Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế bộ định vị 03 xyθ bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế kết cấu mới và chế tạo bộ định vị 03 xyθ bậc tự do, ứng dụng cơ cấu mềm cho hệ thống định vị chính xác.

• Tác giả: Lê Quang Trường
• 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 bộ định vị 03 XYθ bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm ứng dụng 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
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Sự cần thiết của đề tài
• 1.2. Đóng góp của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi thực hiện nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng được nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi thực hiện nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp được dùng để nghiên cứu
• 1.6. Cấu trúc của ĐATN
• 2. CHƯƠNG 2: KHÁI LƯỢC VỀ CƠ CẤU MỀM, KHỚP MỀM, BỘ ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM
• 2.1. Khám phá lịch sử hình thành CCM
• 2.2. Tổng quan về cơ cấu mềm
• 2.3. Một số công trình nghiên cứu CCM tại Việt Nam
• 2.3.1. Design Optimization of Compliant Mechanisms for Vibration- Assisted Machining Applications Using a Hybrid Six Sigma, RSM-FEM, and NSGA-II Approach
• 2.3.2. Optimal design method for 3-DOF planar compliant mechanisms based on mapping matrix constraints
• 2.3.3. Effect of Flexure Hinge Type on A 3D Printed Fully Compliant Prosthetic Finger
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Phương pháp gia công
• 3.1.1. Cắt dây EDM
• 3.2. Phương pháp tối ưu hóa
• 3.2.1. Phân tích phần tử hữu hạn FEA
• 3.2.2. Phương trình Lagrange
• 3.2.3. Phương pháp PRBM
• 3.2.4. Phương pháp đáp ứng bề mặt RSM
• 4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 4.1. Lên ý tưởng thiết kế mô hình
• 4.2. Mô hình 1: Thiết kế BĐV tối ưu tần số
• 4.3. Mô hình 2: Thiết kế BĐV tăng hệ số chuyển vị
• 4.4. Phân tích phương án
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, TỐI ƯU BỘ ĐỊNH VỊ
• 5.1. Tính toán, tối ưu mô hình 1 ứng dụng vào robot đánh bóng vật liệu
• 5.1.1. Phân tích mô hình 1 thông qua FEA
• 5.1.2. Xây dựng bài toán tối ưu kết hợp phương pháp Lagrange và PRBM
• 5.1.3. Tối ưu mô hình bằng Matlab
• 5.2. Tối ưu hóa mô hình 2 ứng dụng khuếch đại chuyển vị
• 6. CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM
• 6.1. Chế tạo mô hình
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thiết kế bộ định vị 03 xyθ bậc tự do

Thiết kế bộ định vị 03 xyθ bậc tự do là trọng tâm của nghiên cứu này. Bộ định vị này được thiết kế để đạt được độ chính xác cao trong không gian ba chiều (XYθ). Cơ cấu mềm được sử dụng để tạo ra sự linh hoạt và ổn định, giúp giảm thiểu sai số và tăng cường độ chính xác. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa tần số và chuyển vị đầu ra, đồng thời khuếch đại chuyển vị đầu ra lớn hơn 10 lần với hệ số an toàn lớn hơn 1.

1.1. Phương pháp thiết kế

Phương pháp thiết kế bao gồm việc sử dụng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để mô phỏng và kiểm nghiệm các kết quả lý thuyết. Phương trình Lagrange kết hợp với phương pháp giả cứng (PRBM) được sử dụng để xây dựng phương trình động học cho bộ định vị. Các biến thiết kế được tối ưu hóa bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) và phần mềm Matlab.

1.2. Ứng dụng thực tế

Bộ định vị được ứng dụng trong hệ thống định vị chính xác, đặc biệt là trong chuyển động của cánh tay robot đánh bóng vật liệu. Thiết kế này giúp tăng cường độ chính xác và giảm thiểu sai số trong quá trình định vị, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng công nghiệp.

II. Cơ cấu mềm trong hệ thống định vị

Cơ cấu mềm đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế bộ định vị 03 xyθ. Cơ cấu này giúp tạo ra sự linh hoạt và ổn định, đồng thời giảm thiểu sai số trong quá trình định vị. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các đặc tính của cơ cấu mềm để đạt được hiệu suất cao nhất.

2.1. Đặc tính của cơ cấu mềm

Cơ cấu mềm có các đặc tính nổi bật như tính dẻo, độ đàn hồi cao và độ bền kéo lớn. Những đặc tính này phù hợp cho việc chế tạo các bộ phận trong hệ thống định vị chính xác. Nghiên cứu cũng khám phá các nguyên tắc mới về hoạt động của vật liệu mềm dưới tác động của ngoại lực.

2.2. Tối ưu hóa cơ cấu mềm

Việc tối ưu hóa cơ cấu mềm được thực hiện thông qua các phương pháp mô phỏng và tính toán tiên tiến. Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) được sử dụng để tối ưu hóa các biến thiết kế, giúp đạt được chuyển vị đầu ra lớn hơn 10 lần với hệ số an toàn cao.

III. Hệ thống định vị chính xác

Hệ thống định vị chính xác là mục tiêu cuối cùng của nghiên cứu này. Bộ định vị 03 xyθ được thiết kế để tích hợp vào hệ thống này, giúp tăng cường độ chính xác và giảm thiểu sai số trong quá trình định vị. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc cải tiến các phương pháp gia công và tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao nhất.

