BO CONG THUONG TRUONG DAI HOC CONG NGHIEP TP. HCM KHOA CO KHÍ BO MON CONG NGHE CHE TAO MAY ot QsitY OF %2 cht E Fle, VỆ 2 Y ` \ĐUST2/` Aun ww °wrya3 CH a (= DO AN TOT NGHIEP THIET KE, CHE TAO PHANH MRF CHO HE THONG PHAN HOI LUC 3D Giảng viên hướng dẫn: TS. DIỆP BẢO TRÍ .TS NGUYEN QUOC HUNG Sinh viên thực hiện: NGUYÊN ĐỎ TRÍ DŨNG TRAN TRUNG KIEN NGUYEN XUAN NGOC LONG NGUYEN QUANG LUAN NGUYÊN ĐÌNH TỶ TP.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2023 BỘ CÔNG THƯƠNG TRUONG DAI HOC CONG NGHIEP TP. HCM KHOA CƠ KHÍ BO MON CONG NGHE CHE TAO MAY s9 ATY OF 45 oh} E No, về ` St ⁄% ` Ss ` \0U572/2` ALi) Nryad ww CHA “=vV © IUH DO AN TOT NGHIEP THIET KE, CHE TAO PHANH MRF HE THONG PHAN HOI LUC 3D Giảng viên hướng dẫn: TS. DIỆP BẢO TRÍ .TS NGUYEN QUOC HUNG Sinh viên thực hiện NGUYEN DO TRI DUNG TRAN TRUNG KIEN NGUYEN XUAN NGOC LONG NGUYEN QUANG LUAN NGUYÊN ĐÌNH TỶ TP.Hồ Chí Minh,ngày tháng 06 năm 2023 DAI HOC CONG NGHIEP CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET Độc lập — Tự do - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ năm 2023 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TÓT NGHIỆP Họ tên SV I: Nguyễn Đỗ Trí Dũng Lép DHCTISATT Ho tén SV 2: Tran Trung Kién Lớp: DHCT14BTT Họ tên SV 3: Nguyễn Xuân Ngọc Long Lop: DHCT14BTT Họ tên SV 4: Nguyễn Quang Luận Lớp: DHCTI4BTT Họ tên SV 5: Nguyễn Đình Tỷ Lop: DHCTISATT 1.Tén dé tài: Thiết kế chế tạo hệ thống phản hỏi lực 3 chiều bằng phanh lưu chất từ biến. Nhiệm vụ (yêu câu về nội dung và số liệu ban đầu): thiết kế phanh Tối ưu hóa phanh đề momen theo yêu cầu với khối lượng nhỏ nhất Chế tạo mô hình Kết quả thực nghiệm phanh 3. Ngày giao nhiệm vụ luận van: 4. Ngày kiểm tra giữa kỳ (50%): 6. Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Quốc Hưng TS. Diệp Bảo Ngày 0 tháng 06 năm 20223 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GV HƯỚNG DẪN TRƯỞNG O ODA Trong thời đại công nghệ 4.0, có thể thấy rằng chính sách và chủ trương của nhà nước ta là đây mạnh công nghiệp hóa — hiện đại hóa nhằm hướng đưa nước ta thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại. Chính vì thế, các ngành nghề phục vụ cho công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa được quan tâm một cách tích cực. Trong đó ngành cơ khí là một trong những ngành đóng vai trò mũi nhọn giúp tạo ra nhiều máy móc, sản phẩm nhằm đáp ứng nhu cầu của con và xã hội, đi đôi với đó là đòi hỏi kỹ sư cơ khí và cán bộ cơ khí phái có kiến thức đồng thời vận dụng những kiến thức đã học đề giải quyết vẫn đề cụ thể như sản xuất và sửa chữa. Ngành cơ khí chế tạo máy là ngành chế tạo ra các loại máy móc và thiết bị có thế coi như đây là nền tảng của công cuộc cách mạng 4. Hiện nay việc ứng dụng điều khiển từ xa đóng vai trò quan trọng và cân thiết điển hình như các loại robot chuyên dụng phục vụ trong các môi trường độc hại hay thời tiết khắc nghiệt đối với con người. Từ nhu cầu đó, kết hợp với quá trình học tập tại tường được thầy cô hỗ trợ vì kiến thức đo đó nhóm đã chọn đề tài: “ Thiết kế chế tạo hệ thông phản hồi lực 3 chiều băng phanh lưu chất từ biến “. Trong thực tế đã xuất