Nghiên cứu thực nghiệm hoạt động của cơ cấu cân bằng trọng lực 1 DOF dựa trên nguyên lý hoạt động của cơ cấu scotch yoke

Với tính năng đó, những thiết kế cân bằng trọng lực có thể áp dụng vào rất nhiều lĩnh vực như: tay máy robot công nghiệp, các thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng trong chấn thương chỉnh h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- oOo -

HUỲNH QUỐC BÃO

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU CÂN BẰNG TRỌNG LỰC 1-DOF DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU

SCOTCH-YOKE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng, 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- oOo -

HUỲNH QUỐC BÃO

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU CÂN BẰNG TRỌNG LỰC 1-DOF DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU

SCOTCH-YOKE

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Mã số: 8.52.01.44

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ HOÀI NAM

Đà Nẵng, 2018

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn rõ ràng trong luận văn

Học viên

Huỳnh Quốc Bão

YOKE

Học viên: Huỳnh Quốc Bão Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số: 8.52.01.44 Khóa: K32 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Một cơ cấu cân bằng trọng lực có thể di chuyển đến bất kỳ vị trí nào với rất ít

hoặc hoàn toàn không lực phát động như đang hoạt động trong môi trường phi hấp dẫn Với tính năng đó, những thiết kế cân bằng trọng lực có thể áp dụng vào rất nhiều lĩnh vực như: tay máy robot công nghiệp, các thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng trong chấn thương chỉnh hình cho cánh tay, chân; xây dựng, mô hình hóa cấu trúc cơ và xương; các cơ cấu máy song song… Hiện tại, việc kiểm nghiệm hoạt động của các cơ cấu cân bằng trọng lực được thực hiện một cách cảm tính bằng cách treo thêm các vật nặng theo khối lượng tăng dần để xác định giới hạn hoạt động của cơ cấu Việc xác định góc quay tương ứng với giới hạn hoạt động

của cơ cấu không chính xác Nhận thấy điều này, tác giả đề xuất đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm hoạt động của cơ cấu cân bằng trọng lực 1-DOF dựa trên nguyên lý hoạt động của

cơ cấu Scotch-Yoke”

RESEARCHING EXPERIMENTAL ACTIVITIES OF 1-DOF BALANCE STRUCTURE BASED ON THE PRINCIPLES OF SCOTCH-YOKE

WEIGHT-STRUCTURE

Student: Huynh Quoc Bao Major: Mechatronics Engineering

Code:8.52.01.44 Course:K32 Polytechnic University - UD

Summary - A gravitational balance mechanism can move to any position with little or no power at all as it operates in an unattractive environment With that feature, gravity balance designs can be applied to many areas such as industrial robot arm, rehabilitation equipment in orthopedic injuries for arms and legs; building and modeling muscle and bone structures; parallel machine structures Currently, the performance testing of the gravity equilibrium structures is done sensitively by adding heavy objects by increasing mass to determine the operating limit of structure Determining the rotation angle corresponds to the operating limit

of the incorrect mechanism Realizing this, the author proposes the topic "Experimental study

of the operation of 1-DOF gravity equilibrium based on the operating principle of Yoke structure"

Scotch-MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

Chương 1 Giới thiệu 1

1.1 Tổng quát 1

1.2 Tổng quan những nghiên cứu hiện tại 2

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 12

1.4 Bố cục luận văn 12

Chương 2 Cơ cấu cân bằng trọng lực Nguyen [24] 14

2.1 Thiết kế hệ thống cân bằng sử dụng lò xo dựa trên nguyên lý của cơ cấu Scotch Yoke 14

2.2 Điều kiện cân bằng 16

2.3 Thiết kế cơ cấu tránh xảy ra các lỗi không đáng có của hệ thống 20

2.4 Thiết lập hệ thống cân bằng lò xo 21

2.5 Mô hình cơ cấu cân bằng trọng lực 1DOF [28] 22

Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm 27

3.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 27

3.2 Sơ đồ khối hệ thống 29

3.3 Tính toán, thu thập và xử lý số liệu 30

Chương 4 Kết luận và hướng phát triển 41

4.1 Kết quả ban đầu 41

4.2 Kết luận 42

Tài liệu tham khảo 44

Số hiệu bảng Tên bảng Trang

Bảng 2-1 Thông số thiết kế của cơ cấu 1 bậc tự do

Bảng 3-1 Các ký hiệu sử dụng

Số hiệu

Hình 1-1 Ứng dụng của cơ cấu cân bằng trọng lượng

Hình 1-2 Thiết kế đầu tiên của cơ cấu cân bằng sử dụng lò xo

Hình 1-3 Thiết kế của cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo

Hình 1-4 Cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo với cánh tay quay

trong không gian Hình 1-5 Lò xo không có độ dài tự do trong hệ cân bằng trọng lực

Hình 1-6 Lò xo không có độ dài tự do trong hệ cân bằng trọng lực

Hình 1-7 Cơ cấu cân bằng trọng lực dựa trên nguyên lý hoạt động

của cơ cấu Scotch-Yoke theo đề xuất của Nguyen [28]

