CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan về đề tài. Trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển, ngoài sự phát triển không ngừng của các thiết bị đo lường nâng cao đã đòi hỏi những những tiến bộ mới và không ngừng trong lĩnh vực thiết kế cơ cấu và điều khiển. Đặc biệt, sự kết hợp giữa cơ cấu mềm và cơ cấu cân bằng lực đã mở ra nhiều tiềm năng to lớn cho việc tăng tối đa hiệu suất truyền động trong các máy móc công nghiệp, robot, và các thiết bị trong lĩnh vực công nghiệp hóa, hiện đại hóa, các thiết bị trong lĩnh vực y tế. Bên cạnh đó, độ chính xác của các hệ thống định vị chính xác cũng được cải thiện.
Điểm nổi bật của cơ cấu mềm là thuộc tính đàn hồi và độ linh hoạt của vật liệu để truyền lực đi theo phương chuyển động hoặc đi theo phương truyền động. Vật liệu được sử dụng trong cơ cấu mềm thường có tính đàn hồi cao, cơ cấu mềm khi ở trạng thái bình thường nếu có một lực tác dụng,lên thì cơ cấu mềm sẽ biến dạng và khi lực tác dụng bị mất đi thì cơ cấu mềm sẽ trở về trạng thái bình thường ban đầu. Những đặc tính ưu điểm này đã giúp cơ cấu đàn hồi được ứng dụng trong nhiều hướng nhờ tính linh hoạt, tỉ lệ chính xác cao và giảm thiểu sai số, được ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực: Robot và tự động hóa, có trong các chip bán dẫn, lĩnh vực y tế và công nghệ cao, các thiết bị đeo thông minh trong thời đại hiện nay. Bên cạnh đó, lĩnh vực công nghệ không gian và khảo sát cũng đang được áp dụng.
Nhìn chung, nhờ vào những ưu điểm vượt trội, tính linh hoạt và khả năng thích ứng cao, cơ cấu mềm đã mở ra nhiều cơ hội mới cho các lĩnh vực công nghệ cao và ứng dụng thực tiễn, từ y tế đến sản xuất và công nghiệp, cũng như trong các nghiên cứu khoa học và không gian. Để đáp ứng các nhu cầu cần thiết về cơ cấu mềm đã và đang đem lại hiệu quả cao trong thời đại công nghệ hiện nay, cùng với những kiến thức đã học, và hơn hết là nhờ sự chỉ dạy của giảng viên hướng dẫn - Thầy Đặng Minh Phụng, nhóm chúng em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế kết cấu mới và chế bộ định vị 1 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm tích hợp cơ cấu cân bằng lực để ứng dụng cho hệ thống định vị chính xác”. Nội dung của đề tài đi sâu vào thiết kế kết cấu mới hơn trong đó sử dụng cơ cấu mềm để tạo ra tính linh hoạt trong hệ thống và tích hợp cơ cấu cân bằng lực để đảm bảo tính ổn định trong hệ thống.2 Tính cấp thiết của đề tài. Với nhiều điều thuận lợi mà cơ cấu mềm đem lại như: khả năng linh hoạt, độ chính xác tốt, khả năng truyền đạt tốt và hạn chế ma sát cũng như va đập.
Đặc biệt, cơ cấu mềm còn được ứng dụng trong nhiều hệ thống định vị, với nhiều điều kiện khắt khe về độ chính xác. Cơ cấu 1 mềm đang được nghiên cứu rộng rãi và sẽ mang lại nhiều tiến bộ đáng kể. Sự linh hoạt trong cơ cấu mềm sẽ giúp tối ưu hóa tính chính xác và khả năng định vị trong các điều kiện biến động và khắc nghiệt, đồng thời giảm thiểu sự ảnh hưởng của sai số và các yếu tố bất lợi từ môi trường. Bằng việc tối ưu hóa tần số và hệ số sẽ mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng.
Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn mở ra nhiều cơ hội phát triển mới cho các ngành công nghiệp liên quan. Ngoài ra, việc tích hợp cơ cấu mềm và cơ cấu cân bằng lực vào hệ thống định vị chính xác cũng mở ra những hướng đi mới trong việc phát triển các công nghệ tiên tiến. Đề tài này không chỉ tập trung vào việc nghiên cứu lý thuyết mà còn mục tiêu ứng dụng thực tế, từ đó nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các hệ thống tự động và lĩnh vực công nghệ tiên tiến. Thông qua đề tài này, nhóm chúng em vọng rằng các kết quả đạt được từ đề tài sẽ có đóng góp ý nghĩa cho sự phát triển bền vững của công nghệ và ứng dụng trong xã hội hiện đại.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu phát triển và đưa vào ứng dụng bộ định vị 01 dof kết hợp cơ cấu cân bằng lực ứng để nghiên cứu và đưa vào sử dụng.
Có thể xác định được như sau: - Thiết kế kết cấu mới. - Sử dụng cơ cấu mềm. - Tích hợp cơ cấu cân bằng lực. - Chế tạo và kiểm tra.
- Tiến hành đưa vào hệ thống định vị chính xác. - Cải tiến và tối ưu hóa.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu - Đề xuất các phương pháp cho bộ định vị 01-dof, kết hợp ưu điểm của hai cơ cấu, mang lại hiệu quả vượt trội cho hệ thống định vị. - Nghiên cứu bộ định vị 01-dof phổ biến trên thị trường hiện nay và trong các bài nghiên cứu khoa học. 2 - Tìm hiểu cơ cấu bằng cách khảo sát các loại cơ cấu đàn hồi được sử dụng trong thiết kế bộ định vị, phân tích các đặc điểm của cơ cấu mềm, tích chất và hiệu suất của cơ cấu mềm.
- Cơ cấu cân bằng lực: Các phương pháp và cơ cấu cân bằng lực hiện có, cũng như ứng dụng của cơ cấu cân bằng lực trong việc duy trì sự ổn định và độ chính xác của hệ thống.2 Phạm vi nghiên cứu: - Tìm hiểu các tài liệu, bài nghiên cứu khoa học, các bài khảo sát và thực nghiệm về cơ cấu mềm. - Các cơ cấu đàn hồi trong các bài nghiên cứu khoa học, cơ cấu đàn hồi 1 dof.5 Phương pháp nghiên cứu đề tài: 1. - Để nghiên cứu được đề tài này, nhóm chúng em đã dựa vào các thiết kế bộ định vị 1 bậc tự do của các khóa trước cũng như các bài báo nghiên cứu khoa học của các thầy đã hoàn thành trước. - Tiến hành thiết kế, thử nghiệm đo đạc và kiểm nghiệm kết quả trên phần mềm Ansys.
- Trong quá trình thiết kế, tiến hành xác định các biến số trong thiết kế đã đưa ra. - Tiến hành thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm qua nhiều lần từ đó rút ra được kinh nghiệm, trong quá trình thiết kế và tiến hành đưa ra bản thiết kế tối ưu nhất.2 Thực nghiệm Sau khi thiết kế và mô phỏng, tiến hành đặt gia công, sau khi gia công xong tiến hành đo thực nghiệm chi tiết. Thiết kế kết cấu mới của cơ cấu đàn hồi sử dụng trong hệ thống định vị chính xác cơ chế Scott - Russell và cơ chế đa đòn bẩy đã được sử dụng để thiết kế các tầng của cơ cấu mềm. Sau đó, phương pháp phân tích phần tử hữu hạn được kết hợp để thực hiện một mô hình phân tích.
