Luận văn thạc sĩ về thiết kế tối ưu cơ cấu đàn hồi trong kỹ thuật cơ điện tử

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật cơ điện tử thiết kế tối ưu cơ cấu đàn hồi, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Ngô Nam Phương
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Huy Hoàng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Thiết Kế Tối Ưu Cơ Cấu Đàn Hồi
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI
• 1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.2. Nhận xét và lý do chọn đề tài
• 1.3. Ý nghĩa và mục tiêu của nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CƠ CẤU ĐÀN HỒI VÀ KHỚP NỐI
• 2.1. Giới thiệu khớp đàn hồi
• 2.2. Khớp nối truyền thống
• 2.3. Khớp nối đàn hồi
• 2.4. Những ưu điểm của khớp nối đàn hồi
• 2.5. Ứng dụng cơ cấu đàn hồi trong truyền động chính xác
• 2.6. Khả năng truyền chuyển động của khớp đàn hồi
• 2.7. Độ mềm và độ cứng của khớp đàn hồi
• 2.8. Trường hợp tổng quát
• 2.9. Trường hợp khớp đàn hồi dạng cung tròn đối xứng
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ CẤU KHẨU CỨNG
• 3.1. Thiết kế lựa chọn cơ cấu khâu cứng
• 3.2. Phân tích, tổng hợp, tối ưu cơ cấu khâu cứng
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐÀN HỒI
• 5. CHƯƠNG 5: TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ
• 5.1. Các ràng buộc của bài toán tối ưu
• 5.2. Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu
• 5.3. Phân tích đánh giá độ nhạy các biến tối ưu
• 5.3.1. Ảnh hưởng của các biến thiết kế đến chuyển vị đầu ra theo trục x
• 5.3.2. Ảnh hưởng của các biến thiết kế đến chuyển vị đầu ra theo trục y
• 5.3.3. Ảnh hưởng của các biến thiết kế đến ứng suất lớn nhất của cơ cấu
• 6. CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU
• 6.1. Mô phỏng hoạt động của cơ cấu
• 6.2. Mô phỏng lắp ráp cài đặt cơ cấu
• 7. CHƯƠNG 7: NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ NGHIÊN CỨU
• 7.1. Hướng phát triển trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1
• PHỤ LỤC 2
• PHỤ LỤC 3
• PHỤ LỤC 4
• PHỤ LỤC 5

Tóm tắt

I. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi đã có những bước tiến đáng kể trong những năm qua. Năm 1996, Qingsong Xu đã thiết kế tổng hợp tối ưu cơ cấu đàn hồi chuyển động thăng với độ cứng vững và độ khuếch đại nhỏ. Đến năm 2010, ông phát triển thành dạng cầu phức hợp với hệ số khuếch đại lớn hơn 12. Các nghiên cứu tiếp theo như của P. Gupta vào năm 2008 đã thiết kế cơ cấu đàn hồi với độ khuếch đại từ 15 đến 25, cho thấy sự phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực này. Đặc biệt, nghiên cứu của Jun Ni và Zhenqi Zhu vào năm 2000 đã tạo ra cơ cấu đàn hồi với độ phân giải 0.005 um, cho thấy khả năng ứng dụng cao trong các máy CNC. Những nghiên cứu này không chỉ mở ra hướng đi mới cho cơ cấu đàn hồi mà còn khẳng định vai trò quan trọng của nó trong việc nâng cao độ chính xác trong gia công cơ khí.

II. Cơ sở lý thuyết về cơ cấu đàn hồi

Cơ cấu đàn hồi là một phần quan trọng trong thiết kế máy móc hiện đại. Cơ cấu đàn hồi có khả năng truyền chuyển động chính xác mà không cần bôi trơn, không có ma sát và khe hở. Điều này giúp tăng độ bền và giảm thiểu sự hao mòn trong quá trình sử dụng. Các khớp nối đàn hồi được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, như trong các máy CNC. Việc nghiên cứu và phát triển cơ cấu đàn hồi không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của máy móc mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực chế tạo và sản xuất. Các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi trong truyền động chính xác đã chứng minh được tính hiệu quả và khả năng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.

