gần như trong hầu hết các sản phẩm hằng ngày từ những vật dụng gia đình văn phòng đến trong công nghiệp sản xuất là chi tiết kỹ thuật kết nối các cánh cửa, cửa sổ, cửa tủ với các đối tượng cố định, thông thường bản lề cho phép mở một góc nhất định, cửa và vật cố định được kết nối thông qua trục quay trên bản lề.
Bản lề và bản lề bán nguyệt 7 Tùy theo mục đích sử dụng và hình dáng mà bản lề được phân loại, bản lề truyền thống (bản lề lá, bản lề cối, bản lề bán nguyệt,… ) ngoài ra còn các bản lề thông minh sử dụng thủy lực giúp giảm chấn, giữ cửa ở vị trí nhất định (bản lề sàn thủy lực, bản lề giảm chấn, bản lề ma sát,…). Bản lề giảm chấn Hình 1. Bản lề sàn thủy lực Thông thường cửa nhà, cửa văn phòng, cửa tủ các sản phẩm nội thất hoặc nắp cốp sau xe ôtô,… khi muốn ổn định vị trí, giữ, chống, nâng, hạ người ta sử dụng tay co thủy lực, bản lề giảm chấn kết hợp với tay nâng thủy lực hoặc hệ thống cơ điện tự động. Các hệ thống này luôn cần phải có năng lượng duy trì cho động cơ và cảm biến hay thủy lực khí nén.
Ngoài ra các hệ thống này khi lắp đặt khá cồng kềnh, kém cơ động và giá thành đắt đỏ, chi phí vận hành bảo dưỡng, sữa chữa cao.Hệ thống ổn định vị trí đóng mở (tay co thủy lực) Hình 1. Cơ cấu nâng cánh tủ bếp (bản lề giảm chấn kết hợp tay nâng thủy lực) 9 Với những ưu điểm mà cơ cấu bistable dạng xoay mang lại dễ dàng có thể thấy được khả năng ứng dụng cao vào các sản phẩm bản lề tủ bếp cần đạt ổn định vị trí, không chỉ mang đến tính tiện nghi cho các sản phẩm gia đình văn phòng mà còn giúp giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm được chi phí bảo dưỡng, thay thế.