Mô phỏng cơ cấu bistable dạng xoay và ứng dụng trong cơ cấu bản lề và tay kẹp

• Tác giả: Dương Trần Nhật
• Người hướng dẫn: ThS. Phan Thanh Vũ
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Mô phỏng, thực nghiệm cơ cấu bistable dạng xoay, ứng dụng vào cơ cấu bản lề và tay kẹp
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• 1. PHẦN 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Kết cấu đồ án tốt nghiệp
• 2. PHẦN 2: NỘI DUNG
• 2.1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 2.1.1. Cơ cấu đàn hồi
• 2.1.2. Ưu điểm của cơ cấu đàn hồi
• 2.1.3. Hạn chế của cơ cấu đàn hồi
• 2.1.4. Tổng quan cơ cấu bistable
• 2.1.5. Cơ cấu mềm bistable
• 2.1.6. Cơ cấu mềm bistable dạng tịnh tiến
• 2.1.7. Cơ cấu mềm bistable dạng xoay (bistable rotating mechanism – BRM)
• 2.1.8. Tổng quan về bản lề và tay kẹp
• 2.2. CHƯƠNG 2: TỐI ƯU HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC CƠ CẤU BISTABLE
• 2.2.1. Cơ sở lý thuyết đường cong Bezier
• 2.2.2. Dạng tổng quát đường cong Bezier
• 2.2.3. Đường cong Bezier bậc nhất (Linear Bezier curve)
• 2.2.4. Đường cong Bezier bậc hai (Quadratic Bezier curve)
• 2.2.5. Đường cong Bezier bậc ba (Cubic Bezier curve)
• 2.2.6. Các tính chất của đường cong Bezier
• 2.2.7. Giải thuật di truyền GA (Genetic Algorithm)
• 2.2.8. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method)
• 2.2.9. Tối ưu hình dạng, kích thước cơ cấu bistable
• 2.2.10. Mô hình phân tích
• 2.2.11. Mô hình tối ưu
• 2.2.12. Chọn vật liệu
• 2.2.13. Kết quả tối ưu cơ cấu bistable dạng xoay
• 2.3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG CƠ CẤU BISTABLE TRÊN PHẦN MỀM ABAQUS/CAE
• 2.3.1. Sơ lược về ABAQUS/CAE
• 2.3.2. Thực hiện mô phỏng
• 2.4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU BẢN LỀ
• 2.4.1. Xây dựng ý tưởng cho bản lề
• 2.4.2. Quá trình phát triển sản phẩm
• 2.4.3. Lựa chọn kích thước thiết kế tủ bếp thông thường
• 2.4.4. Chọn vật liệu cho cơ cấu bản lề
• 2.4.5. Tính toán và kiểm nghiệm bền
• 2.4.6. Tính toán khả năng nâng cửa
• 2.4.7. Kiểm nghiệm bền cơ cấu
• 2.5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ CẤU TAY KẸP
• 2.5.1. Xây dựng ý tưởng cho tay kẹp
• 2.5.2. Ứng dụng vào cánh tay robot
• 2.5.3. Lên ý tưởng ứng dụng cơ cấu BRM vào cánh tay robot
• 2.5.4. Quá trình phát triển sản phẩm
• 2.5.5. Chọn vật liệu làm cơ cấu tay kẹp
• 2.5.6. Tính toán thiết kế cho cơ cấu kẹp
• 2.5.7. Tính đường kính cần thiết cho chốt tại C, B
• 2.5.8. Tính điều kiện bền và điều kiện cứng cho cơ cấu trục nối bistable
• 2.6. CHƯƠNG 6: GIA CÔNG, THỬ NGHIỆM CƠ CẤU BISTABLE DẠNG XOAY
• 2.6.1. Thử nghiệm cơ cấu bistable dạng xoay
• 2.6.2. Đánh giá kết quả
• 2.7. CHƯƠNG 7: GIA CÔNG, THỬ NGHIỆM CHO CÁC ỨNG DỤNG
• 2.7.1. Gia công cơ cấu
• 2.7.2. Gia công chi tiết
• 2.7.3. Thử nghiệm cơ cấu
• 2.7.4. Mục đích thử nghiệm
• 2.7.5. Đánh giá kết quả thử nghiệm
• 3. PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Mô phỏng cơ cấu bistable

Mô phỏng cơ cấu bistable là một phần quan trọng trong nghiên cứu cơ khí, đặc biệt là trong việc tối ưu hóa và ứng dụng các cơ cấu đàn hồi. Cơ cấu bistable dạng xoay (rotary bistable mechanism) được mô phỏng trên phần mềm ABAQUS/CAE để đánh giá hiệu suất và độ ổn định. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để phân tích ứng suất và biến dạng của cơ cấu. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng ổn định vị trí với góc quay lên đến 80 độ, phù hợp với mục tiêu thiết kế.

1.1. Phương pháp mô phỏng

Phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm ABAQUS/CAE để tạo mô hình 3D và phân tích ứng suất. Các thông số thiết kế như kích thước, vật liệu và góc quay được tối ưu hóa bằng giải thuật di truyền (GA). Mô phỏng giúp xác định các điểm yếu trong thiết kế và cải thiện hiệu suất của cơ cấu.