Hình 2-1 Nguyên lý cơ cấu Scotch-Yoke sử dụng lò xo

Hình 2-2 Cơ cấu Scotch-Yoke sử dụng lò xo cân bằng năng lượng

Hình 2-3 Điều kiện R2-1: Tay quay và con trượt quay ngược chiều

nhau Hình 2-4 Điều kiện R2-1: Tay quay và con trượt quay cùng chiều

nhau Hình 2-5 Cơ cấu Scotch Yoke sử dụng cặp bánh răng có tỉ số truyền

2:1 Hình 2-6 Cơ cấu sử dụng lò xo cân bằng

Hình 2-7 Thiết kế 3D của mô hình cơ cấu 1 bậc tự do trên CREO

Hình 2-8 Thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi và tổng thế năng

của mô hình cơ cấu 1 bậc tự do

Hình 2-9 Mô hình cơ cấu cánh tay cân bằng dựa trên nguyên lý

Scotch Yoke Hình 2-

10 Hoạt động của cánh tay cân bằng

Hình 3-1 Sự tương đương giữa cơ cấu nguyên bản (a) và mô hình

thực nghiệm (b)

Hình 3-3 Hệ thống thực tế

Hình 3-4 Sơ đồ khối của hệ thống cơ điện tử

Hình 3-5 Sơ đồ thuật toán điều khiển và nhận phản hồi

Hình 3-6 Mômen của vật nặng so với trục quay của cơ cấu

Hình 3-7 Mômen của hệ thống cơ điện tử so với trục quay của cơ cấu

Hình 4-1 Biểu đồ quan hệ giữa vị trị của vật nặng m2 và góc cân

bằng

Hình 4-2 Biểu đồ quan hệ giữa mômen của mô hình thực nghiệm và

góc cân bằng

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn khoa học của tôi – TS Lê Hoài Nam, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cám ơn ThS Nguyễn Hồng Nguyên đã hỗ trợ cơ cấu cân bằng trọng lực thuộc luận văn thạc sỹ của anh để tôi có thể tiếp tục thiết kế và hoàn thành việc nghiên cứu thực nghiệm hoạt động của cơ cấu này

Tôi xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm khoa Cơ khí cũng như các giảng viên của Khoa và bộ môn Cơ điện tử đã tạo điều kiện để tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này Tôi xin cám ơn các bạn bè đã hỗ trợ

và giúp đỡ trong thời gian học tập

Cuối cùng, tôi dành lòng biết ơn chân thành cho vợ và gia đình tôi, vì tất cả những gì mọi người đã dành cho tôi trong suốt thời gian học tập và làm luận văn

Chương 1 Giới thiệu 1.1 Tổng quát

Một cơ cấu cân bằng trọng lực có thể di chuyển đến bất kỳ vị trí nào với rất

ít hoặc hoàn toàn không lực phát động như đang hoạt động trong môi trường phi hấp dẫn Với tính năng đó, những thiết kế cân bằng trọng lực có thể áp dụng vào rất nhiều lĩnh vực như: tay máy robot công nghiệp [1]-[8], các cơ cấu nâng hạ trong công nghiệp [8]-[12], các thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng trong chấn thương chỉnh hình [13], cơ cấu cánh tay [14], cơ cấu song song [6]…

Cơ cấu cân bằng trọng lực có thể được phân làm hai loại chính đó là chủ động và thụ động Cơ cấu cân bằng chủ động sử dụng động cơ để cân bằng và di chuyển tay máy với một tải trọng bên ngoài Với các động cơ được gắn bên trong khớp xoay, hệ thống có thể được điều chỉnh để cân bằng với những tải trọng khác nhau Tuy nhiên, hệ thống điều khiển buộc phải hoạt động một cách

ổn định nên có giá thành rất cao; hơn nữa, một động cơ nặng nề sẽ làm cho tay máy trở nên cồng kềnh

Ngược lại, phương pháp bù của cơ cấu cân bằng thụ động được sử dụng đơn giản và đáng tin cậy hơn cùng với giá thành thấp hơn với cơ cấu chủ động, ví dụ như phương pháp cân bằng sử dụng đối trọng, phương pháp cân bằng sử dụng lực ma sát, phương pháp cân bằng sử dụng lò xo Trong số đó, hai phương pháp được áp dụng phổ biến nhất cho các hệ thống cân bằng trọng lực đó là phương pháp sử dụng đối trọng và phương pháp sử dụng lò xo Phương pháp cân bằng đối trọng sử dụng một trọng lượng thêm vào để cân bằng với tải trọng có sẵn của toàn hệ thống Phương pháp này rất đơn giản, trực quan và có thể cân bằng tĩnh học ở bất kỳ vị trí nào trong hành trình Tuy nhiên, đối trọng chắc chắn làm tăng quán tính của hệ thống Ngược lại, với ưu thế nhẹ và lực quán tính tác dụng thấp, thiết kế cân bằng trọng lực sử dụng lò xo được xem như cách tiếp cận thông dụng nhất

