Đồ án: Thiết kế tối ưu cơ cấu định vị 1DOF chính xác cao bằng AM

Tối ưu cơ cấu định vị 1DOF: Thiết kế chính xác, hiệu quả cao. Tìm hiểu phương pháp và ứng dụng để cải thiện độ ổn định, nâng cao năng suất.

• Tác giả: Nguyễn Quốc Huy
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Minh Phụng
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering Technology
• Đề tài: Nghiên cứu thiết kế định vị 01 bậc tự do tích hợp cơ cấu khuếch đại chuyển vị sử dụng cơ cấu mềm cho hệ thống định vị chính xác
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENT
• ABSTRACT IN VIETNAMESE
• ABSTRACT IN ENGLISH
• TABLE OF CONTENT
• TABLE OF ABBREVIATION
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURE
• MISSION OF THESIS
• 1. CHAPTER 1 INTRODUCTION
• 1.1. Flexure and compliant mechanism
• 1.1.1. Definition
• 1.2. Micro compliant mechanisms
• 1.3. Macro Compliant Mechanisms
• 1.4. Review of the Literature on the Compliant Positioning Stage
• 2. CHAPTER 2 DESIGN 1 DOF COMPLIANT STAGE
• 2.1. Pseudo –Rigid Body model
• 2.2. Theory of Response Surface Method (RSM)
• 2.3. Types of RSM
• 2.4. Design of Experiment (DOE)
• 2.5. Designing 1 DoF stage
• 3. CHAPTER 3 EXPERIMENTS SETUP
• 3.1. Design of Experiments
• 4. CHAPTER 4 SIMULATION RESULT AND ANALYZATION 1 DOF STAGE
• 4.1. Dynamics Establishment for 1 DoF stage
• 4.2. Design of experiments
• 5. CHAPTER 5 MANUFACTURING AND EXPERIMENT

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế cơ cấu định vị chính xác 1DOF mới

Thiết kế cơ cấu định vị chính xác 1DOF (một bậc tự do) là nền tảng cho nhiều ứng dụng công nghệ cao, đặc biệt trong lĩnh vực vi chế tạo, y sinh và quang học. Các hệ thống truyền thống sử dụng khớp nối và ổ bi thường gặp phải các vấn đề cố hữu như ma sát, mài mòn và khe hở (backlash), dẫn đến sai số định vị và giảm hiệu suất. Để giải quyết những hạn chế này, các nhà nghiên cứu đã chuyển hướng sang cơ cấu compliant (cơ cấu mềm). Đây là các cơ cấu nguyên khối, tạo ra chuyển động thông qua sự biến dạng đàn hồi của các phần tử bên trong thay vì các khớp nối riêng lẻ. Lợi thế của phương pháp này là loại bỏ hoàn toàn ma sát và mài mòn, mang lại chuyển động mượt mà, liên tục và có độ lặp lại cao. Cốt lõi của các cơ cấu compliant là khớp dẻo (flexure hinge), những bộ phận được thiết kế để uốn cong tại các vị trí xác định, hoạt động như một khớp quay không ma sát. Thiết kế tối ưu một cơ cấu định vị chính xác 1DOF dựa trên nguyên lý này đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa khoa học vật liệu, cơ học kết cấu và các công cụ mô phỏng hiện đại. Mục tiêu là tạo ra một thiết kế không chỉ đạt được hành trình chuyển động mong muốn mà còn phải đảm bảo độ cứng của cơ cấu đủ lớn để chống lại ngoại lực và rung động, đồng thời tối ưu hóa tỷ lệ khuếch đại chuyển vị từ bộ truyền động chính xác (actuator). Nghiên cứu này, dựa trên tài liệu gốc của Nguyễn Quốc Huy và Đỗ Phan Tường Vỹ (2023), đề xuất một cấu trúc 1DOF mới, tích hợp bộ khuếch đại chuyển vị mười đòn bẩy và cơ cấu dẫn hướng song song đối xứng, hứa hẹn mang lại độ chính xác và dải hoạt động vượt trội cho các ứng dụng nanoindentation.

1.1. Nền tảng về cơ cấu compliant và khớp dẻo flexure hinge

Một cơ cấu compliant là một hệ thống cơ học tận dụng sự biến dạng đàn hồi của vật liệu để truyền hoặc biến đổi lực và chuyển động. Khác với cơ cấu cứng truyền thống, chúng không có các khớp nối riêng biệt. Thay vào đó, toàn bộ cấu trúc là một khối liền (monolithic), với các bộ phận mỏng được gọi là khớp dẻo (flexure hinge). Các khớp dẻo này được thiết kế để tập trung ứng suất và biến dạng, cho phép các bộ phận cứng hơn của cơ cấu di chuyển tương đối với nhau. Ưu điểm chính của thiết kế này bao gồm: không có ma sát trượt, không cần bôi trơn, không có khe hở (backlash), và dễ dàng thu nhỏ cho các ứng dụng vi cơ điện tử (MEMS). Các khớp dẻo có thể có nhiều hình dạng khác nhau, chẳng hạn như khớp tròn, khớp chữ V hoặc khớp lá, mỗi loại mang lại các đặc tính về độ cứng và phạm vi chuyển động riêng. Việc lựa chọn và thiết kế hình dạng khớp dẻo là một bước quan trọng trong việc xác định hiệu suất tổng thể của cơ cấu định vị chính xác 1DOF.