III. Thiết kế tối ưu cơ cấu đàn hồi

Thiết kế tối ưu cơ cấu đàn hồi là một trong những mục tiêu chính của nghiên cứu này. Mục tiêu là tạo ra một cơ cấu đàn hồi có độ khuếch đại lớn hơn 10 và độ dịch chuyển micromet. Việc tối ưu hóa hình dáng và kích thước của cơ cấu đàn hồi không chỉ giúp tăng cường độ cứng mà còn giảm thiểu chuyển vị kí sinh. Các phương pháp tối ưu hóa hiện đại như mô phỏng và phân tích độ nhạy được áp dụng để đạt được kết quả tốt nhất. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn trong thiết kế cơ cấu đàn hồi sẽ tạo ra những sản phẩm có độ chính xác cao, đáp ứng được yêu cầu khắt khe trong gia công cơ khí.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cơ cấu đàn hồi

Ứng dụng của cơ cấu đàn hồi trong các máy CNC là rất đa dạng. Với khả năng truyền chuyển động chính xác, cơ cấu đàn hồi giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất. Việc sử dụng cơ cấu đàn hồi trong các máy tiện CNC cho phép thực hiện gia công tinh với độ chính xác cao mà không cần đầu tư vào máy móc mới. Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn tận dụng được các máy móc cũ, nâng cao hiệu suất làm việc. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng cơ cấu đàn hồi trong gia công chính xác có thể cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm, từ đó nâng cao giá trị cạnh tranh của doanh nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp chế tạo máy hiện đại, độ chính xác của các máy công cụ CNC đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, cơ cấu ăn dao của máy tiện CNC hiện nay sử dụng cơ cấu vít me đai ốc bi có sai số khoảng 6 µm, kết hợp với các sai số khác như sai số do nhiệt độ và khe hở dọc trục bộ truyền, dẫn đến sai số tổng thể khoảng 10 µm. Để đáp ứng yêu cầu gia công tinh với độ chính xác cao, việc thiết kế cơ cấu ăn dao mới có độ khuếch đại lớn và độ dịch chuyển ở mức micromet là rất cần thiết.

Luận văn tập trung vào thiết kế tối ưu cơ cấu đàn hồi có chuyển động thẳng, sử dụng công nghệ piezo actuator với khả năng dãn nở từng lớp piezo khoảng 0.01 µm khi cấp điện áp, nhằm tăng độ phân giải và độ chính xác trong cơ cấu ăn dao máy tiện CNC. Mục tiêu cụ thể là thiết kế cơ cấu đàn hồi có hệ số khuếch đại lớn hơn 10, độ dịch chuyển micromet, kích thước giới hạn 100x100 mm, phù hợp cho gia công tinh với ưu điểm vượt trội như nhỏ gọn, độ cứng vững cao, không ma sát, không khe hở, không cần bôi trơn và hoạt động êm ái trong môi trường chân không.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế, mô phỏng và tối ưu hóa cơ cấu đàn hồi sử dụng khớp đàn hồi dạng cung tròn đối xứng, vật liệu hợp kim nhôm 7075-T6, với các phân tích về độ cứng, chuyển vị và ứng suất lớn nhất. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác gia công, tận dụng máy CNC thế hệ cũ, giảm chi phí đầu tư và cải thiện chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí chế tạo tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cơ cấu đàn hồi (Flexure mechanism): Cơ cấu sử dụng các khớp đàn hồi thay thế khớp nối truyền thống, tận dụng tính đàn hồi của vật liệu để truyền và biến đổi chuyển động với độ chính xác cao, không có ma sát, khe hở hay mài mòn. Khớp đàn hồi dạng cung tròn đối xứng được lựa chọn do tính ổn định và khả năng chịu ứng suất lớn.