3.1. Phương pháp gia công

Các phương pháp gia công được sử dụng bao gồm cắt dây WEDM, phay CNC và in 3D. Những phương pháp này giúp chế tạo các bộ phận của bộ định vị với độ chính xác cao, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống định vị chính xác.

3.2. Kiểm nghiệm và đánh giá

Các kết quả mô phỏng được kiểm nghiệm thông qua các thiết bị đo lường chuyên dụng. Sai lệch giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng được yêu cầu nhỏ hơn 10% để đảm bảo độ chính xác của bộ định vị.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bối cảnh thực tiễn và lý do chọn đề tài

Trong kỹ thuật cơ khí chính xác và vi thao tác, các cơ cấu truyền động truyền thống sử dụng khớp bản lề quay hoặc trượt cứng thường bộc lộ những nhược điểm cố hữu do khe hở cơ khí, ma sát tiếp xúc và hiện tượng mài mòn theo thời gian. Những yếu tố này tạo ra sai số truyền động ở mức micromet đến milimet, làm suy giảm độ lặp lại và độ chính xác định vị của hệ thống. Để khắc phục triệt để các hạn chế trên, cơ cấu mềm (Compliant Mechanisms - CCM) được nghiên cứu và ứng dụng như một giải pháp thay thế hiệu quả nhờ nguyên lý tạo chuyển động thông qua sự biến dạng đàn hồi của các phần tử linh hoạt (khớp mềm nguyên khối). Cơ cấu mềm loại bỏ hoàn toàn ma sát trượt, không cần bôi trơn, không có khe hở khớp và có khả năng tích hợp nguyên khối.

Tại Việt Nam, nghiên cứu về cơ cấu mềm ứng dụng trong hệ thống định vị chính xác (HTĐVCX) đang ở giai đoạn đầu phát triển và đối mặt với nhiều thách thức như thiếu hụt nhân lực chuyên sâu và hạn chế về nguồn lực đầu tư cho nghiên cứu thực nghiệm. Trước thực tiễn đó, đề tài tốt nghiệp mã số CKM-58: “Nghiên cứu thiết kế kết cấu mới và chế bộ định vị 03 XYθ bậc tự do sử dụng cơ cấu mềm ứng dụng cho hệ thống định vị chính xác” được nhóm sinh viên Lê Quang Trường, Võ Đoan Duy, Phạm Công Tài thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Lê Hiếu Giang và GVC. TS Đặng Minh Phụng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (Khoa Cơ khí Chế tạo máy).

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu cốt lõi của đồ án là nghiên cứu, thiết kế, tối ưu hóa và chế tạo thực nghiệm 02 mô hình bộ định vị 3 bậc tự do phẳng ($XY\theta$) sử dụng cơ cấu mềm, phục vụ định vị chính xác với các yêu cầu kỹ thuật cụ thể:

1. Đề xuất kết cấu cơ cấu mềm mới có tính nguyên khối và khả năng làm việc đa hướng ($XY\theta$).
2. Mô hình 1: Tập trung tối đa hóa tần số tự nhiên và chuyển vị đầu ra, ứng dụng tích hợp cho đầu công tác của robot đánh bóng vật liệu.
3. Mô hình 2: Tập trung khuếch đại chuyển vị đầu ra với hệ số khuếch đại lớn hơn 10 lần, đồng thời đảm bảo hệ số an toàn ứng suất lớn hơn 1.
4. Chế tạo mẫu thử nghiệm và kiểm nghiệm độ sai lệch giữa mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) và thực nghiệm dưới 10%.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu mềm đa bậc tự do ($3\text{ DOF } XY\theta$), khớp mềm (khớp notch, khớp bản lề lá), các mô hình giải tích động học/động lực học (PRBM, phương trình Lagrange), phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA), kỹ thuật tối ưu hóa (Matlab, RSM) và các công nghệ chế tạo cơ khí chính xác (cắt dây tia lửa điện WEDM, phay CNC, in 3D).
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Thiết kế nền tảng định vị 3 bậc tự do phẳng ($XY\theta$) ứng dụng hỗ trợ chuyển động cho cánh tay robot đánh bóng vật liệu.
  • Xây dựng mô hình toán học giải tích kết hợp phương pháp thân giả cứng (PRBM) và phương trình Lagrange; tối ưu hóa thông số hình học trên phần mềm MATLAB và ANSYS Workbench (Response Surface Optimization - RSO).
  • Chế tạo vật lý bằng phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện (WEDM) trên vật liệu hợp kim nhôm (Al 7075), đo kiểm chuyển vị bằng cảm biến laser/đồng hồ so và đo tần số dao động riêng bậc 1.
  • Công cụ phần mềm sử dụng: AutoCAD, Autodesk Inventor 2023, SolidWorks, ANSYS Workbench, MATLAB, LabVIEW, Microsoft Excel.
  • Thời gian thực hiện: Từ tháng 01/2024 đến tháng 07/2024.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Đồ án ứng dụng đồng thời các phương pháp phân tích lý thuyết, giải tích động lực học, mô phỏng số và tối ưu hóa cấu trúc:

