CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1. Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Các nghiên cứu ngoài nước Trong nghiên cứu về khớp mềm đàn hồi, Paros và Weisbord’s (1965) [1] là những người đặt nềm móng đầu tiên trong việc sử dụng các khớp mềm có biên dạng hình bán nguyệt, hình elip, hình bo góc (Fillet) như hình 1, để thay thế cho dầm công - xon.
Kết quả nghiên cứu này đã thiết kế được các khớp mềm và dựa trên lý thuyết toán học đã xây dựng được mô hình toán về mối quan hệ giũa t, r, a, b, với các hàm chuyển vị, ứng suất và độ cứng của các loại khớp này.1: Khớp bản lề đàn hồi cơ bản 1 Luan van Hình 1. Nghiên cứu này đã so sánh ba loại khớp này với ba mục tiêu là chuyển vị, độ chính xác và ứng suất. Sự so sánh cho thấy rằng khớp mềm hình elip có ứng suất tập trung là nhỏ nhất, khớp mềm hình bo góc (Fillet) có không gian làm việc lớn nhất. Dựa trên một số thay đổi của các thiết kế ban đầu được nghiên cứu bởi Paros và Weisbord vào năm (1965) [1], Smith và các cộng sự (1997) [3] đã đưa ra phương trình khép kín cho khớp đàn hồi hình elip, được giới hạn bởi khớp mềm đàn hồi hình tròn và dầm đơn giản về sự tuân theo, như hình (1.
Các phương trình này sau đó được đánh giá bằng cách so sánh với các kết quả từ phân tích phần tử hữu hạn (FEA) trong một loạt các hình học điển hình của nhiều khớp bản lề thiết kế. Kết quả người ta thấy rằng các dự đoán về sự tuân theo của khớp bản lề elip có thể nằm trong khoảng 12% đối với một phạm vi hình học với tỷ lệ βx (=t/2ax) giữa 0,06 và 0,2 và cho các giá trị của ϵ từ 1 đến 10. 2 Luan van Hình 1.3: Một số khớp mềm bản lề đơn giản được xem xét (a) loại hình tròn, (b) loại elip, (c) loại ít đàn hồi Lobontiu và cộng sự (2001) [4] trình bày các phương trình khép kín của các khớp mềm đàn hồi bo tròn góc (Fillet). So với các khớp mềm đàn hồi hình tròn, chúng có tính uốn cong cao hơn và tạo ra ứng suất thấp hơn nhưng ít chính xác hơn về góc xoay.4: Hình dạng một khớp nối mềm đàn hồi bo tròn góc (Fillet) Lobontiu và cộng sự (2002) [5] đã thiết kế khớp đàn hồi hình dạng parabol, hyperbol sử dụng định lý thứ hai của Castigliano để suy ra các phương trình toán học đường viền của khớp.
Kết quả so sánh giữa hai loại khớp này cho thấy rằng các khớp 3 Luan van đàn hồi hình parabol có góc xoay lớn hơn và gây ra ứng suất nhỏ hơn, trong khi khớp đàn hồi hyperbol có chuyển vị kí sinh là nhỏ hơn.5: Hình dạng hình học của khớp mềm bản lề parabolic (hyperbolic) Cùng với đó việc so sánh không gian làm việc và độ chính xác giữa chúng cho thấy khớp mềm đàn hồi dạng hình tròn cho chuyển vị lớn, trong khi các khớp mềm đàn hồi hyperbolic có khả năng hạn chế sự dịch chuyển của tâm quay. Rongzhou Lin và các cộng sự [6] thiết kế và phân tích khớp đàn hồi hỗn hợp bao gồm một nửa khớp đàn hồi hyperbolic và một nửa khớp đàn hồi bo tròn. Tất cả các phân tích và so sánh nằm trong phạm vi của sự dịch chuyển nhỏ. Định lý thứ hai của Castigliano được sử dụng để suy luận các phương trình dạng khép kín dạng tổng quát mà không giả định áp lực lớn nhất xảy ra ở phần mỏng nhất được đề xuất để đánh giá mức ứng suất tối đa.
