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.