Nghiên cứu và chế tạo bộ định vị 2 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm cho hệ thống định vị chính xác

Nghiên cứu thiết kế kết cấu mới và chế bộ định vị 02 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm, ứng dụng cho hệ thống định vị chính xác hiệu quả.

• Tác giả: Trần Đức Huy
• Người hướng dẫn: PGS. TS Lê Hiếu Giang
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế kết cấu mới và chế tạo bộ định vị 2 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm cho hệ thống định vị chính xác
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa của đề tài
• 1.2.1. Về mặt khoa học
• 1.2.2. Về mặt thực tiễn
• 1.3. Mục tiêu hướng đến
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Kết cấu ĐATN
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 2.1. Tổng quan về đề tài
• 2.2. Các loại khớp mềm
• 2.2.1. Khớp mềm một trục
• 2.2.2. Khớp mềm hai trục
• 2.2.3. Khớp mềm nhiều trục
• 2.3. Ưu và nhược điểm khớp mềm và cơ cấu mềm
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. FEA-phương pháp phân tích phần tử hữu hạn
• 3.2. Nguyên tắc của FEA
• 3.3. Phương pháp tối ưu hóa
• 3.4. Phương pháp động học
• 3.5. Các bước để áp dụng phương pháp
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA CƠ CẤU
• 4.1. Yêu cầu đề tài
• 4.2. Cơ sở thiết kế chung của 2 thiết kế
• 4.3. Phương án và cách thực hiện
• 4.4. Yêu cầu đặt ra
• 4.5. Các bước thiết kế
• 4.5.1. Yêu cầu đặt ra
• 4.5.2. Các bước thiết kế
• 4.5.3. Tối ưu hóa thiết kế
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ TỐI ƯU HÓA BỘ ĐỊNH VỊ 2 BẬC TỰ DO XY SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM
• 5.1. Tính toán tần số cho bộ định vị 02-DOF XY
• 5.2. Xác nhận lại phân tích đã hoàn thành
• 6. CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 6.1. Sản phẩm sau khi gia công
• 6.2. Các bước thực hiện
• 6.3. Đo tần số cơ cấu đàn hồi
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Đề tài 'Nghiên cứu thiết kế kết cấu mới và chế tạo bộ định vị 2 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm cho hệ thống định vị chính xác' tập trung vào việc phát triển các giải pháp kỹ thuật tiên tiến trong lĩnh vực cơ khí chính xác. Cơ cấu mềm đã trở thành một công nghệ quan trọng nhờ khả năng tạo ra chuyển động chính xác ở mức micro và nano, đặc biệt trong các ứng dụng robot và gia công cơ khí. Tuy nhiên, các khớp nối truyền thống thường gặp vấn đề về khe hở, mài mòn và ma sát, làm giảm độ chính xác và tuổi thọ của thiết bị. Đề tài này nhằm khắc phục những hạn chế đó bằng cách thiết kế và chế tạo một bộ định vị 2 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm, giúp tăng độ chính xác và giảm thiểu ma sát.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong lĩnh vực cơ khí chính xác, cơ cấu mềm đang trở thành xu hướng nghiên cứu quan trọng. Các khớp nối truyền thống thường gặp vấn đề về khe hở, mài mòn và ma sát, làm giảm độ chính xác và tuổi thọ của thiết bị. Bộ định vị 2 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm không chỉ giúp giảm thiểu ma sát mà còn nâng cao độ chính xác và dễ dàng lắp ráp. Tuy nhiên, hệ số khuếch đại và tần số của cơ cấu mềm còn hạn chế, ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống. Đề tài này nhằm giải quyết những vấn đề trên bằng cách thiết kế và chế tạo một bộ định vị mới với hiệu suất tối ưu.

1.2 Mục tiêu hướng đến

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và chế tạo một bộ định vị 2 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm để ứng dụng trong các hệ thống định vị chính xác. Cụ thể, nhóm nghiên cứu hướng đến việc tối ưu hóa chuyển vị và tần số của bộ định vị, đồng thời hạn chế sai số giữa thực nghiệm và lý thuyết (sai số <10%). Quá trình nghiên cứu bao gồm việc tham khảo các tài liệu khoa học, sử dụng phần mềm mô phỏng như Ansys và MATLAB để tối ưu hóa thiết kế, và cuối cùng là gia công và thử nghiệm thực tế.

II. Tổng quan về đề tài

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về cơ cấu mềm và khớp mềm, đồng thời phân tích các ưu nhược điểm của chúng. Cơ cấu mềm là hệ thống sử dụng độ đàn hồi của vật liệu để tạo ra chuyển động, thay thế các khớp nối truyền thống. Khớp mềm được chia thành nhiều loại, bao gồm khớp một trục, hai trục và nhiều trục, mỗi loại có đặc điểm và ứng dụng riêng. Ưu điểm của cơ cấu mềm bao gồm hoạt động êm ái, dễ lắp đặt, cấu trúc nguyên khối và chuyển động chính xác cao. Tuy nhiên, chúng cũng có nhược điểm như hạn chế về khả năng tải trọng và phụ thuộc vào độ bền của vật liệu.

2.1 Khớp mềm

Khớp mềm là cơ cấu cho phép chuyển động linh hoạt nhờ tính đàn hồi của vật liệu. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, như robot và máy móc công nghiệp. Khớp mềm có thể được chia thành ba loại chính: khớp một trục, hai trục và nhiều trục. Mỗi loại có đặc điểm và ứng dụng riêng, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật khác nhau.