hiện hệ thống điều khiển từ xa cơ bản bao gồm hai co cau chính là cơ cấu chủ động và cơ cấu bị động. Tuy nhiên, hệ thống đó cần nhiều hạn chế như thiếu đi thông tin phản hồi ở khâu cuối của hệ thống bị động, chẳng hạn như lực tác động mong muốn. Điều đó dẫn đến việc điều khiến sẽ bị giảm đi độ chính xác và tính linh hoạt của hệ thống. Do đó chúng em thực hiện dé tài này nhằm khắc phục những nhược điểm trên. Vì đây là lần đầu chúng em thực hiện nên khó tránh những sai sót, cũng như trình độ kỹ thuật và kinh nghiệm còn hạn chế. Kính mong quý thầy cô thông cảm và đông góp ý kiến giúp tụi em có thể hoàn thiện đề tài. O AMON Đề nhóm chúng em thực hiện hoàn thành dé tài một cách hoàn thiện nhất, bên cạnh sự nỗ lực học tập và cố gắng của mỗi cá nhân đồng thời là sự kết hợp làm việc nhóm, còn có sự giúp đỡ và hướng dẫn thiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như những lời động viên ủng hộ của gia đình, bạn bè trong suốt thời gian chúng em học tập, nghiên cứu và tiến hành thực hiện đỗ án. Với lòng kính trọng và sự biết ơn sâu sắc, nhóm chúng em xin bay tỏ lời cảm on toi: TS. Diệp Bảo Trí, thầy đã tận tinh chi dẫn các kết câu và giải thích cơ sở lý thuyết, đồng thời giúp đỡ chúng em cách tính toán và chế tạo mô hình thực nghiệm MRE, giải đáp các thắc mắc của chúng em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Lê Hải Zy Zy, đã nhiệt tình hướng dẫn nhóm thiết kế mô hình 3D, sử dụng ANSYS để thực hiện tính lực ma sát và tối ưu hóa mô hình và tiến hành chạy thực nghiệm phanh MREF, dưới sự dưới sự chỉ dẫn nhiệt tình của TS. Diệp Bảo Trí. Các Thầy Cô trong khoa Cơ Khí đã hết lòng giúp đỡ để em hoàn thành đề Gia đình, bạn bè những người đã không ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho chúng em trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài. NHAN XET CUA GIANG VIEN HUONG DAN Tp. Hé Chi Minh, ngay thang 06 nam 2023 Giảng viên hướng dẫn TS. Diệp Bảo Trí NHAN XET CUA GIANG VIEN PHAN BIEN 1 Tp. Hé Chi Minh, ngay thang 06 nam Cán bộ phản biện NHAN XET CUA GIANG VIEN PHAN BIEN 2 Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 06 năm 2023 Cán bộ phản biện NHAN XET CUA GIANG VIEN PHAN BIEN 3 Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 06 năm 2023 Cán bộ phản biện MUC LUC O ODA O AMON NHAN XET CUA GIANG VIEN HUONG DAN NHAN XET CUA GIANG VIEN PHAN BIEN 1 NHAN XET CUA GIANG VIEN PHAN BIEN 2 NHAN XET CUA GIANG VIEN PHAN BIEN 3 1.2 Sự cần thiết của nghiên cứu: 1.4 Nội dung nghiên cứu: 2.1 Giới thiệu về lưu chất từ biến MRE 2.2 Các thành phần chính của MRF: 2.3 Nguyên lý hoạt động của MRE: 2.4 Cac dac tinh cua MRF 3.1 Cau tao cia phanh luu chat tir bién MRF: 3.2 Mô hình toán học của phanh MRF: 3.3 Thiết kế tối ưu cho các phanh MRF: 3.1 Bài toán tối ưu hóa: 3.2 Phương pháp tối ưu hóa: 3.3: Kết quả tối ưu hóa: 4.1 Xác Định Dạng Sản Xuất. Mục Đích Xác Định Dạng Sản Xuất. Cách xác định dạng sản xuất.2 Xác Định Các Thông Số Kỹ Thuật Của Chỉ Tiết.3 Chọn Phôi Và Phương Pháp Chế Tạo Phôi. Chọn Phôi: Phương pháp chế tạo phôi. Lập Quy Trình Công Nghệ Gia Công Chỉ Tiết Trục: Thiết Kế Đồ Gá Cho Nguyên