1.2. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy cơ cấu bistable dạng xoay đạt được góc quay lớn và kích thước nhỏ gọn. Biểu đồ moment và ứng suất được phân tích để đảm bảo độ bền và độ ổn định của cơ cấu. Các kết quả này là cơ sở để ứng dụng vào các sản phẩm thực tế như bản lề và tay kẹp.

II. Cơ cấu bistable dạng xoay

Cơ cấu bistable dạng xoay là một dạng cơ cấu đàn hồi có khả năng duy trì hai trạng thái ổn định mà không cần năng lượng duy trì. Cơ cấu này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống cơ khí như bản lề và tay kẹp. Ưu điểm của cơ cấu này là tiết kiệm năng lượng, không cần bảo dưỡng thường xuyên và có thể tích hợp vào các sản phẩm nhỏ gọn.

2.1. Nguyên lý hoạt động

Cơ cấu bistable dạng xoay hoạt động dựa trên nguyên lý lưỡng ổn định, tức là có hai trạng thái ổn định mà cơ cấu có thể chuyển đổi qua lại khi có tác động ngoại lực. Khi chuyển đổi, cơ cấu tích trữ năng lượng đàn hồi và giải phóng khi đạt trạng thái ổn định mới.

2.2. Ứng dụng thực tế

Cơ cấu bistable dạng xoay được ứng dụng trong cơ cấu bản lề và tay kẹp để đạt được sự ổn định vị trí mà không cần hệ thống thủy lực hoặc động cơ phức tạp. Điều này giúp giảm chi phí sản xuất và bảo dưỡng, đồng thời tăng độ tin cậy của sản phẩm.

III. Ứng dụng cơ cấu bistable

Ứng dụng cơ cấu bistable trong các sản phẩm cơ khí như bản lề và tay kẹp mang lại nhiều lợi ích về hiệu suất và chi phí. Cơ cấu này giúp đơn giản hóa thiết kế, giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và tăng độ bền của sản phẩm. Các ứng dụng cụ thể bao gồm bản lề cửa, tay kẹp robot và các hệ thống tự động hóa trong công nghiệp.

3.1. Ứng dụng trong cơ cấu bản lề

Cơ cấu bistable được tích hợp vào cơ cấu bản lề để tạo ra sự ổn định vị trí mà không cần hệ thống thủy lực. Điều này giúp giảm chi phí sản xuất và bảo dưỡng, đồng thời tăng tuổi thọ của sản phẩm. Các thử nghiệm thực tế cho thấy cơ cấu này hoạt động hiệu quả trong các hệ thống tủ bếp và cửa.

3.2. Ứng dụng trong tay kẹp

Trong tay kẹp, cơ cấu bistable giúp duy trì lực kẹp mà không cần năng lượng duy trì. Điều này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng robot và tự động hóa, nơi yêu cầu độ chính xác và độ tin cậy cao. Các thử nghiệm cho thấy cơ cấu này có thể tích hợp vào các hệ thống hàn đa điểm và dây chuyền sản xuất.

IV. Thiết kế và tối ưu hóa

Thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu bistable dạng xoay là quá trình quan trọng để đạt được hiệu suất tối đa. Các phương pháp như giải thuật di truyền (GA) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để tối ưu hóa kích thước và hình dạng của cơ cấu. Kết quả là một cơ cấu nhỏ gọn, có góc quay lớn và độ bền cao.

4.1. Tối ưu hóa hình dạng

Quá trình tối ưu hóa hình dạng sử dụng giải thuật di truyền để tìm ra các thông số thiết kế tối ưu. Các biến số như chiều dài, chiều rộng và góc quay được điều chỉnh để đạt được hiệu suất tốt nhất. Kết quả là một cơ cấu có kích thước nhỏ gọn và góc quay lớn.

4.2. Tối ưu hóa vật liệu

Việc lựa chọn vật liệu phù hợp là yếu tố quan trọng trong thiết kế cơ cấu bistable. Các vật liệu như TPU 95A và PEEK được sử dụng để đảm bảo độ bền và độ đàn hồi. Các thử nghiệm cho thấy vật liệu này có khả năng chịu lực tốt và ổn định trong các điều kiện làm việc khác nhau.

V. Thử nghiệm và đánh giá

Thử nghiệm và đánh giá cơ cấu bistable dạng xoay là bước cuối cùng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của sản phẩm. Các thử nghiệm bao gồm đo moment, kiểm tra độ bền và đánh giá khả năng ứng dụng thực tế. Kết quả thử nghiệm cho thấy cơ cấu hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu thiết kế.

5.1. Thử nghiệm moment

Các thử nghiệm đo moment được thực hiện để đánh giá khả năng ổn định vị trí của cơ cấu. Kết quả cho thấy cơ cấu đạt được moment cực đại 370 Nmm và moment cực tiểu 150 Nmm, phù hợp với yêu cầu thiết kế.

5.2. Đánh giá ứng dụng

Cơ cấu bistable dạng xoay được đánh giá trong các ứng dụng thực tế như bản lề và tay kẹp. Các thử nghiệm cho thấy cơ cấu hoạt động hiệu quả, giảm chi phí sản xuất và tăng độ tin cậy của sản phẩm.