2.2 Ưu và nhược điểm của cơ cấu mềm

Cơ cấu mềm mang lại nhiều ưu điểm như hoạt động êm ái, dễ lắp đặt và chuyển động chính xác cao. Tuy nhiên, chúng cũng có nhược điểm như hạn chế về khả năng tải trọng và phụ thuộc vào độ bền của vật liệu. Những nhược điểm này cần được khắc phục thông qua việc lựa chọn vật liệu phù hợp và thiết kế tối ưu.

III. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các phương pháp lý thuyết được sử dụng trong nghiên cứu, bao gồm phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và phương pháp tối ưu hóa. FEA là công cụ quan trọng để mô phỏng và phân tích các cấu trúc phức tạp, giúp dự đoán hiệu suất của bộ định vị 2 bậc tự do trước khi chế tạo. Phương pháp tối ưu hóa được sử dụng để cải thiện thiết kế, đảm bảo bộ định vị đạt được hiệu suất tối ưu.

3.1 Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn FEA

FEA là phương pháp được sử dụng để mô phỏng và phân tích các cấu trúc phức tạp. Trong nghiên cứu này, FEA được áp dụng để dự đoán hiệu suất của bộ định vị 2 bậc tự do trước khi chế tạo. Phương pháp này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác và độ bền của bộ định vị.

3.2 Phương pháp tối ưu hóa

Phương pháp tối ưu hóa được sử dụng để cải thiện thiết kế của bộ định vị 2 bậc tự do. Quá trình tối ưu hóa bao gồm việc sử dụng các công cụ như Ansys và MATLAB để điều chỉnh các thông số thiết kế, đảm bảo bộ định vị đạt được hiệu suất tối ưu.

IV. Phương án thiết kế và tối ưu hóa

Chương này trình bày các phương án thiết kế và quá trình tối ưu hóa bộ định vị 2 bậc tự do. Các yêu cầu kỹ thuật được đặt ra bao gồm tối đa hóa chuyển vị và tần số, đồng thời hạn chế sai số giữa thực nghiệm và lý thuyết. Quá trình thiết kế bao gồm việc sử dụng phần mềm CAD để tạo mô hình 3D, sau đó sử dụng FEA và phương pháp tối ưu hóa để cải thiện thiết kế.

4.1 Yêu cầu kỹ thuật

Các yêu cầu kỹ thuật chính của bộ định vị 2 bậc tự do bao gồm tối đa hóa chuyển vị và tần số, đồng thời hạn chế sai số giữa thực nghiệm và lý thuyết (sai số <10%). Những yêu cầu này được đặt ra để đảm bảo bộ định vị đạt được hiệu suất tối ưu trong các ứng dụng thực tế.

4.2 Quá trình thiết kế và tối ưu hóa

Quá trình thiết kế bao gồm việc sử dụng phần mềm CAD để tạo mô hình 3D của bộ định vị 2 bậc tự do. Sau đó, FEA và phương pháp tối ưu hóa được áp dụng để cải thiện thiết kế, đảm bảo bộ định vị đạt được các yêu cầu kỹ thuật đặt ra.

V. Thực nghiệm và đánh giá

Chương này trình bày quá trình thực nghiệm và đánh giá bộ định vị 2 bậc tự do sau khi được chế tạo. Các bước thực nghiệm bao gồm đo tần số cơ cấu đàn hồi và so sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết. Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ định vị đạt được độ chính xác cao, với sai số nhỏ hơn 10% so với lý thuyết.

5.1 Quá trình thực nghiệm

Quá trình thực nghiệm bao gồm việc đo tần số cơ cấu đàn hồi của bộ định vị 2 bậc tự do. Các thiết bị đo lường được sử dụng để thu thập dữ liệu, sau đó so sánh với kết quả lý thuyết để đánh giá hiệu suất của bộ định vị.

5.2 Kết quả và đánh giá

Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ định vị 2 bậc tự do đạt được độ chính xác cao, với sai số nhỏ hơn 10% so với lý thuyết. Điều này chứng tỏ thiết kế và quá trình tối ưu hóa đã thành công, mang lại hiệu suất tối ưu cho bộ định vị.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật cơ khí chính xác và công nghệ vi mô, các cơ cấu truyền động và khớp nối truyền thống thường bộc lộ những nhược điểm cố hữu như ma sát, mài mòn và khe hở cơ học (backlash). Những yếu tố này làm suy giảm độ chính xác định vị và độ bền làm việc của thiết bị qua thời gian. Để khắc phục các hạn chế trên, cơ cấu mềm (compliant mechanism) dựa trên nguyên lý biến dạng đàn hồi của vật liệu được ứng dụng nhằm tạo ra các chuyển động vi mô và nano với độ chính xác cao, loại bỏ ma sát khớp và không cần bôi trơn. Tuy nhiên, các bộ định vị cơ cấu mềm hiện nay thường bị giới hạn về tỷ lệ khuếch đại chuyển vị và tần số dao động riêng, gây ảnh hưởng đến độ ổn định và đáp ứng động lực học của hệ thống.

