Nghiên cứu nâng cao độ chính xác cho cơ cấu ăn dao sử dụng cơ cấu đàn hồi

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu nâng cao độ chính xác cơ cấu ăn dao dùng cơ cấu đàn hồi, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng trong lĩnh vực tại Việt Nam.

• Tác giả: Nguyễn Văn Khiển
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Huy Hoàng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nâng Cao Độ Chính Xác Cơ Cấu Ăn Dao Bằng Cơ Cấu Đàn Hồi
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Cơ cấu đần hồi
• 1.3. Các ưu điểm của khớp nối đàn hồi và cơ cấu đàn hồi
• 1.4. Một số cơ cấu đàn hồi thông dụng
• 1.5. Các kết quả nghiên cứu trong nước
• 1.6. Các kết quả nghiên cứu ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ sở lý thuyết và mô hình toán khớp đàn hồi
• 2.2. Mô hình toán khớp đàn hồi
• 2.3. Độ mềm và độ cứng của khớp đàn hồi
• 2.4. Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM)
• 2.5. Cơ sở phương pháp tối ưu hoá
• 2.6. Phân loại các bài toán tối ưu. Các phương pháp tối ưu thông dụng. Giải thuật di truyền sắp xếp không vượt trội II (NSGA – II). Tối ưu hóa độ tin cậy
• 2.7. Phương pháp phân tích độ tin cậy bậc nhất FORM
• 2.8. Thông số hình học của dụng cụ cắt ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA CƠ CẤU ĂN DAO
• 3.1. Mục tiêu thiết kế. Tiêu chí thiết kế
• 3.2. Cơ sở thiết kế
• 3.3. Thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu ăn dao kiểu 1
• 3.3.1. Nguyên lý hoạt động
• 3.3.2. Phân tích độ khuếch đại chuyển vị giữa đầu vào và đầu ra của cơ cấu
• 3.3.3. Phân tích động lực học của cơ cấu
• 3.3.4. Tối ưu hóa cơ cấu ăn dao kiểu 1
• 3.3.5. Tối ưu hóa cơ cấu khâu cứng tương đương
• 3.3.6. Tối ưu hóa cơ cấu đàn hồi
• 3.3.7. Đánh giá thiết kế tối ưu
• 3.4. Thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu ăn dao kiểu 2
• 3.4.1. Nguyên lý hoạt động
• 3.4.2. Phân tích khuếch đại của cơ cấu
• 3.4.3. Phân tích độ cứng theo phương pháp ma trận
• 3.4.4. Phân tích động lực học của cơ cấu
• 3.4.5. Tối ưu hóa cơ cấu ăn dao kiểu 2
• 3.4.6. Tối ưu hóa cơ cấu khâu cứng tương đương
• 3.4.7. Tối ưu hóa cơ cấu đàn hồi dùng GA
• 3.4.8. Tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy
• 3.4.9. Đánh giá thiết kế tối ưu
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU ĂN DAO
• 4.1. Thực nghiệm và điều khiển thiết kế kiểu 1
• 4.1.1. Kiểm tra tần số dao động tự nhiên. Thực nghiệm điều khiển vòng hở
• 4.1.2. Thực nghiệm điều khiển vòng kín bằng GA - PID
• 4.2. Thực nghiệm và điều khiển thiết kế cơ cấu kiểu 2
• 4.2.1. Kiểm tra tần số dao động tự nhiên
• 4.2.2. Thực nghiệm điều khiển
• 4.2.3. Kiểm tra độ cứng của cơ cấu
• 4.3. Thực nghiêm gia công
• 4.3.1. Thưc nghiệm điều khiển chính xác trên máy tiện
• 4.3.2. Thực nghiệm gia công đánh giá độ nhám và nhiệt cắt
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• DANH SÁCH CÁC HÌNH

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cơ cấu ăn dao

Cơ cấu ăn dao là một phần quan trọng trong quá trình gia công cơ khí, đặc biệt là trong các máy tiện. Việc nâng cao độ chính xác của cơ cấu ăn dao có thể giúp cải thiện hiệu suất gia công và giảm thiểu sai số trong quá trình sản xuất. Độ chính xác của cơ cấu ăn dao không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn quyết định đến tuổi thọ của dụng cụ cắt. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển cơ cấu đàn hồi nhằm tối ưu hóa độ chính xác của cơ cấu ăn dao. Theo đó, việc sử dụng cơ cấu đàn hồi giúp điều chỉnh chính xác chiều sâu cắt, từ đó nâng cao độ chính xác trong gia công. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng cơ cấu đàn hồi có thể cải thiện đáng kể hiệu suất gia công, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

1.1. Tầm quan trọng của độ chính xác

Độ chính xác trong gia công là yếu tố quyết định đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Việc nâng cao độ chính xác của cơ cấu ăn dao không chỉ giúp giảm thiểu sai số mà còn kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt. Nghiên cứu cho thấy rằng, khi sử dụng cơ cấu đàn hồi, độ chính xác có thể được cải thiện đáng kể, từ đó giảm thiểu chi phí sản xuất và thời gian gia công. Các ứng dụng của cơ cấu ăn dao trong máy CNC cũng cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ chính xác và hiệu suất. Điều này chứng tỏ rằng việc tối ưu hóa thiết kế và ứng dụng cơ cấu đàn hồi là cần thiết trong ngành công nghiệp chế tạo hiện đại.