(a) Herder et., al [5] (b) Agrawal et., al [8]

(c) Tuijthof et., al [7] (d) Siminonescu et., al [6]

Hình 1-1 Ứng dụng của cơ cấu cân bằng trọng lực

1.2 Tổng quan những nghiên cứu hiện tại

Một trong những nghiên cứu đầu tiên về cơ cấu cân bằng sử dụng lò xo được công bố vào tháng 05 năm 1879 bởi Alling and Qua [15] tại Mỹ, như Hình 1-2a Ý tưởng này liên quan đến việc cải tiến giá nha khoa có thể điều chỉnh; thiết kế này bao gồm 2 bộ khớp nối hình bình hành kết nối với nhau để nâng một cái giá; vì thế, cái giá này được điều chỉnh để có thể di chuyển theo mặt phẳng

ngang cũng như mặt phẳng đứng Tuy nhiên, tác giả đã không đề cập đến một cách tổng quát để xác định độ cứng của lò xo Đến năm 1961, khi nghiên cứu về điểm cân bằng của cơ cấu lò xo được đề xuất bởi Hain [16] như Hình 1-2b, mối quan hệ giữa những biến số của tổ hợp khớp tay đòn và độ cứng lò xo đã được tìm ra Khi tổng của mômen tạo ra bởi thành phần lực đàn hồi lò xo bằng không, trạng thái cân bằng sẽ đạt được Mặt khác, phương pháp thiết kế cơ cấu cân bằng dựa trên định luật bảo toàn thế năng được trình bày bởi Streit and Gilmore [17], một khâu rắn kết nối với đế thông qua một khớp xoay và có thể xoay tự do quanh khớp này bởi các lò xo kết nối giữa khâu và đế, có thể cân bằng hoàn toàn tại mỗi góc xoay

(a) Alling et., al [15] (b) Hain [16]

Hình 1-2 Thiết kế đầu tiên của cơ cấu cân bằng sử dụng lò xo

Tiếp theo đó, một số nghiên cứu khác đã đề xuất rất nhiều cấu trúc cân bằng trọng lực với những khả năng áp dụng rất cao Nathan [19] đã sử dụng lò xo trong thiết kế về cơ cấu lực bất biến với tất cả các khớp đều là khớp xoay Streit and Shin [18] đã đề xuất sử dụng một vài lò xo trong một máy vẽ để giải quyết vấn đề cân bằng trọng lực gồm cả khớp xoay và khớp trụ Với tổ hợp gồm cáp,

lò xo và ròng rọc, Ulrich và Kumar [20] đã đề xuất một phương pháp về cơ cấu cân bằng thụ động trong mặt phẳng Yang và Lan [21] đã trình bày một cơ cấu

cân bằng trọng lực một bậc tự do Theo ý tưởng của họ, hình dạng của 2 lò xo được thiết kế để làm việc trong cùng một mặt phẳng nhỏ và sử dụng những đinh vít để điều chỉnh cho những đối trọng khác nhau Lin và cộng sự đã phát triển một phương án thiết kế cân bằng lò xo [22, 23] để tạo ra trạng thái cân bằng cho một tổ hợp khớp khớp xoay trong mặt phẳng [24, 25] Trong nghiên cứu của họ,

số lượng tối thiểu và điểm cố định của lò xo có thể được xác định cho một hệ thống có sẵn Phương pháp của họ phù hợp đối với các cơ cấu sử dụng trong mặt phẳng với toàn bộ các khớp là khớp xoay

Ngoài các cơ cấu cân bằng trọng lực trong mặt phẳng, sự cấp thiết của nhưng cơ cấu cân bằng trọng lực trong không gian nổi lên với những thiết kế về cấu trúc xương người, thiết bị hỗ trợ chấn thương chỉnh hình cho tay và những ứng dụng trong công nghiệp đã trở nên ngày càng phổ biến hơn Agrawal and Fattah [3] đã thiết kế một thiết bị hỗ trợ phục hồi chấn thương chân sử dụng lò

xo và các khâu phụ trợ để hỗ trợ bệnh nhân trong việc đi lại Nhưng với thiết kế này, một số lượng lớn về khớp, các khâu phụ trợ không những làm cho hệ thống trở nên phức tạp mà còn có thể ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của thiết bị

do sự xếp chồng lên nhau giữa các thành phần như Hình 1-3a Với nỗ lực trong việc giảm sự ảnh hưởng của các khâu phụ trợ, Deepak và Ananthasuresh [30], Lin [26] sau này đã độc lập đề xuất phương pháp tổng quát để thiết kế những hệ thống cân bằng trong không gian có chỉ sử dụng lò xo mà không sử dụng bất kì một khâu phụ trợ hay khớp nào như Hình 1-3b-c Về mặt lý thuyết, một hệ thống cân bằng với thiết kế gồm lò xo kết hợp với các khâu hỗ trợ hay không đều có thể cân bằng hoàn toàn hoặc một phần tác động của trọng lực, điều này phụ thuộc vào sự cần thiết của từng trường hợp áp dụng

