Luận văn thạc sĩ về động lực học và phát triển cơ cấu kẹp mềm trong kỹ thuật cơ khí

• Tác giả: Võ Đình Thái
• Người hướng dẫn: PGS. TS Phạm Huy Hoàng
• Trường học: Đại Học Quốc Gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Động Lực Học Và Phát Triển Cơ Cấu Kẹp Mềm
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. HỒ CHÍ MINH

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN
• 1.1. Mục tiêu của luận văn
• 1.2. Cách thức truyền dữ liệu
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC THIẾT KẾ FINGER MỀM TRUYỀN DỮ LIỆU BẰNG KHÍ NÉN
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN VẬT LIỆU
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về động lực học và cơ cấu kẹp mềm

Nghiên cứu về động lực học và phát triển cơ cấu kẹp mềm trong kỹ thuật cơ khí là một lĩnh vực quan trọng nhằm cải thiện hiệu suất trong các quy trình sản xuất tự động. Cơ cấu kẹp mềm được thiết kế để có khả năng nắm bắt và xử lý các vật thể có hình dạng và kích thước khác nhau mà không gây hư hại. Điều này đặc biệt hữu ích trong ngành công nghiệp thực phẩm, nơi mà sự an toàn và bảo vệ sản phẩm là rất quan trọng. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ mới trong thiết kế cơ cấu kẹp có thể tạo ra những giải pháp hiệu quả hơn, giảm thiểu chi phí và tăng cường tính linh hoạt trong sản xuất.

1.1 Động lực học trong thiết kế cơ cấu kẹp

Động lực học là nền tảng cho việc phát triển các cơ cấu kẹp hiện đại. Các phương pháp tính toán và mô phỏng động lực học cho phép đánh giá khả năng hoạt động của cơ cấu kẹp mềm dưới các điều kiện khác nhau. Việc phân tích động lực học không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế mà còn đảm bảo rằng các cơ cấu này hoạt động hiệu quả trong thực tế. Các mô hình động lực học có thể dự đoán được phản ứng của cơ cấu kẹp khi tiếp xúc với các vật thể, từ đó cải thiện khả năng nắm bắt và giảm thiểu rủi ro hư hại cho sản phẩm.

II. Phát triển công nghệ cơ cấu kẹp mềm

Sự phát triển của công nghệ trong lĩnh vực cơ khí đã dẫn đến những cải tiến đáng kể trong thiết kế cơ cấu kẹp mềm. Việc sử dụng vật liệu mới như silicone có độ đàn hồi cao cho phép tạo ra các cơ cấu kẹp linh hoạt và hiệu quả hơn. Thiết kế cơ cấu kẹp mềm không chỉ dừng lại ở việc nắm bắt mà còn có thể điều chỉnh kích thước và hình dạng, phù hợp với nhiều loại sản phẩm khác nhau. Công nghệ in 3D cũng đã được ứng dụng để sản xuất các mẫu thử nghiệm, giúp giảm thời gian và chi phí trong quá trình phát triển sản phẩm.

2.1 Ứng dụng công nghệ trong thiết kế

Việc ứng dụng công nghệ trong thiết kế cơ cấu kẹp mềm đã mở ra nhiều khả năng mới. Các thiết kế hiện đại cho phép tạo ra các cơ cấu kẹp có khả năng tự động điều chỉnh để phù hợp với các sản phẩm có hình dạng và kích thước khác nhau. Điều này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất mà còn giảm thiểu sự can thiệp của con người, từ đó giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế có thể cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất trong các ngành công nghiệp khác nhau.

III. Tính toán động lực học và mô phỏng

Tính toán động lực học và mô phỏng là các bước quan trọng trong quá trình phát triển cơ cấu kẹp mềm. Các mô hình tính toán cho phép phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của cơ cấu, từ đó đưa ra những điều chỉnh cần thiết. Mô phỏng giúp dự đoán hành vi của cơ cấu kẹp trong các tình huống thực tế, từ đó hỗ trợ việc tối ưu hóa thiết kế và cải thiện tính năng. Các phần mềm mô phỏng hiện nay cung cấp khả năng phân tích sâu sắc về các yếu tố như lực tác động, độ bền và khả năng nắm bắt của cơ cấu.

3.1 Phân tích động lực học

Phân tích động lực học cho phép đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của cơ cấu kẹp mềm. Việc sử dụng các phương pháp mô phỏng như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) giúp xác định các điểm yếu trong thiết kế và cải thiện khả năng chịu lực của cơ cấu. Phân tích động lực học không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế mà còn đảm bảo rằng cơ cấu kẹp hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau, từ đó nâng cao độ tin cậy và hiệu suất trong sản xuất.

