CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU .2 Tổng quan về đề tài .3 Tính cấp thiết.4 Đối tượng và phạm vi áp dụng của nghiên cứu .5 Phương pháp nghiên cứu .6 Kết cấu đồ án tốt nghiệp. 5 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU MỀM .1 Tổng quan về cơ cấu cơ khí. Lịch sử hình thành cơ cấu cơ khí [1].2 Một số cơ cấu cơ khí phổ biến và ưu nhược điểm của chúng .2 Sự ra đời của cơ cấu mềm [3] .3 Nhược điểm [6] .4 Các loại khớp mềm [7] .3 Ứng dụng cơ cấu mềm trong các lĩnh vực [9] .4 Những thách thức của cơ cấu mềm .5 Một số công trình nghiên cứu về cơ cấu mềm .1 Thiết kế và nghiên cứu hiệu suất của hệ thống giảm truyền động vi mô chính xác mà không cần chuyển động bổ sung.2 Thiết kế và tối ưu hóa bộ định vị micro/nano 2 bậc hoàn toàn dựa trên tính toán toán học .3 Phát triển cơ cấu ăn dao 2 bậc tự do điều khiển bởi hệ thống Piezo .4 Thiết kế và phân tích một bộ cơ cấu mềm 3 bậc tự do với phạm vi vi mô lớn .6 Phần mềm ANSYS Workbench sử dụng cho việc nghiên cứu cơ cấu mềm [10]. Response Surface Optimization.
44 CHƯƠNG III: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ TỐI ƯU HÓA.1 Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn FEA .2 Phương pháp Topology .3 Phương pháp giả cứng (PRBM) [11] .4 Phương pháp tối ưu hóa bề mặt (RSM). 52 CHƯƠNG IV: CƠ CẤU MỀM ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC.1 Giới thiệu về cơ cấu ứng dụng trong hệ thống định vị chính xác .2 Thiết kế cơ cấu mềm .3 So sánh và lựa chọn phương án .3 Áp dụng phương áp Topology cho bản thiết kế.4 Tối ưu hóa thiết kế.1 Phương pháp Phần tử hữu hạn FEA – Finite Element Analysis .2 Phương pháp Tối ưu hóa bề mặt RSM – Response Surface Method. 80 CHƯƠNG V: CƠ CẤU MỀM ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG CÓ RUNG ĐỘNG .1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu và các sai số xuất hiện khi gia công .1 Quá trình cắt gọt trên máy công cụ truyền thống và CNC [16] .2 Các nguồn sai số khi gia công .2 Thiết kế cơ cấu mềm ăn dao .3 Xây dựng phương trình toán bằng phương pháp giả cứng .4 Phân tích bằng phần mềm ANSYS WORKBENCH .5 Tối ưu hóa cơ cấu mềm .1 Phương pháp Tối ưu hóa bề mặt RSM – Response Surface Method .2 Tối ưu hóa cơ cấu mềm bằng thuật toán tối ưu đơn mục tiêu. 122 CHƯƠNG VI: GIA CÔNG CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ .1 Đo chuyển vị bằng đồng hồ so.
Đo tần số tự nhiên của cơ cấu .3 Nhận xét kết quả thực nghiệm .4 Đề xuất cải tiến. 133 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 137 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Bảng so sánh sai lệch giữa tính toán và FEA…………………………………25 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của Nhôm 7075………………………………………….2: Giá trị kích thước của cơ cấu mềm………………………………………….3: Giá trị các kích thước của cơ cấu mềm……………………………………….4: So sánh hai phương án……………………………………………………….5: So sánh kết quả trước và sau khi áp dụng phương pháp Topology Optimization…………………………………………………………………….6: Giá trị Lower và Upper của các biến đầu vào……………………………….7: Kết quả tối ưu hóa……………………………………………………….8: Kiểm nghiệm lại bằng FEA………………………………………………….9: Kết quả hệ số an toàn ứng với các giá trị