MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài. Mục đích nghiên cứu. Nhiệm vụ nghiên cứu.
Phạm vi nghiên cứu. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Cấu trúc của luận án.
7 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. Cơ cấu đàn hồi (CCĐH) 7 1. Các ưu điểm của khớp nối đàn hồi và cơ cấu đàn hồi 9 1.
Một số cơ cấu đàn hồi thông dụng 11 xiv 1. Các kết quả nghiên cứu trong nước. Các kết quả nghiên cứu ngoài nước. Cơ sở lý thuyết và mô hình toán khớp đàn hồi.
Mô hình toán khớp đàn hồi [2, 3] 39 2. Độ mềm và độ cứng của khớp đàn hồi [2] 41 2. Phương pháp phần tử hữu hạn. Cơ sở phương pháp tối ưu hoá [93].
Phân loại các bài toán tối ưu 45 2. Các phương pháp tối ưu thông dụng 45 2. Giải thuật di truyền sắp xếp không vượt trội II (NSGA – II). Tối ưu hóa độ tin cậy 47 2.
Phương pháp phân tích độ tin cậy bậc nhất FORM [97] 52 2. Thông số hình học của dụng cụ cắt ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt [98, 99]. 58 THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA CƠ CẤU ĂN DAO. Mục tiêu thiết kế.
Tiêu chí thiết kế. Cơ sở thiết kế. Thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu ăn dao kiểu 1. Nguyên lý hoạt động 61 3.
Phân tích độ khuếch đại chuyển vị giữa đầu vào và đầu ra của cơ cấu 64 3. Phân tích đông lực học của cơ cấu 66 3. Tối ưu hóa cơ cấu ăn dao kiểu 1 69 3. Tối ưu hóa cơ cấu khâu cứng tương đương 69 3.
Tối ưu hóa cơ cấu đàn hồi 70 xv 3. Đánh giá thiết kế tối ưu 78 3. Thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu ăn dao kiểu 2. Nguyên lý hoạt động 82 3.
Phân tích khuếch đại của cơ cấu 83 3. Phân tích độ cứng theo phương pháp ma trận 84 3. Phân tích động lực học của cơ cấu 87 3. Tối ưu hóa cơ cấu ăn dao kiểu 2 92 3.
Tối ưu hóa cơ cấu khâu cứng tương đương 94 3. Tối ưu hóa cơ cấu đàn hồi dùng GA 95 3. Tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy 98 3. Đánh giá thiết kế tối ưu 100 Chương 4.
105 THỰC NGHIỆM VÀ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU ĂN DAO. Thực nghiệm và điều khiển thiết kế kiểu 1. Kiểm tra tần số dao động tự nhiên. Thực nghiệm điều khiển vòng hở 106 4.
Thực nghiệm điều khiển vòng kín bằng GA - PID 109 4. Thực nghiệm và điều khiển thiết kế cơ cấu kiểu 2. Kiểm tra tần số dao động tự nhiên 114 4. Thực nghiệm điều khiển 115 4.
Kiểm tra độ cứng của cơ cấu 118 4. Thực nghiêm gia công. Thưc nghiệm điều khiển chính xác trên máy tiện 120 4. Thực nghiệm gia công đánh giá độ nhám 125 Chương 5.
132 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. Kết luận chung. Hạn chế của nghiên cứu:. Hướng phát triển.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ. Mã nguồn chương trình Matlab. 145 xvii DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT NCS: Nghiên cứu sinh CCĐH: Cơ cấu đàn hồi FEM: Finite Element Method: Phần tử hữu hạn MEMS: MicroElectroMechanical Systems PZT: Piezo actuator BM: Bistable mechanism CFM: Constant force mechanism DAM: Displacement amplifiation mechanism FTS: Fast tool servo GA : Genetic Algorithm CCD: Central Composite Design DE: Differential evolution RSM: Response Surface Methodology NSGA-II: Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm –II FORM: First Order Reliability Method RBDO: Reliability Based Design Optimization SLDM: Single Loop Deterministic Method xviii DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1. 1: Thông số các cơ cấu ăn dao dùng CCĐH đã được công bố.
