Luận án tiến sĩ về phát triển bộ định vị mềm cho thiết bị kiểm tra độ cứng vật liệu

• Tác giả: Đặng Minh Phụng
• Người hướng dẫn: Assoc. Lê Hiếu Giang
• Trường học: Hcm City University Of Technology And Education
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Tối ưu hóa bộ định vị mềm cho kiểm tra độ cứng vật liệu
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hcm City

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• ORIGINALITY STATEMENT
• ACKNOWLEDGMENTS
• ABSTRACT
• CONTENTS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Background and motivation
• 1.2. Proposed nanoindentation device
• 1.3. Purposes and objects of the thesis
• 1.4. Objectives of the thesis
• 1.5. Scientific and practical significance of the thesis
• 1.6. Outline of thesis
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW AND BASIS THEORY
• 2.1. Compliant mechanism and applications
• 2.2. Previous compliant positioning stages
• 2.3. Serial diagram design
• 2.4. Parallel diagram structure
• 2.5. Serial-parallel diagram design
• 2.6. Displacement amplification mechanisms
• 2.7. Modeling methods of compliant mechanisms
• 2.8. Pseudo-rigid-body model method. Lagrange-based Methods
• 2.9. Approximation-based modeling method
• 2.10. Analysis of variance
• 2.11. Wilcoxon and Friedman
• 2.12. Non-Heuristic Algorithms
• 3. CHAPTER 3: ANALYSIS, EVALUATION, AND SELECTION OF A FLEXURE HINGE FOR COMPLIANT POSITIONING STAGES
• 3.1. Background and motivation
• 3.2. Technical requirements of flexure hinges for nanoindentation tester
• 3.3. Proposed optimization methodology
• 3.4. Results and discussion
• 3.5. Assessment and collection for flexure-based joint
• 3.6. Flexure hinge design optimization. Formation for calculating S/N ratios and experiment design
• 3.7. Establishment of fuzzy model
• 3.8. Establishment for regression equation
• 3.9. Comparison with various methods
• 4. CHAPTER 4: DEVELOPMENT OF 01-DOF COMPLIANT STAGES FOR INDENTER
• 4.1. Development and optimization of a 01-DOF stage inspired from beetle
• 4.2. Flexure-based positioner
• 4.3. Beetle-liked platform with amplification mechanism
• 4.4. A fundamental use for a nanoindentation testing device
• 4.5. Primary characteristic and parasitic motion error analysis
• 4.6. Suggested optimal methodology
• 4.7. Problem statement for optimization
• 4.8. Offered hybrid methodology
• 4.9. Results and discussion
• 4.10. Gathering of numeric data
• 4.11. Weight factor quantification
• 4.12. Formulation of ANFIS model
• 4.13. Experiment and verifications
• 4.14. Development and optimization of a new compliant Z-stage based on serial-parallel structure
• 4.15. Formulation of optimal problem
• 4.16. Results and discussion
• 4.17. Evaluation of initial features and parasitic motion error
• 4.18. Orthogonal array experiment and mathematical model
• 4.19. Calculation of weight factor
• 4.20. Optimal results and verifcations
• 4.21. Structural dynamic modelling of a new compliant 01-DOF stage utilizing symmetric six levers based on the PRBM method and Lagrange principle
• 4.22. Analytical structure modelling based on PRBM method and Lagrange's principle
• 4.23. Verification of established analytical models
• 4.24. Parameter optimization of 1-DOF positioner
• 4.25. FEA Validation and comparison
• 5. CHAPTER 5: DEVELOPMENT OF COMPLIANT STAGES FOR LOCATING A MATERIAL SPECIMEN
• 5.1. Development and optimization of a compliant XY positioner
• 5.2. Hybrid displacement amplifier
• 5.3. Compliant XY micro-positioning stage
• 5.4. Formulation of optimal problem
• 5.5. Results and discussion
• 5.6. Orthogonal array experiment and mathematical model
• 5.7. Parameter optimization using an integrated approach of TM, RSM and NSGA-II
• 5.8. Comparison with previous study
• 5.9. Development and optimization of a compliant 02-DOF positioner
• 5.10. Design scheme of 1-DOF mechanism
• 5.11. Operation scheme of 2-DOF stage
• 5.12. Modeling and dimensional optimization synthesis
• 5.13. Neural network algorithm
• 5.14. Results and discussion
• 5.15. Kinetostatics and dynamics modeling
• 5.16. Evaluation and verifications of mathematical models
• 5.17. Optimal issue description
• 5.18. Verification and comparisons
• 5.19. Development and optimization of a compliant rotary stage
• 5.20. Hybrid displacement amplifier
• 5.21. Compliant rotary positioner
• 5.22. Results and discussion
• 5.23. Collection of data
• 5.24. Optimal results and statistical analysis
• 6. CHAPTER 6: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• List of Abbreviations
• Nomenclature