• Mô hình khâu cứng (Pseudo rigid body model): Mô hình này giúp phân tích và tổng hợp cơ cấu đàn hồi bằng cách thay thế các khớp đàn hồi bằng các khớp cứng giả định, từ đó xác định các biến thiết kế sơ bộ, hệ số khuếch đại và chuyển vị đầu ra một cách nhanh chóng và hiệu quả.

• Các khái niệm chính:

  • Độ cứng và độ mềm của khớp đàn hồi được mô hình hóa qua ma trận độ cứng và độ mềm, tính toán dựa trên các ngoại lực tác động (lực cắt, lực dọc trục, moment uốn, moment xoắn).
  • Hệ số khuếch đại chuyển vị (amplification ratio) là tỷ lệ giữa chuyển vị đầu ra và đầu vào, mục tiêu thiết kế là đạt hệ số >10.
  • Ứng suất lớn nhất trong cơ cấu phải nằm dưới giới hạn đàn hồi của vật liệu (500 MPa đối với hợp kim nhôm 7075-T6).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các nghiên cứu quốc tế và trong nước về thiết kế cơ cấu đàn hồi, piezo actuator, các mô hình khâu cứng và đàn hồi, cùng số liệu vật liệu hợp kim nhôm 7075-T6.

• Phương pháp phân tích:

  • Sử dụng mô hình khâu cứng để thiết kế sơ bộ cơ cấu đàn hồi.
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) bằng phần mềm ANSYS Workbench để phân tích chuyển vị, ứng suất và độ cứng của cơ cấu.
  • Tối ưu hóa thiết kế bằng hàm mục tiêu giảm thiểu chuyển vị kí sinh (chuyển vị không mong muốn theo trục Y) và đảm bảo hệ số khuếch đại >10, đồng thời giới hạn ứng suất dưới 500 MPa.
  • Phân tích độ nhạy các biến thiết kế để loại bỏ các biến ít ảnh hưởng, tăng hiệu quả tối ưu.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM, bao gồm các giai đoạn: tổng hợp lý thuyết, thiết kế mô hình, mô phỏng và tối ưu hóa, đánh giá kết quả và đề xuất ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế cơ cấu đàn hồi với hệ số khuếch đại >10: Qua mô hình khâu cứng và tối ưu hóa bằng hàm fmincon của MATLAB, cơ cấu đạt hệ số khuếch đại tối ưu khoảng 10,5, vượt mục tiêu đề ra. Chuyển vị đầu ra theo trục X đạt trên 1 mm khi đầu vào là 0.1 mm.

2. Ứng suất lớn nhất trong cơ cấu dưới giới hạn đàn hồi: Mô phỏng FEA cho thấy ứng suất tối đa trong cơ cấu là khoảng 480 MPa, thấp hơn giới hạn đàn hồi 500 MPa của hợp kim nhôm 7075-T6, đảm bảo an toàn và độ bền khi vận hành.

3. Chuyển vị kí sinh (theo trục Y) được giảm thiểu: Qua tối ưu hóa, chuyển vị không mong muốn theo trục Y được giảm xuống dưới 0.05 mm, giúp tăng độ chính xác và ổn định của cơ cấu.

4. Phân tích độ nhạy cho thấy các biến thiết kế quan trọng: Các biến như bán kính khớp đàn hồi (R1, R2), chiều dài thanh (X1, X2) có ảnh hưởng lớn đến chuyển vị đầu ra và ứng suất, trong khi một số biến khác có ảnh hưởng rất nhỏ, giúp thu gọn không gian thiết kế.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng mô hình khâu cứng kết hợp với mô phỏng phần tử hữu hạn và tối ưu hóa đa biến là phương pháp hiệu quả để thiết kế cơ cấu đàn hồi có độ chính xác cao. Hệ số khuếch đại >10 giúp tăng độ phân giải của piezo actuator, phù hợp với yêu cầu gia công tinh trên máy tiện CNC.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, cơ cấu thiết kế có hệ số khuếch đại tương đương hoặc cao hơn các cơ cấu khuếch đại dạng 4 khâu, đòn bẩy kép đã được công bố, đồng thời giảm thiểu chuyển vị kí sinh và ứng suất tối đa, nâng cao độ bền và độ ổn định.

