TỔNG QUAN
Lời nói đầu
Trong thời đại hiện đại hóa và công nghiệp 4.0, vai trò của máy móc và công nghệ trở nên vô cùng quan trọng, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí với sự phát triển không ngừng của các máy cơ cấu và máy móc, đặc biệt là cơ cấu mềm Hệ thống dữ liệu ngày càng ảnh hưởng mạnh mẽ đến xã hội, và trong ngành công nghiệp, việc sử dụng dữ liệu đã trở nên phổ biến hơn bao giờ hết Các doanh nghiệp sản xuất thu thập một lượng lớn thông tin thông qua các hoạt động đo lường và kiểm tra, nhằm đưa ra những quyết định quan trọng trong quá trình sản xuất và chế tạo.
Trong đồ án “Nghiên cứu phát triển và thiết kế hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm trong hệ thống định vị chính xác”, nhóm đã áp dụng linh hoạt các kiến thức đã học và tiến hành trao đổi với giảng viên hướng dẫn cũng như giữa các thành viên trong nhóm Qua đó, nhóm đã tìm ra những phương án hợp lý và thuận lợi nhất để thực hiện đồ án một cách hiệu quả.
Nhóm hy vọng với đề tài này sẽ làm cơ sở nghiên cứu cho các nhóm sau có thể phát triển, mở rộng hơn nữa.
Tổng quan về đề tài
Trong bối cảnh thế giới 4.0 và thị trường cạnh tranh, nhu cầu về thiết kế chất lượng cao, tiết kiệm và an toàn ngày càng tăng Những tiến bộ trong lý thuyết cơ cấu mềm, vật liệu chất lượng vượt trội và công nghệ in 3D đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của các ứng dụng cơ cấu mềm Hiện nay, các doanh nghiệp sản xuất đang khai thác dữ liệu nhiều hơn bao giờ hết, thu thập thông tin qua đo lường và kiểm tra để đưa ra quyết định quan trọng trong quy trình sản xuất Mặc dù việc đo kiểm cơ cấu mềm đã phổ biến ở nước ngoài, nhưng tại Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế, điều này thúc đẩy nhóm chúng tôi muốn nghiên cứu và phát triển đề tài này.
Dựa trên kiến thức về cơ khí và điện tử, cùng sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn, nhóm chúng em đã chọn đề tài "Nghiên cứu phát triển và thiết kế hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm trong hệ thống định vị chính xác".
Mục tiêu đề tài
Đề tài có 2 mục tiêu chính:
-Thứ nhất,tìm tòi và nghiên cứu sâu hơn về cơ cấu mềm Tính toán, thiếtkế cơ cấu mềm
- Thứ hai, tìm hiểu về hệ thống điều khiển đo kiểm chính xác Thiết kế hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho cấu mềm.
Phạm vi đề tài
- Cơ cấu mềm một bậc tự do với hệ số an toàn trên 1.8 và độ khuếch đại của đầu ra trên 10
- Xây dựng hệ thống điện đo đặc tính đầu ra
- Dùng phần mềm LabVIEW để lập trình đo dộ dịch chuyển đầu ra của cơ cấu mềm.
Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu sách, bài báo khoa học, tài liệu trên internet về cơ cấu mềm, hệ thống đo
- Thiết kế cơ cấu mềm trên phần mềm Inventor
- Tìm hiểu Datasheet của các thiết bị điện để lựa chọn thiết bị phù hợp và cách kết nối
- Tìm hiểu về phần mềm lập trình LabVIEW.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ cấu mềm
Cơ cấu là thiết bị cơ khí dùng để truyền hoặc biến đổi chuyển động, lực hoặc năng lượng Các cơ cấu cứng truyền thống gồm những thanh cứng nối với nhau tại các khớp, như động cơ pittông, nơi đầu vào tuyến tính được chuyển đổi thành vòng quay đầu ra và lực đầu vào thành mô-men xoắn đầu ra Một ví dụ khác là chiếc kìm, truyền năng lượng từ lực của bàn tay đến răng kẹp Nhờ vào việc bảo toàn năng lượng giữa đầu vào và đầu ra (bỏ qua tổn thất ma sát), lực đầu ra có thể lớn hơn nhiều so với lực đầu vào, trong khi độ dịch chuyển đầu ra lại nhỏ hơn nhiều so với độ dịch chuyển đầu vào.
Hình 2.1: Các cơ cấu cứng [11]
2.1.2 Cơ cấu mềm là gì? [1, 11]
Cơ cấu mềm là loại cơ cấu có khả năng truyền hoặc biến đổi chuyển động, lực và năng lượng, nhưng khác với cơ cấu cứng, chúng có tính di động nhờ vào sự lệch hướng của các bộ phận linh hoạt Một ví dụ điển hình về cơ cấu mềm được minh họa trong hình.
(b) Hình 2.2: Một số ví dụ về cơ cấu mềm [11]
2.1.3 Sự ra đời của cơ cấu mềm [1]
Cơ cấu mềm đã được sử dụng để lưu trữ năng lượng và tạo ra chuyển động từ hàng nghìn năm trước, với bằng chứng khảo cổ cho thấy cung đã xuất hiện từ 8000 trước công nguyên, trở thành vũ khí và công cụ săn bắn chủ yếu trong nhiều nền văn hóa Những chiếc cung đầu tiên được làm từ vật liệu mềm dẻo như gỗ và gân động vật, chuyển hóa năng lượng căng thành động năng cho mũi tên Máy bắn đá, một phát minh của người Hy Lạp từ thế kỷ thứ tư trước Công nguyên, cũng sử dụng nguyên lý tương tự, với các bộ phận bằng gỗ để lưu trữ và giải phóng năng lượng Hơn nữa, các bộ phận linh hoạt đã được áp dụng để mô phỏng chuyển động của các khớp quay, chẳng hạn như bản lề uốn của bìa sách, thông qua việc điều chỉnh thành phần vật liệu và độ dày tại điểm uốn Vào đầu thế kỷ 20, nhiều phương pháp mới đã được phát triển để khai thác chuyển động này cho các ứng dụng khác nhau.
2.1.4 Ưu điểm của cơ cấu mềm [1, 11]
Các cơ cấu mềm có thể được cân nhắc sử dụng trong một ứng dụng cụ thể vì nhiều lý do
Cơ cấu mềm mang lại lợi thế giảm đáng kể số lượng bộ phận cần thiết để hoàn thành một nhiệm vụ cụ thể Bằng cách sử dụng các bộ phận linh hoạt thay vì các thành phần cứng như lò xo, chốt và bản lề, số lượng thành phần cho một cơ chế tuân thủ có thể giảm đáng kể Ví dụ, bộ ly hợp sử dụng cơ cấu mềm có ít thành phần hơn so với phiên bản cứng tương ứng, cho thấy sự hiệu quả trong thiết kế và tính linh hoạt của cơ cấu mềm.