1: Bài toán tối ưu hóa cơ cấu PRBM. 2: Giá trị tối ưu hóa cơ cấu khâu cứng của các biến thiết kế. 3: Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu CCĐH. 4: Kết quả xếp hạng TOPSIS của các lựa chọn.
5: Kết quả tối ưu. 6: So sánh kết quả với các nghiên cứu trước. 7: Bài toán tối ưu hóa cơ cấu PRBM. 8: Giá trị tối ưu hóa cơ cấu khâu cứng của các biến thiết kế.
9: Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cơ cấu đàn hồi. 10: Kết quả tối ưu hóa. 11: Kết quả nghiên cứu của luận án so sánh với kết quả nghiên cứu trước. 1: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm.
2: So sánh kết quả với các nghiên cứu trước. 3: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm. 4: So sánh kết quả với các nghiên cứu trước. 5: Vật liêu gia công.
6: Các giá trị độ nhám 𝑅𝑚𝑎𝑥 với các tốc độ tiến dao khác nhau thu được từ phương trình (2. 7: Thông số công nghệ khi tiện [99]. 8: Thiết kế và kết quả thực nghiệm. 9: Thông số công nghệ khi tiện [99].
10: Các mức cho yếu tố đầu vào khi thí nghiệm. 11: Thiết kế thí nghiệm theo bảng chuẩn của phương pháp Taguchi. 12: Thiết kế thí nghiệm bằng Taguchi và kết quả thí nghiệm. 129 xx DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.
1: Một số cơ cấu cứng truyền thống (a) cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền, (b) cơ cấu kìm cộng lực [1]. 2: Kìm cộng lực bằng CCĐH [1]. 3: Dạng mặt cắt của một số loại khớp nối đàn hồi [2] .4: Khớp đàn hồi với cấu tạo nguyên khối [2] .5: Cơ cấu đàn hồi [1] .6: Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro [4]. 7: Cơ cấu khuếch đại dạng cầu [5].
8: Cơ cấu khuếch đại dạng cầu phức hợp [5]. 9: Cơ cấu đàn hồi chuyển động thẳng [6]. 10: Cơ cấu đàn hồi khuếch đại dạng 4 khâu [7]. 11: Cơ cấu ăn dao dạng 2 bậc tự do [8].
12: Cơ cấu khuếch đại dạng đòn bẩy kép [9]. 13: Cơ cấu khuếch đại dịch chuyển thẳng [10]. 14: Hệ thống một bậc tự do ngăn rung động [11]. 15: Cơ cấu đinh vị kết hợp kiểu cầu và kiểu đòn bẩy [12].
16: Cơ cấu khuếch đại dịch chuyển ba giai đoạn lai.17: Cơ cấu đàn hồi trong các sản phẩm MEMS [1] .18: Bộ phận chạy dao sử dụng CCĐH và cơ cấu chấp hành piezo [14, 15]. 19: Kết quả mô phỏng cơ cấu [17]. 20: Khớp chân giả sử dụng CCĐH [19]. 21: Bàn chân giả bằng vật liệu POM (a) [20] và đăng ký sở hữu trí tuệ (b) [21].
22: Mô hình CCĐH dùng làm cơ cấu ăn dao [44]. 23: Kết cấu của dụng cụ cắt kim cương [45]. 27: Mô hình cơ cấu ăn dao [67]. 28: Mô hình cơ cấu ăn dao [68].
29: Mô hình thiết kế cơ cấu [69]. 30: Mô hình thực nghiệm cơ cấu [70]. 31: Mô hình thực nghiệm gia công bề mặt vi mô[71]. 32: Cơ cấu ăn dao tạo chuyển vị 2 giai đoạn [72].
33: Mô hình gia công thấu kinh dùng cơ cấu ăn dao chính xác [73]. 34: Cơ cấu ăn dao có tích hợp đo lực [74]. 35: Tổng hợp các phương pháp thiết kế CCĐH [83]. 1: Mô hình tính toán của khớp đàn hồi [2].