Việc sử dụng hợp kim nhôm 7075-T6 với giới hạn đàn hồi cao giúp cơ cấu chịu được biến dạng lớn mà không bị biến dạng dẻo, phù hợp với yêu cầu chuyển động micromet và độ bền cao trong môi trường làm việc thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ độ nhạy các biến thiết kế đối với chuyển vị đầu ra theo trục X, Y và ứng suất lớn nhất, cũng như bảng tổng hợp các giá trị tối ưu của biến thiết kế và kết quả mô phỏng ứng suất, chuyển vị.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng cơ cấu đàn hồi tối ưu trong các máy tiện CNC hiện có: Chủ động cải tiến cơ cấu ăn dao bằng cơ cấu đàn hồi và piezo actuator để nâng cao độ chính xác gia công tinh, giảm sai số xuống dưới 1 µm trong vòng 1-2 năm tới.

2. Phát triển quy trình chế tạo và lắp ráp cơ cấu đàn hồi: Đề xuất xây dựng quy trình sản xuất chính xác, kiểm soát chất lượng vật liệu và gia công chi tiết để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu suất của cơ cấu, thực hiện trong 6-12 tháng.

3. Nâng cao năng lực nghiên cứu và đào tạo: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế cơ cấu đàn hồi và ứng dụng piezo actuator cho kỹ sư và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, nhằm phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao trong 1-3 năm.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng cơ cấu đàn hồi trong các thiết bị khác: Khuyến khích nghiên cứu áp dụng cơ cấu đàn hồi trong các máy công cụ khác như máy phay CNC, robot công nghiệp để tăng độ chính xác và độ bền, triển khai nghiên cứu thí điểm trong 2-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế máy công cụ CNC: Nắm bắt kiến thức về cơ cấu đàn hồi và piezo actuator để cải tiến thiết kế cơ cấu ăn dao, nâng cao độ chính xác gia công.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành kỹ thuật cơ khí: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi, mô phỏng và tối ưu hóa cơ khí chính xác.

3. Doanh nghiệp sản xuất máy CNC và linh kiện cơ khí: Áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm mới, nâng cao chất lượng và giảm chi phí sản xuất.

4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh: Học tập phương pháp thiết kế, mô phỏng và tối ưu hóa cơ cấu đàn hồi, phát triển kỹ năng nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu đàn hồi là gì và ưu điểm so với cơ cấu truyền thống?
   Cơ cấu đàn hồi sử dụng biến dạng đàn hồi của vật liệu để truyền chuyển động, không có ma sát, khe hở hay mài mòn, giúp tăng độ chính xác và độ bền so với cơ cấu truyền thống có khớp nối cơ khí.

2. Tại sao cần hệ số khuếch đại lớn trong cơ cấu ăn dao CNC?
   Hệ số khuếch đại lớn giúp tăng độ phân giải chuyển động đầu ra từ piezo actuator, từ đó nâng cao độ chính xác vị trí của dao cắt, đáp ứng yêu cầu gia công tinh với sai số micromet.

3. Vật liệu hợp kim nhôm 7075-T6 có vai trò gì trong thiết kế?
   Hợp kim nhôm 7075-T6 có giới hạn đàn hồi cao (500 MPa), trọng lượng nhẹ và độ cứng tốt, phù hợp cho cơ cấu đàn hồi chịu biến dạng lớn mà không bị biến dạng dẻo, đảm bảo độ bền và ổn định.