I. Giới thiệu

Bài viết này trình bày về việc phát triển và tối ưu hóa bộ định vị mềm cho thiết bị kiểm tra độ cứng vật liệu. Kiểm tra độ cứng là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá tính chất của vật liệu. Thiết bị nanoindentation được sử dụng để đo độ cứng của các mẫu vật liệu ở quy mô nano. Mục tiêu chính của nghiên cứu là tối ưu hóa thiết kế của các bộ định vị để cải thiện độ chính xác và hiệu suất của thiết bị kiểm tra. Việc tối ưu hóa này không chỉ giúp nâng cao chất lượng kiểm tra mà còn giảm thiểu sai số trong quá trình đo lường.

1.1. Tầm quan trọng của kiểm tra độ cứng

Kiểm tra độ cứng là một trong những phương pháp quan trọng để đánh giá tính chất cơ học của vật liệu. Độ cứng của vật liệu ảnh hưởng đến khả năng chịu lực, độ bền và tuổi thọ của sản phẩm. Việc sử dụng công nghệ kiểm tra hiện đại như nanoindentation cho phép đo lường độ cứng với độ chính xác cao. Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phát triển các bộ định vị mềm để cải thiện độ chính xác trong quá trình kiểm tra.

II. Phương pháp tối ưu hóa

Nghiên cứu đã áp dụng một phương pháp tối ưu hóa đa phản hồi kết hợp giữa phương pháp Taguchi và phương pháp bề mặt phản hồi. Phương pháp này cho phép xác định và tối ưu hóa các thông số thiết kế của bộ định vị mềm. Các yếu tố như độ cứng, độ bền và độ chính xác được xem xét kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của thiết bị kiểm tra. Các mô hình toán học được xây dựng để mô phỏng và phân tích các đặc tính của bộ định vị, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu nhất.

2.1. Kỹ thuật tối ưu hóa

Kỹ thuật tối ưu hóa được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm việc áp dụng cảm biến độ cứng và các thuật toán tối ưu hóa như thuật toán di truyền và thuật toán tối ưu hóa bầy đàn. Những kỹ thuật này giúp xác định các thông số tối ưu cho bộ định vị mềm, từ đó nâng cao khả năng kiểm tra độ cứng của vật liệu. Việc áp dụng các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn giảm thiểu thời gian và chi phí trong quá trình kiểm tra.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các bộ định vị mềm được tối ưu hóa có khả năng cải thiện độ chính xác trong việc kiểm tra độ cứng của vật liệu. Các thí nghiệm thực tế đã được thực hiện để xác minh các kết quả dự đoán. Đặc biệt, các mẫu vật liệu được kiểm tra cho thấy sự khác biệt rõ rệt về độ cứng khi sử dụng các bộ định vị đã được tối ưu hóa. Điều này chứng tỏ rằng việc phát triển và tối ưu hóa công nghệ kiểm tra là cần thiết để nâng cao chất lượng sản phẩm.

3.1. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao trong việc phát triển các thiết bị kiểm tra độ cứng cho các ngành công nghiệp khác nhau. Việc tối ưu hóa bộ định vị mềm không chỉ giúp nâng cao độ chính xác mà còn mở ra cơ hội cho việc phát triển các thiết bị kiểm tra mới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường. Các ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu học, chế tạo máy và công nghệ nano sẽ được hưởng lợi từ những cải tiến này.

Tổng quan nghiên cứu

Nanoindentation là phương pháp tiêu chuẩn và hiệu quả để nghiên cứu các tính chất cơ học của vật liệu ở quy mô nhỏ với yêu cầu chuẩn bị mẫu tối thiểu. Theo báo cáo của ngành, kỹ thuật này đặc biệt phù hợp để khảo sát các lớp mỏng hoặc vật liệu có thể tích nhỏ, cho phép đo độ cứng, mô đun đàn hồi, cũng như các đặc tính như creep, gãy và mỏi của vật liệu. Thiết bị nanoindentation có thể đo các đặc tính cơ học của các mẫu sinh học, vật liệu hữu cơ, vô cơ, cứng và mềm với độ chính xác cao, đáp ứng nhu cầu kiểm tra các vật liệu như xương động vật, màng mỏng, và lớp phủ trên khớp nhân tạo.