Đồ án tốt nghiệp thực hiện đề tài "Nghiên cứu thiết kế kết cấu mới và chế tạo bộ định vị 02 bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm ứng dụng cho hệ thống định vị chính xác" (Mã số đề tài: CKM-57) tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán thiếu hụt bộ định vị chính xác thu nhỏ phục vụ gá đặt và dịch chuyển mẫu vật liệu sinh học trong kỹ thuật đo độ cứng nano (nanoindentation).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

1. Nghiên cứu tổng quan tài liệu trong và ngoài nước về cơ cấu mềm, khớp mềm và các bộ định vị cơ cấu mềm để đề xuất phương án thiết kế kết cấu mới có tính tối ưu cao.
2. Thiết kế và phân tích 02 phương án bộ định vị 02 bậc tự do (2-DOF XY) nhằm tối đa hóa chuyển vị đầu ra và nâng cao tần số cộng hưởng.
3. Ứng dụng lý thuyết giải tích (phương pháp động học, nguyên lý Lagrange) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEA trên phần mềm ANSYS) kết hợp thuật toán tối ưu trên MATLAB và phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM).
4. Kiểm soát sai số tương đối giữa tính toán lý thuyết và mô phỏng số dưới 10% (sai số < 10%).
5. Chế tạo thực tế bộ định vị bằng công nghệ phay CNC và gia công cắt dây tia lửa điện (Wire-EDM), sau đó lắp ráp và đo đạc thực nghiệm kiểm chứng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu bộ định vị vi sai 02 bậc tự do XY sử dụng cơ cấu mềm, đòn bẩy khuếch đại đối xứng, khớp uốn đàn hồi; mô hình mô phỏng phần tử hữu hạn ANSYS; mô hình giải tích động học và kết quả thực nghiệm.
• Phạm vi nghiên cứu: Ứng dụng vật liệu hợp kim nhôm Al-7075; không gian gá đặt thiết bị trong kích thước 500 × 500 mm; phân tích chuyển vị tĩnh và tần số dao động riêng; thực nghiệm đo lường tần số và hành trình vi mô trên mẫu chế tạo.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu kết hợp đồng thời mô hình hóa giải tích, mô phỏng số phần tử hữu hạn và kỹ thuật tối ưu hóa tham số kết cấu:

1. Khung lý thuyết và công thức tính toán

• Nguyên lý đòn bẩy khuếch đại chuyển vị: Tỷ lệ khuếch đại của cơ cấu đòn bẩy được xác định dựa trên tỷ số cánh tay đòn quay quanh điểm tựa cố định: $$r_{lever} = \frac{y_2}{y_1} = \frac{x_2}{x_1}$$ Trong đó $y_1$ là độ dịch chuyển đầu vào tại điểm $N$, $y_2$ là độ dịch chuyển đầu ra tại điểm $M$, $x_1$ và $x_2$ là khoảng cách từ tâm quay $O$ đến các điểm đặt lực tương ứng.
• Nguyên lý Lagrange: Dùng để thiết lập phương trình động lực học và xác định tần số dao động riêng ($f$) của cơ cấu dựa trên thế năng đàn hồi ($V$) và động năng ($T$): $$V = \frac{1}{2} a_{eq} d^2$$ $$T = \frac{1}{2} m_{eq} \dot{d}^2$$ $$f = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{a_{eq}}{m_{eq}}}$$ Trong đó $a_{eq}$ là độ cứng tương đương, $m_{eq}$ là khối lượng tương đương của hệ thống, $d$ là độ dịch chuyển đầu vào.
• Mô hình khớp uốn đàn hồi: Phân tích và lựa chọn các dạng khớp uốn kiểu Notch (khớp khía tròn, khớp elip, khớp parabol, khớp hyperbol) và bản lề lá đàn hồi nhằm đạt độ linh hoạt tối ưu tại các vị trí quay.

2. Phương pháp nghiên cứu và quy trình thực hiện

• Phương pháp động học (Kinematic Analysis): Thực hiện qua 4 bước: (1) Xác định khối lượng, lực, moment và điều kiện biên; (2) Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động bằng định luật bảo toàn hoặc Lagrange; (3) Giải tích số phương trình vi phân; (4) Phân tích chuyển động và đánh giá thông số kỹ thuật.
• Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA): Thực hiện trên phần mềm ANSYS qua 5 bước: (1) Khai báo cơ tính vật liệu Al-7075; (2) Dựng hình và nhập mô hình 3D; (3) Chia lưới phần tử; (4) Thiết lập điều kiện biên và gá đặt cố định; (5) Giải bài toán chuyển vị và tần số dao động riêng.
• Phương pháp tối ưu hóa: Áp dụng phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu trên MATLAB kết hợp phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) trong ANSYS để tìm bộ kích thước hình học tối ưu cho các khớp uốn và đòn bẩy.