4. Phương pháp tối ưu hóa thiết kế được sử dụng như thế nào?
   Sử dụng hàm mục tiêu giảm thiểu chuyển vị kí sinh và đảm bảo hệ số khuếch đại, kết hợp phân tích độ nhạy các biến thiết kế, tối ưu bằng hàm fmincon trong MATLAB và mô phỏng phần tử hữu hạn ANSYS.

5. Cơ cấu đàn hồi có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào khác?
   Ngoài máy tiện CNC, cơ cấu đàn hồi còn được ứng dụng trong máy phay CNC, robot công nghiệp, thiết bị y sinh, MEMS, và các hệ thống truyền động chính xác khác yêu cầu chuyển động nhỏ và độ chính xác cao.

Kết luận

• Đã thiết kế và tối ưu thành công cơ cấu đàn hồi có hệ số khuếch đại >10, chuyển vị micromet, phù hợp cho cơ cấu ăn dao máy tiện CNC gia công tinh.
• Ứng suất lớn nhất trong cơ cấu dưới giới hạn đàn hồi của hợp kim nhôm 7075-T6, đảm bảo độ bền và an toàn khi vận hành.
• Phân tích độ nhạy giúp xác định các biến thiết kế quan trọng, tối ưu hiệu quả và giảm dung lượng tính toán.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, giúp nâng cao độ chính xác gia công, tận dụng máy CNC thế hệ cũ, giảm chi phí đầu tư.
• Đề xuất các giải pháp ứng dụng, phát triển và đào tạo nhằm thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng cơ cấu đàn hồi trong ngành cơ khí chính xác.

Next steps: Triển khai chế tạo thử nghiệm cơ cấu, lắp đặt trên máy CNC thực tế, đánh giá hiệu quả và mở rộng nghiên cứu ứng dụng.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực cơ khí chính xác nên phối hợp để ứng dụng và phát triển công nghệ cơ cấu đàn hồi nhằm nâng cao năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tình hình các nghiên cứu trên thé giới. Tinh hình nghiên cứu trong nue. Nhận xét và lý do chọn GE tài:.

TH H ng T ng net 18 1. Y nghĩa và mục tiêu của nghiên CUU. Mure tiêu của nghiÊn CỨU. nghĩa của nghiên COU .cececcccscscsscsessssesesssscsessesssessesessssesescescseseeseseeees 19 Chương2.

CƠ SỞ LÝ THUYET VE CƠ CẤU DAN HOI VÀ KHOP DAN ;:0 Ma. Giới thiệu khớp đàn hồi .- ¿5-5256 2S+S£SE‡E#EEEE£ESEEEEEEEEEEEEErkrrkrrrrrrkrree 20 2. Khớp nối truyền thống.----- ¿+ 2©E+S2SE+E+EE£E£ESEEEEEeEErkrkerererrees 20 2. Khớp nối đàn hỏi.

Những ưu điểm của khớp nối đàn hồi:. Ứng dụng cơ cau đàn hôi trong truyền động chính xác. Cơ cấu đàn hôi. Ung dụng cơ cấu đàn hỏi trong truyền động chính xác.

Khả năng truyền chuyển động của khớp đàn hồi. Độ mềm va độ cứng của khớp đàn hồi. Trường hợp tong quất. _ Trường hợp khớp đàn hồi dạng cung tròn đối xứng.

THIET KE CƠ CẤU KHẨU CỨNG. Thiết kế lựa chon cơ cấu khâu cứng. Phân tích, tông hợp, tối ưu cơ cầu khâu cứng.----- + 5s +s+sz s+x+ssszseẻ 38 Chương4. THIET KE CƠ CẤU ĐÀN HỎI.< 5 5 5 5 << << eses 41 Chương 5.

TOI UU HÓA THIET KE. Các ràng buộc của bài toán tỐi ƯU. Hàm mục tiêu của bài toán tỐi ƯU.--- + xxx S312 SE EsEskrkseseree 46 5. Phân tích đánh giá độ nhạy các biến tối ưu.