• Phương pháp thân giả cứng (Pseudo-Rigid-Body Method - PRBM): Mô hình hóa các dầm uốn linh hoạt và khớp mềm thành các khâu cứng tương đương nối với nhau bằng các khớp quay có gắn lò xo xoắn cản đàn hồi, giúp đơn giản hóa hệ thống phi tuyến phức tạp thành bài toán cơ học vật rắn nhiều khâu để thiết lập sơ đồ động học.
• Phương pháp phương trình Lagrange (Lagrange Equations): Sử dụng dạng phương trình vi phân chuyển động loại 2 dựa trên thế năng đàn hồi và động năng của toàn bộ hệ cơ cấu để tính toán chính xác tần số dao động tự nhiên và mối quan hệ lực - chuyển vị.
• Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis - FEA): Thực hiện trên phần mềm ANSYS để phân tích tĩnh phi tuyến (xác định ứng suất Von-Mises, độ biến dạng, hệ số an toàn) và phân tích dao động (Modal Analysis để tìm các mode dao động và tần số tự nhiên riêng). Chất lượng chia lưới được kiểm soát thông qua tiêu chuẩn độ lệch lưới Skewness.
• Phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM): Sử dụng công cụ RSO (Response Surface Optimization) trong ANSYS để xây dựng bài toán tối ưu đa biến cho Mô hình 2, xác định hàm mục tiêu cho chuyển vị đầu ra lớn nhất và phân tích độ nhạy của các biến kích thước hình học đến hệ số an toàn.

Công nghệ gia công và thực nghiệm

• Công nghệ gia công cơ khí chính xác: Sử dụng phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện CNC (Wire Electrical Discharge Machining - WEDM) để cắt biên dạng nguyên khối các chi tiết khớp mềm có chiều dày thành mỏng mà không gây biến dạng dư, kết hợp gia công phay CNC tấm trung gian và khung gá.
• Khảo cứu công nghệ in 3D polymer: Tổng quan các quy trình tạo mẫu nhanh như FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithography), SLS (Selective Laser Sintering), Material Jetting với các loại vật liệu polymer như PLA, ABS và Resin.
• Phương pháp đo kiểm thực nghiệm: Bố trí hệ thống thực nghiệm gồm 3 bu lông kích tác động lực vi cấp, đo dịch chuyển đầu ra bằng hệ thống kết hợp 01 cảm biến laser và 03 đồng hồ so cơ khí; sử dụng thiết bị đo dao động chuyên dụng để xác định tần số tự nhiên thực tế của mẫu gia công.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc nghiên cứu cơ cấu mềm tại Việt Nam nhằm giải quyết bài toán định vị siêu chính xác mà cơ cấu cứng truyền thống không đáp ứng được. Xác định rõ mục tiêu chế tạo 02 bộ định vị 3-DOF $XY\theta$, phạm vi ứng dụng trong robot gia công đánh bóng vật liệu, đối tượng nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và cấu trúc tổng thể gồm 6 chương của khóa luận.

Chương 2: Khái lược về cơ cấu mềm, khớp mềm, bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm

• Lịch sử và nguyên lý cơ cấu mềm: Phân tích nguồn gốc cơ cấu mềm từ cung tên cổ đại (8000 năm TCN), máy bắn đá thời Trung Cổ đến các ứng dụng hiện đại như bản lề uốn, ngón tay robot, kìm kéo nguyên khối và ly hợp mềm.
• Phân loại khớp mềm: Phân chia khớp mềm thành nhóm trục đơn (khớp notch: tròn, bo góc, elip, chữ V, parabolic, hyperbol) và nhóm khớp phức tạp/bản lề lá.
• Tổng quan các công trình nghiên cứu trong nước:
  1. Nghiên cứu của Phạm Huy Tuân và cộng sự về tối ưu hóa cơ cấu mềm 2-DOF hỗ trợ rung động trong gia công phay (Vibration-Assisted Machining - VAM) sử dụng tích hợp Six Sigma, RSM-FEM và thuật toán NSGA-II; kiểm chứng độ nhám bề mặt được cải thiện ở dải tần số dưới 235 Hz.
  2. Nghiên cứu của Wanghu Zhan và cộng sự về phương pháp thiết kế cơ chế mềm phẳng 3-DOF dựa trên ràng buộc ma trận ánh xạ (mapping matrix constraints) kết hợp thuật toán di truyền GA.
  3. Nghiên cứu ngón tay giả in 3D bằng cơ cấu mềm dùng khớp uốn elip không đối xứng, kiểm nghiệm tương quan giữa mô men uốn và chuyển vị góc.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

• Công nghệ chế tạo: Phân tích sâu nguyên lý công nghệ in 3D (FDM, SLA, SLS, Material Jetting), đặc tính cơ lý của nhựa PLA, ABS; nguyên lý phay CNC và nguyên lý gia công phóng điện cắt dây tia lửa điện (WEDM), giải thích cơ chế đánh thủng điện môi ở nhiệt độ 8000–12000 °C để cắt các vật liệu kim loại có độ cứng cao với bán kính góc lượn siêu nhỏ.
• Phương pháp tính toán và tối ưu: Cơ sở toán học của FEA, phương trình Lagrange động lực học, nguyên lý mô hình hóa dầm đàn hồi bằng phương pháp thân giả cứng PRBM và quy trình lập quy hoạch thực nghiệm theo bề mặt đáp ứng RSM.