(a) Agrawal et., al [3]

(b) Deepak et., al [30] (c) Lin [26]

Hình 1-3 Thiết kế của cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo

Tuy nhiên, những thiết kế cân bằng trọng lực thường yêu cầu số lượng lò xo lớn hơn số bậc tự do của hệ thống Hệ quả là những hiện tượng lò xo tác động lẫn nhau tạo ra các nội lực lạ tác động vào hệ thống, điều này sẽ làm cho độ tin cậy của hệ thổng bị ảnh hưởng Vấn đề lò xo tác động lẫn nhau luôn được quan tâm giải quyết trong những thiết kế về tay máy không gian Mặc dù Nathan [19]

và Lin cùng các cộng sự [27] đã sử dụng số lượng tối thiểu lò xo trong thiết kế cho tay máy cân bằng trọng lực dựa trên khái niệm về chân đế ảo, cơ cấu của họ vẫn rất phức tạp và có thể làm tăng số bậc tự do của toàn hệ

Trong những thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực, ngoài những thiết kế sử dụng lò xo xoắn [36], lò xo tiêu chuẩn [20] hay dây cao su [12], lò xo không độ dài tự do (zero-free-length spring) – lò xo lý tưởng là công cụ được sử dụng phổ biến nhất Đối với một lò xo không độ dài tự do, lực đàn hồi lò xo tỉ lệ thuận với

độ cứng của lò xo Tuy nhiên trong thực tế, một lò xo có độ dài tự do bằng không rất khó chế tạo và không sẵn có

Một cơ cấu sử dụng lò xo không độ dài tự do cố định trong một hệ thống tải trọng quay quay trục như Hình 1-4, ở đây tay đòn có thể quay tự do quay khớp

O với góc θ bất kỳ, g biểu diễn cho vector hấp dẫn theo trục y, m biểu diễn cho

giá trị khối lượng và vị trí trọng tâm của thanh, các điểm cố định A và B của lò

xo không độ dài tự do, và S, a, và b lần lượt là khoảng cách từ khớp O đến trọng tâm m, điểm A và điểm B k là độ cứng của lò xo Từ đây, kí hiệu in đậm sẽ biểu

diễn cho một vector hoặc một ma trận, kí hiệu in nghiêng sẽ biễu diễn cho kí hiệu toán hoặc tỉ lệ, và tất cả các góc quay sẽ được tính theo hướng ngược chiều

kim đồng hồ theo chiều dương của trục x (quy tắc bàn tay phải)

Hình 1-4 Cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo với cánh tay quay

Dựa vào cơ cấu như Hình 1-4, thế năng trọng trường thu được là:

lò xo không độ dài tự do có thể được xác định dựa trên một hệ cho trước với tham số m và S cụ thể Thông thường, việc lựa chọn độ cứng lò xo k được ưu tiên xác định trước bởi vì tính sẵn có của lò xo

(a) Sơ đồ chung của hệ (b) Sơ đồ suy rộng cho pully B

Hình 1-5 Lò xo không có độ dài tự do trong hệ cân bằng trọng lực

Theo phân tích nhược điểm về lò xo không độ dài tự do, một mô hình cơ cấu lò xo không độ dài tự do tương đương được đề xuất như Hình 1-5a, ở đây cơ cấu lò xo - không độ dài tự do gồm có một lò xo kéo thông thường, một ròng rọc

và một sợi cáp với chiều dài phù hợp Xét mô hình phóng to như Hình 1-5b, các điểm B’ và B” là hai tiếp điểm giữa cáp và ròng rọc, và góc π-ζB là góc bao của cáp quanh ròng rọc Đối với hệ lò xo-không độ dài tự do tương đương này,

khoảng cách giữa điểm A và B nên bằng chính xác độ dãn dài của lò xo đặt trên

tay quay Tuy nhiên, chiều dài cáp 𝐴𝐵′̅̅̅̅̅ có một phần khác biệt so với 𝐴𝐵̅̅̅̅, bởi vì bán kính của ròng rọc Sự sai lệch của hai độ dài cho thấy một lỗi nhỏ của hệ thống

Tuy nhiên, nếu hệ ở trạng thái cân bằng, chiều dài cáp 𝐴𝐵′̅̅̅̅̅ luôn luôn bằng

độ dãn dài của lò xo Điều này cho thấy, với bất kì sự tăng lên của chiều dài cáp trên đoạn 𝐴𝐵′̅̅̅̅̅ phải bằng với độ giảm của chiều dài cáp trên đoạn giữa điểm B”

và điểm kết thúc của lò xo Hệ quả, nếu muốn độ chính xác của sự cân bằng

được duy trì, chiều dài cáp quanh góc bao π-ζB không được thay đổi theo góc quay θ Tuy nhiên, tương tự tay đòn, góc ζB bao bởi hai đoạn cáp như Hình 1-5b

sẽ bị thay đổi theo Vì vậy, góc bao π-ζB và chiều dài của cáp quanh ròng rọc sẽ

bị thay đổi theo Hậu quả là, thêm một lỗi cân bằng do độ dãn dài của lò xo đã xuất hiện ở đây