1.2. Vai trò trong các ứng dụng nano và vi định vị chính xác

Trong các lĩnh vực như kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), gia công bằng chùm tia hội tụ (FIB) và thử nghiệm cơ tính vật liệu ở cấp độ nano (nanoindentation), yêu cầu về độ chính xác định vị có thể lên tới nanomet. Ở quy mô này, các yếu tố như giãn nở nhiệt, rung động và sai số định vị từ các cơ cấu truyền thống trở nên cực kỳ nghiêm trọng. Cơ cấu định vị chính xác 1DOF dựa trên công nghệ compliant là giải pháp lý tưởng. Chúng cho phép kiểm soát chuyển động một cách mượt mà, không bị gián đoạn bởi các hiệu ứng dính-trượt (stick-slip) của ma sát. Ví dụ, trong hệ thống nanoindentation, một bàn trượt 1 trục siêu chính xác được sử dụng để điều khiển đầu dò kim cương tiếp cận và tác động lên bề mặt mẫu vật. Sự ổn định và độ lặp lại của chuyển động này quyết định trực tiếp đến độ tin cậy của dữ liệu cơ học thu được. Thiết kế được đề xuất trong nghiên cứu gốc nhắm đến việc cải thiện các hệ thống này bằng cách cung cấp một dải chuyển động lớn hơn và đáp ứng động học nhanh hơn.

II. Thách thức lớn khi thiết kế cơ cấu định vị 1DOF tối ưu

Việc thiết kế tối ưu cơ cấu định vị chính xác 1DOF không chỉ đơn thuần là tạo ra một hình dạng có thể chuyển động. Nó đòi hỏi phải cân bằng một loạt các yếu tố kỹ thuật phức tạp và thường mâu thuẫn với nhau. Một trong những thách thức lớn nhất là đánh đổi giữa dải chuyển động và độ cứng của cơ cấu. Một cơ cấu càng linh hoạt (để đạt được hành trình dài) thì càng có xu hướng mềm hơn, dễ bị ảnh hưởng bởi ngoại lực và có tần số dao động riêng thấp, gây ra rung động. Ngược lại, một cơ cấu cứng hơn sẽ ổn định nhưng lại bị giới hạn về hành trình. Thêm vào đó, chuyển động ký sinh (parasitic motion) là một vấn đề nghiêm trọng. Lý tưởng nhất, một cơ cấu 1DOF chỉ nên di chuyển theo một trục duy nhất. Tuy nhiên, do hiệu ứng uốn cong phức tạp, chuyển động không mong muốn ở các trục khác có thể xuất hiện, gây ra sai số định vị đáng kể. Việc mô hình hóa và phân tích chính xác hành vi của các cơ cấu compliant cũng là một rào cản. Các phương trình dầm tuyến tính cổ điển thường không còn chính xác khi biên độ biến dạng lớn, đòi hỏi phải sử dụng các phương pháp phi tuyến phức tạp hơn. Quá trình tối ưu hóa thiết kế để đạt được các mục tiêu về hiệu suất (ví dụ: tối đa hóa tỷ lệ khuếch đại, giảm thiểu ứng suất) cũng yêu cầu các công cụ tính toán mạnh mẽ và các thuật toán tối ưu hóa hiệu quả. Tài liệu của Nguyễn Quốc Huy và Đỗ Phan Tường Vỹ (2023) đã giải quyết những thách thức này bằng cách áp dụng một chiến lược thiết kế và phân tích có hệ thống.

2.1. Hạn chế về độ cứng của cơ cấu và sai số định vị ký sinh

Chuyển động ký sinh là bất kỳ chuyển động nào ngoài hướng di chuyển dự kiến. Trong một cơ cấu định vị 1DOF, chuyển động ký sinh có thể là sự dịch chuyển ngang hoặc xoay nhẹ của bệ đỡ, gây ra sai số định vị nghiêm trọng. Nguyên nhân thường do sự bất đối xứng trong thiết kế hoặc tải trọng tác dụng. Để giảm thiểu hiệu ứng này, các thiết kế thường sử dụng cấu trúc đối xứng, chẳng hạn như cơ cấu song song. Về độ cứng của cơ cấu, đây là một thông số quan trọng quyết định khả năng chống lại lực bên ngoài và tần số dao động riêng của hệ thống. Một cơ cấu có độ cứng thấp sẽ có đáp ứng động học chậm và dễ bị rung, ảnh hưởng đến độ chính xác và tốc độ hoạt động. Do đó, mục tiêu thiết kế là tối đa hóa độ cứng theo các hướng không mong muốn trong khi vẫn duy trì độ linh hoạt cần thiết theo hướng chuyển động chính.

