CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Các nghiên cứu ngoài nước Trong các năm gần đây các phương pháp thiết kế, phân tích và ứng dụng cơ cấu đàn hồi đã được nghiên cứu rộng rãi. Atanackovic và Cveticanin (1996) đã phát triển phương trình vi phân từng phần qua đó mô phỏng quá trình tương tác của một cơ cấu gắn con lăn. Wang (1997) đã nghiên cứu thiết lập một phương trình động năng để mô tả sự hoạt động của một cơ cấu liên kết bốn thanh đàn hồi. Năm 2000, Panza công bố một hàm phi tuyến phương trình vi phân của một cơ cấu đàn hồi, cơ cấu kết hợp khối lượng và ma sát với hiệu ứng giảm xóc.
Trong ứng dụng kỹ thuật tổng hợp, Jenuwine và Midha (1989) xây dựng và phát triển một hằng số chính xác cho cơ cấu kết hợp lò xo tuyến tính và liên kết cứng. Năm 1996 Millar, et al, đã trình bày một nghiên cứu về cơ cấu có lực không đổi về lý thuyết cơ cấu với ba cấu hình. Cơ cấu đàn hồi là cơ cấu để truyền hay thay đổi chuyển động của lực hay năng lượng. Cơ cấu đàn hồi thực hiện ít nhất một hoặc nhiều chuyển động của mình nhờ sự biến dạng của các khâu đàn hồi chứ không dựa vào các khớp động.
Do được cấu tạo bởi các khâu đàn hồi nên khi hoạt động sẽ loại bỏ được lực ma sát, mài mòn, giảm sự rung động và tiếng ồn, tiết kiệm được chi phí lắp ráp, tăng độ chính xác và giảm chi phí bôi trơn cho cơ cấu khi hoạt động. So với cơ cấu truyền thống thì cơ cấu đàn hồi có ưu điểm về trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ nên được ứng dụng nhiều trong hệ thống hàng không, gia tốc kế dạng khóa (latching accelerometer), relay điện, hệ thống vi cơ điện tử MEMS (MicroElectroMechanical Systems) (Howell, 2001). 1 Các cơ cấu đàn hồi ứng dụng trong hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), Sridhar Kota (2001) tập trung nghiên cứu thiết kế các cơ cấu đàn hồi không có khớp động, có chuyển động lắc nhỏ, các cơ cấu có công dụng khuếch đại lực, chuyển vị và được ứng dụng vào MEMS (Kota, et al, 2001). Cơ cấu đàn hồi trong các sản phẩm MEMS (Howell, 2001) Trong quá trình sản xuất đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hóa và robot, để kiểm soát được lực truyền động giữa cánh tay máy và thiết bị đầu cuối cần có một cảm biến.
Những thiết bị cảm biến và hệ thống điều khiển tích hợp vào cơ cấu thường làm tăng chi phí, phức tạp hóa hệ thống, khó bảo trì. Để khắc phục những nhược điểm này một số tác giả đã nghiên cứu cơ cấu có lực đầu ra không đổi (Constant-Force Mechanism, CFM) nhằm cung cấp một lực đầu ra gần như không đổi trong một phạm vi chuyển vị đầu vào (Howell, 2001).2 là một cơ cấu CFM tổng hợp từ ba lò xo được bố trí để tạo nên các độ cứng âm và dương khác nhau. Cơ cấu CFM cấu tạo từ ba lò xo (Howell, 2001) 2 Cơ cấu có lực đầu ra không đổi có lợi trong các ứng dụng đòi hỏi phải có một lực không đổi được áp dụng cho một hệ thống cần lực đầu ra ổn định hoặc các chi tiết trong quá trình mài, hàn, lắp ráp. Trong quy trình sản xuất có liên quan đến công cụ thay đổi đường kính như mài, kẹp hoặc van an toàn, van điều áp để duy trì một hệ thống ở áp suất liên tục.