---

Thiết kế và triển khai

Nghiên cứu đã đề xuất và phân tích 02 phương án thiết kế kết cấu bộ định vị 2-DOF XY:

Tiêu chí thiết kế	Thiết kế 1 (Cơ cấu 14 đòn bẩy đối xứng)	Thiết kế 2 (Cơ cấu kết hợp đòn bẩy kép Double Rocker)
Không gian làm việc bao ngoài	500 × 500 mm	500 × 500 mm
Hành trình làm việc định hướng	545 × 545 µm	685 × 685 µm
Tần số cộng hưởng mục tiêu	150 Hz	100 Hz
Tỷ lệ khuếch đại chuyển vị	$\ge 10$ lần	$\ge 10$ lần (yêu cầu tối thiểu $\ge 8$ lần)
Hệ số an toàn (Safety Factor)	1,9 (yêu cầu $> 1,8$)	1,9 (yêu cầu $> 1,8$)
Phạm vi tải trọng tối đa	2500 N (kết quả mô phỏng đạt 2595 N)	1800 N
Cấu trúc khớp uốn	14 đòn bẩy (mỗi bên 7 đòn bẩy), khớp elip, khớp cầu, bản lề lá	Cần kết hợp cơ cấu đòn bẩy kép (double rocker)

Chi tiết kích thước hình học và kiểm nghiệm mô phỏng

Đối với Thiết kế 1:

• Các kích thước kết cấu chính được xác định: $a = 278\text{ mm}$, $b = 278\text{ mm}$, $c = 162\text{ mm}$, $d = 162\text{ mm}$, $k = 32\text{ mm}$, $m = 32\text{ mm}$, $p = 35\text{ mm}$, $h = 35\text{ mm}$, khoảng biến thiên $E$ từ 33 đến 34 mm.
• Chiều dày cổ khớp uốn được lựa chọn tối ưu tại giá trị $A = C = D = 0,55\text{ mm}$. Khi tăng chiều dày khớp lên $0,8\text{ mm}$, chuyển vị đầu ra giảm xuống còn $458,33\text{ µm}$ khi dịch chuyển đầu vào là $50\text{ µm}$ (tỷ lệ khuếch đại $9,17 < 10$). Khi kích thước khối trung tâm tăng lên $k = m = 33\text{ mm}$, chuyển vị đầu ra giảm còn $485,46\text{ µm}$ (tỷ lệ $9,7 < 10$).
• Khi cấp chuyển vị đầu vào $50\text{ µm}$, đầu ra đạt $542\text{ µm}$ (tỷ lệ khuếch đại đạt 10,84 lần), hành trình làm việc đạt $542 \times 542\text{ µm}$ dưới lực tác động $2595\text{ N}$ với hệ số an toàn lớn hơn 1,8.

Đối với Thiết kế 2:

• Các thông số kích thước cơ bản: $a = 365\text{ mm}$, $b = 365\text{ mm}$, $c = 193\text{ mm}$, $k = 38\text{ mm}$, $m = 38\text{ mm}$. Cấu trúc double rocker mang lại ưu điểm về khả năng phân ly chuyển động giữa các trục (giảm ghép nối chéo) và độ cứng vững chịu tải.

Quy trình công nghệ chế tạo và thử nghiệm

1. Dựng mô hình 2D trên AutoCAD và thiết kế mô hình 3D trên phần mềm Autodesk Inventor.
2. Gia công chi tiết bàn trung gian và thân bộ định vị nguyên khối từ phôi hợp kim nhôm Al-7075 bằng phương pháp phay CNC cho các biên dạng tổng thể và gia công cắt dây tia lửa điện (Wire-EDM) nhằm đảm bảo độ chính xác của các khe hẹp và bán kính khớp mềm.
3. Lắp đặt hoàn thiện cơ cấu trên đồ gá thử nghiệm cùng hệ thống cảm biến và thiết bị đo dao động, ghi nhận chuyển vị thực tế và tần số dao động riêng.

---

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương này làm rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu cơ cấu mềm thay thế cơ cấu khớp truyền thống nhằm loại bỏ ma sát và nâng cao độ chính xác trong công nghệ chế tạo máy và robot. Trình bày ý nghĩa khoa học trong cơ học cấu trúc vi mô, ý nghĩa thực tiễn trong y tế, phẫu thuật, thiết bị gá định vị nano; xác định mục tiêu thiết kế bộ định vị 2-DOF đạt tỷ lệ khuếch đại cao, sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm dưới 10%; xác định đối tượng, phạm vi và bố cục 7 chương của đồ án.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Tổng quan chi tiết về định nghĩa, phân loại khớp mềm (khớp kiểu notch, khớp đơn giản, khớp phức tạp; khớp 1 trục, 2 trục, nhiều trục). Phân tích ưu điểm (không ma sát, không khe hở, cấu trúc nguyên khối) và nhược điểm (giới hạn tải trọng, hiện tượng mỏi vật liệu). Điểm qua các ứng dụng thực tế của cơ cấu mềm trong đời sống, robot, công tắc điện hai chiều, bộ ly hợp, y tế và bộ định vị. Tổng thuật các công trình nghiên cứu tiêu biểu của Phạm và cộng sự (2023) về tối ưu hóa đa mục tiêu NSGA-II cho mô hình thân giả cứng (PRBM), Ning Xu và cộng sự (2017) về 4 loại bản lề uốn, Liao và cộng sự (2024) về hệ thống định vị 4-DOF SPAS. Đồng thời phân tích nguyên lý máy đo độ cứng nanoindentation và nêu bật sự cần thiết của thiết kế bộ định vị mới 14 đòn bẩy đối xứng.

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trình bày cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) cùng 5 bước thiết lập mô phỏng trên ANSYS. Trình bày phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu và kỹ thuật bề mặt đáp ứng RSM. Trình bày nguyên lý Lagrange trong việc lập công thức tính động năng, thế năng tương đương và tần số dao động riêng tự nhiên của hệ đàn hồi. Trình bày 4 bước áp dụng phương pháp động học giải tích để thiết lập và giải các phương trình vi phân chuyển động của cơ cấu.