Anh hưởng của các biến thiết kế đến chuyền vị dau ra theo trục x. Anh hưởng của các biến thiết kế đến chuyền vị dau ra theo trục y. Anh hưởng của các biến thiết kế đến ứng suất lớn nhất của cơ cau. MO PHONG HOAT DONG CUA CO CẤU.

Mô phỏng hoạt động của CO CẤU v. Mô phỏng lắp ráp cài đặt cơ cấu.------ + 2t ++St 2xx 2xv keo 57 Chương 7.<<<<sscsessSs se eeEEeEsseeeeeseses 59 7. Nhận xét và đánh giá nghĩ n CỨU. Hướng phát trién trong tương lai .----+- + 2552 x+teEzEekererkrrerererreee 59 TÀI LIEU THAM KHÁOO.

2 << s2 S2 s4 s4 4 ssssesssesse 60 Phụ lục Í .cc G5500 000099000009996996966866666668660688666966 63 Phụ lục 2 _.<ssseecesssssS500 9900 0996006088856666888969566668886 69 Học vi n: Ngô Nam Phuong Trang 7 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHAM HUY HOANG Phu luc 3 Phu luc 4 Phu luc 5 Hoc vi n: Ngô Nam Phuong Trang 8 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHAM HUY HOANG DANH MUC H NH ANH Hinh 1.1 Co cau khuéch dai dang II 13 Hình 1.2 Cơ cau khuếch đại dang cầu phức hợp.------ ¿5-2552 s+s+sz£szxszecs¿ 13 Hình 1.3 Co cau co cau khuếch đai dang 4 khâu đối xưng kép, 5 khâu đối xứng và 5 khâu không đối XỨng.---- - ¿6 5£ SE+E+SESE£E£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEE1111 2111111111 xcx.5 Cơ cau chạy dao đơn và kép của máy phay CNC sử dung cơ cấu đản hồi và plezoactuator 14 Hình 1.6 Cơ cau ăn dao máy tiện sử dụng cơ cau đàn hồi song song.7 Cơ cau đàn hồi chuyển động thăng “proportioni”.8 Cơ cau đàn hồi khuếch đại dạng 4 khâu.9 Cơ cau ăn dao dang 2 bậc tự đO.10 Cơ cau khuếch đại dang đòn bây kép.--- ¿225 + 2 s+szsz£zcee: 17 Hinh1.11 Co cau khuéch dai dang don bay 8.12 Cơ cau ăn dao cho máy tiện EMCO CONCEPT TURN 55. Các loại khớp truyền thong. Các loại khớp đàn hồi .-- + ¿5E S252 SE2E£E2E2EE E111 12111111 ee 21 Hình 2. So đồ minh hoa đặc điểm của khớp ban lễ truyền thống.

Khớp ban lề đàn hồi với cau tạo nguyên khối đồng nhất. Những sản phẩm sử dụng khớp đàn hôi trong cơ khí. Cơ cau 4 khâu bản 1é dạng truyền thống và dang sử dụng khớp đàn hồi. Khớp Cardan dùng khớp nối truyền thống và dùng khớp nối đàn hồi.

Sản phẩm cơ khí được cải tiến dùng khớp đàn hôi thay khớp bản lề truyền thống —. Co cau dan hồi trong các sản phẩm MEMS. Cơ cau chạy dao sử dung piezo actuator và cơ cầu đàn hồi .11: Phân loại khớp nối đàn hồi .-- - + 2 2 2 S£+E+£2£££E£E+E+Ez£E£EzEzEeree, 25 Hình 2.12: Dạng mặt cắt của một số loại khớp nối đàn hồi dang đơn giản .13: Các dạng khớp nối đàn hồi đơn giản.---- ¿5-2552 552s+sz£szxszsceẻ 27 Hình 2.14: Hình dạng một số loại khớp dan hồi phức tạp .15: Khả năng ứng dụng của các loại khớp dan hôi trong thiết kế.16: Phạm vi ứng dụng thực tế của các loại khớp đàn hồi co bản.17: Mô hình tính toán của khớp đàn hồi.---- ¿5-5552 5s+s+sz£s+xszscs2 29 Hình 2.18: Mô hình khảo sat chuyển động của khớp nối đàn hồi.19: Mô hình hóa khớp đàn hôi dưới dạng tô hợp các lò XO.20: Tiết diện khớp đàn hồi trong trường hợp CONG quát .21: Cau tao của một khớp bản lề dan hồi dạng cung tròn đối xứng. Cơ cau khuếch đại dạng thanh biến dạng ngang (bulking beam).

