PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Các nghiên cứu ngoài nước Trên thế giới có các nghiên cứu gần đây về cơ cấu tạo chuyển động hai bậc tự do như: (a) (b) Hình 1. Cơ cấu 2 bậc tự do XY của công ty PI Trong thiết kế, động học của kết cấu có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của cơ cấu.
Thông thường người ta hay sử dụng các khớp mềm liên kết với nhau thành một chuỗi nối tiếp và song song để tạo thành cơ cấu một, hai bậc tự do. Hình 1 (a) là thiết kế của của hãng PI. Trong thiết kế này các cơ cấu một bậc tự do được liên kết với nhau và xếp chồng lên nhau thành 2 bậc tự do. Thiết kế từng mô-đun này là đơn giản nhưng có trọng lực ở tâm lớn.
Thiết kế ở hình 1(b) được tích hợp và lồng vào nhau. Do đó nó có trọng tâm thấp hơn và động lực học tốt hơn so với hệ thống xếp chồng lên nhau như hình 1(a). Như hình 2 (a), Dagalakis et al. (2011) đề xuất một thiết kế 2 bậc XY có hai cơ cấu mềm song song cho mỗi hướng, để giảm chuyển động không mong muốn trong các dịch chuyển theo X và Y và tạo ra chuyển động tuyến tính và độc lập hơn.
Gao (1999) đã phát triển một hệ thống định vị vi mô nối tiếp (xem hình 2(b)) sử dụng các khớp mềm. Hệ thống này bao gồm các bộ khuếch đại hai cấp và các cơ cấu mềm đối xứng. Phạm vi chuyển động theo hướng X và Y tương ứng 45μm và 40μm, và độ phân 1 Luan van giải chuyển vị là 0. Tần số tự nhiên đầu tiên cho hướng kép là 525 Hz và 558 Hz.
Các cơ cấu 2 bậc tự do XY Việc thiết kế cơ cấu dựa vào các khớp mềm nối tiếp dễ thiết kế hơn so với thiết kế các cơ cấu song song hoặc lồng vào nhau như hình 1. Tuy nhiên, việc di chuyển thiết bị truyền động cồng kềnh dẫn đến lực quán tính cao và giảm hiệu xuất trong quá trình truyền chuyển động, đặc biệt là khi phạm vi chuyển động lớn. Việc di chuyển của cơ cấu như hình 1(a) sẽ gây ra ma sát và độ trễ, là nguồn gây nhiễu cho việc định vị cỡ nano. Trong khi ở các cơ cấu được thiết kế song song, đối xứng và lồng vào nhau hình 1(b), các bộ truyền động có thể được gắn trên một đế cố định tỏ ra tốt hơn về độ cứng, khả năng chịu tải và độ chính xác.
Do đó các cơ cấu song song thích hợp hơn so với những cơ cấu nối tiếp. Cho đến nay, một số thiết kế sử dụng dạng song song hai bậc tự do XY dựa trên khớp mềm với động học song song đã được đề xuất. Yong (2009) đề xuất cơ cấu hai bậc tự do sử dụng khớp mềm có phạm vi chuyển động theo hướng X và Y tương ứng 25μm×25 μm và có tần 3 Luan van số tự nhiên thứ nhất 2. Bên cạnh đó, Yao (2007) đã phát triển một cơ cấu hai bậc tự do XY vi định vị (Hình 3(c)) bao gồm hai liên kết song song liên kết thanh thẳng bốn thanh, và nó có một không gian làm việc vuông 87μm x 87μm với độ phân giải khoảng 20nm.