Những phương trình này được xác minh bởi FEA và thử nghiệm. Các dự đoán mô hình phân tích nằm trong phạm vi lỗi 8% so với kết quả FEA và nằm trong khoảng 13% sai số so với kết quả thực nghiệm. 4 Luan van Hình 1.6: Khớp mềm bo tròn góc Hyperbolic 1. Các nghiên cứu trong nước 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.
Năm 2008 Phạm Huy Hoàng [7] và cộng sự đã đưa ra thiết kế cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro, nhóm tác giả đã trình bày việc thiết kế một cơ cấu tác động cho chuyển động thẳng có độ phân giải micro có khả năng tải và khoảng di chuyển lớn dựa trên kết hợp thanh piezo nhiều lớp, phần dẫn, bộ phận khuếch đại vi sai (hình 1.7) và phần bị dẫn.7: Cơ cấu khuếch đại vi sai 5 Luan van Năm 2014 nhóm tác giả Phạm Huy Tuân [8] và cộng sự đã phát triển một phương pháp thiết kế mới cùng với một công cụ chế tạo đơn giản cho khớp mắt cá chân giả dựa trên nền tảng của cơ cấu đàn hồi và giải thuật di truyền. Khớp chân giả có cấu tạo nguyên khối, có khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng (hình 1.8: Khớp chân giả sử dụng cơ cấu đàn hồi Năm 2017 Van-Khien Nguyen và các cộng sự [9] trình bày thiết kế tối ưu của cơ cấu ăn dao ứng dụng cho quá trình gia công CNC chính xác. Thiết kế được xác nhận trong mô hình FEA - 3D sử dụng ANSYS. Kết quả cho thấy tỷ lệ khuếch đại tối đa thu được từ cơ cấu ăn dao là 6,8 (hình 1.
6 Luan van Hình 1.9: Kết quả mô phỏng của CGM Cũng vào năm 2017 Van-Khien Nguyen, và các cộng sự [10] đã giới thiệu việc thiết kế tối ưu cơ cấu ăn dao trên cơ sở cơ cấu mềm. Trong thiết kế, khớp mềm dạng bán nguyệt được lựa chọn nhằm khử khe hở, tạo chuyển động chính xác và tăng độ lớn dịch chuyển. Dựa vào phân tích động lực học, phân tích thống kê và được phân tích bằng FEA. Phương pháp Taguchi được dùng để đánh giá và chọn biến thiết kế, sau đó bài toán tối ưu hóa để cải thiện các đặc tính tĩnh học và động học của cơ cấu ăn dao được giải quyết bằng giải thuật gene và phương pháp đáp ứng bề mặt dựa trên kết quả phân tích phần tử hữu hạn.
Kết quả mô phỏng cho thấy cơ cấu ăn dao có phạm vi hoạt động lớn hơn 380 µm với tần số tự nhiên đầu tiên 170 Hz, chuyển động ký sinh dưới 7 µm (hình 1. 7 Luan van Hình 1.10: (a) Khớp bán nguyệt; (b) Cơ cấu ăn dao chính xác 1. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật, nhiều thiết bị máy móc hiện đại được ra đời với yêu cầu về độ chính xác ngày càng cao. Các kết cấu cơ khí truyền thống thường được liên kết với nhau bằng các khớp cứng do đó khi hoạt động sẽ có rung động gây ra ma sát, tiếng ồn, chóng bị mài mòn, tạo ra các khe hở, tốn chi phí lắp ráp và bảo trì.