II. Phân tích và thiết kế cơ cấu ăn dao

Thiết kế cơ cấu ăn dao chính xác yêu cầu sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Nghiên cứu này đã phát triển hai thiết kế mới cho cơ cấu ăn dao sử dụng cơ cấu đàn hồi. Các thiết kế này được tối ưu hóa thông qua các phương pháp tính toán hiện đại, bao gồm phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và các thuật toán tối ưu hóa như NSGA-II. Việc áp dụng các phương pháp này giúp xác định mối quan hệ giữa chuyển vị, độ cứng và động học của cơ cấu ăn dao. Kết quả cho thấy rằng, việc tối ưu hóa thiết kế không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn cải thiện hiệu suất gia công. Các thiết kế mới này đã được thử nghiệm trên máy tiện thông thường và máy CNC, cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ chính xác và độ nhám bề mặt của sản phẩm gia công.

2.1. Các phương pháp tối ưu hóa

Trong nghiên cứu này, hai phương pháp tối ưu hóa chính được áp dụng là tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy và tối ưu hóa đa mục tiêu. Phương pháp tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy giúp đảm bảo rằng cơ cấu ăn dao hoạt động ổn định trong các điều kiện gia công khác nhau. Trong khi đó, tối ưu hóa đa mục tiêu cho phép cân nhắc giữa nhiều yếu tố như độ chính xác, độ bền vật liệu và chi phí sản xuất. Kết quả từ các phương pháp này đã chỉ ra rằng, việc áp dụng cơ cấu đàn hồi trong thiết kế cơ cấu ăn dao không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất, từ đó mang lại lợi ích kinh tế lớn cho các doanh nghiệp.

III. Ứng dụng thực tiễn của cơ cấu ăn dao

Nghiên cứu đã ứng dụng thành công cơ cấu ăn dao sử dụng cơ cấu đàn hồi trên các máy tiện như MAQ CD6241X100 và CNC ECOCA SL-8. Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi gia công với chiều sâu cắt 5 µm, sai số vị trí mũi dao trên máy tiện cơ nhỏ hơn 2,5 µm và độ nhám bề mặt đạt 0,41 µm. Đối với máy CNC, sai số vị trí mũi dao nhỏ hơn 0,4 µm và độ nhám bề mặt đạt 0,25 µm. Những kết quả này chứng minh rằng cơ cấu ăn dao mới có khả năng định vị chính xác và nhanh chóng dụng cụ cắt trong quá trình gia công. Việc giảm nhiệt độ cắt cũng cho thấy tiềm năng kéo dài tuổi thọ cho dao cắt, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế – kỹ thuật của quá trình gia công.

3.1. Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng cơ cấu đàn hồi trong cơ cấu ăn dao không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn giảm thiểu nhiệt độ cắt trong quá trình gia công. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc kéo dài tuổi thọ của dụng cụ cắt và giảm chi phí sản xuất. Các kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có thể được áp dụng trực tiếp vào sản xuất, giúp nâng cao hiệu quả kinh tế cho các doanh nghiệp trong ngành chế tạo. Việc phát triển và ứng dụng cơ cấu ăn dao mới sẽ mở ra nhiều cơ hội cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. Cơ cấu đần hồi 8 1. Các ưu điểm của khớp nối đàn hồi và cơ cấu đàn hồi 11 1.

Một số cơ cấu đàn hồi thông dụng 12 1. Các kết quả nghiên cứu trong nước. Các kết quả nghiên cứu ngoài nước. 22 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán khớp đàn hồi. Mô hình toán khớp đàn hồi [2, 3] 38 2. Độ mềm và độ cứng của khớp đàn hồi [2] 40 2. Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method -FEM).

Cơ sở phương pháp tối ưu hoá [84]. Phân loại các bài toán tối ưu. Các phương pháp tối ưu thông dụng. Giải thuật di truyền sắp xếp không vượt trội II (NSGA – II).

Tối ưu hóa độ tin cậy 46 2. Phương pháp phân tích độ tin cậy bậc nhất FORM [88] 50 2. Thông số hình học của dụng cụ cắt ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt [89, 90]. 52 Chương 3: 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 63 3. Phân tích đông lực học của cơ cấu 65 3. Tối ưu hóa cơ cấu ăn dao kiểu 1 68 3.

Tối ưu hóa cơ cấu khâu cứng tương đương 68 3. Tối ưu hóa cơ cấu đàn hồi 70 3. Đánh giá thiết kế tối ưu 77 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 xi luan an 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: 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 108 4.

Thực nghiệm điều khiển vòng kín bằng GA - PID 111 4. Thực nghiệm và điều khiển thiết kế cơ cấu kiểu 2. Kiểm tra tần số dao động tự nhiên 117 4. Thực nghiệm điều khiển 117 4.