Cơ cau khuếch đại dạng đòn bay hố 35 Hình 3. Cơ cau khuếch đại dạng 4 khâu đối , 0. Cơ cầu khuếch đại dạng 5 khâu. Cơ cau khuếch đại 4 khâu bản lề song song.

Cơ cấu khâu cứng,. 38 Học vi n: Ngô Nam Phuong Trang 9 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHAM HUY HOANG Hình 4. Cơ cau đàn hồi chi sử dung kết hop nhiều loại khớp đàn hdi. Cơ cầu đàn hồi.

Sơ đồ các biến thiết kế cơ cầu đàn hồi .--¿-5-52©5c5xcc+sxczxecs2 45 Hình 5.2 Độ nhạy của các biến thiết kế đối với chuyển vị dau ra theo trục X.3 Độ nhạy của các biến thiết kế đối với chuyển vị đầu ra theo trục W.3 Độ nhạy của các biến thiết kế đối với ứng suất lớn nhất. Chuyển vị theo trục X của CƠ CẤU. SG ca S12 91112111 5 51115111 cred 55 Hình 6. Chuyển vị theo trục Y của CƠ CẤU.

SG ca 11v 511121 1E E11 Eereered 56 Hình 6. Ứng suất của cơ cẫu. Đồ thị mối quan hệ giữa chuyển và đầu vào. Mô phỏng lắp ráp của cơ cau đàn hôi vào cơ cau ăn dao máy tiện.

58 Học vi n: Ngô Nam Phuong Trang 10 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHAM HUY HOANG DANH MỤC ANG IEU Bang 3.1 Giới han của các biến thiết kế khâu cứng. Giới hạn của các biến thiết KẾ .---- - + 2522 E+E2EEE£E£EEEEEEErErrrree, 45 Bảng 5. Biến thiết kế , biến khảo sat và giới hạn khảo sát. Biến thiết biến khảo sát và hé số độ nhạy.

Bang két qua mo phong cac Pro 0m. Két qua toi ưu các bién trạng thái và biến mục tiêu. Kết quả toi ưu của của biến thiết K6 ccc cccseseseseesssesesesesesseseseeeeseeees 54 Hoc vi n: Ngô Nam Phuong Trang II MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHAM HUY HOANG Chuong 1. Giới thiệu Hiện nay cơ cầu ăn đao của máy tiện CNC sử dụng cơ cầu ăn đao dang vít me dai dc bi có sai số khoảng 64m két hop với các sai số khác như sai số do nhiệt độ, sai số do khe hở doc trục bộ truyền .co cau ăn dao của máy tiện hiện nay có sai sỐ khoảng I0um.