2.2. Phức tạp trong mô hình hóa động học và động lực học cơ cấu

Phân tích động học cơ cấu và động lực học cơ cấu compliant phức tạp hơn nhiều so với cơ cấu cứng. Do không có các khớp nối lý tưởng, mối quan hệ giữa đầu vào (lực hoặc chuyển vị từ actuator) và đầu ra (chuyển vị của bệ đỡ) mang tính phi tuyến cao. Việc mô hình hóa chính xác đòi hỏi các công cụ mạnh mẽ. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) là phương pháp tiêu chuẩn vàng, nhưng tốn nhiều thời gian tính toán, không phù hợp cho giai đoạn tối ưu hóa ban đầu. Các mô hình đơn giản hóa như Pseudo-Rigid-Body Model (PRBM) được phát triển để ước tính nhanh hành vi của cơ cấu, trong đó các đoạn dẻo được thay thế bằng các khớp quay với lò xo xoắn. Việc kết hợp các mô hình này, chẳng hạn như xây dựng mô hình hóa Matlab/Simulink dựa trên PRBM và sau đó xác minh bằng FEA, là một phương pháp hiệu quả để vượt qua sự phức tạp này.

III. Phương pháp thiết kế cơ cấu định vị 1DOF cấu trúc mới

Để vượt qua các thách thức đã nêu, một phương pháp thiết kế cơ cấu định vị 1DOF cấu trúc mới đã được đề xuất, dựa trên nghiên cứu của Nguyễn Quốc Huy và Đỗ Phan Tường Vỹ (2023). Cấu trúc này được xây dựng dựa trên hai mô-đun chính, kết hợp một cách thông minh để tối đa hóa hiệu suất. Mô-đun đầu tiên là cơ cấu dẫn hướng, sử dụng một cơ cấu song song đối xứng. Vai trò của mô-đun này là đảm bảo bệ đỡ chuyển động tịnh tiến thuần túy theo một trục duy nhất, từ đó triệt tiêu các chuyển động xoay ký sinh có thể gây ra sai số định vị. Thiết kế đối xứng cũng giúp giảm thiểu ảnh hưởng của sự giãn nở nhiệt không đồng đều. Mô-đun thứ hai là bộ khuếch đại chuyển vị, một thành phần quan trọng vì các bộ truyền động chính xác (actuator) phổ biến như vật liệu áp điện (piezoelectric) thường có hành trình rất nhỏ (chỉ vài chục micromet). Thiết kế này sử dụng một bộ khuếch đại đòn bẩy phức tạp gồm mười thanh nối. Nguyên lý đòn bẩy cho phép biến một chuyển vị nhỏ ở đầu vào thành một chuyển vị lớn hơn nhiều ở đầu ra. Việc sử dụng mười đòn bẩy được sắp xếp theo tầng giúp đạt được tỷ lệ khuếch đại rất cao trong một không gian nhỏ gọn. Toàn bộ cấu trúc được thiết kế như một khối liền, được chế tạo từ một vật liệu duy nhất (ví dụ: hợp kim nhôm) để đảm bảo tính nhất quán và loại bỏ các vấn đề lắp ráp, tạo nên một cơ cấu compliant hoàn chỉnh và hiệu quả.

3.1. Thiết kế cơ cấu song song đối xứng giảm chuyển động ký sinh

Một cơ cấu song song trong ngữ cảnh này thường bao gồm hai hoặc nhiều chuỗi động học hoạt động song song để điều khiển một bệ đỡ duy nhất. Thiết kế được đề xuất sử dụng một cơ cấu hình bình hành đối xứng. Cấu trúc này đảm bảo rằng bệ đỡ đầu ra luôn song song với đế cố định trong suốt quá trình chuyển động. Bất kỳ xu hướng xoay nào phát sinh từ một bên của cơ cấu sẽ được cân bằng bởi xu hướng ngược lại từ bên đối xứng, do đó loại bỏ gần như hoàn toàn chuyển động xoay ký sinh. Việc này cực kỳ quan trọng để duy trì độ chính xác của một bàn trượt 1 trục, đặc biệt là trong các ứng dụng cần quét hoặc lập bản đồ bề mặt.

3.2. Tích hợp bộ khuếch đại 10 đòn bẩy và bộ truyền động áp điện

Bộ truyền động là trái tim của hệ thống định vị. Vật liệu áp điện (piezoelectric) được ưa chuộng vì khả năng tạo ra lực lớn, đáp ứng nhanh và độ phân giải chuyển động gần như vô hạn. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của chúng là hành trình cực kỳ ngắn. Để giải quyết vấn đề này, bộ khuếch đại chuyển vị 10 đòn bẩy được tích hợp. Bộ truyền động chính xác (actuator) áp điện sẽ tác động vào đầu vào của chuỗi đòn bẩy đầu tiên. Thông qua một loạt các khớp dẻo (flexure hinge), chuyển động này được khuếch đại tuần tự qua mười đòn bẩy, tạo ra một chuyển động lớn hơn đáng kể ở đầu ra, nơi bệ đỡ được gắn vào. Thiết kế này cho phép hệ thống đạt được dải hoạt động milimet từ một actuator có hành trình micromet, mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của cơ cấu định vị chính xác 1DOF.