Hình 2.5: Bộ ly hợp sử dụng cơ cấu mềm (a) và cơ cấu cứng (b) [1]
Quy trình sản xuất các cơ chế phù hợp rất linh hoạt, cho phép chế tạo đơn giản từ các tấm vật liệu phẳng như polypropelene Những cơ chế này có thể được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm gia công, dập, cắt laser, cắt tia nước, in 3D và EDM, nhờ vào khả năng nhận chuyển động từ các vùng linh hoạt.
Hình 2.6: Kẹp gắp mềm được chế tạo từ 1 khối duy nhất [11]
Cơ cấu mềm có chi phí sản xuất thấp nhờ vào việc ít bộ phận và quy trình sản xuất đơn giản Việc giảm số lượng bộ phận không chỉ đơn giản hóa quy trình sản xuất mà còn giúp tiết kiệm thời gian và chi phí lắp ráp Các cơ cấu này dễ dàng được sản xuất vì chúng tương thích với nhiều quy trình sản xuất khác nhau, ví dụ như việc sử dụng vật liệu có thể ép phun và chế tạo từ một mảnh duy nhất.
Hình 2.7: Chiếc kéo sử dụng cơ cấu mềm [11]
Cơ cấu truyền thống thường mất độ chính xác do mài mòn và độ rơ, trong khi cơ cấu mềm giúp cải thiện chuyển động chính xác bằng cách giảm thiểu mài mòn Các cơ cấu cứng phụ thuộc vào các chốt và bản lề, dẫn đến sự mài mòn khi các bộ phận cọ xát với nhau, làm thay đổi hình dạng và chuyển động của cơ chế Ngược lại, cơ cấu mềm sử dụng vật liệu uốn cong, giúp giảm đáng kể độ mài mòn vì không có bộ phận nào cọ xát vào nhau Độ rơ, thường do dung sai giữa các phần kết nối, cũng có thể được giảm thiểu hoặc loại bỏ trong cơ cấu mềm nhờ vào việc giảm số lượng phần kết nối Điều này thường được áp dụng trong thiết kế thiết bị đo đạc, đồng thời giúp giảm rung và tiếng ồn do các khớp xoay và trượt của cơ cấu cứng.
Các cơ cấu mềm với số lượng khớp di động ít hơn, như chốt quay và khớp trượt, mang lại hiệu suất cao nhờ giảm ma sát và nhu cầu bôi trơn Điều này rất quan trọng cho các ứng dụng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, đặc biệt là trong không gian, nơi chất bôi trơn có thể bay hơi trong điều kiện trọng lực thấp Thiết bị con trỏ tuân thủ được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng này, đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu trong những điều kiện khó khăn.
Hình 2.8: Cơ cấu mềm được thiết kế đặc biệt trong không gian [11]
Các cơ chế tuân thủ có kích thước nhỏ là một ưu điểm nổi bật, cho phép dễ dàng thu nhỏ Việc sử dụng các cấu trúc vi mô, bộ truyền động và cảm biến đơn giản đang trở nên phổ biến, với nhiều hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) hứa hẹn Giảm số lượng bộ phận và khớp nối nhờ vào các cơ chế phù hợp mang lại lợi thế lớn trong chế tạo cơ chế vi mô Những cơ chế vi mô này có thể được sản xuất bằng công nghệ và vật liệu tương tự như những gì được sử dụng trong chế tạo mạch tích hợp.
Cơ cấu mềm mang lại tính linh động vượt trội, cho phép giảm trọng lượng đáng kể so với cơ cấu cứng, điều này đặc biệt quan trọng trong ngành hàng không vũ trụ và các ứng dụng khác Việc áp dụng các cơ chế tuân thủ không chỉ giúp giảm trọng lượng mà còn tiết kiệm chi phí vận chuyển cho các sản phẩm tiêu dùng.
Cơ cấu mềm có khả năng dự đoán nhờ vào việc lưu trữ năng lượng dưới dạng năng lượng biến dạng trong các khớp mềm Năng lượng này tương tự như thế năng trong một lò xo bị lệch hướng, cho phép tích hợp các tác động của lò xo vào thiết kế cơ chế Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc lưu trữ và biến đổi năng lượng, giúp giải phóng năng lượng một cách dễ dàng khi cần thiết.
2.1.5 Thách thức của cơ cấu mềm [1, 11]
Phân tích và thiết kế các cơ cấu mềm trong tổ hợp hệ thống phức hợp là một thách thức lớn, đòi hỏi kiến thức sâu rộng về các phương pháp phân tích cơ chế và độ lệch của các khớp mềm Sự kết hợp giữa hai khối kiến thức này không chỉ cần hiểu biết riêng lẻ mà còn phải nắm vững sự tương tác của chúng trong một hệ thống phức tạp.
Phương trình phi tuyến tính trở nên cần thiết do biến dạng dẻo lớn, khiến các phương trình tuyến tính không còn giá trị Để giải thích sự phi tuyến hình học do độ lệch lớn, các phương trình phi tuyến phải được áp dụng Trong quá khứ, nhiều cơ cấu mềm đã được thiết kế theo phương pháp thử và sai, nhưng phương pháp này chỉ hiệu quả với các hệ thống đơn giản và không tối ưu về chi phí cho nhiều ứng dụng Lý thuyết mới đã được phát triển nhằm đơn giản hóa việc phân tích và thiết kế các cơ cấu mềm, giảm bớt những hạn chế trước đây Tuy nhiên, phân tích và thiết kế cơ chế tuân thủ vẫn gặp nhiều khó khăn hơn so với cơ chế thân cứng.
Lưu trữ năng lượng trong các khớp mềm mang lại lợi thế vì giúp đơn giản hóa cơ chế kết hợp với lò xo và tạo ra mối quan hệ về độ lệch lực cụ thể Tuy nhiên, trong một số ứng dụng, việc lưu trữ năng lượng này có thể trở thành bất lợi, đặc biệt khi chức năng của cơ cấu mềm là truyền năng lượng từ đầu vào sang đầu ra, vì không phải toàn bộ năng lượng được truyền đi do một phần năng lượng bị lưu trữ trong cơ chế.
Độ bền mỏi là một yếu tố quan trọng trong thiết kế các cơ cấu mềm, đặc biệt khi so với các cơ cấu cứng Các bộ phận cơ cấu mềm thường phải chịu tải theo chu kỳ do cơ chế tuân thủ, vì vậy việc đảm bảo tuổi thọ mỏi đủ để thực hiện chức năng là rất cần thiết Hơn nữa, các khớp mềm có thể chịu tác động trong thời gian dài, điều này càng làm tăng yêu cầu về độ bền mỏi trong thiết kế.