Công. Ý Nghĩa Của Việc Thiết Kế Đồ Gá. Nguyên Lý Định Vị Va Kep Chat Của Đỗ Gá. Xác định lực cắt và momen: Nhiệm Vụ Chính Của Các Bộ Phận. Nguyên Lý Hoạt Động Của Đồ Gá. Thiết lập mô hình thí nghiệm 5.2 Các bước lắp ráp và đo đạc phanh MRE: 5.1 Quan dây va bom MRE.4 Đánh giá và kết luận DANH MỤC HÌNH ẢNH A⁄ ao Thanh phan MRF Cac trang thai cua MRF M6 hinh déo Bingham va Newton aoa Cấu tao phanh MRF Quá trình tối ưu hóa Kết quả tối ưu hóa Đường từ thông trên phanh MRF Phân bố mật độ từ trường ở phanh MRF tai thời điểm tối ưu 5 a 64 a €4 ủacơcấ ụ é ụ ; Quy trình đúc trong khuôn kim loạ Bản vẽ lồng phôi :Đánhhsố È 4 : Sơ đồ định vị nguyên công 5 : Đỗ gá khoan lỗ : Các chỉ tiết phanh MRF a 6 ệ Mô hình chạy thử nghiệm lực của phanh MRF khi cấp dòng điện Biểu đồ thế hiện momen phanh | Biểu đỗ thế hiện momen phanh Biểu đỗ thế hiện momen phanh ^ ¢ DANH MUC BANG BIEU Cấu tạo chức năng phanh MRF we Báng thông số hình học tối ưu WM : Tiêu chuẩn xác định đạng sản xuất Me > : Thanh phan co tinh cua vat liéu C45 a 4a ủ > Thành phần mô hình thí nghiệm > CHUONG 1: TONG QUAN 1.1 Ly do chon dé tai: Tự động hóa là một khía cạnh quan trọng của Công nghiệp 4.0 giúp góp phân cải thiện độ chính xác giảm phụ thuộc vào con người, tiết kiệm chỉ phí tăng năng suất. Đề đánh giá hiệu quá và chính xác quá trình sản xuất, cần xem xét một số tiêu chí như độ ôn định, thời gian đáp ứng, tiêu hao năng lượng, thân thiện với môi trường, chi phí và công nghệ. âu sử dụng Công nghệ 4.0 trong môi trường làm việc mà con người dễ bị nguy hiểm và độc hại như điện hạt nhân, lò phản ứng hạt nhân, phòng thí nghiệm hóa chất độc hại, đây chuyên sản xuất và chế biến thuốc trừ sâu, chữa cháy, chống viêm, chống khủng bố, hầm mỏ, phẫu thuật y tế, v. là rất cần thiết. Đề giải quyết vấn đề này, hệ thống robot điều khiến từ xa đã duoc phat trién. ệ thống này gồm phân chính là hệ thống chủ/tớ. Hệ thống giải quyết vẫn dé phan hồi các tín hiệu như vị trí, lực và mô men xoắn các thành phần thụ động được gửi đến hệ thống chủ động ở đây là người vận hành, mục đích nhằm nâng cao độ chính xác và sự linh hoạt của công việc. Hiện nay, việc sử dụng vật liệu thông minh và ứng dụng chúng đang phát triển rất mạnh mẽ điển hình như Piezo, chất lỏng điện lưu biến (ERF), hợp kim nhớ hình đạng (SMA), chat lỏng từ lưu biến (MRE). Nỗi bật hơn cả là chất lỏng từ lưu biến (MRE). Vật liệu thông mình được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực đời sống trong đó có hệ thống phán hồi lực nhờ các ưu điểm như phản ứng nhanh, tiêu thụ năng lượng thấp, tạo ra lực và mô men xoắn lớn. Tuy nhiên, hệ thống phản hồi lực sử dụng hiện nay vẫn có một số nhược điểm như cấu trúc quá lớn do cơ chế tác động đề xuất không được tối ưu hóa cùng với lực ma sát chưa được giải quyết. VÌ vậy, trong nghiên cứu này, nhóm tập trung nghiên cứu và phát triển các cơ chế mới sử dụng các tính năng của MRE để tạo ra các mô men và lực điều khiến được, sau đó ứng dụng chúng trong các hệ phản hồi lực. Sự cần thiết của nghiên cứu: Trong vài năm trở lại đây sự xuất hiện của các vật liệu thông minh đang ngày một lớn mạnh.