IV. Bí quyết tối ưu cơ cấu định vị bằng mô phỏng và FEA

Để đạt được hiệu suất cao nhất, việc tối ưu cơ cấu định vị là một bước không thể thiếu. Thay vì phương pháp thử-và-sai tốn kém, các công cụ mô phỏng hiện đại cung cấp một quy trình tối ưu hóa hiệu quả và chính xác. Quy trình này bao gồm ba bước chính: mô hình hóa lý thuyết, phân tích phần tử hữu hạn (FEA), và áp dụng thuật toán tối ưu hóa. Đầu tiên, một mô hình lý thuyết đơn giản hóa được xây dựng để nắm bắt các đặc tính cơ bản của cơ cấu. Phương pháp Pseudo-Rigid-Body Model (PRBM) thường được sử dụng ở giai đoạn này. PRBM giúp các nhà thiết kế nhanh chóng ước tính được tỷ lệ khuếch đại và độ cứng của cơ cấu, từ đó đưa ra các lựa chọn thiết kế ban đầu. Bước tiếp theo, mô hình CAD 3D chi tiết của thiết kế được đưa vào phần mềm FEA như ANSYS. Tại đây, một phân tích toàn diện được thực hiện để đánh giá các thông số quan trọng như biến dạng tổng, phân bố ứng suất, hệ số an toàn và tần số dao động riêng. Finite element analysis (FEA) cung cấp một cái nhìn sâu sắc và chính xác về hành vi thực tế của cơ cấu dưới tải trọng, giúp xác định các điểm yếu tiềm tàng. Cuối cùng, kết quả từ FEA được sử dụng để xây dựng một mô hình toán học (bề mặt đáp ứng) và áp dụng các thuật toán tối ưu hóa như Response Surface Method (RSM). Bằng cách tự động thay đổi các thông số thiết kế (ví dụ: độ dày khớp dẻo, chiều dài đòn bẩy), thuật toán sẽ tìm ra bộ thông số tối ưu để đạt được các mục tiêu đề ra, chẳng hạn như tối đa hóa chuyển vị đầu ra trong khi vẫn giữ ứng suất dưới giới hạn bền của vật liệu.

4.1. Xây dựng mô hình động học Pseudo Rigid Body PRBM

Mô hình Pseudo-Rigid-Body (PRBM) là một công cụ phân tích động học cơ cấu hiệu quả cho các cơ cấu compliant. Ý tưởng cốt lõi là thay thế các phần tử dẻo (như khớp dẻo) bằng các khớp quay lý tưởng kết hợp với các lò xo xoắn. Độ cứng của lò xo được tính toán để đại diện cho sự kháng uốn của phần tử dẻo. Mô hình này biến một bài toán phân tích biến dạng phức tạp thành một bài toán phân tích động học cơ cấu cứng quen thuộc, cho phép tính toán nhanh mối quan hệ giữa chuyển vị đầu vào và đầu ra. Mặc dù chỉ là một phương pháp gần đúng, PRBM rất hữu ích trong giai đoạn thiết kế sơ bộ và cung cấp nền tảng cho việc mô hình hóa Matlab/Simulink để phân tích đáp ứng động của hệ thống.

4.2. Phân tích phần tử hữu hạn FEA để xác minh hiệu suất

Sau khi có thiết kế sơ bộ từ PRBM, phân tích phần tử hữu hạn (FEA) được sử dụng để xác minh và tinh chỉnh. Mô hình 3D được chia thành một lưới các phần tử nhỏ. Các phương trình cơ học được giải trên từng phần tử để mô phỏng chính xác hành vi của toàn bộ cấu trúc. Finite element analysis (FEA) có thể dự đoán chính xác biến dạng, ứng suất, hệ số an toàn và cả các chuyển động ký sinh không mong muốn. Kết quả từ FEA được coi là tiêu chuẩn để so sánh và hiệu chỉnh các mô hình lý thuyết đơn giản hơn. Nó cũng là công cụ không thể thiếu để đảm bảo rằng ứng suất cực đại trong các khớp dẻo không vượt quá giới hạn chảy của vật liệu, tránh được hư hỏng vĩnh viễn.

4.3. Áp dụng thuật toán tối ưu hóa RSM Response Surface Method

Response Surface Method (RSM) là một thuật toán tối ưu hóa mạnh mẽ, kết hợp các kỹ thuật thống kê và toán học để xây dựng mối quan hệ giữa các biến đầu vào (thông số thiết kế) và các đáp ứng đầu ra (hiệu suất). Thay vì chạy FEA cho mọi tổ hợp thông số, RSM chỉ yêu cầu một số lượng thí nghiệm mô phỏng có kế hoạch (Design of Experiments - DOE). Dựa trên kết quả này, nó xây dựng một hàm đa thức xấp xỉ, gọi là bề mặt đáp ứng. Bề mặt này sau đó có thể được sử dụng để nhanh chóng tìm ra điểm tối ưu. Trong nghiên cứu này, RSM được dùng để tối ưu hóa các kích thước hình học của cơ cấu nhằm đạt được tỷ lệ khuếch đại cao nhất mà vẫn đảm bảo hệ số an toàn. Các thuật toán tối ưu hóa khác như thuật toán di truyền (GA) hay thuật toán bầy đàn (PSO) cũng có thể được áp dụng cho các bài toán tương tự.