Tuy nhiên, các hệ thống nanoindentation hiện tại thường sử dụng các cơ cấu truyền động truyền thống như động cơ servo, vít me, khớp cứng, dẫn đến các hạn chế như mài mòn, độ trễ, và sai số vị trí. Do đó, việc phát triển các giai đoạn định vị tuân thủ (compliant positioning stages) với cấu trúc monolithic, không ma sát, không mài mòn, và độ chính xác cao là rất cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và tối ưu hóa các giai đoạn định vị tuân thủ ứng dụng cho thiết bị nanoindentation, bao gồm các giai đoạn 1 bậc tự do (DOF) cho bộ phận điều khiển đầu indent và các giai đoạn 2-3 DOF cho việc định vị mẫu vật. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế, mô hình hóa, phân tích và tối ưu hóa các cơ cấu này trong khoảng thời gian gần đây, với ứng dụng chính tại các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu vật liệu tại Việt Nam.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác và hiệu suất của thiết bị nanoindentation, góp phần phát triển các thiết bị đo lường cơ học nhỏ gọn, tích hợp được trong các hệ thống quan sát như kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Các chỉ số hiệu quả được cải thiện bao gồm độ dịch chuyển đầu ra (đạt đến vài mm), tần số cộng hưởng tự nhiên cao (trên 100 Hz), và hệ số an toàn trên 1.5, đảm bảo độ bền và độ ổn định trong quá trình vận hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết cơ học của cơ cấu tuân thủ (compliant mechanisms), trong đó chuyển động và lực được truyền qua biến dạng đàn hồi của các thành phần cơ cấu thay vì các khớp cứng truyền thống. Hai mô hình chính được áp dụng là:

• Mô hình Pseudo-Rigid-Body Model (PRBM): Mô hình này giúp mô phỏng hành vi biến dạng lớn của các thanh uốn cong bằng cách thay thế bằng các khớp quay giả định, từ đó xây dựng các phương trình mô tả chuyển động và lực tác động.

• Phương pháp Lagrange: Được sử dụng để thiết lập các phương trình động học và động lực học của các giai đoạn định vị, cho phép phân tích tần số cộng hưởng và đáp ứng động của hệ thống.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Flexure hinge (bản lề đàn hồi): Các loại bản lề như elliptic, circular, leaf hinge được đánh giá và lựa chọn dựa trên các tiêu chí về độ cứng, độ dịch chuyển trục quay, và hệ số an toàn.

• Displacement amplification mechanisms: Cơ cấu khuếch đại dịch chuyển như cấu trúc đòn bẩy bốn tầng, tám tầng, và cấu trúc lấy cảm hứng từ chân bọ cánh cứng (beetle-like structure) giúp tăng hành trình làm việc của giai đoạn định vị.

• Phương pháp tối ưu hóa lai: Kết hợp các phương pháp Taguchi, Response Surface Methodology (RSM), fuzzy logic, và các thuật toán tối ưu metaheuristic như Moth-Flame Optimizer (MFO), Whale Optimization Algorithm (WOA), Teaching Learning-Based Optimization (TLBO), và Neural Network Algorithm để tối ưu đa mục tiêu các thông số thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các kết quả mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA), dữ liệu thực nghiệm từ các nguyên mẫu vật lý, và các mô hình toán học được xây dựng dựa trên PRBM và phương pháp Lagrange. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều thiết kế giai đoạn định vị với các biến số thiết kế khác nhau, được lựa chọn theo phương pháp thiết kế thí nghiệm orthogonal arrays (Taguchi).

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô phỏng FEA để đánh giá ứng suất, biến dạng, tần số cộng hưởng và sai số chuyển động phụ.

• Phân tích thống kê ANOVA để xác định mức độ ảnh hưởng của các yếu tố thiết kế đến các đặc tính đầu ra.