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là các doanh nghiệp vừa và nhỏ, việc ứng dụng các dây chuyền tự động hóa và hệ thống robot phức tạp thường gặp nhiều khó khăn do chi phí cao và tính phức tạp trong vận hành. Theo ước tính, các hệ thống tự động hóa truyền thống có chi phí đầu tư ban đầu lên đến hàng trăm nghìn đô la, không phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ lẻ. Bên cạnh đó, yêu cầu về an toàn thực phẩm đòi hỏi các thiết bị cầm nắm phải nhẹ nhàng, không gây tổn hại đến sản phẩm. Hệ thống truyền động khí nén được đánh giá là phù hợp hơn do tính an toàn và chi phí hợp lý.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và phát triển cơ cấu kẹp mềm (soft gripper) sử dụng khí nén, với mục tiêu tạo ra thiết bị có khả năng cầm nắm đa dạng các loại thực phẩm có hình dạng tròn và hình chữ nhật, đồng thời đảm bảo độ mềm mại và lực kẹp phù hợp. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2020-2022 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, với phạm vi ứng dụng hướng tới các doanh nghiệp chế biến thực phẩm quy mô vừa và nhỏ.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu chi phí đầu tư, tăng tính linh hoạt trong sản xuất, đồng thời nâng cao hiệu quả và an toàn trong quá trình tự động hóa. Các chỉ số đánh giá bao gồm lực kẹp, góc uốn của ngón kẹp, khả năng thích ứng với nhiều kích thước sản phẩm và độ bền của vật liệu silicone mềm được sử dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình vật liệu đàn hồi phi tuyến, trong đó mô hình Yeoh được áp dụng để mô phỏng đặc tính cơ học của vật liệu silicone mềm. Mô hình này sử dụng hàm năng lượng biến dạng dạng:

$$ W = C_{10} (I_1 - 3) + C_{01} (I_2 - 3) + C_{20} (I_1 - 3)^2 $$

trong đó $I_1, I_2$ là các biến invariants của tensor biến dạng, và $C_{10}, C_{01}, C_{20}$ là các hằng số vật liệu xác định qua thí nghiệm.

Ngoài ra, khái niệm về mạng khí nén PneuNet được sử dụng để thiết kế các ngón kẹp mềm, với cấu trúc gồm 12 buồng khí nối tiếp, cho phép điều khiển linh hoạt góc uốn và lực kẹp. Các khái niệm chính bao gồm: độ mềm vật liệu, áp suất khí nén, góc uốn ngón kẹp, lực kẹp và khả năng thích ứng với hình dạng sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thí nghiệm thực tế trên mẫu ngón kẹp mềm chế tạo bằng silicone Platinum, cùng với mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) để đánh giá ứng suất và biến dạng. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 80 ngón kẹp với kích thước 85 × 20 × 18 mm, được sản xuất bằng phương pháp đúc khuôn và in 3D khuôn mẫu.

Phương pháp phân tích bao gồm mô phỏng phần tử hữu hạn để kiểm tra thiết kế, xây dựng mô hình toán học động học cho ngón kẹp, và thực hiện các thí nghiệm đo góc uốn, lực kẹp ở các mức áp suất khí nén khác nhau (20 kPa, 40 kPa, 60 kPa, 80 kPa). Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 1/2020 đến tháng 1/2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng điều chỉnh kích thước kẹp: Cơ cấu kẹp mềm có thể thay đổi chiều dài ngón kẹp theo hai mức: 60 mm và 80 mm cho cấu trúc vuông góc, 34 mm và 69 mm cho cấu trúc song song, phù hợp với các sản phẩm hình tròn và hình chữ nhật. Số liệu thí nghiệm cho thấy góc uốn ngón kẹp đạt tối đa 154° ở áp suất 80 kPa, tăng 4 lần so với áp suất 20 kPa.

2. Lực kẹp tối đa: Lực kẹp của mỗi ngón kẹp đạt khoảng 0,5 N ở áp suất 80 kPa, đủ để giữ chắc các loại thực phẩm nhẹ như trái cây nhỏ và bánh kẹo. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, lực kẹp này tương đương hoặc cao hơn 15% so với các thiết kế soft gripper truyền thống.

3. Độ bền vật liệu: Silicone Platinum sử dụng có độ bền kéo 3,4 MPa và độ giãn dài tới 364%, đảm bảo khả năng chịu biến dạng lớn mà không bị rách trong quá trình vận hành. Thời gian đóng rắn của vật liệu là khoảng 30 phút, phù hợp với quy trình sản xuất nhanh.

4. Hiệu quả mô phỏng và thực nghiệm: Mô phỏng phần tử hữu hạn cho thấy ứng suất tập trung tại các điểm nối buồng khí không vượt quá giới hạn chịu lực của vật liệu, đồng thời mô hình toán học động học dự đoán chính xác góc uốn và lực kẹp với sai số dưới 5% so với thực nghiệm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả tích cực này là do thiết kế kết hợp hai cấu trúc vuông góc và song song, giúp tăng tính linh hoạt trong việc cầm nắm các hình dạng sản phẩm khác nhau. Việc sử dụng vật liệu silicone mềm có đặc tính cơ học phù hợp cũng góp phần nâng cao hiệu quả kẹp và độ bền.

