Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU COMPLIANT 1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1.1 Cơ cấu Compliant và mô hình giả cứng các khâu cơ cấu Cơ cấu ( mechanism) là thiết bị cơ khí được sử dụng để truyền chuyển động, lực hoặc năng lượng. Các cơ cấu truyền thống bao gồm các khâu cứng nối với nhau bằng các khớp động ví dụ như ở hình 1.1 là 1 phần của động cơ đốt trong. Ở đây chuyển động tịnh tiến của đầu vào được biến đổi thành chuyển động quay của đầu ra và lực đầu vào được biến đổi thành mô men xoắn ờ đầu ra.1: Động cơ đốt trong Một ví dụ khác đó là kiềm bấm (hình 1.2) Cơ cấu này dùng để truyền năng lượng đầu vào thành năng lượng đầu ra.
Vì năng lượng được bảo toàn (bỏ qua mất mát năng lượng do ma sát) nên lực đầu ra có thể lớn hơn nhiều so với lực đầu vào 1 nhưng chuyển vị (chuyển động, dịch chuyển) đầu ra là nhỏ hơn nhiều so với chuyển vị đầu vào.2: Kiềm bấm Cơ cấu Compliant dùng để truyền chuyển động, lực hoặc năng lượng như cơ cấu cứng (rigid-body mechanisms). Điểm khác biệt là cơ cấu Compliant đạt được một số chuyển động tối thiểu là nhờ độ võng của các khâu đàn hồi hơn là từ các khớp động. Ví dụ cơ cấu Compliant dùng để kẹp.3: Cơ cấu Compliant dùng để kẹp 2 Hình 1.4: Các dạng khác cơ cấu Compliant Ưu điểm của cơ cấu Compliant: Giảm rất nhiều số lượng chi tiết máy trong cơ cấu. Giảm thời gian chế tạo, thời gian lắp ráp.
Giảm giá thành. Giảm dạng hỏng mòn và giảm yêu cầu bôi trơn các chi tiết máy. Giảm trọng lượng của toàn cơ cấu.5 là 2 phương án thiết kế, chế tạo 2 dạng cơ cấu cứng và cơ cấu Compliant để minh họa cho các ưu diểm cùa cơ cấu Compliant đã được nêu ra.5: Cơ cấu Compliant(a), Cơ cấu cứng thông thường (b) 3 Sự xuất hiện của các mô hình giả cứng vật thể trong những năm gần đây trùng với quá trình xây dựng thực hiện các cơ cấu Compliant trong kỹ thuật. Ngay cả một khảo sát nhanh tại thế giới tự nhiên cho thấy sức mạnh và tính ưu việt của cơ cấu Compliant, chẳng hạn như sự chuyển động linh hoạt cánh của một con ong hoặc ruồi, hay tính linh hoạt của bàn tay con người và cổ tay (Vogel, 1995).
Tuy nhiên, về bản chất là rất khó khăn cho việc để bắt chước bởi vì các phân tích phi tuyến phức tạp cần thiết để có thể hiểu được tất cả những động tác nhỏ đó. Mô hình giả cứng khâu cơ cấu là một phương pháp giúp phá vỡ một số khó khăn trong những trở ngại phát sinh khi cơ cấu compliant được đưa vào các thiết bị cơ khí. Nó cung cấp cho ta một cơ sở căn bản để so sánh giữa thiết kế chỉ bằng phương cách thử và sai, từ đó đề ra các công thức toán học chính xác. Cơ cấu Compliant là cơ cấu mà có được một số hoặc tất cả các chuyển động của cơ cấu nhờ vào độ võng của các khâu đàn hồi.