Hình 1-6 Lò xo không có độ dài tự do trong hệ cân bằng trọng lực

Để tránh những lỗi cân bằng trên, lò xo và cáp nên được sắp xếp lại sao cho chiều dài của cáp quanh ròng rọc luôn được giữ không đổi Đối với một hệ cân bằng hấp dẫn cố định với lò xo không độ dài tự do như Hình 1-4, một cách sắp xếp khả thi được trình bày ở Hình 1-6, phương án này sử dụng ba ròng rọc và tổng giá trị của các góc bao π-ζA, π-ζB, và π-ζC luôn bằng hằng số 2 π, vì

ζA+ζB+ζC=π Bên cạnh các lỗi cân bằng, việc lắp đặt của một cơ cấu lò xo - không độ dài tự do cũng có thể tạo ra lỗi Vì không gian hoạt động hạn chế, lò

xo không thể được lắp trên tay quay như Hình 1-5 Thay vào đó, một lò xo tiêu

chuẩn có thể được lắp cố định trên đế như Hình 1-6 Chú ý rằng, trong Hình 1-6,

lò xo - không độ dài tự do được lắp cố định trên đế và các đế của các tay quay liền kề Có thể thấy được sự sắp xếp phức tạp của ròng rọc và cáp rất rõ Dựa trên những nguyên nhân đã đề cập ở trên, một cơ cấu lò xo cân bằng thay thế cho việc sử dụng lò xo không độ dài tự do là rất cần thiết

Có rất nhiều cơ cấu thay thế với chức năng tương đương với lò xo lý tưởng

đã được đề xuất, ở đây dây thép, ròng rọc và lò xo tiêu chuẩn được sử dụng Tuy nhiên, trong thực tế áp dụng, những cơ cấu này tồn tại các nhược điểm sau:

- Rất khó để có được một lò xo tiêu chuẩn với độ dãn dài đủ cho một vùng hoạt động lớn với hai đầu được lắp cố định

- Việc xếp chồng lên nhau giữa dây thép và các thành phần khác của các cơ cấu này có thể làm phức tạp hệ thống và ảnh hưởng tới vùng hoạt động của toàn hệ

- Hơn nữa, dây thép và lò xo kéo có vòng đời hoạt động đáng tin cậy không lâu, và việc sử dụng chúng sẽ luôn tồn tại những lỗi nhỏ nếu muốn thay thế cho lò xo lý tưởng

Để giải quyết những nhược điểm trên, Nguyen [28] đã đề xuất một loại cơ cấu cân bằng trọng lực dựa trên nguyên lý hoạt động của cơ cấu Scotch-Yoke với những ưu điểm sau:

- Là phương án thay thế phù hợp cho lò xo không độ dài tự do với cấu trúc đơn giản và những thành phần đáng tin cậy

- Việc lắp đặt của cơ cấu mới sẽ tránh được lỗi lò xo tác động lên lò xo khác nếu mở rộng ra áp dụng cho tay máy đa bậc tự do

(a)

(b)

Hình 1-7 Cơ cấu cân bằng trọng lực dựa trên nguyên lý hoạt động của cơ cấu

Scotch-Yoke theo đề xuất của Nguyen [28] (a) Cơ cấu một bậc tự do; (b) Cơ cấu

ba bậc tự do

Hình 1-8 Đánh giá hoạt động của cơ cấu cân bằng trọng lực một bậc tự do theo

đề xuất của Yang [21]

Việc đánh giá hoạt động (khả năng chịu tải tối đa) của các cơ cấu cân bằng trước đó và của Nguyen [28] được thực hiện một cách cảm tính bằng cách treo các vật nặng có khối lượng tăng dần vào một đầu của cơ cấu cho đến khi cơ cấu không thể cân bằng được nữa [27, 28, 29]

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Từ những phân tích trên, nghiên cứu này sẽ đề xuất việc nghiên cứu thực

nghiệm hoạt động của cơ cấu cân bằng trọng lực một bậc tự do của Nguyen

[28] bằng một hệ thống cơ điện tử gắn trên cơ cấu này có các đặc điểm sau:

- Việc thay đổi tải được thực hiện tự động;

- Vị trí giới hạn (mà ở đó khả năng chịu tải là tối đa) của cơ cấu được đo đạc bằng cảm biến;

- Việc nghiên cứu thực nghiệm này được thực hiện với các giá trị khác nhau của chiều dài lò xo (tương ứng độ nén khác nhau)