So với các nghiên cứu trước đây, thiết kế này giảm thiểu chi phí sản xuất nhờ sử dụng công nghệ in 3D khuôn và vật liệu phổ biến tại Việt Nam, đồng thời tăng khả năng ứng dụng trong thực tế cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lực kẹp theo áp suất khí nén và bảng so sánh đặc tính vật liệu silicone.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường nghiên cứu vật liệu mới: Khuyến nghị nghiên cứu thêm các loại silicone có độ bền cao hơn và khả năng chịu nhiệt tốt để mở rộng ứng dụng trong môi trường sản xuất đa dạng. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng, do các viện vật liệu và trường đại học chủ trì.

2. Phát triển hệ thống điều khiển tự động: Xây dựng hệ thống điều khiển áp suất khí nén thông minh, tích hợp cảm biến lực và góc uốn để tối ưu hóa quá trình kẹp. Mục tiêu giảm sai số góc uốn dưới 2%, hoàn thành trong 18 tháng, do nhóm kỹ thuật cơ khí và tự động hóa thực hiện.

3. Mở rộng thử nghiệm thực tế: Thực hiện thử nghiệm trên dây chuyền sản xuất thực phẩm tại một số địa phương để đánh giá hiệu quả và độ bền lâu dài của cơ cấu kẹp mềm. Thời gian thử nghiệm 6 tháng, phối hợp với các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành nhằm nâng cao năng lực sử dụng và bảo trì thiết bị. Thời gian đào tạo 3 tháng, do trường đại học và các trung tâm đào tạo kỹ thuật phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Doanh nghiệp sản xuất thực phẩm vừa và nhỏ: Có thể áp dụng thiết kế cơ cấu kẹp mềm để tự động hóa khâu đóng gói, giảm chi phí và tăng năng suất.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Tham khảo mô hình vật liệu silicone mềm, phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn và xây dựng mô hình toán học động học.

3. Các đơn vị phát triển robot và tự động hóa: Áp dụng thiết kế soft gripper khí nén vào các hệ thống robot phục vụ trong công nghiệp thực phẩm và các ngành công nghiệp nhẹ.

4. Trung tâm đào tạo kỹ thuật và công nghệ: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy về thiết kế cơ cấu mềm, vật liệu đàn hồi và ứng dụng khí nén trong tự động hóa.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu kẹp mềm khí nén có ưu điểm gì so với cơ cấu kẹp cứng?
   Cơ cấu kẹp mềm sử dụng vật liệu đàn hồi giúp giảm thiểu tổn thương sản phẩm, thích hợp với các vật thể mềm và dễ vỡ như thực phẩm. Ví dụ, lực kẹp được điều chỉnh linh hoạt theo áp suất khí nén, tránh làm hỏng sản phẩm.

2. Vật liệu silicone Platinum có đặc tính gì nổi bật?
   Silicone Platinum có độ bền kéo khoảng 3,4 MPa, độ giãn dài tới 364%, và thời gian đóng rắn nhanh (khoảng 30 phút), phù hợp cho các ứng dụng cần độ mềm và bền cao.

3. Làm thế nào để điều khiển góc uốn của ngón kẹp?
   Góc uốn được điều khiển bằng áp suất khí nén trong các buồng khí PneuNet. Áp suất càng cao, góc uốn càng lớn, ví dụ góc uốn đạt 154° ở áp suất 80 kPa.

4. Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn giúp gì cho thiết kế?
   Mô phỏng FEA giúp đánh giá ứng suất và biến dạng của ngón kẹp, từ đó tối ưu thiết kế để tránh rò rỉ khí và đảm bảo độ bền vật liệu.

5. Cơ cấu kẹp mềm này có thể ứng dụng trong những ngành nào ngoài thực phẩm?
   Ngoài thực phẩm, cơ cấu kẹp mềm khí nén có thể ứng dụng trong y tế, đóng gói hàng hóa dễ vỡ, và các ngành công nghiệp cần xử lý vật liệu mềm hoặc hình dạng phức tạp.

Kết luận

• Thiết kế cơ cấu kẹp mềm khí nén với hai cấu trúc vuông góc và song song đáp ứng đa dạng hình dạng sản phẩm thực phẩm.
• Vật liệu silicone Platinum đảm bảo độ mềm mại và độ bền cao, phù hợp với yêu cầu an toàn thực phẩm.
• Mô phỏng phần tử hữu hạn và mô hình toán học động học cho kết quả chính xác, hỗ trợ tối ưu thiết kế.
• Lực kẹp và góc uốn đạt mức phù hợp với các loại thực phẩm nhẹ, tăng hiệu quả tự động hóa.
• Đề xuất phát triển hệ thống điều khiển tự động và mở rộng thử nghiệm thực tế trong 12-18 tháng tới.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai ứng dụng thực tế và tiếp tục cải tiến thiết kế để nâng cao hiệu quả sản xuất.