chuyển vị đầu vào khác nhau ………………………………………………………………………………………….1: Giá trị kích thước của cơ cấu mềm………………………………………….2: Các thông số cho phương trình giả cứng…………………………………….3: Kết quả FEA……………………………………………………………….4: Giá trị Lower và Upper của các biến đầu vào……………………………….5: Kết quả tối ưu hóa………………………………………………………….6: Kết quả giữa RSM và kiểm nghiệm lại sau RSM………………………….7: Giá trị biến các khe hở sau khi dùng thuật toán tối ưu hóa đơn mục tiêu….1: Số liệu gia công thực nghiệm……………………………………………….2: Giá trị đầu ra trong lần đo cao nhất (1411 µm)…………………………….3: Bảng so sánh kết quả đo…………………………………………………….4: Bảng so sánh kết quả đo…………………………………………………….133 ix DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.2: Lưu đồ thiết kế bộ định vị cơ cấu mềm……………………………………….3: Thiết kế cơ cấu mềm của cơ cấu ăn dao………………………………….1: Một máy bơm vít ở Ai Cập dùng cơ chế vít Archimedes……………….2: Một trang phác thảo máy bay của Leonardo da Vinci (1452-1519) [2]…….4: Một số hình ảnh về bản vẽ kỹ thuật thời kỳ Phục Hưng [2]………….5: Máy hơi nước đầu tiên do James Watt phát minh năm 1765 tại Anh……….8: Kềm dạng cơ cấu mềm….9: Li hợp dạng cơ cấu mềm ………………………………………………….10: Các chi tiết của li hợp ở dạng CCM…………………………………….11: Kẹp cơ khí dạng CCM………………………………………………….13: Kẹp dùng trong hóa chất……………….14: Kẹp tháo lưỡi câu………………………………………………………….15: Phân loại khớp mềm…………………………………………………….16: Khớp dạng notch…………………………………………………….17: Khớp dạng phức tạp………………………………………………….19: Ống nghe y tế…………………………………………………………….20: Kẹp bướm, súng bắn đĩa, chốt gài………………………………………….21: Thiết kế hệ thống truyền động vi mô [17]……………………………….22: Phân tích chuyển vị trên phần mềm Ansys Workbench 2020 R2 [17]…….23: Tần số tự nhiên của cơ cấu [17]………………………………………….24: Thiết lập hệ thống đo đạc của nghiên cứu [17]…………………………….25: Cấu trúc đòn bẩy đối xứng 2 tầng [18]…………………………………….26: Bộ định vị 2 bậc tự do trong nghiên cứu [18]………………………………25 Hình 2.27: Thiết lập hệ thống đo của bài nghiên cứu này [18]……………………….28: Bản thiết kế trong bài nghiên cứu này [19]……………………………….29: Mô phỏng trên phần mềm Ansys Workbench…………………………….30: Thiết lập hệ thống thực nghiệm cho cơ cấu mềm…………………….31: Gắn cơ cấu mềm lên máy tiện CNC……………………………………….32: Bề mặt phôi sau gia công [19]…………………………………………….33: Sử dụng máy chuyên dùng kiểm tra độ bóng bề mặt phôi [19]…………….34: Thiết kế cơ cấu mềm 3 bậc tự do………………………………………….35: Mô phỏng chuyển động theo trục X [20]………………………………….36: Mô phỏng chuyển động xoay quanh trục Z [20]………………………….37: Các thiết bị dùng để thực nghiệm [20]…………………………………….38: Giao diện làm việc của ANSYS Workbench…………………………….39: Giao diện Modul Static Structural……………………………………….40: Giao diện Engineering Data trong Static Structural……………………….41: Giao diện Geometry trong Static Structural……………………………….42: Giao diện Model trong Static Structural………………………………….43: Chia lưới trong Ansys…………………………………………………….44: Biến đầu vào trong Static Structural……………………………………….45: Biến đầu ra trong Static Structural…………………………………………36 Hình 2.46: Minh họa về tính năng Static Structural……………………………………36 Hình 2.47: Giao diện modul Modal…………………………………………………….48: Liên kết giữa các modul trong