1.4 Bố cục luận văn

Chương 1: Trình bày khảo sát các cơ cấu cân bằng trọng lực, trong đó tập

trung vào các nghiên cứu liên quan đến cấu tạo và hoạt động của cơ cấu cân bằng trọng lực sử dụng lò xo Việc đánh giá hoạt động (khả năng chịu tải tối đa)

của các cơ cấu cân bằng trước đó và của Nguyen [28] được thực hiện một cách cảm tính Điều này dẫn đến động lực và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Chương 2: Trình bày tóm tắt nguyên lý hoạt động, nguyên tắc thiết kế của

cơ cấu cân bằng trọng lực của Nguyen [28] dựa trên cơ cấu Scotch-Yoke

Chương 3: Trình bày nghiên cứu thực nghiệm hoạt động của cơ cấu cân

bằng trọng lực bằng cách thay thế hệ thống nguyên bản của Nguyen [28] bằng một hệ thống tương đương với khối lượng tải được điều chỉnh tự động Trình tự thực hiện cũng như các tính toán liên quan sẽ được trình bày chi tiết trong phần này

Chương 4: Trình bày một số kết quả ban đầu của nghiên cứu thực nghiệm

Những thuận lợi, khó khăn cũng như hướng phát triển cũng sẽ được thảo luận trong phần này

Chương 2 Cơ cấu cân bằng trọng lực [28]

2.1 Thiết kế hệ thống cân bằng sử dụng lò xo dựa trên nguyên lý của cơ cấu Scotch Yoke

Cơ cấu Scotch-Yoke là một cơ cấu chuyển động qua lại, biến chuyển động tuyến tính của một thanh trượt thành chuyển động quay, hoặc ngược lại Về mặt khái niệm, nguyên lý chuyển động điều hòa của cơ cấu Scotch-Yoke có thể được

sử dụng để cân bằng trọng lực của khâu liên kết với bất kỳ trạng thái nào như trong Hình 2-1

Hình 2-1 Nguyên lý cơ cấu Scotch-Yoke sử dụng lò xo

Hình 2-2 Cơ cấu Scotch-Yoke sử dụng lò xo cân bằng năng lượng

Hình 2-1 thể hiện cơ cấu cánh tay Scotch-Yoke với việc bố trí lò xo bên trái tạo ra đủ năng lượng đàn hồi để cân bằng với thế năng trọng trường do hệ thống các khâu liên kết bên phải

Theo như cơ cấu Scotch-Yoke Hình 2-2, khâu 1 là mặt đất, khâu 2 là tay quay, khâu 3 là khâu di chuyển theo trục x, rãnh dẫn hướng chuyển động hợp với phương ngang một góc nghiêng λi và khâu 4 là thanh trượt chuyển động trong rãnh 3 Một lò xo nén ki được gắn ở bên trái của khâu 3 Góc hợp giữa tay quay (khâu 2) và trục x là góc βi được xác định là góc ngược chiều kim đồng hồ theo hướng trục x dương Một điểm Bi trong khâu 3, được định nghĩa là điểm giao nhau của trục x và đường tâm của rảnh nghiêng Điểm B0,i là vị trí của điểm Bi tại vị trí khi lò xo không nén Đối với hệ vector của hệ thống, 𝐛𝒊 là vectơ từ A0,𝑖 đến A𝑖, 𝐜𝒊 là vectơ từ A𝑖 đến B𝑖, 𝐥𝒊 là vectơ từ A0,𝑖 tới điểm B0,𝑖và

𝐱𝒊 là vectơ từ B𝑖 đến B0,𝑖 Do đó, 𝐱𝒊 có thể được coi là vector nén của lò xo

Được thể hiện trong cơ cấu Hình 3-1, được biểu diễn bằng các công thức sau:

Lò xo có độ cứng ki, thế năng đàn hồi của lò xo ŨE,i của một khâu mới đó là:

𝑈̃𝑖 = 𝑈̃𝐸,𝑖 + 𝑈̃𝐺,𝑖 = 1

4k𝑖b𝑖2t𝑖2+ {𝜎̃𝑖𝑔 𝜍̃𝑖sin 𝜃̃ +𝑖 1

4k𝑖b𝑖2t𝑖2cos ,2(γ𝑖+β𝑖)-} (2.9)

2.2 Điều kiện cân bằng

Để cho năng lượng khâu thứ i trở thành không đổi theo thời gian thì tất cả

hệ số của hàm sin và cosin phải bằng 0 hoặc tổng của tất cả các công thức lượng giác bên trong phương trình (2.9) phải bằng không Do đó, một giải pháp tối ưu

có thể đề cập đến chỉ khi các yêu đầu đặt ra đồng thời thỏa mãn

R1:

𝜎̃𝑖𝑔 𝜍̃𝑖 =1

4k𝑖b𝑖2t𝑖2 (2.10)