• So sánh hiệu quả các thuật toán tối ưu hóa bằng các kiểm định Wilcoxon và Friedman.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2018 đến 2022, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô hình hóa, tối ưu hóa, chế tạo nguyên mẫu và thử nghiệm xác nhận.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tối ưu hóa bản lề elliptic: Sử dụng phương pháp lai TM-RSM-fuzzy-MFO, bản lề elliptic đạt được độ dịch chuyển trục quay chỉ khoảng $10.94 \times 10^{-5}$ mm, hệ số an toàn 2.99 và góc lệch 0.052 rad, vượt trội so với các loại bản lề khác về độ chính xác và độ bền.

2. Phát triển 3 thiết kế 01-DOF cho đầu indent:

   • Thiết kế 1 với cấu trúc khuếch đại bốn đòn bẩy và mô phỏng ANFIS-TLBO đạt hệ số an toàn 1.5141 và dịch chuyển 2 mm.
   • Thiết kế 2 với bộ khuếch đại hai đòn bẩy và tối ưu TM-RSM-WOA đạt dịch chuyển Z 436.04 µm và hệ số an toàn 2.
   • Thiết kế 3 với cấu trúc sáu đòn bẩy và tối ưu Firefly đạt tần số cộng hưởng tự nhiên đầu tiên 176.957 Hz, cải thiện đáng kể tốc độ phản hồi.

3. Phát triển các giai đoạn định vị XY và rotary:

   • Giai đoạn XY đầu tiên với bốn đòn bẩy và lò xo zigzag đạt dịch chuyển 3.862 mm và tần số cộng hưởng 45 Hz.
   • Giai đoạn XY thứ hai với tám đòn bẩy và bản lề elliptic đạt tần số 112 Hz.
   • Giai đoạn rotary với cấu trúc bốn đòn bẩy và ba bản lề lá đạt hệ số an toàn 1.558 và dịch chuyển khoảng 2 mm.

4. Hiệu quả các thuật toán tối ưu: Các phương pháp lai được đề xuất vượt trội hơn các thuật toán truyền thống như ASO, GA, CSA về thời gian hội tụ và chất lượng giải pháp, được xác nhận qua kiểm định Wilcoxon và Friedman.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các kết quả trên đến từ việc kết hợp hiệu quả các phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu và mô hình hóa chính xác các đặc tính cơ học của các bản lề và cơ cấu khuếch đại. So với các nghiên cứu trước đây, các thiết kế mới không chỉ cải thiện hành trình làm việc mà còn giảm thiểu sai số chuyển động phụ và tăng tần số cộng hưởng, giúp tăng tốc độ phản hồi và độ ổn định của thiết bị. Việc tích hợp các bản lề elliptic và cấu trúc lấy cảm hứng sinh học (beetle-like) góp phần tạo ra các giai đoạn định vị nhỏ gọn, bền bỉ và chính xác hơn. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh tần số cộng hưởng, dịch chuyển đầu ra và hệ số an toàn giữa các thiết kế, cũng như bảng phân tích ANOVA thể hiện mức độ ảnh hưởng của các biến thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển thêm các giai đoạn định vị đa bậc tự do: Tăng cường thiết kế các giai đoạn 3-DOF hoặc cao hơn để đáp ứng nhu cầu định vị phức tạp trong các thiết bị nanoindentation hiện đại, nhằm nâng cao khả năng kiểm soát vị trí mẫu vật.

2. Ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa lai mới: Áp dụng các thuật toán tối ưu hóa kết hợp trí tuệ nhân tạo và phương pháp thống kê để tối ưu hóa đa mục tiêu, giảm thời gian tính toán và nâng cao chất lượng thiết kế.

3. Chế tạo và thử nghiệm nguyên mẫu: Thực hiện sản xuất nguyên mẫu các giai đoạn định vị đã tối ưu và tiến hành thử nghiệm thực tế để xác nhận các đặc tính cơ học và hiệu suất vận hành, từ đó điều chỉnh thiết kế phù hợp.

4. Tích hợp hệ thống điều khiển và cảm biến: Phát triển hệ thống điều khiển chính xác kết hợp cảm biến lực và dịch chuyển để nâng cao độ chính xác và khả năng phản hồi của thiết bị nanoindentation.

5. Hợp tác nghiên cứu đa ngành: Khuyến khích hợp tác giữa các chuyên gia cơ khí, vật liệu, và công nghệ nano để phát triển các thiết bị đo lường tích hợp, phục vụ nghiên cứu và ứng dụng trong y sinh, vật liệu tiên tiến.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu cơ khí chính xác và cơ cấu tuân thủ: Luận văn cung cấp các phương pháp thiết kế, mô hình hóa và tối ưu hóa tiên tiến cho các cơ cấu định vị nhỏ gọn, phù hợp cho nghiên cứu và phát triển thiết bị đo lường chính xác.