Đề Tài Thiết Kế Chế Tạo Hệ Thống Phản Hồi Lực 3 Chiều Bằng Phanh Lưu Chất Từ Biến
Tài liệu nghiên cứu Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo phanh mrf cho hệ thống phản hồi lực 3d, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu
Người đăng
Ẩn danh
71
2
0
Phí lưu trữ
30 PointMục lục chi tiết
Tóm tắt
I. Khám Phá Hệ Thống Phản Hồi Lực 3 Chiều và Phanh MRF
Trong bối cảnh Công nghiệp 4.0, tự động hóa và các hệ thống điều khiển từ xa ngày càng đóng vai trò cốt lõi. Các robot chuyên dụng hoạt động trong môi trường độc hại, khắc nghiệt là minh chứng rõ ràng cho xu hướng này. Tuy nhiên, một thách thức lớn của các hệ thống truyền thống là sự thiếu hụt thông tin phản hồi, đặc biệt là lực tương tác. Người vận hành không cảm nhận được lực tác động ở đầu cuối của robot, làm giảm độ chính xác và tính linh hoạt. Để giải quyết vấn đề này, đề tài “Thiết Kế và Chế Tạo Hệ Thống Phản Hồi Lực 3 Chiều Bằng Phanh Lưu Chất Từ Biến” ra đời. Hệ thống này ứng dụng một loại vật liệu thông minh đột phá là lưu chất từ biến (MRF) để tạo ra một thiết bị đầu cuối haptic có khả năng tái tạo lực một cách chân thực. Công nghệ này cho phép người điều khiển cảm nhận được lực cản, va chạm, hay kết cấu bề mặt từ xa, mở ra một kỷ nguyên mới cho tương tác người-máy. Cốt lõi của hệ thống là phanh MR, một cơ cấu chấp hành có ưu điểm vượt trội về tốc độ đáp ứng nhanh, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng tạo ra momen xoắn lớn trong một kết cấu nhỏ gọn. Việc nghiên cứu và phát triển thành công hệ thống này không chỉ khắc phục nhược điểm của các cơ cấu cũ mà còn cung cấp một giải pháp hiệu quả cho nhiều lĩnh vực, từ huấn luyện phẫu thuật, mô phỏng thực tế ảo (VR), đến các ứng dụng công nghiệp phức tạp.
1.1. Sự cần thiết của công nghệ haptic trong thời đại 4.0
Công nghệ haptic, hay công nghệ phản hồi xúc giác, là cầu nối quan trọng giúp con người tương tác với thế giới số một cách tự nhiên hơn. Trong các hệ thống điều khiển từ xa (teleoperation), việc thiếu đi phản hồi xúc giác giống như làm việc trong bóng tối, người vận hành phải phụ thuộc hoàn toàn vào thị giác. Điều này đặc biệt nguy hiểm trong các thao tác yêu cầu độ chính xác cao như phẫu thuật từ xa hay gắp đặt vật thể dễ vỡ. Sự ra đời của các hệ thống phản hồi lực giúp tái tạo cảm giác 'chạm' vật lý, mang lại thông tin trực quan về lực và momen, từ đó nâng cao đáng kể độ chính xác và sự an toàn cho người vận hành.
1.2. Giới thiệu về lưu chất từ biến MRF và tiềm năng
Lưu chất từ biến (MRF) là một loại vật liệu thông minh, bao gồm các hạt sắt từ siêu nhỏ phân tán trong dầu nền. Đặc tính nổi bật của nó là khả năng thay đổi độ nhớt gần như tức thời khi có từ trường tác động. Ở trạng thái bình thường, MRF là một chất lỏng. Khi đặt trong từ trường, các hạt sắt từ sẽ liên kết với nhau tạo thành các chuỗi, khiến lưu chất trở nên đặc sệt như gel. Hiệu ứng từ lưu biến này có thể điều khiển được, mạnh mẽ và phục hồi nhanh chóng. Nhờ những ưu điểm này, MRF trở thành vật liệu lý tưởng để chế tạo các cơ cấu chấp hành từ biến như phanh, ly hợp và giảm chấn, ứng dụng rộng rãi trong cơ điện tử và robot.