Khớp mềm [5]
Khớp mềm là yếu tố quan trọng trong cơ cấu mềm, hỗ trợ xoay tương đối cho các phần tử cứng nhờ khả năng uốn, thay vì sử dụng khớp quay truyền thống Gần đây, nhiều loại khớp mềm đã được nghiên cứu và cải tiến, đặc biệt là khớp mềm hình elip Nghiên cứu này đã dẫn đến việc phát triển các công thức chính xác để tính toán khớp mềm bo góc đối xứng Bên cạnh đó, một phân loại khớp mềm được đề xuất dựa trên nguyên tắc chức năng và cấu trúc hình học liên quan.
Khớp mềm được chia thành hai loại chính: khớp mềm đơn giản và khớp mềm phức tạp Khớp mềm trục đơn có tiết diện hình chữ nhật với chiều rộng không đổi và chiều cao thay đổi Loại khớp này có thể được phân loại theo hình dạng mặt cắt ngang, bao gồm khớp mềm kiểu notch và khớp mềm phức tạp Khớp mềm notch, đặc biệt, được sử dụng phổ biến trong các hệ thống chính xác macro, micro và nano, với các dạng như khớp mềm hình tròn, khớp mềm bo cong góc, khớp mềm hình chữ V, khớp mềm hình elip, khớp mềm hình parabolic và khớp mềm hình hyperbol.
(a) Khớp hình tròn (b) Khớp lá bo góc (c) Khớp hình elip (d) Khớp hình chữ V
(e) Khớp hình Hyberbol (f) Khớp hình Parabolic
Hình 2.12: Các loại khớp mềm kiểu notch [5]
(a) Khớp mềm dải chéo (b) Khớp mềm kiểu bánh xe
(c) Khớp mềm dạng lá (d) Khớp mềm Hyperbol
Hình 2.13: Khớp mềm phức tạp [5]
LabVIEW [2]
LabVIEW (viết tắt của Laboratory Virtual Instrumentation) là một môi trường lập trình đồ họa hiệu quả, cho phép giao tiếp đa kênh giữa con người, thuật toán và thiết bị Engineering Workbench Khác với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, Python hay Basic, LabVIEW sử dụng các khối thay vì từ khóa cố định, giúp việc lập trình trở nên trực quan và đơn giản hơn Sự đơn giản và dễ học của LabVIEW đã làm cho nó trở thành công cụ phổ biến trong thu thập dữ liệu từ cảm biến, phát triển thuật toán và điều khiển thiết bị trong các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới, đặc biệt là đối với kỹ sư, nhà khoa học và giảng viên.
LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình đồ họa, cho phép lập trình các chương trình trên máy tính tương tự như các ngôn ngữ lập trình văn bản như C, Python, Java và Basic Nó giúp các kỹ sư, nhà khoa học và sinh viên xây dựng thuật toán một cách nhanh chóng và dễ hiểu thông qua các khối hình ảnh trực quan và phương pháp hoạt động theo kiểu dòng dữ liệu từ trái qua phải Các thuật toán này có thể được áp dụng vào các mạch điện và cơ cấu chấp hành thực tế thông qua việc kết nối với LabVIEW qua nhiều chuẩn giao tiếp như RS232, USB, TCP/IP, UDP và GPIB Do đó, LabVIEW được coi là một ngôn ngữ giao tiếp đa kênh, hỗ trợ hầu hết các hệ điều hành như Windows, Linux và MacOS.
Hình 2.14: Biểu tượng của ứng dụng LabVIEW
2.3.2 Các ứng dụng của LabVIEW
LabVIEW được sử dụng trong các lĩnh vực đo lường, tự động hóa, cơ điện tử, robotics, vật lý, toán học, sinh học, vật liệu, ôtô
- LabVIEW giúp kỹ sư kết nối bất kỳ cảm biến, và bất kỳ cơ cấu chấp hành nào với máy tính
- LabVIEW có thể được sử dụng để xử lý các kiểu dữ liệu như tín hiệu tương tự (analog), tín hiệu số (digital) hình ảnh (vision), âm thanh (audio)…
- LabVIEW hỗ trợ các giao thức giao tiếp khác nhau như RS232, RS485, TCP / IP, PCI, PXI, và như vậy
LabVIEW, với vai trò là một trình biên dịch 32-bit, cho phép bạn tạo ra các thực thi độc lập và thư viện chia sẻ, chẳng hạn như thư viện liên kết động DLL.
Hình 2.15: Thu thập dữ liệu tại Cơ quan hàng không và vũ trụ - NASA [2]
Hình 2.16: Thu thập dữ liệu từ cảm biến đo gió trong ôtô và thí nghiệm thuật toán chuyển đổi cảm biến [2]
Hình 2.17: Robot dưới nước (Spider) được phát triển dựa trên LabVIEW của công ty
Hình 2.18: Hệ thống đo lường, giám sát và điều khiển trong công nghiệp [2]
Hình 2.19: Hệ thống lái không trục lái tại phòng thí nghiệm Biorobotics, KUT, Hàn
2.4.1 Giới thiệu về bộ thu thập dữ liệu I/O NI USB-6001 [2]
NI USB-6001 là một bộ thu thập dữ liệu DAQ chất lượng cao với chi phí thấp từ National Instruments, cung cấp các kênh I/O analog và kỹ thuật số cùng bộ đếm 32 bit, giúp tăng cường khả năng làm việc linh hoạt Thiết bị này lý tưởng cho các ứng dụng như ghi dữ liệu đơn giản, phép đo linh hoạt và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm học thuật Với thiết kế vỏ bọc nhẹ và hỗ trợ bus, USB-6001 dễ dàng di chuyển và kết nối với các cảm biến và tín hiệu thông qua vít Ngoài ra, thiết bị còn đi kèm với tiện ích cấu hình và trình điều khiển hỗ trợ.
NI-DAQmx giúp đơn giản hóa cấu hình và thực hiện phép đo, tương thích với phần mềm LabVIEW, LabWindow/CVI và Measurement Studio cho Visual Studio NET NI USB 6001 mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng giao tiếp dễ dàng với máy tính qua cổng USB, chu kỳ lấy mẫu nhanh, độ chính xác cao, và hỗ trợ cho các hệ điều hành Windows, Linux và Mac.