Vì vậy rất cần có những cơ cấu thích hợp khi hoạt động sẽ loại bỏ được các nhược điểm trên. Với những ưu điểm vượt trội so với các cơ chế truyền thống như không có ma sát, có độ phân giải cao, trọng lượng nhẹ và khả năng thu nhỏ, cơ cấu đàn hồi với khớp đàn hồi đang được sử dụng rộng rãi trong những ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao trong một không gian làm việc tương đối nhỏ. Những ứng dụng cụ thể cho loại cơ cấu này bao gồm: thiết bị định vị micro/nano, thiết bị căn chỉnh chính xác cho sợi quang, và các hệ thống vi điện cơ. Trong nghiên cứu khớp mềm người ta luôn mong muốn tạo được chuyển vị mong muốn lớn, chuyển động theo và ứng suất tập trung của khớp mềm nhỏ.
Tuy nhiên, các đặc tính này luôn đối lập nhau. Do vậy cần phải tìm được điểm dung hòa tùy theo từng ứng dụng cụ thể. Đề tài “Nghiên cứu tối ưu hình dạng khớp đàn hồi cho các thiết bị định vị chính xác trong cơ khí” hướng tới giải quyết các vấn đề đã nêu. Ưu điểm của khớp mềm mới là có khả năng tích trữ 8 Luan van năng lượng tốt, ứng suất tập trung nhỏ dẫn đến tuổi thọ của khớp cao, chuyển động theo (chuyển động ký sinh) nhỏ và sự chuyển vị lớn hơn khớp mềm trước đó.
Các khớp mềm này sẽ được ứng dụng vào cơ cấu truyền chuyển động cơ khí chính xác cỡ micro, cơ cấu ăn dao, bàn máy 2 bậc tự do, cơ cấu ổn định lực và ứng dụng trong cơ sinh học. Mục đích của đề tài Đề tài này đi sâu nghiên cứu và tìm kiếm một số loại khớp mềm mới nhằm đóng góp cho lĩnh vực cơ cấu mềm. Mục đích của loại khớp mềm mới này là tạo chuyển vị lớn hơn và ứng suất tập trung nhỏ hơn các khớp mềm hiện có nhưng vẫn đảm bảo được độ phân giải tương đương với các khớp mềm hiện có. Giảm thiểu thời gian lắp ráp của các khớp lại với nhau, loại bỏ được ma sát và tiếng ồn sinh ra khi các khớp hoạt động.
Tăng hiệu năng hoạt động của cơ cấu, tăng độ chính xác cho các thiết bị, máy móc. Đưa ra ứng dụng khớp đàn hồi mới cho các thiết bị định vị chính xác trong cơ khí. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu tối ưu hình dạng một loại khớp đàn hồi mới cho các thiết bị định vị chính xác trong cơ khí.
Các thông số vật liệu dùng trong mô phỏng bằng vật liệu hợp kim Nhôm (7075 - T6) với các thông số của vật liệu như sau: Mô đun đàn hồi E = 71,7 GPa, hệ số Poisson là 0,33, giới hạn đàn hồi là 503 MPa và khối lượng riêng ρ = 2810 kg/m3, kết hợp với vật liệu Silicone. Phạm vi nghiên cứu Trong khả năng có hạn, sự giới hạn về cơ sở vật chất và kinh phí thực hiện nên: tác giả chỉ dừng lại ở mức độ “Nghiên cứu tối ưu hình dạng khớp đàn hồi cho các thiết bị định vị chính xác trong cơ khí” bằng vật liệu hợp kim nhôm (7075 - T6) với các 9 Luan van thông số của vật liệu như sau: Modul đàn hồi E = 71,7 GPa, hệ số Poisson là 0,33, giới hạn đàn hồi là 503 MPa và khối lượng riêng ρ = 2810 kg/m3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1. Cách tiếp cận Một mô hình được xây dựng dựa trên cơ sở nền tảng và các đặc điểm hợp lý của khớp đàn hồi trong các nghiên cứu đã được công bố.
Phân tích so sánh một số mẫu thiết kế để chọn ra được mẫu thiết kế tối ưu nhất.