V. Kết quả mô phỏng cơ cấu định vị chính xác 1DOF mới

Kết quả mô phỏng từ phân tích phần tử hữu hạn (FEA) đã xác nhận hiệu quả của cơ cấu định vị chính xác 1DOF được thiết kế mới. Theo tóm tắt của nghiên cứu gốc, phân tích lý thuyết dựa trên mô hình PRBM và tối ưu hóa bằng RSM đã dự đoán một tỷ lệ khuếch đại chuyển vị ấn tượng. Cụ thể, kết quả cho thấy "tỷ lệ khuếch đại lý thuyết là khoảng 14 lần". Điều này có nghĩa là với mỗi micromet chuyển vị từ bộ truyền động chính xác (actuator) áp điện, bệ đỡ của cơ cấu sẽ di chuyển được 14 micromet. Đây là một con số rất đáng kể, cho phép hệ thống đạt được một dải hoạt động rộng từ một actuator nhỏ gọn. Quan trọng hơn, kết quả mô phỏng FEA đã xác minh rằng kết quả lý thuyết này rất gần với thực tế. Sự tương đồng giữa mô hình lý thuyết và mô phỏng FEA cho thấy tính chính xác và độ tin cậy của phương pháp thiết kế đã được áp dụng. Ngoài tỷ lệ khuếch đại, mô phỏng còn cung cấp các thông tin quan trọng khác. Phân tích ứng suất đảm bảo rằng ngay cả ở biên độ chuyển động tối đa, ứng suất tại các khớp dẻo (flexure hinge) vẫn nằm trong giới hạn đàn hồi của vật liệu, đảm bảo cơ cấu hoạt động bền bỉ và không bị biến dạng vĩnh viễn. Phân tích biến dạng cũng cho thấy chuyển động ký sinh được kiểm soát ở mức rất thấp nhờ vào thiết kế cơ cấu song song đối xứng, góp phần giảm thiểu sai số định vị tổng thể của hệ thống. Những kết quả này là một minh chứng mạnh mẽ cho tiềm năng của thiết kế mới.

5.1. Đánh giá tỷ lệ khuếch đại và sai số định vị sau tối ưu

Tỷ lệ khuếch đại là một trong những chỉ số hiệu suất quan trọng nhất. Sau quá trình tối ưu hóa bằng RSM, thiết kế đã đạt được tỷ lệ khuếch đại khoảng 14. Kết quả này được xác thực thông qua mô phỏng FEA, trong đó một chuyển vị đầu vào được áp dụng và chuyển vị đầu ra được đo lường. Bên cạnh đó, sai số định vị do chuyển động ký sinh cũng được đánh giá. Mô phỏng cho thấy rằng nhờ vào cấu trúc đối xứng, chuyển động xoay và dịch chuyển ngang của bệ đỡ là không đáng kể, chỉ chiếm một phần rất nhỏ so với chuyển động chính. Điều này khẳng định hiệu quả của cơ cấu song song trong việc đảm bảo chuyển động tịnh tiến thuần túy, một yêu cầu cốt lõi cho các ứng dụng định vị siêu chính xác.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong hệ thống bàn trượt 1 trục siêu chính xác

Với tỷ lệ khuếch đại cao, độ chính xác và cấu trúc nhỏ gọn, thiết kế này có tiềm năng lớn để được tích hợp vào các hệ thống bàn trượt 1 trục (Z-stage) thế hệ mới. Trong các ứng dụng như nanoindentation, kính hiển vi quét đầu dò hay lắp ráp vi cơ, một bàn trượt 1 trục hiệu suất cao là thành phần không thể thiếu. Thiết kế này có thể đóng vai trò là cơ cấu chuyển động tinh (fine-positioning), kết hợp với một cơ cấu chuyển động thô (coarse-positioning) khác để tạo ra một hệ thống định vị có dải hoạt động rộng và độ phân giải cực cao. Khả năng đáp ứng nhanh của cơ cấu cũng mở ra các ứng dụng trong việc quét bề mặt tốc độ cao hoặc thực hiện các thí nghiệm động lực học ở cấp độ vi mô.