Kiểm tra độ cứng của cơ cấu 120 4. Thực nghiêm gia công. Thưc nghiệm điều khiển chính xác trên máy tiện 123 4. Thực nghiệm gia công đánh giá độ nhám và nhiệt cắt 127 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.

Hướng phát triển. 144 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ. 144 xii luan an DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 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 xiii luan an 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 69 Bảng 3. 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: Thông số của cảm biến lazer LK – G30.

2: Thông số của Card NI myRIO 1900. 3: Thông số của cảm biến nhiệt độ. 4: Thông số ký thuật của máy đo nhám SJ-210. 5: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm.

6: So sánh kết quả với các nghiên cứu trước. 7: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm. 8: So sánh kết quả với các nghiên cứu trước. 9: Các giá trị độ nhám 𝑅𝑚𝑎𝑥 với các tốc độ tiến dao khác nhau thu được từ phương trình (2.

10: Thông số công nghệ khi tiện [90]. 128 xiv luan an Bảng 4. 11: Thiết kế và kết quả thực nghiệm. 12: Thông số công nghệ khi tiện [90].

13: Các mức cho yếu tố đầu vào khi thí nghiệm. 14: Thiết kế thí nghiệm theo bảng chuẩn của phương pháp Taguchi. 15: Thiết kế thí nghiệm bằng Taguchi và kết quả thí nghiệm. 132 xv luan an 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. 3: Dạng mặt cắt của một số loại khớp nối đàn hồi dạng đơn giản .4: Sơ đồ minh họa đặc điểm của khớp bản lề truyền thống .5: Khớp đàn hồi với cấu tạo nguyên khối [2] .6: Cơ cấu đàn hồi [1] .7: Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro [4]. 8: Cơ cấu khuếch đại dạng cầu.

9: Cơ cấu khuếch đại dạng cầu phức hợp. 10: Cơ cấu đàn hồi chuyển động thẳng. 11: Cơ cấu đàn hồi khuếch đại dạng 4 khâu. 12: Cơ cấu ăn dao dạng 2 bậc tự do.

13: Cơ cấu khuếch đại dạng đòn bẩy kép. 14: Cơ cấu khuếch đại dịch chuyển thẳng. 15: Hệ thống một bậc tự do ngăn rung động. 16: Cơ cấu đinh vị kết hợp kiểu cầu và đòn bẩy.

17: Cơ cấu khuếch đại dịch chuyển ba giai đoạn lai.18: Cơ cấu đàn hồi trong các sản phẩm MEMS [1] .19: Bộ phận chạy dao sử dụng CCĐH và cơ cấu chấp hành piezo [14, 15]. 20: Kết quả mô phỏng cơ cấu [17]. 21: Khớp chân giả sử dụng CCĐH [19]. 21 xvi luan an Hình 1.

22: Bàn chân giả bằng vật liệu POM (a) [20] và đăng ký sở hữu trí tuệ (b) [21]. 23: Mô hình CCĐH dùng làm cơ cấu ăn dao [35]. 24: Kết cấu của dụng cụ cắt kim cương [36]. 25: Cơ cấu FTS: (1) piezoelectric actuator, (4) CCĐH, (9) dụng cụ cắt kim cương.

28: Mô hình cơ cấu ăn dao [58]. 29: Mô hình cơ cấu ăn dao [59]. 30: Mô hình thiết kế cơ cấu [60]. 31: Mô hình thự nghiệm cơ cấu [61].

32: Mô hình thực nghiệm gia công bề mặt vi mô[62]. 33: Cơ cấu ăn dao tạo chuyển vị 2 giai đoạn [63]. 34: Mô hình gia công thấu kinh dùng cơ cấu ăn dao chính xác [64]. 35: Cơ cấu ăn dao có tích hợp đo lực [65].

36: Tổng hợp các phương pháp thiết kế CCĐH [74]. 1: Mô hình tính toán của khớp đàn hồi. 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.

4: Tiết diện khớp đàn hồi trong trường hợp tổng quát. 5: Cấu tạo của một khớp bản lề đàn hồi dạng cung tròn đối xứng. 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 [87].

8: Mô tả sự ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên lên kết quả tối ưu hoá [87].48 xvii luan an Hình 2. 9: Mô tả kết quả của một bài toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy, với x* là lời giải tối ưu [87]. 10: Sự khác biệt của nghiệm bài toán tối khi chưa xét đến độ tin cậy và khi xét đến độ tin cậy [87]. 11: Điểm thiết kế MPP u* trong không gian vật lý và không gian chuẩn hóa [88].

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 CCĐH.

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. 79 xviii luan an Hình 3. 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.

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: Cảm biến lazer LK – G30 đo khoảng cách. 2: Card NI myRIO 1900. 3: Cảm biến nhiệt độ.

4: Máy đo độ nhám bề mặt SJ – 210, Mututoyo, Nhật Bản. 5: Chế tạo nguyên mẫu cơ cấu ăn dao chính xác kiểu 1. 6: Mô hình lắp đặt thí nghiệm điều khiển vòng hở và vòng kín.