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA CƠ CẤU

Xác lập các yêu cầu kỹ thuật và cơ sở thiết kế đòn bẩy khuếch đại dịch chuyển. Trình bày chi tiết phương án 1 với cơ cấu 14 đòn bẩy đối xứng sử dụng khớp elip, khớp cầu và bản lề lá; tiến hành khảo sát các kích thước khớp ($A = C = D = 0,55\text{ mm}$) và kích thước khối trung tâm ($k, m = 32\text{ mm}$) nhằm đảm bảo độ khuếch đại chuyển vị trên 10 lần và hệ số an toàn lớn hơn 1,8. Trình bày phương án 2 kết hợp cơ cấu đòn bẩy kép (double rocker) với kích thước $a = b = 365\text{ mm}$, $c = 193\text{ mm}$ để cải thiện khả năng phân ly chuyển động và mở rộng không gian làm việc.

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ TỐI ƯU HÓA BỘ ĐỊNH VỊ 2 BẬC TỰ DO XY SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM

Triển khai tính toán lý thuyết tần số dao động riêng cho bộ định vị 2-DOF XY. Thực hiện mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn trên ANSYS để đánh giá chất lượng lưới phần tử và kiểm chứng các dạng dao động. So sánh kết quả tần số và chuyển vị giữa mô hình giải tích lý thuyết và mô phỏng số FEA, đánh giá mức độ hội tụ và sự cải thiện của hệ số an toàn sau khi tối ưu hóa tham số kết cấu.

CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Mô tả quá trình gia công chế tạo các bộ phận (bàn trung gian, thân bộ định vị 2-DOF XY) bằng máy phay CNC và máy cắt dây EDM. Trình bày các bước lắp đặt hoàn thiện mô hình thực nghiệm cùng các thiết bị đo đạc chuyên dụng. Tiến hành đo tần số dao động riêng của cơ cấu đàn hồi và đo độ dịch chuyển thực tế; lập bảng so sánh số liệu giữa kết quả tính toán lý thuyết, mô phỏng số và dữ liệu thực nghiệm để đánh giá sai số.

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được của đồ án về mặt thiết kế hình học, mô hình toán học, mô phỏng tối ưu hóa và chế tạo mẫu thử nghiệm cơ cấu mềm 2-DOF XY. Đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện hệ thống đo lường và mở rộng khả năng ứng dụng thực tế.

---

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế, tính toán và chế tạo thực nghiệm với các kết quả cụ thể:

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

• Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu mới bộ định vị 2-DOF XY sử dụng 14 đòn bẩy đối xứng (mỗi nhánh 7 đòn bẩy) kết hợp khớp elip, khớp cầu và bản lề lá.
• Xác lập được bộ thông số kích thước tối ưu cho cơ cấu: chiều dày cổ khớp $A = C = D = 0,55\text{ mm}$, kích thước khối trung tâm $k = m = 32\text{ mm}$, kích thước bao $500 \times 500\text{ mm}$.
• Đạt tỷ lệ khuếch đại chuyển vị đầu ra trên 10 lần (đầu vào $50\text{ µm}$ cho đầu ra $542\text{ µm}$, tương ứng tỷ lệ 10,84 lần), hành trình làm việc hai chiều đạt $542 \times 542\text{ µm}$.
• Chịu được tải trọng tối đa lên đến $2595\text{ N}$ trong khi vẫn duy trì hệ số an toàn kết cấu trên 1,8.
• Chế tạo thành công nguyên mẫu bộ định vị nguyên khối từ vật liệu Al-7075 bằng công nghệ gia công kết hợp phay CNC và cắt dây EDM.

2. Đóng góp của đề tài

• Đề xuất giải pháp kết cấu mới với 14 đòn bẩy đối xứng kết hợp đa dạng các loại khớp uốn (elip, cầu, lá), giúp tối ưu hóa khả năng khuếch đại chuyển vị trong không gian giới hạn $500 \times 500\text{ mm}$.
• Xây dựng quy trình tích hợp giữa phương pháp giải tích động học, nguyên lý năng lượng Lagrange, mô phỏng số phần tử hữu hạn ANSYS và thuật toán tối ưu hóa bề mặt đáp ứng (RSM) kết hợp MATLAB.
• Cung cấp dữ liệu thực nghiệm kiểm chứng trên mẫu chế tạo thực tế, xác nhận tính khả thi của mô hình lý thuyết trong ứng dụng cho các thiết bị đo vi mô và kiểm tra cơ tính vật liệu sinh học.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào nội dung được nhóm tác giả trình bày trong đồ án:

• Hạn chế: Quá trình nghiên cứu và chế tạo được thực hiện trong thời gian giới hạn; độ chính xác gia công tại các vị trí cổ khớp uốn mỏng ($0,55\text{ mm}$) phụ thuộc lớn vào độ chính xác của máy cắt dây EDM; mô hình tính toán động học chưa khảo sát hết các tác động phi tuyến phức tạp khi cơ cấu làm việc ở tần số dao động cao liên tục.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Tiếp tục hoàn thiện hệ thống điều khiển vòng kín kết hợp cảm biến vi sai có độ phân giải cao; mở rộng nghiên cứu độ bền mỏi của vật liệu Al-7075 dưới tác động của chu kỳ biến dạng kéo dài; tích hợp thử nghiệm trực tiếp bộ định vị vào hệ thống máy đo độ cứng nanoindentation trên các mẫu vật liệu sinh học thực tế.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot và Cơ học ứng dụng:

• Giá trị về phương pháp tính toán: Cung cấp phương pháp áp dụng nguyên lý Lagrange và giải tích động học để tính toán tần số riêng và ma trận độ cứng cho các cơ cấu đàn hồi phức tạp.
• Giá trị về mô phỏng và tối ưu: Quy trình thiết lập bài toán mô phỏng FEA trên ANSYS và ứng dụng công cụ RSM kết hợp MATLAB để tối ưu hóa hình học phi tuyến.
• Giá trị về công nghệ chế tạo: Quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ cấu mềm nguyên khối có độ chính xác cao bằng phương pháp phay CNC và cắt dây tia lửa điện EDM.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại vật liệu nào để chế tạo bộ định vị và vì sao?
Đồ án lựa chọn hợp kim nhôm Al-7075. Đây là vật liệu có độ bền cơ học cao, giới hạn đàn hồi tốt và khả năng gia công cắt gọt chính xác, phù hợp cho các cơ cấu uốn đàn hồi yêu cầu tỷ số độ bền trên khối lượng cao và hoạt động không bị biến dạng dẻo.

2. Tỷ lệ khuếch đại chuyển vị và hành trình làm việc tối đa của thiết kế 1 đạt bao nhiêu?
Theo kết quả phân tích trong đồ án, với độ dịch chuyển đầu vào là $50\text{ µm}$, chuyển vị đầu ra đạt $542\text{ µm}$, tương ứng tỷ lệ khuếch đại 10,84 lần. Hành trình làm việc tối đa của bộ định vị 2-DOF XY đạt $542 \times 542\text{ µm}$ dưới lực tác động $2595\text{ N}$.

3. Kích thước chiều dày cổ khớp uốn tối ưu được lựa chọn là bao nhiêu và ảnh hưởng thế nào nếu thay đổi?
Kích thước chiều dày cổ khớp được chọn tối ưu là $A = C = D = 0,55\text{ mm}$. Nếu chọn kích thước nhỏ hơn sẽ rất khó gia công và dễ gãy hỏng; nếu tăng kích thước lên $0,8\text{ mm}$, chuyển vị đầu ra bị suy giảm xuống $458,33\text{ µm}$ (tỷ lệ khuếch đại giảm còn 9,17 lần, không đạt yêu cầu $\ge 10$).

4. Thiết kế 2 sử dụng cơ cấu gì và có ưu điểm gì nổi bật?
Thiết kế 2 kết hợp cần dẫn động với cơ cấu đòn bẩy kép (double rocker). Cấu trúc này mang lại ưu điểm cung cấp không gian làm việc lớn (hành trình định hướng $685 \times 685\text{ µm}$), phân ly chuyển động tốt giữa các trục độc lập và có độ cứng vững cao để chịu tải trọng tốt.

5. Các phương pháp nào được sử dụng để tối ưu hóa và kiểm chứng thiết kế trong đồ án?
Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp giải tích động học và nguyên lý Lagrange để tính toán lý thuyết; phần mềm ANSYS để phân tích phần tử hữu hạn (FEA); phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) và thuật toán tối ưu hóa trên MATLAB để tối ưu tham số; kiểm chứng cuối cùng bằng thực nghiệm đo tần số và chuyển vị trên mẫu gia công thực tế.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu, thiết kế thành công kết cấu mới của bộ định vị 02 bậc tự do XY ứng dụng cơ cấu mềm với 14 đòn bẩy đối xứng và hệ thống khớp uốn đàn hồi đa dạng. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích lý thuyết Lagrange, phân tích phần tử hữu hạn trên ANSYS và tối ưu hóa tham số, cơ cấu đạt tỷ lệ khuếch đại chuyển vị trên 10 lần cùng hành trình làm việc $542 \times 542\text{ µm}$ và hệ số an toàn lớn hơn 1,8. Kết quả chế tạo thực tế bằng công nghệ phay CNC và cắt dây EDM đã khẳng định tính khả thi và độ tin cậy của phương án thiết kế phục vụ các hệ thống định vị chính xác và đo lường vi mô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 4: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA CƠ CẤU CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA BỘ ĐỊNH VỊ 2 BẬC TỰ DO SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2.1 Tổng quan về đề tài 2. Khớp mềm Khớp mềm thường có cấu tạo đơn giản và có tính linh hoạt, nhờ tính chất đàn hồi của vật liệu mà nó cho phép kết nối linh hoạt các chi tiết với nhau với một số độ lệch nhất định. Khớp nối linh hoạt có được thiết kế thiết kế nhỏ gọn và vượt trội hơn so với khớp nối truyền thống, điều này vô cùng hữu ích trong việc sử dụng ở nơi có không gian hạn hẹp. Khớp mềm được sử dụng nhiều ở mảng máy móc thiết bị, hàng không và nhiều lĩnh vực khác yêu cầu độ chính xác là điều quan trọng.