II. Thách Thức Khi Thiết Kế Hệ Thống Phản Hồi Lực 3 Chiều
Việc xây dựng một hệ thống phản hồi lực 3 chiều (3-DOF) hiệu quả đặt ra nhiều thách thức cả về lý thuyết và thực tiễn. Vấn đề cốt lõi là làm sao để tạo ra một cơ cấu nhỏ gọn nhưng có khả năng tạo ra lực đủ lớn, đáp ứng nhanh và điều khiển chính xác trên cả ba bậc tự do. Các hệ thống truyền thống sử dụng động cơ điện thường cồng kềnh, quán tính lớn và phức tạp trong điều khiển. Thêm vào đó, ma sát cố hữu trong các cơ cấu cơ khí cũng làm suy giảm độ chân thực của lực phản hồi. Nghiên cứu này tập trung giải quyết các bài toán này bằng việc sử dụng phanh lưu chất từ biến. Tuy nhiên, bản thân việc thiết kế phanh MR cũng có những khó khăn riêng. Bài toán đặt ra là phải tối ưu hóa thiết kế để đạt được momen phanh mục tiêu (ví dụ 5 Nm theo yêu cầu của đề tài) với khối lượng nhỏ nhất. Điều này đòi hỏi phải có một mô hình hóa hệ thống cơ điện tử chính xác, tính toán được sự phân bố của từ trường, ứng suất trượt của lưu chất và ảnh hưởng của các thông số hình học. Hơn nữa, việc chế tạo và lắp ráp đòi hỏi độ chính xác cao để đảm bảo các khe hở chứa lưu chất từ biến đúng với thiết kế, tránh rò rỉ và đảm bảo hiệu năng hoạt động ổn định.
2.1. Hạn chế của hệ thống điều khiển từ xa truyền thống
Các hệ thống chủ-tớ (master-slave) truyền thống thường chỉ truyền tín hiệu vị trí từ cơ cấu chủ đến cơ cấu tớ. Người vận hành không nhận được thông tin phản hồi về lực, momen hay các tín hiệu va chạm. Điều này dẫn đến việc điều khiển thiếu chính xác, dễ gây ra hư hỏng cho đối tượng thao tác hoặc cho chính robot. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng trong các ứng dụng như y tế, nơi một thao tác sai lực có thể gây tổn thương cho bệnh nhân. Do đó, việc tích hợp phản hồi xúc giác không còn là một tùy chọn mà đã trở thành yêu cầu bắt buộc.
2.2. Vai trò của cơ cấu chấp hành từ biến trong mô phỏng lực
Để mô phỏng lực một cách trung thực, cơ cấu chấp hành cần có thời gian đáp ứng cực nhanh và khả năng điều khiển lực mượt mà. Cơ cấu chấp hành từ biến, đặc biệt là phanh MR, đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu này. Không giống như động cơ, phanh MR không tự sinh ra chuyển động mà chỉ tạo ra lực cản có thể điều khiển được. Điều này giúp loại bỏ quán tính của động cơ và các hệ thống truyền động phức tạp, mang lại cảm giác phản hồi lực tự nhiên và trực tiếp hơn. Chúng hoạt động dựa trên việc thay đổi độ nhớt của lưu chất từ biến, cho phép điều chỉnh momen cản gần như tức thời thông qua dòng điện cấp vào cuộn dây.
III. Phương Pháp Thiết Kế Phanh Lưu Chất Từ Biến Tối Ưu
Để tạo ra một hệ thống phản hồi lực 3 chiều hiệu quả, trái tim của hệ thống là phanh lưu chất từ biến phải được thiết kế một cách khoa học. Quá trình này bắt đầu từ việc xây dựng một mô hình lý thuyết vững chắc. Dựa trên các đặc tính của lưu chất MRF, mô hình dẻo Bingham được sử dụng để mô tả mối quan hệ giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt của lưu chất. Từ đó, các công thức toán học để tính toán momen đầu ra của phanh MR được thiết lập, có xét đến ảnh hưởng của ma sát trên các bề mặt đĩa và vỏ phanh. Tuy nhiên, việc thiết kế không chỉ dừng lại ở tính toán. Một bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu được đặt ra: làm sao để tối đa hóa momen phanh trong khi giảm thiểu khối lượng của toàn bộ cơ cấu. Đây là hai mục tiêu trái ngược nhau, đòi hỏi một phương pháp tiếp cận tiên tiến. Trong nghiên cứu này, phần mềm ANSYS Workbench đã được sử dụng. Bằng cách áp dụng thuật toán NLPQL (Nonlinear Programming by Quadratic Lagrangian), các biến thiết kế quan trọng như kích thước cuộn dây, bán kính đĩa, độ dày vỏ... được tự động điều chỉnh qua hàng chục vòng lặp để tìm ra cấu hình tối ưu. Kết quả của quá trình này là một bản thiết kế cơ khí chi tiết, đảm bảo phanh MR đạt được momen yêu cầu là 5 Nm với khối lượng chỉ 0.679kg.