Ansys………………………………………37 Hình 2.49: Giao diện Model trong Modal…………………………………………….50: Chia lưới trong Modal…………………………………………………….51: Biến đầu vào trong Modal………………………………………………….52: Biến đầu ra trong Modal…………………………………………………….53: Minh họa về tính năng Modal……………………………………………….54: Giới thiệu tính năng Topology………………………………………………41 Hình 2.55: Giao diện tính năng Topology………………………………………………42 Hình 2.56: Hàm mục tiêu trong Topology………………………………………………42 Hình 2.57: Tỉ lệ phần trăm của cấu trúc cần giữ lại…………………………………….59: Minh họa về tính năng Topology…………………………………….60: Giới thiệu về RSM………………………………………………………….61: Mô phỏng các điểm với các biến đầu vào khác nhau……………………….62: Minh họa về tính năng RSM……………………………………………….2: Minh họa về cơ cấu đòn bẩy [8] …………………………………………54 Hình 4.7: Vị trí của mục Engineering Data trong phần mềm Ansys Workbench……….8: Bảng giá trị thông số kỹ thuật của Al 7075………………………………….9: Thiết kế cơ cấu mềm phương án 1……………………………………………58 Hình 4.10: Dựng bản thiết kế trên phần mềm Inventor 2023………………………….11: Sơ đồ phân tích chuyển động của phương án 1…………………………….12: Thiết kế cơ cấu mềm phương án 2………………………………………….13: Dựng bản thiết kế trên phần mềm Inventor 2023………………………….14: Sơ đồ phân tích chuyển động của phương án 2…………………………….15: Vị trí của tab “Browse” để thêm file từ phần mềm khác………………….16: Giao diện môi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise]….17: Gán vật liệu cho cơ cấu…………………………………………………….18: Giá trị Element Size…………………………………………………………66 Hình 4.19: Lựa chọn body để Automatic Method………………………………………66 Hình 4.20: Lựa chọn các mặt để Refinement……………………………………………67 Hình 4.21: Cố định vị trí cơ cấu trong không gian bởi các lỗ bậc………………………67 Hình 4.22: Lựa chọn mặt phẳng và nhập giá trị chuyển vị đầu vào…………………….23: Lựa chọn mặt phẳng để đo chuyển vị đầu ra phương án 1………………….24: Các kết quả sẽ được thể hiện ở tab Solution (A6)………………………….25: Kết quả phân tích phương án 2…………………………………………….26: Vị trí của Topology Optimization………………………………………….27: Liên kết giữa Static Structural và Topology Optimization………………….28: Các lựa chọn của Topology………………………………………………….29: Đối tượng hiệu chỉnh của Topology…………………………………………72 Hình 4.30: Kết quả của phương pháp Topology……………………………………….31: Các bước để tái thiết kế dựa trên kết quả của Topology…………………….32: Dựng lại nửa bên bản thiết kế ban đầu………………………………………74 Hình 4.33: Thiết kế lại một số vị trí phù hợp hơn……………………………………….34: Dựng khối và mirror qua mặt YOZ để hoàn chỉnh bản thiết kế…………….36: Mô phỏng chuyển vị trong môi trường Model-Static Structural – Mechanical [Ansys Mechanical Enterprise]…………………………………………….37: Giao diện Geometry trong Ansys……………………………………………78 Hình 4.38: Xây dựng thiết kế trên 2D Sketch với các kích thước đã được ẩn………….39: Hoàn tất quá trình xây dựng mô hình 3D……………………………………79 Hình 4.40: Giá trị trung bình của Skewness và Orthogonal Quality…………………….41: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Skewness………………………………………….42: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Orthogonal………………………………………….43: Tiêu chuẩn quang phổ mắt lưới hệ thống Skewness và Orthogonal [13]……80 Hình 4.44: Thêm phương pháp tối ưu hóa