2.4.2 Sơ đồ chân và thông số của NI USB-6001
Hình 2.22: Kích thước Card NI USB 6001 [4]
Hình 2.23: Sơ đồ chân Card NI USB-6001 [4]
Các chân I/O của NI USB 6001 bao gồm 2 phần:
+ 8 chân Analog Input từ AI0 tới AI7
+ 2 chân Analog Output là AO0 và AO1
+ Port 0: 8 kênh P0. Digital input/output + Port 1: 4 kênh P1.0 Digital input/output
P1.1/PF1 Digital input/output counter hoặc digital trigger
P1. Digital input/output + Port 2: 1 kênh P2.0/PFI0 Digital input/output counter hoặc digital trigger Bảng 2.1: Datasheet Analog của card NI USB-6001 [4]
Hỗ trợ hệ điều hành Window, Linux, Mac OS Đọc tín hiệu Analog
8 (Single-ended) Độ phân giải 14-bit
Ngưỡng điện áp giới hạn lớn nhất ±10 V
Tốc độ cập nhật 5 kS/s Độ phân giải 14-bit
Tín hiệu điều khiển dòng điện ±5 mA
Phân tích phần tử hữu hạn (FEA)
Phương pháp phần tử hữu hạn là một kỹ thuật số gần đúng, được sử dụng để giải quyết các bài toán mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong các miền xác định có hình dạng phức tạp và điều kiện biên đa dạng, nơi mà nghiệm chính xác không thể tìm được bằng các phương pháp giải tích truyền thống.
Phương pháp này dựa trên việc rời rạc hóa miền xác định của bài toán bằng cách chia thành nhiều phần tử con, liên kết tại các điểm nút chung Trong mỗi phần tử, nghiệm được chọn là một hàm số xác định thông qua các giá trị chưa biết tại các điểm nút, gọi là hàm xấp xỉ thỏa mãn điều kiện cân bằng Tập hợp các phần tử phải chú ý đến điều kiện liên tục của sự biến dạng và chuyển vị tại các điểm nút liên kết Kết quả dẫn đến một hệ phương trình đại số tuyến tính, trong đó ẩn số là các giá trị của hàm xấp xỉ tại các điểm nút Giải hệ phương trình này sẽ xác định được các giá trị của hàm xấp xỉ trên mỗi phần tử.
Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) là một phương pháp mà máy tính khởi tạo mô hình về vật liệu hoặc thiết kế để phân tích và đưa ra kết quả cụ thể FEA thường được áp dụng trong thiết kế sản phẩm mới và cải tiến sản phẩm hiện có Ngoài ra, nó cũng được sử dụng để phân tích cấu trúc máy công cụ nhằm đáp ứng yêu cầu của sản phẩm hoặc điều kiện dịch vụ mới Hiện nay, có hai loại phân tích chính được các ngành công nghiệp sử dụng trong quá trình này.
Mô hình 2-D giữ nguyên tính đơn giản của thiết kế cơ bản, cho phép phân tích trên máy tính với bộ nhớ sử dụng tương đối thấp, mặc dù kết quả có thể không chính xác bằng các mô hình phức tạp hơn.
Mô hình 3-D mang lại kết quả chính xác và thiết thực hơn, tuy nhiên để đạt hiệu quả tối ưu, cần sử dụng máy tính có tốc độ xử lý nhanh.
Trong các hệ thống mô hình 2-D và 3-D, lập trình viên FEA có thể tích hợp nhiều thuật toán để điều khiển hoạt động của hệ thống theo cách tuyến tính hoặc không tuyến tính Hệ thống tuyến tính thường đơn giản hơn và không xem xét các biến dạng dẻo tiềm ẩn, trong khi hệ thống phi tuyến tính phức tạp hơn, cho phép phân tích biến dạng dẻo và kiểm tra vật liệu đến mức độ phá hủy hoàn toàn, bao gồm cả điều kiện đứt gãy và các sai sót vật liệu.
FEA sử dụng một hệ thống phức tạp gồm các nút (node) tương quan với nhau để tạo ra mạng lưới điều khiển Mạng lưới này được lập trình để chứa đặc tính của vật liệu và cấu trúc, giúp xác định phản ứng của cấu trúc dưới các điều kiện tải khác nhau Các nút được ấn định với mật độ cụ thể dựa trên mức ứng suất dự đoán, với các vùng có ứng suất cao thường nhạy cảm hơn so với những vùng khác Các điểm quan tâm có thể bao gồm các điểm đứt gãy, vị trí bán kính vê tròn, góc nhọn và các khu vực chịu ứng suất cao Mạng lưới hoạt động tương tự như mạng nhện, với các phần tử lưới mở rộng từ mỗi nút đến các nút lân cận, truyền tải thuộc tính vật chất đến đối tượng và tạo ra ba phần tử nút.
Hệ thống đo kiểm [8]
Hệ thống đo lường bao gồm các dụng cụ và thiết bị máy móc được thiết kế để đo đạc các chỉ số cần thiết Nhờ vào hệ thống này, con người có thể ứng dụng các thông số vào nghiên cứu, thống kê, kiểm tra, sản xuất và kinh doanh Hệ thống đo lường cung cấp nhiều số liệu và thông tin chính xác, hỗ trợ quá trình ra quyết định và nâng cao hiệu quả trong các hoạt động khác nhau.
Bộ đo lường cơ bản bao gồm các chỉ số về chiều dài, chiều rộng, thời gian và khối lượng Ngoài ra, các hệ đo nâng cao còn bổ sung cường độ dòng điện và diện tích, cho phép xác định các chỉ số cho nhiều sự vật và hiện tượng khác nhau.
Hệ thống đo lường sẽ sử dụng tất cả các nguồn lực số hóa để phục vụ đời sống sản xuất với những tính năng cơ bản sau:
Hệ thống đo lường thông minh có khả năng tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau nhờ vào các cảm biến hiện đại, đảm bảo quá trình hiệu chuẩn được duy trì liên tục.
- Thông qua các công cụ đo lường thông minh, con người có thể thu thập và xử lý được nhiều loại dữ liệu theo thời gian thực
Đo lường cho phép đánh giá mức độ phù hợp, hiệu suất và tính năng của các vật thể, từ đó tạo ra cầu nối quan trọng cho sự phát triển của mô hình sản xuất thông minh.
Kết quả từ hệ thống đo lường sẽ là nền tảng cho việc sản xuất và tiêu thụ năng lượng hiệu quả, giúp giảm thiểu tác động của các yếu tố môi trường bên ngoài.
- Đồng thời, hệ số đo chính xác cũng giúp nhà máy sản xuất được sản phẩm chất lượng đạt tiêu chuẩn.
NI-DAQmx
NI-DAQmx được thiết kế để tối ưu hóa việc sử dụng phần cứng thu thập dữ liệu NI (DAQ), giúp tiết kiệm thời gian phát triển và nâng cao hiệu suất cho các ứng dụng thu thập dữ liệu Trong dự án này, nhóm sẽ tận dụng hầu hết các chức năng của DAQmx để thu thập và xử lý dữ liệu hiệu quả.