3.1. Mô hình hóa hệ thống cơ điện tử và phanh MR
Việc mô hình hóa hệ thống cơ điện tử là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Mô hình này bao gồm việc phân tích từ trường sinh ra bởi cuộn dây, sự phân bố từ thông qua lõi thép, đĩa phanh và các khe hở chứa lưu chất MRF. Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (như ANSYS) được sử dụng để mô phỏng chính xác mật độ từ trường tại các vị trí quan trọng. Kết quả mô phỏng từ trường này sau đó được dùng làm đầu vào để tính toán ứng suất trượt trong lưu chất, từ đó xác định momen phanh.
3.2. Xây dựng mô hình toán học dựa trên mô hình dẻo Bingham
Chất lỏng MRF không tuân theo định luật Newton về độ nhớt. Thay vào đó, nó được mô tả hiệu quả bằng mô hình dẻo Bingham, với phương trình: τ = τ₀(B) + ηγ. Trong đó, τ là ứng suất trượt, τ₀(B) là ứng suất chảy phụ thuộc vào từ trường B, η là độ nhớt dẻo và γ là tốc độ trượt. Dựa trên mô hình này, momen phanh tổng được tính bằng cách tích phân ứng suất trượt trên toàn bộ bề mặt làm việc của đĩa phanh. Mô hình toán học này là cơ sở để thực hiện bài toán tối ưu hóa thiết kế.
IV. Hướng Dẫn Chế Tạo Hệ Thống Phản Hồi Lực Từ A Z
Từ bản vẽ thiết kế tối ưu, quá trình chế tạo thực tế hệ thống phản hồi lực 3 chiều được tiến hành. Đây là giai đoạn chuyển đổi từ lý thuyết sang sản phẩm vật lý, đòi hỏi sự chính xác và tuân thủ quy trình công nghệ nghiêm ngặt. Dựa trên phân tích dạng sản xuất hàng loạt lớn, vật liệu được lựa chọn là thép C45, một loại vật liệu phổ biến, có cơ tính tốt và phù hợp cho gia công cơ khí. Phương pháp chế tạo phôi được chọn là đúc trong khuôn kim loại để đảm bảo năng suất cao và độ chính xác hình học ban đầu, giảm lượng dư gia công. Quy trình công nghệ gia công chi tiết trục, một thành phần quan trọng của phanh MR, được lập chi tiết qua nhiều nguyên công như tiện thô, tiện tinh, khoan. Mỗi nguyên công đều được tính toán chế độ cắt (tốc độ, lượng ăn dao) và thiết kế đồ gá chuyên dụng để đảm bảo độ đồng tâm và độ chính xác kích thước. Sau khi gia công các chi tiết cơ khí, bước tiếp theo là lắp ráp. Cuộn dây đồng (136 vòng) được quấn cẩn thận và đặt vào vỏ phanh. Lưu chất từ biến được bơm vào các khe hở, đồng thời trục phanh được xoay đều để đảm bảo lưu chất phân bố đồng nhất. Việc lắp ráp phải đảm bảo độ kín khít tuyệt đối để tránh rò rỉ MRF, một yếu tố quyết định đến sự ổn định và tuổi thọ của hệ thống.
4.1. Lựa chọn vật liệu và phương pháp chế tạo phôi tối ưu
Vật liệu cho các chi tiết chính như trục và đĩa phanh được chọn là thép C45. Đây là loại thép carbon trung bình có độ bền, độ cứng phù hợp và dễ nhiệt luyện. Với sản lượng tính toán là 11960 chi tiết/năm, dạng sản xuất được xác định là hàng loạt lớn. Do đó, phương pháp đúc trong khuôn kim loại được ưu tiên hơn so với các phương pháp khác như rèn hay gia công từ phôi cán. Phương pháp này cho năng suất cao, phôi có hình dạng gần với chi tiết cuối cùng, giúp tiết kiệm vật liệu và giảm thời gian gia công.
4.2. Quy trình công nghệ gia công chi tiết trục phanh C45
Quy trình gia công trục được tối ưu hóa qua 5 nguyên công chính. Bắt đầu bằng việc vạt mặt và khoan tâm hai đầu để tạo chuẩn định vị. Sau đó, các bề mặt trụ được tiện theo nhiều bước (thô, bán tinh, tinh) trên máy tiện vạn năng T616, sử dụng hai mũi chống tâm để đảm bảo độ đồng tâm cao. Nguyên công cuối cùng là khoan 4 lỗ trên mặt bích. Mỗi bước đều được tính toán chế độ cắt chi tiết và sử dụng đồ gá phù hợp để đảm bảo độ chính xác và năng suất. Việc tuân thủ quy trình này là yếu tố then chốt để tạo ra một chi tiết cơ khí hoàn hảo cho hệ thống 3-DOF.