Đề thực hiện việc gia công tinh với độ chính xác cao cho các máy tiện CNC việc thiết kế co cầu ăn dao mới cho các loại máy này là cân thiết. Hiện nay với công nghệ piezo với các lớp piezo dãn nở khi được cung cấp điện áp cho mỗi lớp từ 0.01um vì vậy dé sử dụng công nghệ này đòi hỏi việc thiết kế 1 co cấu đàn hồi có độ khuếch dai dé tăng độ phân giải sử dụng trong cơ cấu ăn dao. Từ các yêu cau tr n dé tài có mục tiêu thiết kế tong hợp tôi ưu cơ cau đàn hồi có chuyển động thăng có độ khuếch đại lớn hơn 10 và độ dịch chuyển micromet sử dụng trong các cơ cau dịch chuyển dao máy tiện CNC nham phục vụ cho việc gia công lần cuối với độ chính xác cao vì co cấu dan hồi có những ưu điểm mà các cơ cấu khác không có được như: nhỏ, gọn, độ cứng vững cao, không có ma sát, không có khe hở, không can bôi trơn, hoạt động không ôn, phù hợp với môi trường chân không. Tinh hình các nghiên cứu trên thé giới Năm 1996, Qingsong Xu thiết kế tổng hợp tối ưu cơ cau đàn hồi chuyển đông thăng dùng cơ cầu khuếch đại dạng cầu với độ cứng vững và độ khuếch đại nhỏ.

Sau đó phát triển thành dạng cầu phức hợp vào năm 2010[18] () % “~ .- Right-circular hinge | Hoc vi n: Ngô Nam Phuong Trang 12 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHAM HUY HOANG Hình 1.2 Cơ cầu khuếch đại dạng câu phức hợp Với hệ số khuếch đai lớn hơn 12 với độ lớn dịch chuyển milimet có độ cứng khoảng 9N/um. Thang 10 năm 2008, nhóm tác gia P. Gupta [19] thiết kế tổng hợp tối ưu co cau đàn hồi chuyển động thang sử dung cơ cau khuếch đai dạng 4 khâu đối xưng kép. 5 khâu đối xứng và 5 khâu không đối xứng.3 Cơ cấu co cầu khuếch dai dang 4 khẩu doi xưng kép, 5 khâu doi xứng và 5 kháu không đôi xứng.

Với độ khuếch dai từ 15 đến 25 độ lớn dịch chuyển micromet. Tháng 12 năm 2000 nhóm tác giả Jun Ni and Zhenqi Zhu thiết kế cơ cau dẫn động thăng độ chính xác cao với độ phân giải 0.005 um theo độ cứng. [20] Tháng 10 năm 2002 nhóm tác gia Jun Hyung Kim, Soo Hyun Kim, and Yoon Keun Kwak thiết kế co cau dịch chuyền thang dạng cau không gian hình 1 4: Hoc vi n: Ngô Nam Phuong Trang 13 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHAM HUY HOANG Bridge 2 Piezostack Bridge 1 Hình 1.4 Cơ cấu co cấu khuếch dai dang cầu không gian Cơ cau có độ phân giải 20 nm có hệ số khuếch đại 2-3 độ dịch chuyển micromet [21]. Thang 2 năm 2005 nhóm tac gia A.

Elbestawi thiết kế cơ cấu chạy dao don va kép cho máy phay CNC.5 Cơ cầu chạy dao đơn và kép của máy phay CNC sử dung cơ cấu đàn hoi và piezoactuator Thang 2 2008 nhóm tác giả Y.Zhang thiết kế cơ cau đàn hôi dùng cho co câu ăn dao tinh máy tiện sử dụng co câu đàn hôi song song. Học vi n: Ngô Nam Phuong Trang 14 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHAM HUY HOANG Piezoelectric actuator Capacitive sensor Ball \ / Moving platform | LÀ 7 Flexure hinge TM ©4 ì —_ i L — Base fo] ray Hình 1.6 Co cấu ăn dao may tiện su dung co cau dan hồi song song Cơ cau không có hệ số khuếch đại nhưng làm tăng các chi tiêu về độ cứng, thời gian đáp ứng, thời gian trễ của cơ cấu [23]. Thang 5 năm 2013 nhóm tác giả Qiaoling Meng , Yangmin Li Jia Xu thiết kế mô phỏng va tong hợp tối ưu cơ cau đàn héi chuyển động thăng có kết cau và hình dạng như hình : 1.7 [24| Output Cơ cau có độ khuếch đại gần băng 5_ sử dụng khớp dan hồi dạng corner-filleted flexure hinge.