Giao diện lập trình ứng dụng NI-DAQmx là một tính năng giúp tiết kiệm thời gian phát triển đáng kể, vì nó đồng nhất về chức năng trên cả thiết bị và dòng thiết bị Tất cả các chức năng của thiết bị đa chức năng, bao gồm đầu vào tương tự, đầu ra tương tự, I/O kỹ thuật số và bộ đếm, đều được lập trình bằng cùng một bộ chức năng Hơn nữa, cả thiết bị I/O kỹ thuật số và thiết bị đầu ra tương tự cũng sử dụng bộ chức năng này, nhờ vào tính đa hình trong LabVIEW.
VI đa hình hỗ trợ nhiều loại dữ liệu cho một hoặc nhiều đầu vào và/hoặc đầu ra API NI-DAQmx đảm bảo tính nhất quán trên tất cả các môi trường lập trình hiện tại.
Trợ lý DAQ của NI-DAQmx là một tính năng nổi bật giúp nâng cao trải nghiệm phát triển ứng dụng của bạn Công cụ này cho phép bạn tạo ra các ứng dụng mà không cần lập trình, thông qua giao diện đồ họa để cấu hình các tác vụ thu thập dữ liệu từ đơn giản đến phức tạp Hơn nữa, việc đồng bộ hóa - thường là một quy trình phức tạp do yêu cầu định tuyến tín hiệu kích hoạt và đồng hồ - trở nên dễ dàng hơn với NI-DAQmx, vì nó tự động thực hiện việc định tuyến tín hiệu giữa các khu vực chức năng khác nhau của thiết bị và giữa nhiều thiết bị.
Một tính năng quan trọng của kiến trúc NI-DAQmx là khả năng đo lường đa luồng, cho phép nhiều hoạt động thu thập dữ liệu diễn ra đồng thời Điều này không chỉ cải thiện đáng kể hiệu suất của các ứng dụng với nhiều hoạt động mà còn đơn giản hóa quá trình lập trình cho các ứng dụng này.
THIẾT KẾ
Cơ cấu mềm
3.1.1 Yêu cầu đặt ra dối với cơ cấu mềm
- Cơ cấu mềm có 1 bậc tự do
- Cơ cấu mềm khuếch đại trên 10 lần
* Cơ cấu mềm chuyển vị khuếch đại
Theo truyền thống, một cơ cấu cần được thiết kế để khuếch đại giá trị của lực hoặc chuyển vị, bao gồm một thanh cứng đặt trên một bản lề cố định Điểm O là bản lề cố định, điểm A là đầu vào và điểm B là vị trí đầu ra Cơ cấu hai cần được thiết kế để khuếch đại dịch chuyển đầu ra và đảm bảo chuyển động nhỏ dựa trên cấu trúc đối xứng Để đạt được dịch chuyển đầu ra lớn hơn, bộ khuếch đại dịch chuyển bốn đòn bẩy đã được giới thiệu.
Hình 3.1: Nguyên lý đòn bẫy của cơ cấu mềm [5]
Hình 3.2: Sư khuếch đại của cơ cấu đòn bẩy [5]
Từ hình, ta có thể thấy được độ khuếch đại của đòn bẩy = y2/y1 = x2/x1
* Lựa chọn khớp mềm cho cơ cấu
Trong những năm gần đây, nghiên cứu và cải tiến các loại khớp mềm linh hoạt đã đạt được nhiều tiến bộ Dựa trên kết quả nghiên cứu về khớp mềm hình elip, các công thức chính xác để tính toán khớp mềm bo góc đối xứng đã được đề xuất Bài viết cũng cung cấp một cái nhìn tổng quan về phân loại khớp mềm dựa trên nguyên tắc chức năng và cấu trúc hình học Nhóm nghiên cứu quyết định sử dụng khớp cầu để tối ưu hóa thiết kế và tính toán.
Hình 3.3: Khớp cầu cho cơ cấu mềm [5]
Nhôm 7075 là một hợp kim nhôm biến dạng hóa bền với độ bền rất cao, được coi là loại nhôm bền nhất hiện nay Đặc điểm nổi bật của nhôm 7075 là khả năng chịu lực tương đương với nhiều loại thép, nhưng lại có trọng lượng nhẹ hơn, mang lại lợi thế lớn trong ứng dụng Thành phần chính của nhôm 7075 bao gồm Al, Zn, Cu và một số nguyên tố khác, trong đó kẽm là nguyên tố hợp kim chủ yếu với tỷ lệ cao hơn so với các nguyên tố khác.
Bảng 3.1: Thành phần của hợp kim nhôm 7075 [6]
Vật liệu Al T73-7075 được lựa chọn cho bộ định vị nhờ vào độ bền cao đạt 503MPa, mô đun đàn hồi E = 71700 MPa, trọng lượng nhẹ 2810 kg/m3 và tỷ lệ Poisson là 0,33.
Dựa trên những ý tưởng trên, nhóm em đã tiến hành thiết kế được 2 cơ cấu như hình:
Hình 3.4: Cơ cấu mềm thứ 1
Hình 3.5: Cơ cấu mềm thứ 2
Do thời gian có hạn nên nhóm em quyết định chon cơ cấu thứ 2 để tiến hành mô phỏng
(b) Hình 3.6: Cơ cấu mềm khi vẽ bằng phần mềm Inventor
Hình 3.7: Kích thước của cơ cấu mềm
Bảng 3.2: Các thông số của cơ cấu mềm:
Hình 3.8: Chia tầng của cơ cấu mềm
3.1.4 Tính toán, mô phỏng dựa trên phân tích phần tử hữu hạn (FEA)
Phân tích tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đã trở thành công cụ phổ biến trong thử nghiệm thiết kế Trong phần này, mô hình được phát triển thông qua phần mềm Inventor.
Vào năm 2020, chúng tôi đã sử dụng phần mềm ANSYS 19.2 để thực hiện phân tích phần tử hữu hạn, nhằm dự báo chuyển vị đầu ra, ứng suất tương đương lớn nhất và hệ số an toàn lớn nhất của cơ cấu mềm Để tiến hành phân tích, nhóm chúng tôi đã tái tạo mô hình cơ cấu trên phần mềm này.
Hình 3.9: Vẽ lại cơ cấu mềm vào phần mềm ANSYS 19.2
Tiếp theo, nhóm sẽ lựa chọn vật liệu cho cơ cấu mềm là Al 7075:
Hình 3.10: Chọn vật liệu cho cơ cấu mềm
Phương pháp chia lưới tự động đã được triển khai trong khu vực thô, sau đó tiến hành tinh chỉnh từng khớp mềm và lá để nâng cao độ chính xác trong phân tích.