VI. Hướng phát triển cho thiết kế cơ cấu định vị 1DOF tối ưu

Thiết kế cơ cấu định vị 1DOF tối ưu được trình bày đã chứng minh được tiềm năng to lớn thông qua các phân tích lý thuyết và mô phỏng số. Nó đại diện cho một bước tiến quan trọng trong việc phát triển các hệ thống định vị siêu chính xác. Tuy nhiên, con đường từ thiết kế trên máy tính đến sản phẩm thực tế vẫn còn nhiều hướng phát triển đầy hứa hẹn. Hướng đi trước mắt và quan trọng nhất là chế tạo mẫu thử (prototype) và tiến hành kiểm nghiệm thực tế. Tóm tắt của nghiên cứu gốc đã chỉ ra rõ ràng điều này: "nguyên mẫu sẽ được chế tạo bằng phương pháp gia công đắp dần hoặc phương pháp cắt dây vi tính hóa để kiểm chứng kết quả phân tích bằng kết quả thực nghiệm". Quá trình thực nghiệm sẽ sử dụng các cảm biến dịch chuyển có độ phân giải cao (ví dụ: cảm biến điện dung hoặc giao thoa kế laser) để đo lường chính xác tỷ lệ khuếch đại, chuyển động ký sinh và đáp ứng tần số của cơ cấu. Việc so sánh dữ liệu thực nghiệm với kết quả mô phỏng sẽ xác nhận cuối cùng tính hợp lệ của toàn bộ quy trình thiết kế. Về lâu dài, các nghiên cứu có thể tập trung vào việc tối ưu hóa topo (topology optimization) để tìm ra các cấu trúc hoàn toàn mới, nhẹ hơn và cứng hơn mà vẫn đảm bảo hiệu suất. Khám phá các vật liệu mới với tỷ lệ độ bền trên khối lượng cao hơn cũng là một hướng đi tiềm năng. Cuối cùng, việc tích hợp các thuật toán điều khiển vòng kín tiên tiến sẽ giúp bù trừ các hiệu ứng phi tuyến và trễ (hysteresis) của vật liệu áp điện (piezoelectric), nâng cao hơn nữa độ chính xác và độ lặp lại của toàn bộ hệ thống.

6.1. Tổng kết những đóng góp chính của thiết kế cơ cấu compliant

Đóng góp cốt lõi của nghiên cứu này là việc đề xuất một cấu trúc cơ cấu compliant 1DOF mới lạ và hiệu quả, kết hợp giữa bộ khuếch đại mười đòn bẩy và cơ cấu dẫn hướng song song. Thêm vào đó, nghiên cứu đã trình bày một chiến lược thiết kế và tối ưu hóa tổng hợp, tích hợp mô hình PRBM cho phân tích nhanh và phương pháp RSM dựa trên dữ liệu FEA để tinh chỉnh. Cách tiếp cận này giúp cân bằng hiệu quả giữa các mục tiêu thiết kế mâu thuẫn như tối đa hóa hành trình và duy trì độ cứng của cơ cấu. Kết quả là một thiết kế có tỷ lệ khuếch đại cao, sai số định vị ký sinh thấp, và cấu trúc nhỏ gọn, sẵn sàng cho các ứng dụng định vị chính xác cao.

6.2. Nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm kiểm chứng trong tương lai

Bước tiếp theo là chuyển thiết kế từ thế giới ảo sang thực tế. Các phương pháp chế tạo tiên tiến như gia công đắp dần (in 3D kim loại) hoặc cắt dây EDM (Electrical Discharge Machining) rất phù hợp để tạo ra các cơ cấu compliant nguyên khối với hình dạng phức tạp. Sau khi chế tạo, một hệ thống thực nghiệm cần được thiết lập, bao gồm bộ truyền động chính xác (actuator) áp điện, bộ khuếch đại điện áp, cảm biến dịch chuyển chính xác cao và hệ thống thu thập dữ liệu. Các thí nghiệm sẽ đo lường các đặc tính tĩnh (tỷ lệ khuếch đại, độ tuyến tính) và động (đáp ứng tần số) của cơ cấu. Dữ liệu này sẽ là cơ sở để xác nhận mô hình mô phỏng và mở đường cho việc thương mại hóa sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT MAJOR MECHANICAL ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH AND IMPLEMENTATION OPTIMIZATION DESIGN NEW 1-DOF COMPLIANT STAGE BASED ON ADDITIVE MANUFACTURING METHOD WITH CIRCULAR HINGE FOR HIGHLY POSITIONING ACCURACY ADVISOR: DR. DANG MINH PHUNG STUDENT:NGUYEN QUOC HUY DO PHAN TUONG VY SKL009919 Ho Chi Minh city, February 2023 HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FALCUTY FOR HIGH QUALITY TRAINING DEPARTMENT OF MACHINERY MANUFACTURING TECHNOLOGY BACHELOR THESIS RESEARCH AND IMPLEMENTATION OPTIMIZATION DESIGN NEW 1-DOF COMPLIANT STAGE BASED ON ADDITIVE MANUFACTURING METHOD WITH CIRCULAR HINGE FOR HIGHLY POSITIONING ACCURACY SUPER VISOR: M. DANG MINH PHUNG STUDENT NAME: NGUYEN QUOC HUY DO PHAN TUONG VY STUDENT ID: 18144022 18144061 Ho Chi Minh City, February, 2023 HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FALCUTY FOR HIGH QUALITY TRAINING DEPARTMENT OF MACHINERY MANUFACTURING TECHNOLOGY BACHELOR THESIS ANALYSIS AND OPTIMIZATION DESIGN NEW 1-DOF COMPLIANT STAGE BASED ON ADDITIVE MANUFACTURING METHOD WITH CIRCULAR HINGE FOR HIGHLY POSITIONING ACCURACY SUPER VISOR: M. DANG MINH PHUNG STUDENT NAME: NGUYEN QUOC HUY DO PHAN TUONG VY STUDENT ID: 18144022 18144061 Ho Chi Minh City, February, 2023 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ và tên sinh viên: Nguyễn Quốc Huy MSSV:18144022 Hội đồng: 02 Họ và tên sinh viên: Đỗ Phan Tường Vỹ MSSV:18144061 Hội đồng: 02 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ 01 BẬC TỰ DO TÍCH HỢP CƠ CẤU KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN VỊ SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC Ngành đào tạo: Mechanical Engineering Technology Họ và tên GV hướng dẫn: ThS.

