Mở đầu Chương 2: Tổng quan đề tài Chương 3: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế Chương 4: Tính toán hệ thống cơ khí Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển Chương 6: Phát triển mô hình thử mỏi Chương 7: Chế tạo và thực nghiệm Kiến nghị và kết luận 2 ` CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu về cơ cấu đàn hồi 2.1 Khái niệm chung Cơ cấu là một nhóm các khâu liên kết bởi các khớp có nhiệm vụ truyền hay biến đổi chuyển động, lực hay momen. Cơ cấu khâu cứng truyền thống gồm những khâu cứng tuyệt đối liên kết với nhau bằng các khớp truyền động như các khớp bản lề, khớp tịnh tiến loại 5. Một số ví dụ về cơ cấu truyền thống có thể thấy là: cơ cấu tay quay con trượt dùng như động cơ hay máy nén piston, cơ cấu kìm bấm [1]. Cơ cấu đàn hồi/ mềm cũng cho phép truyền hay biến đổi chuyển động, lực và momen.
Tuy nhiên không giống cơ cấu cứng truyền thống, cơ cấu mềm có thể thực hiện ít nhất một hoặc một vài chuyển động nhờ vào sự biến dạng của các khớp đàn hồi chứ không phải dựa vào các khớp động thường dùng [1].1 Một số cơ cấu đàn hồi trong đời sống hàng ngày [1] 2.2 Ưu điểm của cơ cấu đàn hồi Mục đích của cơ cấu đàn hồi là đơn giản hóa quá trình sản xuất, giảm sai số chi tiết trong quá trình lắp ráp và đồng thời loại bỏ khe hở các khớp nối như ở các 3 ` khớp truyền động, giảm mài mòn do sự trượt tương đối giữa các khâu nối với nhau gây ra. Qua đó, tăng hiệu quả cơ dụng của cơ cấu [1]. Một lợi thế nữa của cơ cấu đàn hồi đó là khả năng thu nhỏ (miniaturize) của thiết bị [1]. Tính chất đàn hồi luôn có sẵn trong từng loại vật liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo khớp nối đàn hồi từ các loại vật liệu tùy theo yêu cầu cụ thể [1].
Cơ cấu đàn hồi được chế tạo nguyên khối nên không gây ra tiếng ồn khi hoạt động, không ma sát, không khe hở và không cần bôi trơn định kỳ [1].3 Hạn chế của cơ cấu đàn hồi Cơ cấu mềm vẫn có một số nhược điểm: không bền nếu tải lớn quá, vấn đề ứng suất đặc biệt trong trường hợp biến dạng lớn [1]. Ngoài ra, cơ cấu đàn hồi còn có một hạn chế nữa là quy trình thiết kế, tổng hợp cơ cấu vẫn chưa được thống nhất và tiêu chuẩn. Từ đó dẫn đến việc nở rộ các phương pháp thiết kế khác nhau của mỗi nhóm nghiên cứu. Đây cũng là hướng khai thác mà các nhóm nghiên cứu trên thế giới tập trung trong những năm gần đây [1].4 Ứng dụng của cơ cấu đàn hồi Dựa vào các đặc tính của mình, cơ cấu đàn hồi ngày càng được quan tâm ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực [1].