Chương 4: Phân tích phương án thiết kế

• Đề xuất ý tưởng: Phát triển 02 cấu trúc bộ định vị 3-DOF $XY\theta$ phẳng:
  • Mô hình 1 (Định hướng tối ưu tần số): Sử dụng cơ cấu dẫn hướng Scott-Russell kết hợp hệ thống khuếch đại 2–3 đòn bẩy, vật liệu hợp kim nhôm Al 7075, tích hợp vào cơ cấu đầu công tác của robot đánh bóng vật liệu.
  • Mô hình 2 (Định hướng khuếch đại chuyển vị): Thiết kế chuỗi 5 tầng đòn bẩy mềm nhằm nhân tỷ số truyền chuyển vị lên nhiều lần.
• Phân tích đặc tính ban đầu bằng FEA: Đánh giá chuyển vị đầu ra, ứng suất cực đại Von-Mises, hệ số an toàn và tần số dao động tự nhiên ban đầu của cả 2 mô hình trước khi tối ưu hóa.

Thông số đánh giá ban đầu	Mô hình 1 (Tối ưu tần số)	Mô hình 2 (Khuếch đại chuyển vị)
Mục tiêu chính	Tần số tự nhiên cao, tích hợp robot	Hệ số khuếch đại chuyển vị $> 10$ lần
Cơ cấu khuếch đại	Scott-Russell + Đòn bẩy mềm	Chuỗi 5 đòn bẩy mềm vi cấp
Vật liệu chế tạo	Hợp kim nhôm Al 7075	Hợp kim đàn hồi cao
Ứng dụng định hướng	Đầu công tác robot đánh bóng vật liệu	Định vị vi thao tác quang học/chế tạo vi mạch

Chương 5: Tính toán, tối ưu bộ định vị

• Tính toán và tối ưu Mô hình 1:
  • Thiết lập mô hình 3D trên Inventor 2023, phân tích phần tử hữu hạn trên ANSYS với điều kiện biên cố định các vị trí bắt bu lông và đặt lực đầu vào. Kiểm soát chất lượng lưới phần tử bằng tiêu chuẩn Skewness (đảm bảo độ méo lưới ở mức tối ưu).
  • Thiết lập phương trình giải tích PRBM và phương trình Lagrange xác định chuyển vị và tần số riêng.
  • Xây dựng thuật toán tối ưu hóa đơn mục tiêu trên MATLAB để tìm tập kích thước hình học tối ưu cho các khớp mềm. Kiểm nghiệm lại kết quả tối ưu bằng FEA trên ANSYS, cho thấy sự tương thích cao giữa giải tích và mô phỏng số.
• Tối ưu hóa Mô hình 2:
  • Thiết lập bài toán RSO trên ANSYS với 6 biến kích thước đầu vào (kích thước hình học các khớp A, B, C và các khoảng cách đòn bẩy D, E, F).
  • Khảo sát các biểu đồ bề mặt đáp ứng 3D thể hiện mức độ tương tác giữa các biến kích thước đến chuyển vị đầu ra và hệ số an toàn.
  • Phân tích độ nhạy (Sensitivity Analysis) của từng thông số, xác định điểm thiết kế tối ưu đáp ứng chuyển vị khuếch đại lớn hơn 10 lần và hệ số an toàn bền mỏi $> 1$.

Chương 6: Chế tạo và thực nghiệm

• Chế tạo mẫu thử nghiệm: Gia công hoàn thiện nền tảng định vị 3-DOF và tấm gá trung gian bằng phương pháp cắt dây tia lửa điện WEDM và phay CNC từ phôi Al 7075.
• Thực nghiệm đo kiểm:
  • Thiết lập mô hình đo lường với 01 cảm biến khoảng cách laser và 03 đồng hồ so cơ khí, sử dụng hệ thống 3 bu lông kích để tạo vi chuyển vị đầu vào.
  • Tiến hành đo tần số dao động riêng bậc 1 của kết cấu.
  • So sánh đối chiếu kết quả đo thực tế với kết quả mô phỏng FEA. Độ sai lệch ghi nhận đều nằm trong phạm vi cho phép ($< 10%$), chứng minh tính đúng đắn của quy trình thiết kế và mô phỏng.

---

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp tối ưu hóa

Kiến trúc động học và cấu trúc cơ cấu mềm

Khóa luận đã phát triển hai cấu trúc cơ cấu mềm 3-DOF phẳng độc lập nhằm giải quyết hai bài toán kỹ thuật đặc thù:

[Mô hình 1: Tối ưu tần số] 
Khớp dẫn hướng Scott-Russell + Khuếch đại 3 đòn bẩy 
---> Tối ưu hóa giải tích (PRBM + Lagrange + MATLAB) 
---> Tần số cao, ứng dụng cho Robot đánh bóng vật liệu

[Mô hình 2: Khuếch đại chuyển vị] 
Hệ thống khuếch đại 5 đòn bẩy nối tiếp 
---> Tối ưu hóa bề mặt đáp ứng (ANSYS RSO: Biến A, B, C, D, E, F) 
---> Khuếch đại chuyển vị > 10 lần, Hệ số an toàn > 1