Hình 3.11: Tinh chỉnh các khớp để mô phỏng được chính xác hơn
Sau đó, cơ cấu mềm được cố định bởi các lỗ:
Hình 3.12: Cố định các lỗ cho cơ cấu mềm
Vị trí đặt chuyển vị đầu vào của có cấu mềm:
Hình 3.13: Chọn điểm đặt cho đầu vào của cơ cấu mềm
Vị trí đặt chuyển vị đầu ra cho cơ cấu mềm:
Hình 3.14: Vị trí điểm đặt đầu ra cho cơ cấu mềm
Những nơi có ứng suất lớn xuất hiện tại các khớp mềm:
Hình 3.15: Ứng suất của cơ cấu mềm
Hình 3.16: Ứng suất lớn xuất hiện tại các khớp
Sau khi tiến hành đo đạc, nhóm thu được dữ liệu như sau:
Bảng 3.3: Kết quả tính toán FEA
Hệ số an toàn Ứng suất tối đa (MPa)
3.1.5 Tối ưu hoá cơ cấu mềm
Tối ưu hóa cơ cấu mềm bằng cách sử dụng RSM tích hợp FEA là một công cụ hiệu quả cho việc tối ưu hóa bộ khuếch đại, giúp xác định mối quan hệ giữa các biến thiết kế và đầu ra yêu cầu.
Hình 3.17: Quy trình dung RSM kết hợp với FEA [14]
[14] Phương pháp tích hợp RSM và FEA trong ANSYS được thực hiện như sau: Bước 1: Thiết kế cơ khí: Xác định vấn đề và thiết kế biến
Bước 2: Bề mặt đáp ứng: tính toán số lượng thí nghiệm mà số lượng thí nghiệm phụ thuộc vào một số biến thiết kế
Bước 3: Tối ưu hóa tính toán
Trong quá trình tối ưu hóa bộ khuếch đại, ba yếu tố chất lượng quan trọng được xem xét bao gồm hệ số an toàn, biến dạng đầu ra dọc theo trục y và ứng suất tương đương Đầu tiên, hệ số an toàn cao là cần thiết để đảm bảo độ bền của bộ khuếch đại Thứ hai, biến dạng đầu vào lớn có thể tạo ra chuyển vị đầu ra tuyến tính lớn Cuối cùng, ứng suất tương đương nhỏ, y3, giúp đảm bảo cơ cấu di chuyển hoạt động trong phạm vi đàn hồi mà không gặp phải thất bại.
* Xác định vấn đề và thiết kế biến
Bộ định vị hoạt động dựa trên biến dạng đàn hồi của khớp mềm, do đó, kích thước hình học của các khớp này, đặc biệt là độ dày, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất Để nâng cao chất lượng đáp ứng của bộ định vị, cần tối ưu hóa các tham số hình học chính Bốn biến thiết kế được xem xét bao gồm độ dày của bản lề uốn ở từng tầng, với các điều kiện giới hạn được xác định từ kiến thức trong các nghiên cứu trước và góp ý từ thầy hướng dẫn.
0.65mm < S1 < 0.7mm 0.6mm < S2 < 0.65mm 0.55mm < S3 < 0.6mm 0.5mm < L < 0.55mm
Hình 3.18: Gán biến cho cơ cấu
Trong đó S1, S2, S3, L là độ dày của khớp mềm (cơ cấu khuếch đại) của từng tầng
*Thí nghiệm dựa trên các biến thiết kế
Sau khi xác định biến thiết kế, phần mềm ANSYS sẽ thực hiện các thí nghiệm với các giá trị khác nhau trong khoảng đã cho để tìm ra thông số tối ưu cho cơ cấu.
Hình 3.19: Chạy thí nghiệm dựa trên các biến thiết kế trên phần mềm Ansys
Bảng 3.4: Kết quả thí nghiệm thiết kế biến
Tổng dịch chuyển đầu ra lớn nhất (àm)
* Tối ưu hoá tính toán
Hình 3.20: Kết quả tối ưu thiết kế
Hình 3.21: Biểu đồ thể hiện sự tương quan giữa S1 và S2 với chuyển vị đầu ra
Sau khi tối ưu, nhóm sẽ chọn giá trị của từng biến tối ưu nhất lần lượt là:
Bảng 3.5: Chọn giá trị biến sau khi tối ưu
3.1.6 Sử dụng biến đã tối ưu cho cơ cấu mềm
Sau khi có được các biến đã tối ưu, nhóm sẽ gán các giá trị đó cho cơ cấu mềm
Hình 3.22: Gán lại biến đã tối ưu Sau đó, nhóm chạy lại FEA và được kết quả sau:
Hệ số an toàn Ứng suất tối đa (MPa)
Sau khi tiến hành tối ưu hóa, cơ cấu mềm đã chứng kiến sự giảm nhẹ trong hệ số an toàn, do phần mềm lựa chọn các biến nhỏ hơn, dẫn đến các hệ số khuếch đại cao hơn so với ban đầu.
*Chọn lưới cho các khớp mềm và các lá của cơ cấu để mô phỏng ở những vị trí đó được chính xác hơn:
Hình 3.24: Chọn lưới cho cơ cấu
*Chọn các lỗ cố định:
Hình 3.25: Chọn các lỗ cố định
-Tần số dao động từ 125.16(Hz) đến 358.7(Hz)
-Tổng dịch chuyển đầu ra lớn nhất bằng 3.9564(àm)
Hình 3.26: Chuyển vị đầu ra khi tần số bằng 125.16(Hz)
Hình 3.27: Chuyển vị đầu ra khi tần số bằng 268.92(Hz)
Hình 3.28: Chuyển vị đầu ra khi tần số bằng 309.14(Hz)
Hình 3.29: Chuyển vị đầu ra khi tần số bằng 341.61(Hz)
Hình 3.30: Chuyển vị đầu ra khi tần số bằng 351.18(Hz)
Hình 3.31: Chuyển vị đầu ra khi tần số bằng 358.7(Hz)
Thiết kế hệ thống điện
3.2.1 Lựa chọn cảm biến Để đo đặc tính đầu ra của cơ cấu mềm, ta phải sử dụng laser để thu đặc tính đầu ra của cơ cấu mềm để làm dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều khiển điện Ở đây, nhóm em đã tìm hiểu và lựa chọn được 3 cảm biến thích hợp là Keyence LK-030, Keyence LK-G30 và Keyence LK-G15 Các thông số được mô tả dưới bảng sau:
Bảng 3.6: So sánh 3 cảm biến [9, 10]
10 mm 30 mm (Phản xạ khuếch tán), 23,5 mm (Phản xạ gương)
Phạm vi đo ±1 mm ±5 mm (phản xạ khuếch tán), ±4,5 mm (Phản xạ gương) ±5 mm
Ngõ ra 0.3 mW max 4.8 mW max 4.8 mW
Controler LK-G3001 LK-G3001 LK-2000 Độ phõn giải 0.1 àm 0.1 àm 1 àm
100 Ω 100 Ω 100 Ω t Current 4 to 20 mA x 2 outputs, maximum load resistance 350
4 to 20 mA x 2 outputs, maximum load resistance 350
Alarm output NPN open-collector output for OUT1
NPN open-collector output for OUT1
Hình 3.32: Cảm biến Keyence LK-030 (a) và bộ điều khiển LK-2000 (b)
Hình 3.33: Cảm Biến LK-G15 (a), LK-G30 (b) và bộ điều khiển LK-G3001 (c)
Sau khi thảo luận, nhóm đã quyết định sử dụng laser Keyence LK-G30 kết hợp với bộ điều khiển LK-G3001 vì độ chính xác cao hơn so với LK-030, phù hợp cho đồ án.