Choi và Lee (2008) đã đề xuất một cơ cấu mềm hai bậc tự do XY dựa trên các thanh đàn hồi với cấu trúc liên kết 4-PP (P là chữ viết tắt của prismatic joint) như Hình 3(d). Trong đó cơ cấu khuếch đại kép được áp dụng để dẫn hướng, tạo chuyển động thẳng và khuếch đại chuyển vị. Mặc dù thiết kế cơ cấu mềm sử dụng các cơ cấu song song có những ưu điểm đã được đề cập ở trên, một thách thức tồn tại trong dạng thiết kế cơ cấu này là việc tách đầu vào và đầu ra của cơ cấu. Việc tách đầu vào có thể được định nghĩa là cách ly bộ truyền động, điều này có nghĩa là mỗi bộ truyền động sẽ không bị tải trọng thêm do sự kích hoạt của các bộ truyền động khác.
Việc tách đầu ra có nghĩa là một bộ truyền động chỉ dẫn động tác động cuối hoặc giai đoạn di động theo một hướng trục nhất định. Nói chung, khớp nối đầu vào sẽ áp đặt tải không mong muốn trên thiết bị truyền động và thậm chí làm hỏng nó. Khớp nối đầu ra sẽ dẫn đến các mô hình động học phức tạp, và do đó làm cho việc kiểm soát chính xác khó thực hiện. Do đó, để tránh những vấn đề này các thiết kế của cơ cấu mềm phải đảm bảo thiết kế có khả năng tách rời hoàn toàn đầu vào và đầu ra.
Trong một thiết kế hai bậc tự do XY hoàn toàn tách rời, mỗi bộ truyền động độc lập tạo ra chuyển động trên cơ cấu theo từng hướng mà không ảnh hưởng lẫn nhau. Bốn cơ cấu sử dụng các khớp mềm song song để tao cơ cấu hai bậc tự do XY Trong các nghiên cứu trước, chỉ có một thiết kế sử dụng hai cơ cấu song song cho cơ cấu 2 bậc tự do XY đã được đề xuất. Awtar (2007) đã phát triển một cơ cấu 2 bậc tự do XY hoàn toàn tách rời bằng cách sử dụng các thanh đàn hồi song song kép như trong Hình 4 (a) và có một phạm vi chuyển động lớn 5mm × 5mm. Khớp nối trục chéo, mất chuyển động và cách ly hoạt động tốt hơn 1%.
Li et al. (2009) đã đề xuất bộ vi xử lý siêu âm XY dựa trên thanh đàn hồi được tách rời hoàn toàn (Hình 4 (b)) bằng cách sử dụng các thanh đàn hồi song song kép và các bộ khuếch đại dịch chuyển. Không gian làm việc là khoảng 117 μm × 117 μm với chuyển động không mong muốn tối đa là 1,5%, và tần số tự nhiên là khoảng 110,2Hz. Cả hai đều xây dựng các cơ cấu có khả năng tạo chuyển động độc lập và tách rời dựa trên các cơ chế song song 4-PP, và áp dụng các cơ cấu song song kép để có được chuyển động cho hình lăng trụ Hình 4 (a).
Trong nghiên cứu của Yang (2018) như ở Hình 5, kết quả cho thấy: phạm vi chuyển động theo hướng X và Y tương ứng 148.73μm, tần số tự nhiên đầu tiên cho hướng kép là 102. Một cơ cấu tạo chuyển vị có sự kết hợp của khớp mềm và các thanh mềm hình Z (ZFH) như ở Hình 6 của Zhu et al (2016) cho thấy phạm vi chuyển động theo hướng X và Y tương ứng 1.32 mm, tần số tự nhiên đầu tiên cho hướng kép là 56. 5 Luan van (a) (b) Hình 4. Two Completely Decoupled XY Stages Hình 5.
Cơ cấu hai bậc tự do theo phương XY 6 Luan van Hình 6. Cơ cấu mềm sử dụng khớp Z (ZFH) Chen (2018a) đã đề xuất một phương pháp hình thành kết cấu bề mặt mới bằng cách rung phi cộng hưởng hỗ trợ phay. Thứ nhất là chuyển động của những rung động hỗ trợ quá trình phay được xây dựng và hình thành kết cấu bề mặt phay cuối với gia công và độ rung thông số khác nhau được thảo luận. Các loại kết cấu bề mặt có thể được tạo ra bằng cách kết hợp khác nhau của gia công và rung động.