Quy trình tối ưu hóa và chất lượng mô phỏng

• Chia lưới và phân tích FEA: Mô hình được chia lưới cục bộ tại các vị trí tập trung ứng suất cao (các khớp bản lề lá và khớp notch bo góc). Chất lượng phần tử được kiểm soát nghiêm ngặt theo chỉ số Skewness Mesh Metric nhằm loại bỏ các phần tử méo, đảm bảo tính hội tụ của nghiệm giải tích.
• Tối ưu hóa đa biến RSO (Mô hình 2): Các biến kích thước khớp uốn $A, B, C$ và khoảng cách đòn bẩy $D, E, F$ được khảo sát trong không gian tham số liên tục. Ma trận đáp ứng bề mặt RSM giúp xác định tương quan phi tuyến giữa kích thước khớp mềm và khả năng biến dạng đàn hồi mà không vượt quá giới hạn chảy của vật liệu Al 7075.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

1. Thiết kế thành công 02 mẫu bộ định vị 3-DOF: Đạt chuyển động phẳng độc lập theo các trục $X, Y$ và góc quay $\theta$, vận hành hoàn toàn dựa trên biến dạng đàn hồi nguyên khối.
2. Khẳng định độ chính xác của mô hình giải tích: Thiết lập thành công hệ phương trình động học và động lực học dựa trên PRBM kết hợp phương trình Lagrange cho kết quả tính toán tần số và chuyển vị tương thích với kết quả phân tích số FEA trên ANSYS.
3. Đạt chỉ tiêu khuếch đại và an toàn: Mô hình 2 đạt tỷ số khuếch đại chuyển vị đầu ra lớn hơn 10 lần so với đầu vào, đồng thời phân tích ứng suất Von-Mises chứng minh hệ số an toàn của cơ cấu luôn lớn hơn 1 trong suốt dải hành trình làm việc.
4. Kiểm nghiệm thực nghiệm đạt chuẩn: Sản phẩm vật lý được gia công chính xác bằng máy cắt dây tia lửa điện WEDM; sai số giữa đo kiểm thực nghiệm (chuyển vị qua laser/đồng hồ so và tần số dao động) so với mô phỏng FEA đạt dưới 10%.

Hạng mục kiểm tra	Phương pháp mô phỏng / Lý thuyết	Phương pháp thực nghiệm	Độ sai lệch	Đánh giá
Chuyển vị đầu ra	FEA (ANSYS) / Giải tích (PRBM)	01 Cảm biến laser + 03 Đồng hồ so	$< 10%$	Đạt yêu cầu thiết kế
Tần số tự nhiên bậc 1	Modal Analysis (ANSYS) / Lagrange	Thiết bị đo tần số chuyên dụng	$< 10%$	Đạt yêu cầu thiết kế
Độ bền / Ứng suất	Phân tích tĩnh FEA (Von-Mises)	Kiểm tra biến dạng đàn hồi sau kích	Không nứt gãy	Hệ số an toàn $> 1$

Đóng góp về mặt khoa học và kỹ thuật

• Bổ sung tài liệu tính toán, thiết kế giải tích hoàn chỉnh kết hợp PRBM, phương trình Lagrange và tối ưu hóa RSM/Matlab cho cơ cấu mềm 3-DOF tại Việt Nam.
• Đề xuất giải pháp kết hợp cơ cấu Scott-Russell và đòn bẩy mềm ứng dụng trong cơ cấu định vị đầu công tác của robot đánh bóng kim loại, mở ra hướng ứng dụng cơ cấu mềm trong các hệ thống gia công lai có rung động hỗ trợ.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án

• Cơ cấu chấp hành đầu vào trong phần thực nghiệm mới sử dụng hệ thống bu lông kích cơ học kết hợp gá đặt đồng hồ so và cảm biến laser, chưa tích hợp trực tiếp các bộ truyền động áp điện PZT (Piezoelectric Actuator) cao cấp.
• Quá trình đo kiểm thực nghiệm dừng lại ở phân tích tĩnh và đo tần số tự nhiên bậc thấp; chưa thực hiện điều khiển vòng kín (closed-loop control) để đánh giá độ trễ trễ đàn hồi (hysteresis) và khả năng bù sai số động học theo thời gian thực.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Tích hợp bộ truyền động áp điện PZT và cảm biến phản hồi vi dịch chuyển điện dung/quang học để xây dựng mạch điều khiển vòng kín bằng phần mềm LabVIEW/MATLAB Simulink.
• Thử nghiệm lắp đặt bộ định vị lên cánh tay robot thực tế để thực hiện gia công đánh bóng vật liệu, đánh giá độ nhám bề mặt chi tiết gia công tương tự các nghiên cứu gia công hỗ trợ rung động (VAM).

---

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo chuyên sâu cho các đối tượng sau:

• Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Công nghệ Chế tạo máy, Kỹ thuật Robot: Tham khảo quy trình thiết kế cơ cấu mềm, phương pháp mô hình hóa thân giả cứng (PRBM), giải phương trình Lagrange và quy trình thiết lập bài toán tối ưu hóa đa biến trên ANSYS Workbench (RSO) kết hợp MATLAB.
• Kỹ sư nghiên cứu phát triển (R&D): Tham khảo các thông số công nghệ gia công cắt dây tia lửa điện WEDM cho các kết cấu khớp mỏng nguyên khối Al 7075 và phương pháp bố trí đồ gá đo kiểm vi chuyển vị bằng laser và đồng hồ so.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hai mô hình bộ định vị trong đồ án có định hướng thiết kế và ứng dụng khác nhau như thế nào?