LK-G30 có khoảng cách tham chiếu lớn hơn LK-G15, giúp việc lắp đặt trở nên dễ dàng hơn Ngoài ra, phạm vi đo của LK-G30 cũng lớn hơn, đáp ứng tốt hơn cho việc đo chuyển vị trong các đồ án.
* Sơ đồ chân của cảm Bộ điều khiển LK-3001
Hình 3.34: Sơ đồ chân của bộ điều khiển LK-3001 [9]
(2) Out2 (A): ngõ ra tín hiệu dòng điện tương tự cổng 2 với giá trị từ 3.36mA tới 20.64mA
(3) Out2 (V): ngõ ra tín hiệu điện áp tương tự cổng 2 với giá trị ±10V
(5) Out1 (A): ngõ ra tín hiệu dòng điện tương tự cổng 1 với giá trị từ 3.36mA tới 20.64mA
(6) Out1 (V): ngõ ra tín hiệu điện áp tương tự cổng 2 với giá trị từ (±10V)
Card NI USB sử dụng điện áp cho đầu vào analog thông qua các cổng (13)(14) Ngưỡng điện áp của NI-USB là ±10V, tương thích hoàn toàn với ngưỡng điện áp của LK-2000 cũng là ±10V, cho phép kết nối giữa hai thiết bị một cách hiệu quả.
3.2.2 Lựa chọn nguồn cấp cho hệ thống
Bộ điều khiển LK-3001 hoạt động với nguồn 24VDC, vì vậy việc sử dụng nguồn tổ ong 24VDC-20A là lựa chọn hợp lý, vừa tiết kiệm chi phí vừa đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho toàn bộ hệ thống và hoàn toàn tương thích với các thiết bị khác.
Hình 3.35: Nguồn tổ ong 24VDC
3.2.3 Kết nối LK G3001 với card NI USB 6001
Do tín hiệu đầu ra của LK G2000 là Analog nên nhóm tìm hiểu cách kết nối Analog Input cho card NI USB-6001
* Những kiểu kết nối cảm biến với NI USB 6001
(b) Hình 3.36: Kết nối kiểu vi sai (a) và RSE (Referenced Single-Ended) (b) [15]
Bảng 3.7: Các chế đô kết nối của NI USB-6001 [15]
Loại tín hiệu Chế độ kết nối Tín hiệu nổi (không có kết nối với nối đất của toàn nhà)
- Đầu ra của máy biến áp
- Thiết bị chạy bằng pin
- Thiết bị với đầu ra không kín
* Trường hợp sử dụng kết nối vi sai:
- Tín hiệu đầu vào ở mức thấp và yêu cầu độ chính xác cao hơn
- Các dây dẫn kết nối tín hiệu với thiết bị dài hơn 3 m
- Tín hiệu đầu vào yêu cầu một điểm tham chiếu đất
- Tín hiệu dẫn đi qua môi trường có nhiễu
Do khả năng giảm thiểu nhiễu và độ chính xác cao của kết nối vi sai, nhóm đã quyết định áp dụng phương pháp này cho hệ thống điện.
3.2.3 Đồng hồ so điện tử Đồng hồ so điện tử có thông số:
Dải đo: 0-12.7mm Độ phân giải: 0.001mm Độ chính xác: ± 0.003mm
Đồng hồ so điện tử, như hình 3.37, sở hữu độ phân giải cao và dải đo phù hợp, được sử dụng để đo chuyển vị đầu vào của cơ cấu mềm.
3.2.4 Sơ đồ kết nối hệ thống điện
Hình 3.38: Sơ đồ kết nối hệ thống điện
Bộ điều khiển LKG-3001 Nguồn cấp 24V
Chuyển vị đầu ra của cơ cấu mềm
Phần mềm LabVIEW tiếp nhận và xử lí dữ liệu
Hình 3.39: Bản vẽ hệ thống điện
Lập trình LabVIEW
Tín hiệu từ LK-3001 đến Ni USB-6001 được truyền dưới dạng điện áp từ -10V đến 10V, tương ứng với khoảng cách từ -5mm đến 5mm Với khoảng cách tham chiếu của laser là 30mm, phạm vi đo sẽ nằm trong khoảng từ 25mm đến 35mm.
Hình 3.40: Khoảng cách đo của laser [9]
Do đó, giá trị điện áp thu được (V) sau khi chia 2 sẽ là là giá trị của khoảng cách (mm)
3.3.2 Một số khối được sử dụng cho đồ án
DAQ Assistant là một giao diện đồ họa cho phép người dùng tạo, chỉnh sửa và chạy các tác vụ cùng với kênh ảo NI-DAQmx một cách tương tác Kênh ảo NI-DAQmx bao gồm kênh vật lý trên thiết bị DAQ cùng với thông tin cấu hình như phạm vi đầu vào và tỷ lệ tùy chỉnh Nhiệm vụ NI-DAQmx là tập hợp các kênh ảo, thông tin về thời gian, kích hoạt và các thuộc tính khác liên quan đến quá trình thu nhận hoặc tạo dữ liệu Hình ảnh bên dưới cho thấy DAQ Assistant được cấu hình để thực hiện phép đo biến dạng hữu hạn.
Hình 3.41: Sơ đồ của DAQ Assistant [11]
Chức năng NI-DAQmx Timing cấu hình thời gian cho hoạt động thu thập dữ liệu của phần cứng, bao gồm việc xác định loại hoạt động (liên tục hoặc hữu hạn), chọn số lượng mẫu cần lấy, và tạo bộ đệm khi cần thiết.