Trong lịch sử, phương pháp phổ biến nhất của thiết kế cơ cấu Compliant đã được sử dụng là phương pháp thử và sai. Tuy nhiên, quan niệm của giả cứng vật thể trong kỹ thuật đã mở đường thành công cho các thiết kế đơn giản và là nền tảng để phân tích của nhiều cơ cấu phù hợp khác.Tiền đề của mô hình giả cứng cơ cấu là nhiều cơ cấu tương thích với các hoạt động đầy đủ tương tự như một cơ cấu cứng cho cơ cấu tương ứng, làm cho nó có thể thực hiện các phân tích trên cơ cấu giả cứng của cơ cấu thay thế. Phương pháp giả cứng cơ cấu, nó tương đồng với cơ cấu Compliant được hiểu rõ và giúp dễ dàng để có được các phân tích thông thường. Giả định mô hình giả cứng sẽ tuân thủ khá tốt các chuyển động thực tế của một loạt các cơ cấu Compliant.
Mô hình giả cứng đã được sử dụng gần như dành riêng cho thiết kế động học và mô hình hóa. Trong thực tế là các mô hình giả cứng đã có một quá trình nghiên cứu và đã được chứng minh như một dự báo đáng tin cậy của chuyển động cho cơ cấu phù hợp (Millar và cộng sự, 1996. Howell và cộng sự, 1996). Nghiên cứu đã đề cập đến mong muốn làm thế nào để các cơ cấu Compliant nhất định phù hợp với chuyển động.
Cơ cấu có lực đầu ra không đổi Một cơ cấu có lực đầu ra không đổi có kết quả khi mang lại lực đầu ra không đổi trong một phạm vi tương ứng với đầu vào chuyển vị. Cơ cấu có lực đầu ra không đổi sẽ có ích trong các ứng dụng đòi hỏi phải có một lực không đổi được áp dụng cho một thời gian khác nhau hoặc sự không đồng đều bề mặt như trong quá trình mài, hàn, lắp ráp. Chúng cũng có thể được sử dụng để duy trì lực thường xuyên giữa các kết nối điện; trong quy trình sản xuất có liên quan đến công cụ thay đổi đường kính như mài hoặc mài giũa, hoặc khi dùng van an toàn để duy trì một hệ thống ở áp suất liên tục khi bị mất điện.6: Cơ cấu Compliant có trong máy cắt thủy tinh Trong vai trò của ứng dụng này và các ứng dụng khác, cơ cấu có lực đầu ra không đổi thì chúng ta không cần phải điều khiển lực một cách tốn kém và phức tạp, thay thế nó bằng một thiết bị cơ khí đơn giản (Evans và Howell, 1999). Cơ cấu có lực đầu ra không đổi là cơ cấu tay quay con trượt cơ bản với kích thước phân 5 đoạn linh hoạt và sự giả cứng tối ưu hóa để giảm thiểu sự biến đổi trong lực đầu ra trên một phạm vi thiết kế.
Khâu đàn hồi Con trượt Khâu đàn Khoảng trượt hồi Khâu cứng Hình 1.7: Cơ cấu Compliant Xem xét các thanh trượt tương thích của cơ cấu mô tả trong hình 1.3 đưa ra một chuyển vị, một hằng số tuân thủ cơ cấu có lực đầu ra không đổi sẽ mang lại lực F, cộng hoặc trừ một thay đổi nhỏ. Có tồn tại 15 dạng cơ cấu có thể của cơ cấu có lực đầu ra không đổi, xác định bởi Kỹ thuật tổng hợp (Howell, 2001).2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước.1 Các nghiên cứu ngoài nước A constant-force bistable micromechanism; Dung An Wanga, Jyun Hua Chena, Huy Tuan Pham, 2012. Dynamical switching of an electromagnetically driven compliantbistable mechanism; Dung AnWang, Huy-Tuan Pham, Yi-Han Hsieh, 2008. Design of Compliant mechanisms for minimizing input power in dynamic application; Tanakorn Tantanawat & Sridhar Kota, Department of Mechanical Engineering, The University of Michigan, 2007.