Với những hệ vi cơ điện tử, việc chế tạo các cơ cấu bằng cơ cơ cấu khớp cứng lắp ráp lại với nhau sẽ là một thách thức. Do đó việc ứng dụng trong hệ thống MEMS là một thế mạnh của cơ cấu đàn hồi bởi tính nguyên khối và khả năng thu nhỏ của chúng [1].2 Một cơ cấu quay ổn định hai vị trí dùng trong MEMS [1] Trong lĩnh vực y tế: Do được chế tạo nguyên khối, không lắp ráp, không cần bảo trì, bôi trơn nên cơ cấu đàn hồi rất phù hợp với các ứng dụng cấy ghép bên trong cơ thể hoặc ứng dụng trong các kìm phẫu thuật nội soi [1].2 Cơ cấu đàn hồi ổn định momen (CCTM) Đối với các cơ cấu muốn ổn định lực và bảo vệ sự quá tải khi tăng lực thì ta phải sử dụng các cảm biến, đồng thời kết hợp hệ thống điều khiển hồi tiếp. Việc sử dụng nhiều cảm biến cũng như các chi tiết khác sẽ khiến cho cơ cấu trở nên cồng kềnh, yêu cầu độ chính xác cao trong quá trình lắp ráp và chế tạo, qua đó đẩy giá thành sản phẩm trở nên cao hơn.3 Thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng sử dụng động cơ và hệ điều khiển hồi tiếp [1] Nhằm mục đích tạo ra một cơ cấu ổn định lực mà không cần tới các cảm biến cũng như các hệ thống điều khiển hồi tiếp người ta đã sử dụng cơ cấu đàn hồi ổn định momen. Cơ cấu đàn hồi ổn định momen là cơ cấu ổn định lực, thay vì các phần tử đàn hồi được biến dạng do chuyển động tịnh tiến của cơ cấu, thì ở đây sẽ chuyển vị đầu vào sẽ là chuyển động quay quanh trục.
Sau khi vượt qua giai 6 ` đoạn đặt tải trọng ban đầu, cơ cấu sẽ không thay đổi giá trị momen xoắn mặc dù góc quay tiếp tục tăng [1].4 Một số ứng dụng tiềm năng của CTM: (A) Cơ cấu cần bằng lực, (B) Thiết bị hỗ trợ di chuyển, (C) Thiết bị tập luyện phục hồi chức năng, (D) Cân bằng động momen xoắn [1] 7 ` 2.3 Vấn đề đo kiểm momen cho cơ cấu CCTM 2.1 Phương án 1 Hình 2.5 Phương án sử dụng đầu phân độ [1] 2.1 Nguyên lý hoạt động Cơ cấu CCTM được định vị năm bậc tự do trên đồ gá. Một đầu của tua vít điện tử sẽ được nối với cơ cấu CCTM, đầu còn lại được cố định vào mâm cặp 3 chấu tự định tấm. Khi ta quay tay quay của đầu phân độ thì sẽ làm cho mâm cặp 3 chấu quay theo và tua vít điện tử được kẹp trên mâm cặp cũng sẽ quay theo. Chúng ta sẽ quay góc quay tăng dần và đọc giá trị của tua vít điện tử ứng với từng góc quay đó 2.2 Ưu điểm Phương án này sử dụng ít chi tiết nên dễ lắp ráp 8 ` Sử dụng mâm cặp 3 chấu để định vị và kẹp chặt tua vít nên dễ dàng đạt được độ đồng tâm 2.3 Nhược điểm Sử dụng đầu phân độ khiến cho cơ cấu nặng nề và cồng kềnh.
Đồng thời, chi phí trên thị trường của một đầu phân độ cũng không hề rẻ khiến cho giá thành của cơ cấu khá cao. Để điều chỉnh được góc quay của CCTM ta phải quay tay quay trên đầu phân độ. Bởi vậy, góc quay không chính xác 2.2 Phương án 2 Hình 2.6 Phương án sử dụng cảm biến đo momen xoắn( torque sensor) [3] 2.1 Nguyên lý hoạt động Cơ cấu CCTM được định vị trên máy đo và điều chỉnh góc độ, đầu còn lại được gắn vào cảm biến momen xoắn( torque sensor). Khi ta thay đổi góc độ của bàn gá quay thì cơ cấu CCTM cũng quay theo và ta sẽ nhận kết quả trên màn hình hiển thị.2 Ưu điểm Thay đổi góc quay bằng bàn quay giúp cho phương án này đạt được độ chính xác và dễ dàng thay đổi góc quay 9 ` Giá trị momen được hiển thị trên màn hình giúp cho đọc giá trị một cách dễ dàng 2.3 Nhược điểm Đối với phương án này gần như đáp ứng mọi nhu cầu đo kiểm như là thuận tiện trong cách vận hành, biên độ sai số trong các phép đo nhỏ.