Chức năng NI-DAQmx Read cho phép đọc các mẫu từ tác vụ thu nhận đã chỉ định, hỗ trợ nhiều loại thu nhận như tương tự, kỹ thuật số và bộ đếm Người dùng có thể tùy chọn số lượng kênh ảo, số lượng mẫu và loại dữ liệu cần thiết Khi số lượng mẫu đã được chuyển từ FIFO trên bo mạch DAQ sang Bộ đệm PC trong RAM, chức năng này sẽ tiếp tục di chuyển các mẫu từ Bộ đệm PC sang Bộ nhớ Môi trường Phát triển Ứng dụng (ADE).
Hình 3.43 Sơ đồ của DAQmx Read [11]
*NI-DAQmx Wait Until Done
Chức năng NI-DAQmx Wait Until Done đảm bảo rằng thao tác thu thập dữ liệu hoàn tất trước khi dừng tác vụ Chức năng này thường được sử dụng với các hoạt động hữu hạn, cho phép quá trình thu thập hoặc tạo hoàn tất trước khi dừng mà không ảnh hưởng đến hoạt động Ngoài ra, đầu vào thời gian chờ cho phép chỉ định thời gian tối đa, và nếu quá trình không hoàn tất trong khoảng thời gian này, chức năng sẽ thoát và tạo ra lỗi thích hợp.
Hình 3.44: Sơ đồ của DAQmx Wait Until Done [11]
Chức năng NI-DAQmx Clear Task được sử dụng để xóa nhiệm vụ đã chỉ định, và nếu nhiệm vụ đang chạy, hàm sẽ dừng nó trước khi giải phóng tất cả tài nguyên liên quan Sau khi một nhiệm vụ bị xóa, nó không thể được sử dụng lại trừ khi được tạo lại Do đó, nếu cần sử dụng lại một nhiệm vụ, nên sử dụng chức năng NI-DAQmx Stop Task để dừng nhiệm vụ mà không xóa nó.
Hình 3.45: Sơ đồ của DAQmx Clear Task [11]
THI CÔNG
Giới thiệu
Sau khi hoàn tất quá trình tính toán và thiết kế, nhóm sẽ trình bày tiến trình thi công cho đề tài “Nghiên cứu phát triển và chế tạo hệ điều khiển điện đo đặc tính đầu ra cho bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm trong hệ thống định vị chính xác” Những tính toán và thiết kế đã được thực hiện sẽ được trình bày chi tiết trong chương tiếp theo.
2 thì hệ thống bao gồm 2 phần chính
- Cơ cấu mềm: gồm cơ cấu và tấm trung gian gá cơ cấu mềm lên bàn chống rung
- Hệ thống điện đo đặc tính đầu ra cho cơ cấu mềm: lắp đặt các thiết bị điện và cơ cấu mềm cho phù hợp.
Chế tạo cơ cấu mềm
Nhóm sử dụng phương pháp gia công cắt dây với giá thành thấp, độ chính xác tương đối cao đáp ứng yêu cầu của đồ án
Hình 4.1: Gia công cơ cấu mềm bằng phương pháp cắt dây
Hình 4.2: Cơ cấu mềm khi hoàn thiện gia công
Lắp ráp hệ thống điện
4.3.1 Các bộ phận trong hệ thống điện
Hệ thống điện bao gồm:
4.3.2 Các bước lắp đặt cho hệ thống điện
Để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường, việc lắp đặt cơ cấu mềm trên bàn chống rung là cần thiết Hệ thống điện phải được đặt trên bàn chống rung nhằm đạt được sự ổn định tối ưu.
Hình 4.3: Gá cơ cấu mềm lên bàn chống rung
- Sử dụng vít để làm chuyển vị đầu vào cho cơ cấu mềm: đầu vào chuyển vị của cơ cấu mềm được chỉnh bằng tay
Hình 4.4: Gá vít và đồng hồ so ở đầu vào cơ cấu mềm
Để đo chuyển vị đầu vào của cơ cấu mềm trong không gian hạn chế, việc sử dụng đồng hồ so là cần thiết.
- Lắp cảm biến laser LK-G30 vào đầu ra của cơ cấu mềm, cách đầu ra của cơ cấu mềm 30mm
- Kết nối cảm biến LK-G30 và LK-G3001, sau đó cấp nguồn cho LK-G3001
Hình 4.5: Gá laser ở đầu ra cơ cấu mềm
- Sơ đồ kết nối hệ thống điện:
Hình 4.6: Sơ đồ kết nối hệ thống điện
Lập trình LabVIEW
4.4.1 Kết nối các khối lại với nhau để thu được tín hiệu điện áp và chuyển thành khoảng cách:
Hình 4.7: Viết Code trên phần mềm LabVIEW
THỰC NGHIỆM
Các bước tiến hành
Sau khi hoàn thành gia công mô hình cơ khí và lắp ráp phần điện, nhóm tiến hành thử nghiệm để đo chuyển vị đầu ra của cơ cấu mềm Đầu tiên, nhóm sử dụng đồng hồ so để đo chính xác, sau đó thực hiện đo bằng hệ thống điện và so sánh với kết quả mô phỏng.
Đo chuyển vị của cơ cấu mềm bằng đồng hồ so
Bảng 5.1: Chuyển vị đầu ra của cơ cấu mềm khi đo bằng đồng hồ so
Chuyển vị đầu vào (àm) Chuyển vị đầu ra (àm) hệ số khuếch đại
Đo chuyển vị cơ cấu mềm bằng hệ thống điện
Bảng 5.2: Chuyển vị đầu ra của cơ cấu mềm khi đo bằng hệ thống điện
Chuyển vị đầu vào (àm) Chuyển vị đầu ra (àm) hệ số khuếch đại
Kết quả, thảo luận
Bảng 5.3: So sánh các kết quả đo và mô phỏng
Mô phỏng Đo bằng đồng hồ so Đo bằng hệ thống điện
Chuyển vị đầu ra (àm) 1329 900 938.2
Sai số chênh lệch (so với đồng hồ so)
Kết quả thực nghiệm cho thấy sự chênh lệch lớn giữa kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm, có thể do quá trình mô phỏng chưa chính xác, đặc biệt là đối với cơ cấu mềm yêu cầu độ chính xác cao Trong quá trình gia công, các sai lệch không thể tránh khỏi dẫn đến sự chênh lệch này Tuy nhiên, kết quả đo của đồng hồ so với hệ thống điện có độ chính xác cao với sai lệch chỉ 4.2%, cho thấy rằng việc đo kiểm của hệ thống điện là hoàn toàn đáng tin cậy.