Khớp mềm cung cấp các liên kết giống như khớp nối truyền thống nhưng giải quyết được các hạn chế của chúng. Nhờ có kết nối linh hoạt các chi tiết với nhau với một số độ lệch nhất định để nó có thể bù trừ cho sai lệch về vị trí giữa các bộ phận, đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác. Do đó tăng hoạt động, độ chính xác do loại bỏ khe hở và tránh được mài mòn trong quá trình sử dụng làm tăng tuổi thọ cho hệ thống. Cơ cấu mềm Cơ cấu mềm (compliant mechanism) là hệ thống không được kích hoạt bởi các khớp nối thông thường mà là các các cơ chế linh hoạt, có thể uống cong để chuyển đổi một lực đầu vào hoặc biến dạng thành những chuyển động mong muốn thông qua việc dùng độ đàn hồi của vật liệu.

Cơ cấu này thay thế một số cơ cấu cơ học truyền thống. Việc loại bỏ các khớp nối cũ giúp hạn chế sự rung động, hoạt động yên tĩnh, không cần bôi trơn. 4 Cơ cấu mềm được thiết kế bằng cách ghép những khớp mềm thành một cơ cấu thống nhất, có thể thích ứng cao và có cấu trúc nhỏ gọn. Chúng được sử dụng trong rất nhiều mảng và mở ra nhiều tiềm năng trong nhiều mảng khác nhau, bao gồm robot, thiết bị y khoa, máy móc thiết bị công nghiệp và còn nhiều ứng dụng ở những lĩnh vực khác.

Các loại khớp mềm Nhờ vào sự đa dạng khớp mềm được chia thành hai loại [10,11]. Sơ đồ mô tả các loại khớp mềm 5 Hình 2.3: Dạng mặt cắt của của các loại khớp mềm kiểu Notch 6 Hình 2.4: Các dạng khớp mềm đơn giản Hình 2.5: Các dạng khớp mềm phức tạp Khớp mềm một trục là cơ cấu cho phép chuyển động uốn cong hoặc lật quanh một trục duy nhất mà không bị hạn chế quá mức. 7 Khớp mềm hai trục là loại khớp cho phép chuyển động quanh hai trục vuông góc với nhau. Khớp này thường được thiết kế để linh hoạt trong hai hướng khác nhau, cho phép các bộ phận kết nối có thể chuyển động tự do trong một mặt phẳng hoặc theo hai hướng chính.

Khớp mềm nhiều trục được cấu tạo từ hai hay nhiều khớp mềm đơn giản, là loại khớp cho phép chuyển động linh hoạt quanh nhiều trục khác nhau, thường là ba trục hoặc hơn. Khớp này cung cấp khả năng linh hoạt cao hơn, cho phép chuyển động trong nhiều hướng và mặt phẳng khác nhau. Ưu và nhược điểm khớp mềm và cơ cấu mềm Ưu điểm: - Hoạt động êm ái: Cấu tạo của khớp mềm loại bỏ ma sát và mài mòn, giảm thiểu hao mòn giúp kèo dài tuổi thọ của khớp nối và các chi tiết liên quan. Ngoài ra, khớp được thiết kế kín giúp ngăn chặn bụi bẩn, nước và hóa chất xâm nhập vào bên trong.

Do không có ma sát giúp loại bỏ tiếng ồn và rung động. - Dễ lắp đặt và bảo trì, bảo dưỡng dễ dàng: Nhờ có thiết kế đơn giản và dễ dàng lắp đặt, giúp tối ưu chi phí và thời gian bảo trì, bảo dưỡng. - Cấu trúc nguyên khối, không lắp ráp: Cấu trúc nguyên khối và có thể được thiết kế với khả năng chịu tải cao, chống va đập tốt để có thể sử trong các môi trường khắc nghiệt với tải trọng lớn mà không bị hư hỏng. - Hiệu suất cao: Do không có ma sát và mài mòn, khớp mềm giúp duy trì hiệu suất làm việc ổn định và hiệu quả cao trong thời gian dài.

- Chuyển động chính xác cao: Nhờ vào cấu trúc nguyên khối không lắp ráp và có khả năng biến dạng đàn hồi giúp cho việc truyền động chính xác hơn, phù hợp trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác. - Khả năng thích ứng cao: cơ cấu mềm có thể linh hoạt và đa năng, dễ dàng làm việc trong môi trường phức tạp và không gian hạn chế. - Nhờ những ưu điểm này, khớp mềm được ứng dụng phổ biến trong gia công cơ khí chính xác, robot, và các hệ thống tự động hóa. Nhược điểm: - Hạn chế về khả năng tải trọng: Cơ cấu mềm thường có giới hạn về khả năng chịu tải trọng lớn so với các cơ cấu cứng truyền thống, do chúng dựa vào sự biến dạng của vật liệu để hoạt động.

- Phụ thuộc vào độ bền vật liệu: vật liệu dùng để chế tạo cơ cấu mềm có thể bị mỏi hoặc hư hỏng sau một thời gian dài sử dụng, đặc biệt khi phải chịu đựng các biến dạng lớn và liên tục. 8 - Giới hạn về vật liệu chế tạo: cơ cấu mềm cần được chế tạo bằng vật liệu có tính đàn hồi cao và đôi khi vật liệu có thể đắt đỏ và khó chế tạo vì vậy không phải tất cả các loại vật liệu đều phù hợp - Độ ổn định của cơ cấu: cơ cấu mềm cần tránh các tác nhân gây hại để duy trì độ ổn định. Ngoài ra, thiết kế không tối ưu và vật liệu không đảm bảo cũng sẽ ảnh hưởng đến ổn định của cơ cấu. Tóm lại cơ cấu mềm có rất nhiều ưu điểm nỗi bật nhưng song song đó cũng tồn tại những nhược điểm.