Đặng Minh Phụng Ý KIẾN NHẬN XÉT 1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên:. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN 2.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN: .Kết quả đạt được:. Những tồn tại (nếu có):.

Đánh giá: Điểm Điểm đạt TT Mục đánh giá tối đa được 1. Hình thức và kết cấu ĐATN 30 Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các 10 mục Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10 Tính cấp thiết của đề tài 10 2. Nội dung ĐATN 50 Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ 5 thuật, khoa học xã hội… Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc 15 quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế. Khả năng cải tiến và phát triển 15 Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên 5 ngành… 3.

Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10 4. Sản phẩm cụ thể của ĐATN 10 Tổng điểm 100 4. Kết luận:  Được phép bảo vệ  Không được phép bảo vệ TP.HCM, ngày tháng năm 2023 Giảng viên hướng dẫn ((Ký, ghi rõ họ tên) CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên phản biện) Họ và tên sinh viên: Nguyễn Quốc Huy MSSV:18144022 Hội đồng: 02 STT: 28 Họ và tên sinh viên: Đỗ Phan Tường Vỹ MSSV:18144061 Hội đồng: 02 STT: 28 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỊNH VỊ 01 BẬC TỰ DO TÍCH HỢP CƠ CẤU KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN VỊ SỬ DỤNG CƠ CẤU MỀM CHO HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC Ngành đào tạo: Mechanical Engineering Technology Họ và tên GV phản biện: PGS. Phạm Huy Tuân Ý KIẾN NHẬN XÉT 1.

Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:. Kết quả đạt được:. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:. Đánh giá: Điểm Điểm đạt TT Mục đánh giá tối đa được 1.

Hình thức và kết cấu ĐATN 30 Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các 10 mục Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10 Tính cấp thiết của đề tài 10 2. Nội dung ĐATN 50 Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ 5 thuật, khoa học xã hội… Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10 Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc 15 quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế. Khả năng cải tiến và phát triển 15 Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên 5 ngành… 3. Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10 4.

Sản phẩm cụ thể của ĐATN 10 Tổng điểm 100 7. Kết luận:  Được phép bảo vệ  Không được phép bảo vệ TP.HCM, ngày tháng năm 2023 Giảng viên phản biện ((Ký, ghi rõ họ tên) ACKNOWLEDGMENT We would like to express my sincere gratitude for Dang Minh Phung, my guidance, through all his support on our academic journey. His vast knowledge and expertise have inspired us to strive for excellence and have made a significant impact on my growth and development as a student. We are grateful for the time and effort my advisor put into providing us with a challenging and stimulating learning experience.

His passion for the subject and his dedication to teaching have made the classes enjoyable and memorable. Thank you for being a mentor, a role model and a source of inspiration. Your encouragement and support have been invaluable and I am grateful to have had the opportunity to learn from my advisor, M.E Dang Minh Phung. i ABSTRACT IN VIETNAMESE Ngày nay, công nghệ đang phát triển một cách nhanh chóng, công nghệ nano hiện đang được ứng dụng trong mọi mặt của cuộc sống, đặc biệt là trong ngành công nghiệp vũ trụ và y sinh.

Với yêu cầu cao về độ chính xác trong giai đoạn gia công, trong trường hợp đó, chúng ta phải sử dụng phương pháp nanoindentation, được sử dụng để kiểm tra độ biến dạng và hành vi cơ học của vật liệu sinh học với một giá trị khối lượng rất nhỏ. Tuy nhiên, một số bộ định vị trước đây có giới hạn trong việc thực hiện thử nghiệm vật liệu. Do đó, nghiên cứu này giới thiệu một cấu trúc được thiết kế mới theo tiêu chuẩn 1 bậc tự do với độ chính xác cao hơn. Do đó, bài viết này thiết kế một kết cấu mới sử dụng phương pháp mô phỏng phần mềm.

Đầu tiên, bộ thiết bị 1 bậc tự do được thiết kế với hai mô-đun, bao gồm bộ khuếch đại dịch chuyển với mười cần và cơ chế đối xứng. Thứ hai, một sơ đồ động học của mô hình được xây dựng bằng phương pháp vật thể giả cứng. Để tăng khả năng khuếch đại, giai đoạn thiết kế cấu trúc được tối ưu hóa thông qua thuật toán RSM. Kết quả cho thấy tỷ lệ khuếch đại lý thuyết rơi vào khoảng 14 lần.

Kết quả lý thuyết gần với mô phỏng đã được xác minh. Trong nghiên cứu sắp tới, nguyên mẫu sẽ được chế tạo bằng phương pháp gia công đắp dần hoặc phương pháp cắt dây vi tính hóa để kiểm chứng kết quả phân tích bằng kết quả thực nghiệm. ii ABSTRACT IN ENGLISH Nowadays, technology changing every day, nanotech is now applying in every aspect of our life, especially in the space industrial and Biomedical. With an excessive requirement of accuracy in machining, in that case, we must use nanoindentation, which is use for testing the deformation and mechanical behavior of bio-material with a very small volume of value.