Mô hình 1 được thiết kế với định hướng tối đa hóa tần số tự nhiên và chuyển vị bằng cách kết hợp cơ cấu dẫn hướng Scott-Russell với hệ đòn bẩy mềm, hướng tới ứng dụng làm bộ định vị trên đầu tay máy robot đánh bóng vật liệu. Mô hình 2 được thiết kế theo cấu trúc chuỗi 5 đòn bẩy mềm nhằm tối đa hóa hệ số khuếch đại chuyển vị đầu ra (đạt mức khuếch đại $> 10$ lần) và tối ưu hóa bề mặt đáp ứng RSM để duy trì hệ số an toàn $> 1$.

2. Nhóm tác giả đã sử dụng những phương pháp toán học và mô phỏng nào để tối ưu hóa kết cấu?

Nhóm tác giả đã kết hợp phương pháp thân giả cứng (PRBM) và phương trình Lagrange để xây dựng mô hình giải tích động học/động lực học; sử dụng phần mềm MATLAB để chạy thuật toán tối ưu hóa đơn mục tiêu cho Mô hình 1; và sử dụng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM/RSO) trên ANSYS Workbench để tối ưu hóa 6 biến kích thước hình học ($A, B, C, D, E, F$) cho Mô hình 2.

3. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để đánh giá chất lượng chia lưới trong phân tích FEA trên ANSYS?

Quá trình phân tích phần tử hữu hạn (FEA) trên ANSYS sử dụng tiêu chuẩn độ lệch lưới Skewness (Skewness Mesh Metric) để kiểm tra chất lượng phần tử. Nhóm thực hiện làm mịn lưới cục bộ tại các vị trí tập trung biến dạng như khớp bản lề lá và khớp notch nhằm đảm bảo kết quả phân tích ứng suất Von-Mises và tần số tự nhiên đạt độ chính xác cao.

4. Phương pháp gia công nào được lựa chọn để chế tạo mẫu thực nghiệm cơ cấu mềm và vì sao?

Phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện CNC (WEDM - Wire Electrical Discharge Machining) trên nền phôi nhôm hợp kim Al 7075 được lựa chọn. WEDM sử dụng dây kim loại dẫn điện siêu nhỏ và hiện tượng phóng điện nung chảy cục bộ, cho phép gia công các biên dạng khớp mềm phức tạp, thành mỏng với sai số dưới $0{,}001\text{ mm}$ mà không gây ứng suất dư hay biến dạng cơ học như các phương pháp phay truyền thống.

5. Kết quả kiểm nghiệm thực nghiệm so với mô phỏng số có đạt tiêu chuẩn đặt ra ban đầu không?

Kết quả kiểm nghiệm thực nghiệm bằng cảm biến laser, 03 đồng hồ so và thiết bị đo dao động chuyên dụng cho thấy sai lệch về chuyển vị đầu ra và tần số dao động tự nhiên bậc 1 so với kết quả mô phỏng FEA trên ANSYS đều nhỏ hơn 10%, đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn nghiệm thu kỹ thuật đã đề ra ban đầu của đồ án.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu và phát triển hoàn chỉnh hai cấu trúc bộ định vị cơ cấu mềm 3 bậc tự do phẳng ($XY\theta$) phục vụ hệ thống định vị chính xác cao. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa lý thuyết (PRBM, Lagrange), mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA), tối ưu hóa cấu trúc (RSM, MATLAB) và gia công chế tạo thực tế bằng công nghệ cắt dây tia lửa điện WEDM trên hợp kim nhôm Al 7075, nhóm tác giả đã chế tạo thành công mẫu thử nghiệm vật lý đạt độ sai lệch kiểm nghiệm dưới 10% so với mô phỏng. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích về phương pháp luận thiết kế, tính toán giải tích và chế tạo cơ cấu tuân thủ nguyên khối trong lĩnh vực cơ học chính xác và kỹ thuật robot tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Trình bày khái quát các nội dung về đồ án. Chương 2: Nêu khái niệm về CCM, khớp mềm, bộ định vị dùng cơ cấu mềm. Chương 3: Trình bày các phương pháp để gia công, tối ưu hóa được áp dụng. Chương 4: So sánh các phương pháp thiết kế.

Chọn phương án tốt hơn để tiến hành tối ưu. Chương 5: Tính toán và tối ưu tần số bằng Matlab cho mô hình 1, tiến hành mô phỏng và tối ưu chuyển vị cho mô hình 2. Chương 6: Tiến hành gia công, đo đạc và kiểm nghiệm mô hình đã gia công so với FEA có đạt yêu cầu. Kết luận: Tổng kết, nêu các hạn chế và kiến nghị.

3 CHƯƠNG 2: KHÁI LƯỢC VỀ CƠ CẤU MỀM, KHỚP MỀM, BỘ ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM 2.1 Khám phá lịch sử hình thành CCM CCM với khả năng lưu trữ năng lượng và tạo ra chuyển động, đã xuất hiện từ rất lâu đời, trải dài qua hàng thiên niên kỷ. Bằng chứng khảo cổ cho thấy chiếc cung, một ví dụ điển hình về CCM, đã được dùng từ 8000 năm trước CN. Với vai trò là vũ khí và công cụ săn bắn chủ yếu trong nhiều nền văn hóa, những chiếc cung ban đầu được chế tạo từ vật liệu tương đối mềm dẻo như gỗ và gân động vật. Năng lượng được tích trữ khi căng cung sẽ được chuyển hóa thành động năng propelling mũi tên.1: Máy bắn đá [4] Xuất hiện từ thế kỷ thứ tư trước Công nguyên do người Hy Lạp sáng chế, máy bắn đá là một cỗ máy công thành được ví như "cánh tay sắt" của chiến tranh thời Trung Cổ.