Thể hiển thị phương án được đề xuất cho bước này, nhóm em xin được thể hiện như sau: - Thiết kế sơ đồ động học: Mô tả chuyển động của hệ thống bằng sơ đồ khối và xác định các thông số kỹ thuật có liên quan. - Mô hình hóa CAD: Sử dụng phần mềm Inventor để tạo mô hình 3D chi tiết của bộ định vị. 3 - Lập phương trình động: Áp dụng phương pháp PRBM và Lagrange để xây dựng hệ thống phương trình mô tả chuyển động của cơ cấu mềm. - Mô phỏng động: Sử dụng phần mềm ANSYS để giải hệ phương trình và kiểm tra kết quả lý thuyết.
- Cải thiện thiết kế: Tối ưu hóa để tìm ra giải pháp tối ưu cho thiết kế. - Kiểm tra kết quả: Mô phỏng lại hệ thống với thiết kế tối ưu trên ANSYS để xác nhận hiệu quả. - Gia công và thực nghiệm: Chế tạo bộ định vị dựa trên thiết kế tối ưu và thực hiện thử nghiệm thực tế để so sánh kết quả với mô phỏng. - Lặp lại: Nếu kết quả thử nghiệm không đạt yêu cầu, quay lại bước 5 để điều chỉnh thiết kế và tối ưu hóa tiếp.
Lên ý Thiết kế cơ Phân tích Thiết kế trên phần tưởng thiết cấu mềm chuyển động mềm kế Chưa đạt yêu cầu Kết quả đã Tối ưu hóa cơ Lập phương Mô phỏng đạt yêu cầu cấu bằng trình toán học chuyển động chưa? phương pháp bằng ANSYS RSM Đã đạt yêu cầu Kết thúc quá trình Gia công và thực thiết kế nghiệm Hình 1.1: Lưu đồ thiết kế cơ cấu đàn hồi 01 bậc tự do.6 Kết cấu đồ án tốt nghiệp: Đề tài tìm hiểu cơ cấu mềm 01 bậc tự do bao gồm 06 chương: - Chương 1: Giới thiệu sơ bộ về cơ cấu mềm cũng như khả năng linh hoạt, tính ứng dụng thực tiễn của cơ cấu mềm trong hệ thống định vị chính xác. - Chương 2: Trình bày về các bài báo về cơ cấu mềm đã được nghiên cứu trong và ngoài nước, các vấn đề còn tồn đọng, cần phải giải quyết của các nghiên cứu. - Chương 3: Cơ sở lý thuyết của đề tài cũng như các phương pháp gia công về cơ cấu mềm mà nhóm đang thực hiện. - Chương 4: Thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu linh hoạt, tính toán và cải thiện tần số tự nhiên của cơ cấu mềm và cải thiện chuyển vị cũng như tần số cơ cấu đàn hồi 1 dof.
- Chương 5: Thực nghiệm về cơ cấu mềm trong thực tế và tiến hành lấy kết quả, tiến hành so kết quả với kết quả mô phỏng - Đề xuất và kiến nghị: Đây là chương cuối cùng của đồ án, nhóm chúng em nói về kết quả đạt được và hướng phát triển cho sau này. 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU MỀM 2.1 Giới thiệu về cơ cấu đàn hồi và ứng dụng.1 Tổng quan về cơ cấu Từ xa xưa, con người đã tạo ra cơ cấu là một hệ thống các chi tiết được sắp xếp và liên kết theo trật tự nhất định để thực hiện một chức năng cụ thể. Trong cơ khí, điển hình là các bộ phận chuyển động như bánh răng, cơ cấu cam, vít me đai ốc,. Cơ cấu được nghiên cứu và thiết kế nhằm mục đích: Truyền tải lực giúp di chuyển vật thể từ nơi này sang nơi khác, di chuyển, cân bằng lực, chuyển đổi năng lượng.
Cơ cấu là nền tảng cho sự phát triển của công nghệ kỹ thuật.2 Cơ cấu mềm là gì? Cơ cấu mềm (flexible mechanism) là một thiết bị có khả năng biến dạng khi chịu tác động của một lực tác dụng lên nó và có khả năng trở về hình dáng ban đầu khi lực tác dụng đó được gỡ bỏ.