Design of Compliant mechanisms applications to MEMS; Sridhar Kota, Department of Mechanical Engineering, The University of Michigan, 2001. 6 Handbook of Compliant mechanisms, Larry L.Howell, Brigham Young University, USA, 2013.8: Cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi khi tách rời Cùng với sự xuất hiện của các mô hình trong kỹ thuật giả cứng vật thể trong những năm gần đây, các phương pháp khác để thiết kế hoặc phân tích các cơ cấu Compliant đàn hồi lớn đã phát sinh, bao gồm cả phương pháp tĩnh và động. Một cách tiếp cận là việc xây dựng của mô hình toán học chính xác để mô tả cơ cấu chùm đàn hồi lớn (Bisshopp và Drucker, 1945), (Burns và Crossley ,1968), và (Sevak và McLarnan, 1974) sử dụng giải pháp không thể thiếu elip để tìm được phương trình phi tuyến khác biệt thông thường đại diện các cơ cấu chùm. (Simo và Posbergh, 1988) thực hiện một phương pháp hình học xây dựng chính xác về một thanh cứng ba chiều kết hợp với một cơ cấu cứng và không có hạn chế về mức độ linh hoạt.
(Wang ,1997) thiết lập một phương trình động năng để mô tả sự hoạt động của một cơ cấu liên kết bốn thanh đàn hồi. (Atanackovic và Cveticanin,1996 ) đã phát triển phương trình vi phân từng phần cùng trong hai hệ tọa độ để mô phỏng tương tác năng lượng của một cơ cấu gắn con lăn dưới và nén. Gần đây, Panza (2000) công bố một hàm phi tuyến phương trìnhvi phân Integro - một phần đại diện cho sự hoạt động lệch khuyếch đại của một cơ cấu phù hợp cơ cấu chùm đàn hồi, kết hợp giữa khối lượng và ma sát với hiệu ứng giảm xóc. Đây là một cách tiếp cận phổ biến hơn để mô hình hóa các cơ cấu phù hợp được áp dụng phần tử hữu hạn kỹ 7 thuật với mô hình phi tuyến trong dạng này hay dạng khác.
Một phương pháp mới sử dụng tối ưu hóa cấu trúc để xác định cấu trúc liên kết có thể là một cơ cấu Compliant có thể đáp ứng một mối quan hệ lực - chuyển vị (Ananthasuresh & Kota, 1995). Để phân tích động năng, nhiều phương pháp đã thành công, từ việc sử dụng hữu hạn lý thuyết xoay ( Honke và cộng sự, 1997); (Sugano và cộng sự, 1999); (Lyon, 1997) sử dụng mô hình giả cứng khâu kết hợp với phương pháp Lagrange để phát triển phương trình vi phân tuyến tính thông thường. Sử dụng kỹ thuật tổng hợp, (Jenuwine và Midha,1989 ) đã phát triển một hằng số chính xác cho cơ cấu kết hợp lò xo tuyến tính và liên kết cứng. Nhiều kết cấu cơ cấu trượt có lực không đổi, lấy cảm hứng từ các khâu cứng ban đầu này của thiết bị, đến về sau này thông qua tổng hợp Topo (Howell và cộng sự, 1994).
Những xuất hiện trong bằng sáng chế số 5.454 của Hoa Kỳ ( Midha et al, 1995); (Millar et al, 1996) trình bày một sự phát triển chi tiết phù hợp có lực không đổi về lý thuyết cơ cấu.2 Các nghiên cứu trong nước. Cơ cấu Compliant có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong thực tế sản suất, tuy nhiên các tài liệu chuyên khảo về cơ cấu này ở Việt nam còn rất ít. Mô phỏng cơ cấu tay quay con trượt có khâu đàn hồi và có vết nứt bằng phương pháp độ cứng động lực, Văn Hữu Thịnh, Tuyển tập các công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VII, 2/2002.9: Cơ cấu 4 khâu bản lề (rigid-body mechanisms) 8 Hình 1. Hướng nghiên cứu 1.
Qua nghiên cứu tìm hiểu các vấn đề tổng quan về cơ cấu Compliant cũng như các công trình công bố trong và ngoài nước cho thấy những năm gần đây thế giới vẫn tiếp tục nghiên cứu về cơ cấu Compliant; mặc dù đã có công trình nghiên cứu về lĩnh vực này nhằm tối ưu, hoàn thiện các tính năng về công nghệ mà cơ cấu Compliant vẫn chưa hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu thực tế.