R2:

sin 𝜃̃ = − cos ,2(γ𝑖 𝑖+β𝑖) (2.11) R1 chỉ ra rằng hệ số đàn hồi của lò xo k𝑖, bán quay b𝑖 và tham số t𝑖 của hệ cân bằng lò xo thứ i được chọn theo khâu đã cho 𝜎̃𝑖 và cho trước 𝝇̃𝒊 của khâu i R2 có thể được phát triển thành:

sin 𝜃̃ = − cos ,2(γ𝑖 𝑖+β𝑖)- = sin {−𝜋

2− 2(γ𝑖+β𝑖)} (2.12) Mối liên hệ góc quay được biểu diễn:

=> { 𝜃̃𝑖 = −

𝜋

2− 2(γ𝑖+β𝑖) + 2𝑚𝜋𝜃̃𝑖 = 𝜋 [−𝜋2− 2(γ𝑖+β𝑖)] + 2𝑚𝜋= {

𝜃̃𝑖 = −𝜋2 − 2(γ𝑖+β𝑖) + 2𝑚𝜋𝜃̃𝑖 = 3𝜋2 + 2(γ𝑖+β𝑖) + 2𝑚𝜋

(2.13)

= {𝜃̃𝑖 =

3𝜋

2 − 2(γ𝑖+β𝑖) + 2𝑛𝜋𝜃̃𝑖 = 3𝜋

2 + 2(γ𝑖+β𝑖) + 2𝑚𝜋 với m, n ϵ Z Tuy nhiên mối liên hệ giữa 𝜃̃𝑖 và β𝑖 có thể được biểu diễn:

đó, phương án bố trí một cặp bánh răng trụ ăn khớp ngoài với tỷ số truyền 2: 1

có thể được sử dụng để đạt được cân bằng trọng lực của khâu thứ i Ngược lại, nếu yêu cầu thêm điều kiện R2-2 thì phương án bố trí một cặp bánh răng ăn khớp trong có thể được sử dụng vì hai góc này cùng hướng như trong Hình 2-4 Với việc đồng thời thỏa mãn R1 và R2 (R2-1 hoặc R2-2), có thể đạt được một

hệ thống cân bằng trọng lực sử dụng lò xo Sử dụng góc λ𝑖 = 𝜋 2⁄ và cặp bánh răng ăn khớp hệ cần bằng lò xo, hệ thống có thể được thiết kế lại như sơ đồ thể hiện trong Hình 2-5 Lưu ý rằng, giữa khâu 2 và khâu 4 là một khớp quay, khớp trượt giữa khâu 3 và khâu 4 được thay thế bằng rảnh trượt hình trụ chính là điểm

A do tương đương về động học Một cơ cấu phát động dựa trên cơ cấu Scotch Yoke được sử dụng bổ trợ trong bộ cân bằng lò xo, sao cho lực ma sát bên trong

có thể giảm thiểu tối đa nhất

Hình 2-3 Điều kiện R2-1: Tay quay và con trượt quay ngược chiều nhau

Hình 2-4 Điều kiện R2-1: Tay quay và con trượt quay cùng chiều nhau

Hình 2-5 Cơ cấu Scotch Yoke sử dụng cặp bánh răng có tỉ số truyền 2:1 2.3 Thiết kế cơ cấu tránh xảy ra các lỗi không đáng có của hệ thống

Xét cơ cấu cân bằng sử dụng lò xo như trong Hình 2-5 và theo phương trình (2.18), nếu thay đổi góc pha 𝜃𝑠 là 2700 và điều kiện ban đầu của khâu thứ i được đặt là 𝜃̃ = 90𝑖 0 góc của tay quay ban đầu bằng β𝑖 = 1800 Khi mà xác định được các thông số ban đầu này thì thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi của hệ thống sẽ đạt cực đại và cực tiểu, chẳng hạn trọng tâm của khâu đó ở

vị trí vuông góc thì lò xo ở trạng thái nén nhất Trong khi khâu chấp hành thứ i tiếp tục quay ngược chiều kim đồng hồ từ vị trí ban đầu, thì thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi sẽ được tăng và giảm tương ứng Tuy nhiên, khi góc

𝜃̃ đạt đến 90𝑖 0, β𝑖 cũng đạt đến 900 Tại thời điểm này, thế năng trọng trường đạt cực đại và thế năng đàn hồi bằng không, lúc này lò xo trạng thái không nén Khi khâu thứ i quay quá 900, điểm 𝐴𝑖 của bánh răng 𝐺𝐴,𝑖 quay sang bên phải quanh trục 𝐴0,𝑖 và kết quả là thanh trượt 3 sẽ dần tách xa lò xo nén

Hình 2-6 Cơ cấu sử dụng lò xo cân bằng

Trong trường hợp này, cơ chế không hoạt động đúng theo tính toán Do đó,

cơ cấu cân bằng lò xo Scotch Yoke đã được thiết kế lại như trong Hình 2-6, tại

vị trí 𝐴𝑖 được thay thế bằng một cặp trục đối xứng tại hai điểm 𝐴𝑖 và 𝐴′𝑖 và thanh trượt rãnh (khâu 3) trong Hình 2-5 được thiết kế lại như trong Hình 2-6 Việc sắp xếp như vậy, hoặc là điểm 𝐴𝑖 hoặc là điểm 𝐴′𝑖 sẽ luôn giữ liên kết với tấm phẳng của khâu 3, làm lò xo nén lại không theo phương tác dụng của khâu i Những thay đổi thiết kế như vậy sẽ cho phép khâu i quay đủ 3600