Trong cuộc sống Hàng hóa tranh đua lẫn nhau dẫn đến những yêu cầu về sản phẩm ngày càng hiện đại, tiện dụng hơn. Không ngoại lệ nhờ phát triển mới trong lý thuyết, những sự phát triển về vật liệu có độ bền cao trong công nghệ in 3D đã làm cho các ứng dụng về khớp mềm phát triển nhanh chóng. a) Nắp chai b) Kẹp giấy Hình 2.6: Vật dụng hàng ngày ứng dụng cơ cấu mềm [30, 31] b. Người máy Trong chế tạo robot, lò xo đóng nhiệm vụ quan trọng cho việc cung cấp linh hoạt và hấp thụ năng lượng, giúp robot dễ dàng thích nghi với môi trường.

Nhờ vậy, mà nó có thể thao tác các hoạt động cơ bản như nắm đồ vặt hay di chuyển tới những nơi không bằng phẳng.7: Cánh tay robot ứng dụng khớp mềm [3] c. Điện & điện tử Cơ cấu này đóng vai trò trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm công tắc, van đóng và chốt. Trong khi cần năng lượng bên ngoài để chuyển cơ cấu từ vị trí 1 sang vị trí 2, thì năng lượng để duy trì trạng thái ổn định yêu cầu ở cả 1 và 2. Các tác giả đã giữ lại được hình dáng quen thuộc của công tắc đèn truyền thống, làm cho cơ cấu này phù hợp với thị trường.8: Công tắc điện 2 chiều [4] d.

Giao thông vận tải Bộ ly hợp đóng vai trò to lớn đối với các mảng yêu cầu truyền mô men xoắn chỉ theo một hướng. Sử dụng khớp mềm trong bộ ly hợp giúp giảm số lượng cơ cấu hoạt động so với bộ ly hợp truyền thống. Điều này làm cho bộ ly hợp hoạt động êm ái, giảm sự hao mòn và nhu cầu bôi trơn, cũng như tối ưu giá thành lắp đặt.9: Bộ ly hợp [5] e. Y tế Cơ cấu mềm có nhiều ưu điểm trong lĩnh vực y học như linh hoạt, giảm thiểu tổn thương, ổn định và an toàn, góp phần vào các phương pháp điều trị và chăm sóc sức khỏe.

Nhờ những ưu điểm này mà nó được dùng từ phẫu thuật, chuẩn đoán hình ảnh, điều trị bệnh cho đến các thiết bị phục hồi chức năng.10: Những ứng dụng khớp mềm trong phẫu thuật [6] 11 f. Bộ định vị Trong nhiều ứng dụng thực hiện với vật liệu mỏng hoặc nano, các bộ định vị dựa trên cơ cấu mềm được dùng nhiều để đạt được độ chính xác cao trong định vị. Với cơ cấu mềm, bộ định vị có thể thích ứng với các bề mặt phức tạp và không đều của vật liệu, giúp định vị được một cách hiệu quả và đáng tin cậy. Ngoài ra, cơ cấu mềm còn giúp giảm thiểu lực tác động lên các cảm biến hoặc thiết bị đo đạc.11: Bố trí thí nghiệm thực tế [7] 2.

Những đặc tính và cấu tạo của thiết kế • Đặc tính: - Độ linh hoạt: Cơ cấu mềm có khả năng thay đổi hình dạng hoặc chuyển động dựa trên độ linh hoạt của vật liệu thay vì các khớp nối cơ học truyền thống. - Độ tin cậy cao: Do không có các khớp nối cơ học, cơ cấu mềm ít bị mài mòn và hỏng hóc hơn so với cơ cấu truyền thống. - Khả năng tiết kiệm không gian và trọng lượng: Nhờ thiết kế đơn giản và sử dụng vật liệu mềm, các cơ cấu này thường nhẹ hơn và tiết kiệm không gian hơn. - Hiệu suất cao: Các cơ cấu mềm có thể đạt hiệu suất chuyển động cao mà không cần đến các hệ thống phức tạp nhờ vào thiết kế tối ưu của chúng.

12 • Cấu tạo của sản phẩm: Thiết kế được chú trọng để có được chuyển vị lý tưởng nên đã thiết kế một cơ cấu có 7 đòn bẩy được thiết kế đối xứng, sử dụng hai loại khớp là elip và cầu để liên kết với nhau đồng thời dùng bản lề lá nối với đầu ra để đạt độ chuyển vị cao hơn. Bài báo trong và ngoài nước Năm 2023, Phạm và các cộng sự đã đề xuất một quy trình thiết kế phổ quát để định vị CMs (compliant mechanisms), bao gồm hai bước: thiết kế tối ưu mô hình thân giả cứng và thiết kế tối ưu hóa đa mục tiêu tích hợp độ tin cậy bằng cách sử dụng Thuật toán NSGA-II. Thuật toán tối ưu hóa này được áp dụng trong việc thiết kế cơ cấu truyền động cấp liệu cho vi cơ khí. Kết quả hỗ trợ một cách thuyết phục khả năng áp dụng thuật toán tối ưu hóa được đề xuất cho thiết kế của các CMs định vị chính xác khác dễ bị hỏng trong các điều kiện dễ bị tổn thương.