Khác biệt với những vũ khí sử dụng sức mạnh cơ bắp trực tiếp, máy bắn đá vận hành dựa trên 4 nguyên lý CCM, ứng dụng các bộ phận gỗ cong để lưu trữ và giải phóng năng lượng một cách hiệu quả. Điểm độc đáo của máy bắn đá nằm ở cấu tạo gồm hai bộ phận chính: khung sườn và cần ném. Khung sườn được làm từ những thanh gỗ chắc chắn, tạo thành hình chữ A vững chãi. Nổi bật trên khung sườn là cần ném, một thanh gỗ dài được uốn cong theo hình parabol.

Tại một đầu của cần ném, người ta gắn một đối trọng nặng, thường là đá hoặc kim loại. Đầu còn lại được buộc vào một túi da chứa viên đạn, có thể là đá tảng, bom cháy hoặc xác chết động vật. Khi cần tấn công, người vận hành sẽ kéo cần ném xuống, nén các thanh gỗ cong và tích trữ năng lượng tiềm năng. Sau đó, họ sẽ nhả dây, khiến cần ném bật ngược lên với lực mạnh phi thường, truyền động năng cho viên đạn và phóng nó đi xa hàng trăm mét.

Nhờ vào cấu trúc thông minh và sức mạnh hủy diệt, máy bắn đá đã trở thành vũ khí lợi hại giúp các đội quân chinh phục thành trì kiên cố, góp phần định đoạt chiến thắng trong nhiều trận chiến lịch sử. Tuy nhiên, sự ra đời của thuốc súng vào thế kỷ 15 đã dần khiến máy bắn đá trở nên lỗi thời. Sức mạnh và độ chính xác vượt trội của súng hỏa lực đã khiến những cỗ máy gỗ cồng kềnh này dần bị lãng quên. Dẫu vậy, máy bắn đá vẫn ghi dấu ấn sâu đậm trong lịch sử quân sự như một minh chứng cho sự sáng tạo và ứng dụng thông minh của cơ cấu mềm trong chiến tranh.2: Cung tên [4] 5 Hình 2.3: Ly hợp làm từ CCM [16] Bên cạnh việc giảm chấn và giảm ồn, bộ phận linh hoạt còn được ứng dụng nhiều trong việc mô phỏng chuyển động của các khớp quay.

Nhờ khả năng biến dạng linh hoạt, các bộ phận này có thể tái tạo chuyển động xoay, nghiêng và gập một cách mượt mà và chính xác. Một ví dụ điển hình là bản lề uốn của bìa sách. Cấu tạo của bản lề này bao gồm một lớp vật liệu mỏng, thường là nhựa hoặc kim loại, được uốn cong tại vị trí cần chuyển động. Nhờ sự thay đổi thành phần vật liệu và độ dày tại điểm uốn, bản lề có thể linh hoạt xoay mở và đóng bìa sách mà không bị gãy vỡ.

Ngoài ra, các bộ phận linh hoạt cũng được dùng nhiều trong các khớp nối của robot, máy móc tự động. Nhờ khả năng mô phỏng chuyển động khớp quay một cách chính xác, các bộ phận này giúp tăng độ bền và giảm tiếng ồn cho các thiết bị.4: Ly hợp dùng cơ cấu mềm (a) và cơ cấu cứng (b) [4] 6 2.2 Tổng quan về cơ cấu mềm Trong các ngành kỹ thuật, các khớp nối truyền thống được dùng nhiều để kết nối các chi tiết trong kết cấu máy. Tuy nhiên, những khớp nối này tiềm ẩn một số vấn đề khiến chúng không thực sự phù hợp với những việc cần độ chuẩn xác cao (cấp độ micromet): Sai số khi truyền động: Do cấu tạo có khe hở, khớp nối truyền thống luôn dẫn đến sai số truyền động trong quá trình vận hành. Sai số này thường ở mức micromet đến milimet, ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống.

Ma sát: Lực ma sát do khớp nối truyền thống gây ra làm giảm hiệu suất hoạt động, tăng hao mòn chi tiết và khe hở khớp nối theo thời gian. Điều này dẫn đến suy giảm chất lượng hoạt động của thiết bị và sản phẩm. Độ chính xác: Hạn chế về sai số truyền động và lực ma sát khiến khớp cứng không đáp ứng được yêu cầu độ chuẩn xác cao (cấp độ micromet) trong các kết cấu máy hay bộ định vị.5: Các cơ cấu cứng [4] Hình ảnh bên trái cho thấy một động cơ pittong. Đầu vào tuyến tính được chuyển thành vòng quay đầu ra và lực đầu vào được chuyển đổi thành mô-men xoắn đầu ra.