V. Kết Quả Thực Nghiệm Hệ Thống Phản Hồi Lực 3 Chiều
Sau khi hoàn thành chế tạo và lắp ráp, hệ thống phản hồi lực 3 chiều được đưa vào kiểm tra thực nghiệm để đánh giá hiệu năng. Một mô hình thí nghiệm chuyên dụng được thiết lập, bao gồm động cơ dẫn động, cảm biến lực (cảm biến momen), bộ nguồn điều khiển dòng điện và chính bộ phanh MR cần đo. Nguyên lý hoạt động của mô hình là động cơ quay với tốc độ ổn định, truyền chuyển động qua cảm biến tới trục phanh. Bằng cách cấp các mức dòng điện khác nhau vào cuộn dây của phanh, lực cản (momen phanh) tạo ra sẽ được cảm biến momen ghi lại và hiển thị trên máy tính. Kết quả thực nghiệm được thể hiện qua các biểu đồ momen theo thời gian ứng với các dòng điện từ 0.5A đến 2.5A. Các biểu đồ cho thấy momen phanh tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện cấp vào, minh chứng cho khả năng điều khiển lực của hệ thống. Quan trọng nhất, ở mức dòng điện cao, momen phanh đo được đã đạt và vượt qua giá trị mục tiêu 5 Nm. Mặc dù có một số biến thiên nhỏ do quá trình quấn dây không hoàn toàn đồng đều, nhưng nhìn chung cả ba bộ phanh được chế tạo đều hoạt động ổn định và đáp ứng đúng yêu cầu thiết kế, khẳng định tính khả thi của dự án.
5.1. Thiết lập mô hình thí nghiệm và quy trình đo đạc momen
Mô hình thí nghiệm bao gồm các thành phần chính: Động cơ 24VDC, cảm biến momen quay, bộ nguồn lập trình, bộ chuyển đổi tín hiệu USB và đồ gá chuyên dụng. Quy trình đo đạc được tiến hành bằng cách lắp ráp các thành phần trên một đế vững chắc, liên kết chúng bằng khớp nối mềm. Động cơ tạo ra chuyển động quay, trong khi bộ nguồn cấp dòng điện chính xác vào phanh MR. Tín hiệu analog từ cảm biến momen được chuyển đổi thành tín hiệu số và ghi lại bằng phần mềm trên máy tính, cho phép phân tích kết quả một cách trực quan.
5.2. Phân tích biểu đồ momen phanh MR theo cường độ dòng điện
Kết quả đo cho thấy một mối quan hệ rõ ràng: khi tăng dòng điện cấp vào, momen phanh tăng lên. Tại dòng 0A, momen cản rất nhỏ (ma sát nhớt). Khi dòng tăng dần, momen tăng nhanh và đạt giá trị cực đại trên 5 Nm. Các biểu đồ cũng cho thấy thời gian đáp ứng của phanh rất nhanh, lực cản được tạo ra gần như tức thời sau khi cấp điện. Sự ổn định của momen ở mỗi mức dòng điện khẳng định hiệu quả của việc sử dụng lưu chất từ biến trong việc tạo ra lực cản có thể kiểm soát được.
5.3. Đánh giá hiệu năng và độ ổn định của hệ thống 3 DOF
Tổng kết từ thực nghiệm, hệ thống đã chứng minh được hiệu năng vượt trội. Mục tiêu thiết kế về momen 5 Nm đã đạt được, cho thấy quá trình tính toán và tối ưu hóa là chính xác. Hệ thống hoạt động ổn định, trơn tru, ít có sự biến động lực ngoài ý muốn. Kết quả này khẳng định rằng hệ thống 3-DOF sử dụng phanh MR là một giải pháp khả thi và hiệu quả, sẵn sàng cho việc tích hợp vào các ứng dụng thực tiễn như robot song song 3-DOF hoặc các cần điều khiển haptic.