However, the previous structural of positioning stage have a limited on perform the material testing. As the consequent, this research paper introduces a new designed structural of a compliant 1 Degree of Freedom (1-DoF) with faster response and higher accuracy. As a result, this article designs a new structural using software with technology algorithm. Firstly, the 1- DoF stage is design with two modules, including a displacement amplifier with ten levers and a symmetric parallelogram mechanism.

Secondly, a kinetostatic diagram of the stage is built by pseudo-rigid-body method. In order to speed up the response of the indentation system, the structural stage is optimizing via the Response Surface Method (RSM). The result showed that the theoretical amplify ratio is found at about 14. Theoretical consequences are nearby to the verified simulation.

In an upcoming study, the prototype will be fabricated by additive manufacturing method or a computerized wire cutting method in order to verify the analytical results with experimental results. iii TABLE OF CONTENT ACKNOWLEDGMENT.i ABSTRACT IN VIETNAMESE. ii ABSTRACT IN ENGLISH.iii TABLE OF CONTENT. iv TABLE OF ABBREVIATION.

vi LIST OF TABLES. vii LIST OF FIGURE. viii MISSION OF THESIS. xi CHAPTER 1 INTRODUCTION.1 Flexure and compliant mechanism.

Advantages and disadvantages.1 Micro compliant mechanisms.2 Macro Compliant Mechanisms. Review of the Literature on the Compliant Positioning Stage. 19 CHAPTER 2 DESIGN 1 DOF COMPLIANT STAGE.1 Pseudo –Rigid Body model.2 Theory of Response Surface Method (RSM).3 Types of RSM.4 Design of Experiment (DOE).5 Designing 1 DoF stage. 27 CHAPTER 3 EXPERIMENTS SETUP.2 Design of Experiments.

40 CHAPTER 4 SIMULATION RESULT AND ANALYZATION 1 DOF STAGE.1 Dynamics Establishment for 1 DoF stage.2 Design of experiments. 47 CHAPTER 5 MANUFACTURING AND EXPERIMENT.68 v TABLE OF ABBREVIATION Abbreviation Meaning 1 DoF 1 Degree of Freedom MEMS Micro Electro Mechanical System SMA Shape Memory Alloy SEM Scanning Electron Microscope TEM Transmission Electron Microscope ANFIS Adaptive neuro-fuzzy inference system EDM Electrical Discharge Machining RSM Response Surface method CCD Central composite design RSR Response surface regression DOE Design of Experiment PRBM Pseudo-Rigid Body Model LAM Lever Amplification Mechanism vi LIST OF TABLES Table 1 Material properties. 32 Table 2 Dimension properties. 33 Table 3 Design of experiments data points and computational results.

44 Table 4 Bounds of the response surfaces. 46 Table 5 Candidate parameter. 46 Table 6 Measuring experiments data. 66 Table 7 Error comperasion.

66 vii LIST OF FIGURE Figure 1 Figure 1. 1 Mechanisms use joints. 2 Ancient Greece catapult [https://www.com/greek-scientists-invented- catapult-11142. 3 Elegant Flexible System.

6 Flexure with single-axis. 7 Example of Cantilever Beam [5]. 8 Mechanisms with Linear Leaf Flexures (a) and Compound Linear Spring Mechanisms (b) [5]. 9 Flexure of the notch kind.

11 Mechanisms with double compound springs [5]. 12 The Cantilever beam Structure. 13 Crossed strip flexure (a), monolithic flexure (b), and cruciform angle flexure (c). 14 Example for flexure with Multi-axis.

15 Flexure with two axis. 16 Two degree of freedom flexures. 18 Stress-strain relationship. 19 Rigid-link parallel-guiding mechanism [2].

20 Example consumer products that use a parallel-guiding mechanism: (a) desktop lamp, (b) tackle box, and (c) playground swing. 22Micro pin joint that is compliant. 23Pantographs with micro-compliance. 25 An aluminum microgripper [11].

27 Brake of Bicycle. 29 Piezo-driven parallel micro positioning 1 DoF [18]. 30 Micro positioning for 1 DoF [1]. 3 DOE process chart.

4 A scheme of proposed nanoindentation [32]. 5 Flowchart for 1-DOF stage proposed method. 6 Dimensional schematic of proposed stage. 1 Adding material properties to project.

2 Creating simulate model. 3 Simulate 1 DoF stage mesh in ANSYS. 5 Choosing material for simulation. 6 Define input displacement.

8 Choosing type of design. 10 Set up boundaries for simulate parameters. 11 Creating response surface. 12 Select model to simulate.

13 Go to optimization function. 14 Choose parameter that need to optimize. 41 Figure 4: ix Figure 4. 1 Pseudo-rigid-body diagram for the 1-DOF stage.

2 Parameter of circular hinge. 3 Flexure leaf hinge dimension. 4 Total deformation of 1 DoF stage .