Một ví dụ khác, chiếc kìm (bên phải). Cơ chế này truyền năng lượng đầu vào (lực của bàn tay) qua đầu ra (răng kẹp). Do nguồn năng lượng được giữ nguyên giữa điểm đầu vào và điểm đầu ra (bỏ qua tổn thất ma sát) nên lực ở điểm đầu ra có thể lớn hơn rất nhiều so với lực ở điểm đầu vào, nhưng độ dịch chuyển ở điểm đầu ra nhỏ hơn rất nhiều so với độ dịch chuyển ở điểm đầu vào.6: Bút tự định tâm làm từ khớp uốn cầu [17] Việc sử dụng CCM được xem là lựa chọn tối ưu để loại bỏ các nhược điểm của khớp cứng truyền thống. CCM là một loại cơ cấu được chế tạo từ các vật liệu mềm dẻo như cao su, silicon, hoặc nhựa.

Chúng có thể thay đổi hình dạng khi bị tác động vào, và có khả năng phục hồi về hình dạng ban đầu sau khi lực được loại bỏ.7: Kìm và kéo làm từ CCM [1,3] 8 Hình 2.8: Các dụng cụ trong đời sống làm từ CCM [2] 2.2 Khớp mềm Hình 2.9: Khớp mềm với cấu tạo nguyên khối [5-6] KM hay còn gọi là khớp nối mềm, bản lề linh hoạt, khớp đàn hồi, là một chi tiết cơ khí quan trọng trong việc kết nối hai bộ phận cứng một cách linh hoạt và bền bỉ. Khác với các loại khớp truyền thống sử dụng khớp nối cứng nhắc, KM hoạt động dựa trên nguyên lý đàn hồi, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Cấu tạo của khớp mềm bao gồm các thanh kim loại mỏng hoặc vật liệu đàn hồi khác được uốn cong theo hình dạng cụ thể. Khi chịu tác động lực, các 9 thanh kim loại này sẽ bị biến dạng đàn hồi, cho phép hai bộ phận kết nối di chuyển tương đối với nhau mà không bị gãy vỡ.10: Các loại KM [4] KM đơn giản: KM trục đơn: Loại khớp này có tiết diện hình chữ nhật với chiều rộng cố định và chiều cao thay đổi.

Dựa trên hình dạng mặt cắt ngang, khớp mềm trục đơn được phân thành các dạng: KM kiểu notch: Được dùng trong các hệ thống đòi hỏi độ chuẩn xác. Bao gồm: KM hình tròn, KM bo cong góc, KM hình chữ V, KM hình elip, KM hình parabolic và KM hình hyperbol. KM hình dạng khác: Ngoài ra, còn có các loại khớp mềm đơn giản khác như KM hình chữ I, KM hình chữ U,. KM phức tạp: Loại khớp này có cấu tạo phức tạp hơn so với KM đơn giản, thường được kết hợp từ nhiều bộ phận khớp mềm đơn giản hoặc kết hợp với các cơ cấu khác.

KM phức tạp có khả năng đáp ứng nhiều yêu cầu chuyển động và chịu tải phức tạp hơn.11: KM phức tạp [4] 10 Hình 2.12: KM kiểu notch [4] (a) KM hình tròn, (b) KM lá bo góc, (c) KM hình elip, (d) KM hình chữ V, (e) KM Hyberbol, (f) KM hình Parabolic 2.3 Một số công trình nghiên cứu CCM tại Việt Nam 2.1 Design Optimization of Compliant Mechanisms for Vibration- Assisted Machining Applications Using a Hybrid Six Sigma, RSM-FEM, and NSGA-II Approach [7] Trong nghiên cứu này, Phạm Huy Tuân và các cộng sự đã thực hiện nghiên cứu một mô hình 2-DOF sử dụng tối ưu quá trình kết hợp với RSM. FEM và phân tích Six Sigma với bài toán đa mục tiêu. Trong bài báo này, mô hình được nâng cấp dựa trên hệ thống hỗ trợ rung động và áp dụng nó trong phương pháp gia công phay để khai thác các đặc tính của phương pháp gia công lai (Hybrid machining).13: Kết hợp Six Sigma và (NSGA-II) [7] 11 Hình 2.14: Các kết quả tối ưu FEM [7] 7 4 6 5 3 2 1 Hình 2.15: Đo kiểm nghiệm chuyển vị đầu ra và tần số [7] 12 Phay Gia công mẫu F r y x P Z T- y P Z T-x Hình 2.16: Thí nghiệm phay CNC có hỗ trợ rung động [7] Các tác giả bài báo đã tiến hành đo bề mặt sản phẩm đã được gia công có hỗ trợ rung động với tần số từ 0 đến 700Hz và điều ngạc nhiên là chất lượng độ nhám bề mặt được tăng lên nhiều khi tần số dưới 235Hz. Tức là chất lượng bề mặt sẽ giảm khi tần số tự nhiên được tăng thêm.17: Đo độ nhám bề mặt [7] 13 2.2 Optimal design method for 3-DOF planar compliant mechanisms based on mapping matrix constraints [8] Trong nghiên cứu này, Wanghu Zhan và các cộng sự đã dùng phương pháp thiết kế CCM được đề xuất dựa trên cơ chế nguyên mẫu song song phẳng với các tham số cấu trúc tối ưu, ma trận ánh xạ theo tham số cấu trúc tối ưu được sửa đổi hợp lý thành ma trận ánh xạ mong muốn của CCM trong quá trình tối ưu hóa cấu trúc liên kết.