Thứ hai, phương pháp rung phi cộng hưởng 2D được phát triển để nhận ra những rung động trong quá trình xay xát. Thứ ba rung động hỗ trợ thí nghiệm phay được thực hiện để xác minh các phương pháp hình thành kết cấu bề mặt được đề xuất và những ảnh hưởng của các thông số rung và gia công trên kết cấu bề mặt. Cuối cùng chất lượng của bề mặt gia công với kết cấu bề mặt khác nhau được điều tra để chứng minh việc áp dụng các phương pháp được đề xuất. Chen và cộng sự (2018b) đã nghiên cứu về gia công rung hỗ trợ (VAM) là phương pháp gia công bên ngoài để cải thiện quá trình loại bỏ vật liệu bởi chồng tần số cao và biên độ dao động nhỏ vào công cụ hoặc chuyển động phôi.
VAM đã được áp dụng cho một số quá trình gia công bao gồm cả chuyển mài khoan và gần đây hơn phay có dao động hỗ trợ (VAMilling). Để tìm ra các phương trình động học cơ bản của 1D và 2D VAMilling được xây dựng và ba điển hình loại tách công cụ phôi được đề xuất. Các nghiên cứu trong nước Cơ cấu đàn hồi có phạm vi ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế sản xuất như: trong truyền động chính xác (dưới micromet), cơ cấu kẹp hay cơ cấu định vị…Tuy nhiên các 7 Luan van hướng nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi cũng như ứng dụng của cơ cấu này ở trong nước còn nhiều hạn chế có rất ít đề tài nghiên cứu về cơ cấu này và đặc biệt về tài liệu chuyên khảo về cơ cấu đàn hồi ở Việt Nam còn nhiều hạn chế. Nhưng đặc biệt trong những năm gần đây một nhóm tác giả đã bước đầu đi sâu vào nghiên cứu, thiết kế cũng như hướng ứng dụng của cơ cấu này.
Phạm Huy Hoàng và cộng sự (2008) đã đưa ra thiết kế cơ cấu dẫn động với độ phân giải micron. Năm 2013 một nghiên cứu khác của nhóm tác giả Phạm Minh Tuấn và Phạm Huy Hoàng đã nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng cơ cấu ăn dao bằng cơ cấu đàn hồi sử dụng trong máy CNC, nhưng kết quả nghiên cứu chỉ giới hạn ở việc tính toán, mô phỏng mà chưa đi sâu nghiên cứu thực nghiệm Hình 7. Kết quả mô phỏng cơ cấu Phạm Huy Tuân và cộng sự (2013) đã ứng dụng cơ cấu đàn hồi vào lĩnh vực cơ sinh học để phát triển một phương pháp thiết kế mới cùng với một công cụ chế tạo đơn giản nhằm tạo ra một khớp mắt cá chân giả dựa trên nền tảng của cơ cấu đàn hồi và giải thuật di truyền. Ưu điểm của khớp chân giả này có cấu tạo nguyên khối có khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng tạo, tạo sự linh hoat cho người sử dụng (Hình 7) (Pham et al 2014).
8 Luan van Hình 8. Khớp chân giả sử dụng cơ cấu đàn hồi Nhóm tác giả Phạm Huy Tuân và các cộng sự (2015, 2016) đã cải tiến thành công khớp mắt các chân giả để tạo khả năng linh hoạt hơn thiết kế trước đó. Đặc điểm của thiết kế này là sự kết hợp các thanh đàn hồi và các khớp đàn hồi nhằm mục đích tạo chuyển động linh hoạt hơn bằng cách tạo thêm bậc tự do của khớp và có khả năng tích trữ, giải phóng năng lượng khi di chuyển như ở Hình 9.