bề mặt RSM vào giao diện Ansys………….45: Bảng Parameter Set chứa các biến đầu với ký hiệu và giá trị tương ứng……81 Hình 4.46: Nhập khoảng giá trị các biến……………………………………………….47: Các giá trị Design Point do phần mềm tự động cập nhật………………….48: Thiết lập biến đầu ra…………………………………………………………83 Hình 4.49: Kiểu đáp ứng bề mặt-Kriging……………………………………………….50: Điều kiện ràng buộc.51: Kết quả tối ưu….52: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến giá trị chuyển vị………………………….55: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến hệ số an toàn…………………………….57: Chạy lại biến đưa ra kết quả tối ưu nhất……………………………….59: Kết quả mô phỏng lại FEA…………………………………………….60: Design of Experiment……………………………………………………….1: Thiết kế cơ cấu ăn dao……………………………………………………….2: Dựng bản thiết kế trên phần mềm Inventor 2023…………………………….3: Sơ đồ phân tích chuyển động………………………………………………….4: Chuyển vị vào và ra của cơ cấu……………………………………………….7: Vị trí của tab “Browse” để thêm file từ phần mềm khác…………………….8: Giao diện môi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise]….9: Gán vật liệu cho cơ cấu………………………………………………………104 Hình 5.10: Giá trị Element Size……………………………………………………….11: Lựa chọn body để Automatic Method…………………………………….12: Lựa chọn các mặt để Refinement………………………………………….13: Cố định vị trí cơ cấu trong không gian bởi các lỗ bậc…………………….14: Lựa chọn mặt phẳng và nhập giá trị chuyển vị đầu vào……………………106 Hình 5.15: Lựa chọn mặt phẳng để đo chuyển vị đầu ra……………………………….16: Kết quả giá trị hệ số an toàn……………………………………………….17: Các kết quả sẽ được thể hiện ở tab Solution (A6)……………………….18: Cách thêm hệ thống Modal vào môi trường Ansys Workbench………….19: Giao diện môi trường Static Structural – [Ansys Mechanical Enterprise]…109 Hình 5.20: Kết quả tần số tự nhiên…………………………………………………….21: Xây dựng thiết kế trên 2D Sketch………………………………………….22: Đặt tên các biến khe hở khớp…………………………………………….23: Hoàn tất quá trình xây dựng mô hình 3D………………………………….24: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Skewness………………………………………….25: Đồ thị mắt lưới hệ Mét Orthogonal……………………………………….26: Tiêu chuẩn quang phổ mắt lưới hệ thống Skewness và Orthogonal……….27: Thêm phương pháp tối ưu hóa bề mặt RSM vào giao diện Ansys…………113 Hình 5.28: Thiết lập biến đầu ra……………………………………………………….29: Bảng Parameter Set chứa các biến đầu vào với ký hiệu và giá trị tương ứng…………………………………………………………………………………….30: Nhập khoảng giá trị các biến……………………………………………….31: Các giá trị Design Point do phần mềm tự động cập nhật………………….32: Kiểu đáp ứng bề mặt-Kriging…………………………………………….33: Điều kiện Tối ưu hóa……………………………………………………….34: Kết quả tối ưu hóa………………………………………………………….35: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến giá trị chuyển vị……………………….36: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến tần số tự nhiên………………………….37: Ảnh hưởng của bề dày khớp đến hệ số an toàn…………………………….38: Chạy lại biến đã tối ưu…………………………………………………….39: Kết quả sau khi thử nghiệm lại…………………………………………….41: Kết quả mô phỏng lại FEA………………………………………….42: Lưu đồ tối quá trình tối ưu bằng thuật toán tối ưu hóa đơn mục tiêu………122 xv Hình 5.43: Chạy lại các biến đã tối ưu bằng FEA…………………………………….