2: Mô hình khảo sát chuyển động của khớp nối đàn hồi [2]. 3: Mô hình hóa khớp đàn hồi dưới dạng tổ hợp các lò xo [2]. 4: Tiết diện khớp đàn hồi trong trường hợp tổng quát [2]. 5: Cấu tạo của một khớp bản lề đàn hồi dạng cung tròn đối xứng [2].
6: Sơ đồ các phương pháp tối ưu. 7: Mô tả kết quả của một bài toán tối ưu hóa, với x* là lời giải tối ưu [96]. 8: Mô tả sự ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên lên kết quả tối ưu hoá [96]. 9: Mô tả kết quả của một bài toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy, với x* là lời giải tối ưu [96].
10: Sự khác biệt của nghiệm bài toán tối khi chưa xét đến độ tin cậy và khi xét đến độ tin cậy [96]. 11: Điểm thiết kế MPP u* trong không gian vật lý và không gian chuẩn hóa [97]. 12: Hình dạng mũi dụng cụ cắt. 13: Dạng hình học độ nhám bề mặt (0 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐴).
14: Dạng hình học độ nhám bề mặt (𝑑𝐴 ≤ 𝑑 ≤ 𝑑𝐵). 1: Khớp bản lề đàn hồi. 2: Khớp tịnh tiến đàn hồi (Flexure prismatic joint)[3]. 3: Cơ cấu cách tay đòn.
4: Tích hợp cơ cấu ăn dao chính xác trên máy tiện. 5: Cơ cấu ăn dao chính xác dùng cơ cấu đàn hồi. 6: Cơ cấu khâu cứng tương đương. 7: Lưu đồ thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu.
8: (a) bề rộng nhỏ nhất 𝑇1, (b) bề rộng nhỏ nhất 𝑇2, 𝑇3, (c) bề rộng nhỏ nhất 𝑇5, 𝑇6 với tần số tự nhiên. 9: (a) bề rộng nhỏ nhất 𝑇1, (b) bề rộng nhỏ nhất 𝑇2, 𝑇3, (c) bề rộng nhỏ nhất 𝑇5, 𝑇6với tỉ lệ khuếch đại. 10: Độ nhạy của các biến thiết kế với các hàm mục tiêu. 11: Đồ thị Pareto tối ưu.
12: Kết quả mô phỏng: (a) chuyển vị theo y, (b) chuyển vị theo x, (c) ứng suất, (d) tần số. 13: Kết quả mô phỏng chuyển vị, ứng suất. 14: Kiểm tra tần số tự nhiên đầu tiên. 15: Cơ cấu ăn dao chính xác dùng CCĐH.
16: Mô hình phân tích khuếch đại dựa vào vận tốc các điểm. 17: Mô hình phân tích ma trận mềm. 18: Hệ tọa độ của (a) khớp bán nguyệt và (b) mô hình tương đương của khớp. 19: Mô hình cơ cấu tương đương của CCĐH.
20: Lưu đồ thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy. 21: Độ nhạy của biến thiết kế so vơi hàm mục tiêu: (a) tần số; (b) hệ số khuếch đại chuyển vị; (c) ứng suất; (d) độ cứng input. 22: Đồ thị Pareto tối ưu độ tin cậy. 23: Kết quả mô phỏng: (a) chuyển vị theo y, (b) chuyển vị theo x, (c) ứng suất, (d) tần số.
24: Kết quả mô phỏng chuyển vị, ứng suất. 25: Kiểm tra tần số tự nhiên đầu tiên: (a): Mô phỏng; (b): Thực nghiệm. 1: Chế tạo nguyên mẫu cơ cấu ăn dao chính xác kiểu 1. 2: Mô hình lắp đặt thí nghiệm điều khiển vòng hở và vòng kín.
3: Hình chụp mô hình thí nghiệm thực tế. 4: Kết quả đo chuyển vị PZT không tải. 5: Kết quả đo chuyển vị điều khiển vòng hở .