2. Kỹ sư phát triển thiết bị nanoindentation và thiết bị đo lường vật liệu: Các giải pháp thiết kế giai đoạn định vị và bản lề đàn hồi được trình bày giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của thiết bị, hỗ trợ phát triển sản phẩm mới.

3. Chuyên gia trong lĩnh vực y sinh và vật liệu sinh học: Các thiết bị nanoindentation được tối ưu hóa có thể ứng dụng trong kiểm tra cơ học các vật liệu sinh học như xương, mô, khớp nhân tạo, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển y học tái tạo.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí, cơ điện tử: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết cơ cấu tuân thủ, mô hình hóa động học, và các phương pháp tối ưu hóa hiện đại, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

1. Nanoindentation là gì và ứng dụng chính của nó?
   Nanoindentation là phương pháp đo các tính chất cơ học của vật liệu ở quy mô nano, như độ cứng và mô đun đàn hồi. Ứng dụng chính là kiểm tra vật liệu mỏng, vật liệu sinh học, và lớp phủ trên khớp nhân tạo để đánh giá độ bền và tính chất cơ học.

2. Tại sao cần sử dụng cơ cấu tuân thủ trong thiết kế giai đoạn định vị?
   Cơ cấu tuân thủ giúp loại bỏ ma sát, mài mòn và độ trễ do khớp cứng, đồng thời cung cấp độ chính xác cao, cấu trúc nhỏ gọn và tuổi thọ dài, rất phù hợp cho các thiết bị đo lường chính xác như nanoindentation.

3. Các phương pháp tối ưu hóa nào được áp dụng trong nghiên cứu?
   Nghiên cứu sử dụng các phương pháp lai như Taguchi, Response Surface Methodology, fuzzy logic kết hợp với các thuật toán metaheuristic như Moth-Flame Optimizer, Whale Optimization Algorithm, Teaching Learning-Based Optimization và Neural Network để tối ưu đa mục tiêu.

4. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả của các thiết kế giai đoạn định vị?
   Hiệu quả được đánh giá qua các chỉ số như độ dịch chuyển đầu ra, hệ số an toàn, tần số cộng hưởng tự nhiên, sai số chuyển động phụ, và được xác nhận bằng mô phỏng FEA, thử nghiệm nguyên mẫu và phân tích thống kê ANOVA.

5. Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu này vào các lĩnh vực nào khác?
   Ngoài nanoindentation, các thiết kế và phương pháp tối ưu hóa có thể áp dụng cho các hệ thống định vị chính xác trong y sinh, robot vi mô, MEMS, và các thiết bị đo lường cơ học khác đòi hỏi độ chính xác cao và cấu trúc nhỏ gọn.

Kết luận

• Đã phát triển thành công phương pháp tối ưu hóa lai kết hợp Taguchi, RSM, fuzzy logic và các thuật toán metaheuristic để tối ưu bản lề elliptic và các giai đoạn định vị tuân thủ.
• Thiết kế ba giai đoạn 01-DOF cho đầu indent và ba giai đoạn định vị mẫu vật 2-3 DOF với các cấu trúc khuếch đại đòn bẩy và bản lề đàn hồi đã được xây dựng, mô hình hóa và tối ưu hóa hiệu quả.
• Các giai đoạn định vị đạt được các chỉ số kỹ thuật vượt trội như dịch chuyển đầu ra lên đến 3.862 mm, tần số cộng hưởng trên 100 Hz, và hệ số an toàn trên 1.5, đảm bảo độ chính xác và độ bền cao.
• Kết quả mô phỏng và thử nghiệm nguyên mẫu cho thấy sự phù hợp và hiệu quả của các thiết kế, mở ra hướng phát triển thiết bị nanoindentation nhỏ gọn, chính xác và bền bỉ.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm mở rộng thiết kế đa bậc tự do, tích hợp hệ thống điều khiển và cảm biến, cũng như hợp tác đa ngành để ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng các phương pháp và thiết kế trong luận văn để phát triển các thiết bị đo lường cơ học chính xác, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng và thử nghiệm thực tế nhằm nâng cao hiệu quả và ứng dụng thực tiễn.