Cơ cấu có lực đầu ra không đổi có nhiều ưu điểm khi đưa vào ứng dụng cho các cơ cấu chấp hành vì nó tạo ra được một lực luôn luôn ổn định trong suốt quá trình sản xuất. Công trình nghiên cứu của Brent Lewis Weight (2001) đưa ra một quá trình thiết kế, phương pháp để xác định các cơ cấu đàn hồi cho một thiết kế được đưa ra và các mối quan hệ giữa các biến trong cơ cấu đàn hồi. Tác giả chỉ dựa trên các dạng cơ cấu đã được tổng hợp mà chưa xây dựng được biên dạng khối cho cơ cấu mới chính vì vậy các cơ cấu vẫn còn phải lắp ráp lại thông qua các khâu cứng (Weight, 2001). Để giảm số lượng thành phần cấu tạo của một cơ cấu có lực đầu ra không đổi, Cameron L.
Boyle (2001) đã nghiên cứu một cơ cấu nén có lực không đổi bằng cách sử dụng thanh lò xo lá lắp ráp với nhau bởi các khớp bản lề (hình 1. Pedersen, et al, đã sử dụng cấu trúc liên kết và tối ưu hóa kích thước để thiết kế một cơ cấu truyền tải có hệ số lực đầu ra là liên tục (Pedersen, et al, 2006). Meaders và Mattson đã tối ưu hóa hình dạng của lò xo có lực không đổi ứng dụng trong các tiếp điểm tiếp xúc điện (Meaders, et al, 2010). CFM sử dụng cơ cấu nén (a) Sơ đồ cơ cấu (b) Thiết kế cụ thể Tuy nhiên khi hoạt động thì cơ cấu trên tạo ra ma sát, mài mòn, giảm hiệu suất, làm tăng khe hở.
Để khắc phục một số nhược điểm trên thì Chao-Chieh Lan và Yi- Ho Chen đã thiết kế một cơ cấu CFM ứng dụng cơ cấu đàn hồi có cấu tạo nguyên 3 khối cho cánh tay máy để điều khiển cơ cấu chấp hành qua đó có thể thay đổi được chỉ số của lực đầu ra cho phù hợp với từng sản phẩm khác nhau. Trong nghiên cứu đó, các tác giả đã kết hợp một cơ cấu song ổn định có độ cứng phi tuyến với một lò xo tuyến tính. Việc hiệu chỉnh độ nén ban đầu của lò xo tuyến tính giúp cơ cấu có thể thay đổi được độ lớn của lực (Chao-Chieh Lan, et al, 2010; Yi-Ho Chen, et al, 2012). Năm 2014 Minhaz Ur Rahman và Hong Zhou đã đưa ra một biên dạng của cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi trên cơ sở tối ưu hóa các thông số của đường cong spline (Rahman, Zhou, 2014).
Nhưng tác giả chỉ dừng lại ở phạm vi tính toán và mô phỏng mà chưa đi đến kiểm tra thực nghiệm trên cơ cấu thực.2 Các nghiên cứu trong nước Cơ cấu đàn hồi có phạm vi ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế sản xuất như: trong truyền động chính xác (dưới micromet), cơ cấu kẹp hay cơ cấu định vị…Tuy nhiên các hướng nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi cũng như ứng dụng của cơ cấu này ở nước ta còn nhiều hạn chế có rất ít đề tài nghiên cứu về cơ cấu này và đặc biệt về tài liệu chuyên khảo về cơ cấu đàn hồi ở Việt Nam còn nhiều hạn chế. Nhưng đặc biệt trong những năm gần đây một nhóm tác giả đã bước đầu đi sâu vào nghiên cứu, thiết kế cũng như hướng ứng dụng của cơ cấu này. Năm 2008 Phạm Huy Hoàng và cộng sự đã đưa ra thiết kế cơ cấu dẫn động với độ phân giải micron, nhóm tác giả đã trình bày việc thiết kế một cơ cấu tác động cho chuyển động thẳng có độ phân giải micro có khả năng tải và khoảng di chuyển lớn dựa trên kết hợp thanh piezo nhiều lớp, phần dẫn, bộ phận khuếch đại vi sai (hình 1.4) và phần bị dẫn. Cơ cấu Khuếch đại vi sai 4 Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro (hình 1.5) có dạng liền khối và rất cần thiết trong các lĩnh vực nghiên cứu mũi nhọn như : gia công chính xác, cáp quang, công nghệ sinh học, công nghệ y sinh… (Phạm Huy Hoàng, Trần Văn Thùy, 2008).
Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro Năm 2013 một nghiên cứu của nhóm tác giả Phạm Minh Tuấn và Phạm Huy Hoàng đã nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng cơ cấu ăn dao bằng cơ cấu đàn hồi sử dụng trong máy CNC, nhưng kết quả nghiên cứu chỉ giới hạn ở việc tính toán, mô phỏng mà chưa đi sâu nghiên cứu thực nghiệm (Phạm Minh Tuấn, Phạm Huy Hoàng, 2013). Năm 2014 nhóm tác giả Phạm Huy Tuân và cộng sự đã phát triển một phương pháp thiết kế mới cùng với một công cụ chế tạo đơn giản cho khớp mắt cá chân giả dựa trên nền tảng của cơ cấu đàn hồi và giải thuật di truyền. Khớp chân giả có cấu tạo nguyên khối và có khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng (hình 1. Khớp chân giả sử dụng cơ cấu đàn hồi 5 Riêng đối với cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi tác giả Lê Hoài đã xây dựng và tìm ra mối quan hệ giữa vị trí chuyển vị con trượt theo thời gian, mối quan hệ giữa lực theo thời gian qua đó chứng minh được lực đầu ra của cơ cấu là không đổi (Lê Hoài, 2014).
Tuy nhiên công trình nghiên cứu trên chỉ dừng lại ở quá trình phân tích động lực học của cơ cấu mà chưa đưa ra được một mô hình cơ cấu thực tế. Do đó đề tài nghiên cứu này của tác giả sẽ giúp giải quyết được một số thiếu sót mà các đề tài nghiên cứu trước đây chưa làm được.2 Định nghĩa cơ cấu Cơ cấu là một thiết bị cơ khí dùng để truyền hay thay đổi chuyển động, lực hay năng lượng. Các dạng cơ cấu truyền thống (rigid body mechanisms) là những cơ cấu cứng mà bao gồm các liên kết cứng được kết nối bằng các khớp động học (Kinematic joints). Ví dụ như cơ cấu hình 1.7a là cơ cấu động cơ piston cơ cấu có chức năng biến chuyển động tịnh tiến và lực của đầu vào thành chuyển động quay và mômen của đầu ra và hình 1.7b là cơ cấu kìm cộng lực cũng được cấu tạo từ cơ cấu cứng truyền thống (Howell, 2001).
Một số cơ cấu truyền thống a) Cơ cấu của động cơ piston , b) Cơ cấu kìm cộng lực Cơ cấu đàn hồi (compliant machanisms) cũng được dùng để truyền một hoặc vài chuyển động, lực hay năng lượng như các cơ cấu cứng truyền thống nhưng sự truyền chuyển động của cơ cấu đàn hồi lại dựa trên sự biến dạng của các khâu đàn hồi (flexible members) chứ không chỉ dựa vào các khớp động. Cơ cấu đàn hồi có thể 6 phân thành dạng phù hợp một phần hoặc phù hợp hoàn toàn. Cả hai loại trên đều có cấu tạo bao gồm các khâu cứng (rigid segment) và các khâu mềm (flexible segment) xen kẽ nhau. Trong đó cơ cấu đàn hồi một phần sử dụng sự kết hợp giữa các khớp động học truyền thống (khớp xoay, khớp trượt, cơ cấu cam…) với các khâu mềm để thực hiện chuyển động, cơ cấu đàn hồi hoàn toàn thì phụ thuộc vào sự biến dạng của các khâu mềm khi thực hiện chuyển động.