Nhưng phương án này đòi hỏi trang thiết bị hiện đại, trang thiết bị hiện đại kéo theo chi phí chế tạo cao nhiều so với các phương án khác. 10 ` CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 3.1 Phương án 1 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý phương án 1 1. Bộ truyền trục vít bánh vít; 3. Mâm cặp 3 chấu; 4.
Tua vít điện tử; 5. Bộ điều khiển; 7.1 Nguyên lý hoạt động Cơ cấu CCTM (5) được định vị năm bậc tự do trên đồ gá (8). Một đầu của tua vít (4) sẽ được nối với cơ cấu CCTM, đầu còn lại được cố định vào mâm cặp 3 chấu tự định tâm (3). Khi bộ truyền trục vít bánh vít (2) hoạt động thì sẽ làm cho mâm cặp 3 chấu (3) quay theo và tua vít điện tử (4) được kẹp trên mâm cặp cũng sẽ quay theo.
Chúng ta sẽ nhập góc quay theo giá trị tăng dần vào bộ điều khiển (6) cho đến khi giá trị của tua vít điện tử đến mức ổn định để kiểm tra cơ cấu đàn hồi ổn định momen (5) 3.2 Ưu điểm Sử dụng động cơ bước giúp cho góc quay trở nên chính xác và ổn định hơn so việc quay bằng tay Cơ cấu lắp đặt đơn giản, thành phần cơ cầu không cần độ chính xác cao. Vận hành đơn giản 11 ` 3.3 Nhược điểm Việc đặt tua vít nằm ngang sẽ gây ra khó khăn trong việc đọc giá trị của tua vít điện tử khi mà màn hình hiển thị giá trị hướng xuống dưới Sử dụng mâm cặp 3 chấu khiến cho chi phí chế t cao Sử dụng mâm cặp 3 chấu khiến cho bàn gá trở nên cồng kềnh 3.2 Phương án 2 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý phương án 2 (1) Bộ truyền trục vít bánh vít; (2) Motor; (3) Tua vít điện tử; (4) CCTM; (5) Đồ gá cho cơ cấu CCTM; (6) Bộ điều khiển 3.1 Nguyên lý hoạt động Cơ cấu CCTM (4) được định vị 5 bậc tự do đồng thời cố định bằng các vít trên đồ gá (5). Một đầu của tua vít điện tử (3) sẽ được nối với cơ cấu CCTM, đầu còn lại được nối với trục của bộ truyền trục vít bánh vít 1). Khi bộ điều khiển (6) đưa thông tin qua motor (2) làm motor quay, đồng thời làm cho bộ truyền trục vít bánh vít (1) hoạt động.
Khi bộ truyền trục vít bánh vít (1) hoạt động thì sẽ làm quay tua vít điện tử (3). Chúng ta sẽ nhập góc quay theo giá trị tăng dần vào bộ điều khiển 12 ` (6) cho đến khi giá trị của tua vít điện tử đến mức ổn định để kiểm tra cơ cấu đàn hồi ổn định momen (4) 3.2 Ưu điểm Sử dụng động cơ bước giúp cho góc quay trở nên chính xác hơn so việc quay bằng tay Không sử dụng mâm cặp 3 chấu giúp cho bàn gá trở nên nhỏ gọn và giảm được chi phí Dễ dàng thay đổi chi tiết CCTM Đặt tua vít điện tử nằm dọc sẽ giúp cho việc đọc số liệu trên tua vít trở nên dễ dàng hơn 3.3 Nhược điểm Phương án này đòi hỏi chúng ta phải thiết kế một bộ khung đủ vững chắc để đỡ được động cơ và các chi tiết khác khi hoạt động. Gây ra tốn kém chi phí trong việc chế tạo bộ khung 3.3 Phương án 3 Hình 3.