VI. Tương Lai Của Hệ Thống Phản Hồi Lực và Công Nghệ MRF
Việc thiết kế và chế tạo thành công hệ thống phản hồi lực 3 chiều bằng phanh lưu chất từ biến không chỉ là một thành tựu nghiên cứu học thuật mà còn mở ra một hướng đi mới đầy tiềm năng. Công nghệ này mang lại khả năng tương tác vật lý chân thực với môi trường ảo hoặc môi trường từ xa, xóa nhòa ranh giới giữa thế giới thực và thế giới số. Trong tương lai gần, các hệ thống tương tự có thể được thu nhỏ và tối ưu hóa hơn nữa để tích hợp vào các thiết bị thương mại. Những cải tiến có thể tập trung vào việc phát triển các loại lưu chất từ biến mới có hiệu suất cao hơn, hoặc nghiên cứu các thuật toán điều khiển PID thông minh hơn để tạo ra phản hồi lực tinh vi và phức tạp. Việc kết hợp công nghệ haptic với trí tuệ nhân tạo (AI) cũng hứa hẹn tạo ra các hệ thống huấn luyện thông minh, có khả năng tự động điều chỉnh độ khó và cung cấp phản hồi dựa trên hiệu suất của người dùng. Tóm lại, phanh MR và các ứng dụng phản hồi xúc giác sẽ tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu sôi động, đóng góp quan trọng vào sự phát triển của robot y tế, công nghiệp game, và các hệ thống đào tạo mô phỏng tiên tiến.
6.1. Ứng dụng tiềm năng trong mô phỏng thực tế ảo và y tế
Các ứng dụng của hệ thống này là rất lớn. Trong y tế, nó có thể được dùng để tạo ra các thiết bị huấn luyện phẫu thuật, cho phép sinh viên y khoa thực hành các thao tác phức tạp và cảm nhận được lực căng của mô một cách chân thực. Trong lĩnh vực mô phỏng thực tế ảo (VR), nó có thể được tích hợp vào các cần điều khiển, găng tay, mang lại cảm giác tương tác vật lý với các vật thể ảo, nâng cao trải nghiệm người dùng lên một tầm cao mới.
6.2. Hướng phát triển mới cho các thiết bị đầu cuối haptic
Hướng phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào việc tạo ra các thiết bị đầu cuối haptic nhỏ gọn, đa năng và giá cả phải chăng hơn. Nghiên cứu có thể đi sâu vào việc tối ưu hóa cấu trúc từ của phanh MR để tăng tỉ lệ momen/khối lượng, hoặc phát triển các cơ cấu robot song song 3-DOF tích hợp sẵn phanh MR để giảm kích thước tổng thể. Việc sử dụng các vi điều khiển STM32/Arduino mạnh mẽ hơn cũng cho phép triển khai các thuật toán điều khiển phức tạp, tạo ra các hiệu ứng xúc giác đa dạng và tinh tế.
10/07/2025
TÀI LIỆU LIÊN QUAN
Bạn đang xem trước tài liệu:
Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo phanh mrf cho hệ thống phản hồi lực 3d
THÔNG TIN CHI TIẾT
Đề tài: Thiết Kế và Chế Tạo Hệ Thống Phản Hồi Lực 3 Chiều Bằng Phanh Lưu Chất Từ Biến
Tài liệu Thiết Kế và Chế Tạo Hệ Thống Phản Hồi Lực 3 Chiều Bằng Phanh Lưu Chất Từ Biến là một nguồn tài nguyên chuyên sâu, trình bày chi tiết toàn bộ quá trình từ lý thuyết đến thực tiễn để xây dựng một hệ thống haptic (tương tác xúc giác) tiên tiến. Người đọc sẽ được tiếp cận với kiến thức về nguyên lý hoạt động của phanh lưu chất từ biến, cách áp dụng chúng để tạo ra lực cản có thể điều khiển được trong không gian ba chiều, cũng như các giải pháp về thiết kế cơ khí và mạch điều khiển. Đây là một tài liệu vô cùng hữu ích cho kỹ sư, sinh viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cơ điện tử, robot và thực tế ảo, giúp họ nắm bắt công nghệ và quy trình chế tạo các thiết bị tương tác phức tạp.
Để hiện thực hóa các bộ phận cơ khí chính xác trong những hệ thống như vậy, việc thành thạo các phần mềm thiết kế và gia công (CAD/CAM) là kỹ năng không thể thiếu. Nếu bạn muốn tìm hiểu sâu hơn về cách một phần mềm chuyên nghiệp được ứng dụng trong thực tế, hãy khám phá tài liệu Ứng dụng phần mềm catia trong thiết kế và lập trình gia công khuôn nắp bầu lọc xăng trên xe u oát. Qua tài liệu này, bạn sẽ có được góc nhìn chi tiết về quy trình sử dụng CATIA để thiết kế và lập trình gia công một sản phẩm cụ thể, từ đó mở rộng kiến thức thực tiễn và bổ trợ hiệu quả cho các dự án chế tạo của riêng mình.
Trích đoạn nội dung tài liệu
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