2.4 Thiết lập hệ thống cân bằng lò xo

Hệ thống cân bằng sử dụng lò xo Scotch Yoke có thể được thiết kế và lắp đặt trên mặt đất hoặc mặt quay của khớp nối [28] Ở đây, ta chỉ trình bày trường hợp thứ hai như trong Hình 2-6 Lúc này, bánh răng 𝐺𝐴,𝑖 quay tự do quanh trục

𝐴0,𝑖 của khâu 4, bánh răng 𝐺𝐵,𝑖 có tâm quay là 𝐵0,𝑖 được cố định trên khâu thứ 1

và truyền chuyển động cho bánh răng 𝐺𝐴,𝑖; khâu thứ 4 liên kết với khâu thứ 1 thông qua điểm 𝐵0,𝑖 Theo cách thiết kế này thì hệ bánh răng là một bánh răng phẳng bao gồm bánh răng chủ động và bánh răng hành tinh Vì thế mối liên hệ góc quay của hệ bánh răng phẳng được tính toán theo công thức sau:

2.5 Mô hình cơ cấu cân bằng trọng lực 1DOF [28]

Phần này trình bày về mô hình thực tế của cánh tay máy một bậc tự do được lắp đặt với lò xo cân bằng dựa trên cơ cấu Scotch Yoke và được thiết kế, gia công, thử nghiệm

2.5.1 Thiết kế trên phần mềm cánh tay 1 bậc tự do

Việc thiết kế mô hình cơ cấu cân bằng trọng lực 1 bậc tự do với tải trọng 1kg ở khâu chấp hành cuối được thực hiện trên phần mềm Pro/Engineering Creo, như trong Hình 2-7 Cấu trúc của mô hình được xây dựng chủ yếu dựa trên cấu hình của kết cấu cơ khí như trong Hình 2-6, trong đó thanh trượt được thiết kế lại theo hình chữ U như trong Hình 2-7 Bằng cách gán vật liệu thích hợp cho mỗi thành phần kể cả hai trọng lượng tương đương 𝝈̃𝟏 và 𝝇̃𝟏 được ước tính dựa trên mô hình Creo Theo công thức (2.10) bán kính quay 𝑏1 của bánh

răng 𝐺𝐴,1 và hệ số đàn hồi 𝑘1 của lò xo được xác định theo 𝝈̃𝟏 và 𝝇̃𝟏 đã cho Cả

bốn thông số thiết kế được cho trong Bảng 2-1 Trước khi xây dựng mô hình thực tế, thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi và tổng hợp năng lượng của hệ thống được mô phỏng và được thể hiện trong Hình 2-8 để đảm bảo hệ thống hoàn toàn cân bằng trong khoảng thay đổi từ [ −900, 900-

Bảng 2-1 Thông số thiết kế của cơ cấu 1 bậc tự do

190.27mm 2.01kg 14.8mm 68.53 N/mm

Hình 2-7 Thiết kế 3D của mô hình cơ cấu 1 bậc tự do trên CREO

Hình 2-8 Thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi và tổng thế năng của mô

hình cơ cấu 1 bậc tự do

2.5.2 Thiết kế và chế tạo mô hình

Theo thiết kế được trình bày trong Hình 2-7 và các thông số được đưa ra trong Bảng 2-1, mô hình của cánh tay máy 1 bậc tự do được sản xuất và lắp ráp như Hình 2-9a Trong mô hình này, một số thành phần chính được mua trực tiếp

từ các đơn vị cung cấp ngoài thị trường Lò xo nén với mặt cắt ngang hình chữ nhật và có độ cứng 𝑘 = 68,96𝑁/𝑚𝑚 được đặt hàng từ SPRINGMING Cặp bánh răng 𝐺𝐴,1 và 𝐺𝐵,1 với sô răng lần lượt là 20 và 40 mô-đun là 1 mm được sản xuất bởi MITSUMI

Các tính năng của canh tay máy 1 bậc tự do thực tế này như sau:

1 Mô- đun hóa thiết kế: Cơ cấu cân bằng lò xo, bao gồm bánh răng 𝐺𝐴,1(bánh răng lớn), lò xo nén và cơ cấu Scotch yoke được thiết kế thành các mô- đun như trong Hình 2-9b Thiết kế mô-đun như vậy làm cho việc lắp ráp/tháo gỡ đơn giản

2 Dễ dàng thay thế lò xo Theo như việc chế tạo kiểu mô- đun trong Hình 9c thì việc điều chỉnh vị trí của lò xo và có thể thay thế sử dụng một lò xo

2-có độ dài tự nhiên khác khác nhau Việc điều chỉnh như vậy được thực