Thiết kế cơ cấu dẫn động thẳng độ phân giải micro

Trongđó bao gồm hai nội dung chính: một là thiết kế cơ cấu với hệ số khuếch đại chotrước trong hệ cơ cấu này, sử dụng khớp nối mềm để nối các khâu nhằm khắcphục một số nhược điểm của các

Lời cảm ơn

Trước tiên, với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn luận án tốt nghiệp - TS Phạm Huy Hoàng Thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, theo dõi và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô phản biện luận án này vì đã dành nhiều thời gian quý báu để nhận xét và đánh giá luận án này Bằng những nhận xét khoa học và những chỉ dẫn tận tình của quí Thầy Cô, chắc chắn sẽ giúp ích cho tôi rất nhiều trong việc hiểu chính xác và đầy đủ hơn về những vấn đề cần quan tâm nghiên cứu trong luận án.

Tôi xin trân trọng cảm ơn quí thầy cô trong trong ban Chủ nhiệm ngành đào tạo cao học Chế tạo máy, quí thầy cô ở PĐT Sau đại học và lãnh đạo Trường ĐHBK TP HCM đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi về mặt thời gian giúp tôi có thể hoàn thành luận án tốt nghiệp này đúng hạn.

Tôi xi n tri ân đối với gia đình tôi vì đã đã quan tâm và giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt thời gian thực hiện luận án.

Sau cùng, tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè đã giúp đỡ tôi về nhiều mặt trong suốt thời gian thực hiện luận án

Người thực hiện Trần Văn Thuỳ

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Luận án này trình bày những nghiên cứu và thiết kế về cơ cấu đàn hồidẫn động thẳng có độ phân giải là micro với nguồn dẫn động là Piezo Trongđó bao gồm hai nội dung chính: một là thiết kế cơ cấu với hệ số khuếch đại chotrước (trong hệ cơ cấu này, sử dụng khớp nối mềm để nối các khâu nhằm khắcphục một số nhược điểm của các hệ thống khuếch đại cơ đã có); hai là tối ưukích thước cơ cấu đàn hồi theo chỉ tiêu độ cứng vững

Luận án được trình bày trong 5 chương, cụ thể như sau:

Chương 1: Trình bày tổng quan về cơ cấu dẫn động thẳng độ phân giải

micro và nhu cầu cầu thực tế của cơ cấu hiện nay Phân tích ưu và nhược điểmcủa một số cơ cấu có chức năng tương tự, từ đó đưa ra phương hướng và biệnpháp để thiết kế và chế tạo cơ cấu

Chương 2: Trình bày nguyên lý thiết kế cơ cấu Trên cơ sở nguyên lý

này, thiết kế sơ bộ một số hình dạng của cơ cấu, sau đó sử dụng phần mềmAnsys để phân tích ứng suất và chuyển vị của cơ cấu Thông qua đó đánh giá

ưu nhược điểm của từng phương án thiết kế cơ cấu nhằm chọn ra cơ cấu thiết kếtheo yêu cầu kỹ thuật cho trước

Chương 3: Sử dụng phương pháp giải tích để xây dựng ma trận độ cứng

cho cơ cấu Trên cơ sở các thuật toán đã xây dựng, dùng phần mềm Matlab đểtính ma trận độ cứng và khảo sát độ cứng vững cơ cấu thông qua các đồ thịquan hệ giữa độ cứng và các thông số hình học của mô hình cơ cấu được thiếtkế Từ kết quả đó, đánh giá để chọn khoảng kích thuớc phù hợp (cho các thôngsố hình học) của cơ cấu

Chương 4: Trên cơ sở những khoảng kích thước đã chọn, dùng phần mềm

Ansys để tính toán tối ưu kích thước cơ cấu theo độ cứng vững và mô phỏngchuyển động Khảo sát biến dạng và ứng suất của cơ cấu theo điện áp đặt lênPiezo có tính đến bài toán tiếp xúc, bài toán kết hợp giữa điện áp và biến dạngcủa Piezo

Chương 5 : Trình bày kết luận những vấn đề thực hiện được và chưa thực

hiện được trong luận án này đồng thời đưa ra hướng phát triển tiếp theo củaluận án

Phần phụ lục: Gồm có các chương trình tính ma trận độ cứng kết cấu

(chương trình tính bằng Matlab) và các chương trình tối ưu hoá cơ cấu , chươngtrình mô phỏng chuyển vị của cơ cấu sử dụng Ansys

MỤC LỤC

Chương 1 Tổng quan về cơ cấu dẫn động thẳng độ phân giải micro

1.1 Khái niệm về cơ cấu dẫn động thẳng độ phân giải micro Trang 01

1.1.1 Khái niệm độ phân giải micro của cơ cấu 01

1.1.2 Khái niệm về cơ cấu dẫn động thẳng độ phân giải micro 01

1.1.3 Đặc điểm chung của cơ cấu 01

1.2 Nhu cầu thực tế về việc thiết kế và chế tạo các loại cơ cấu dẫn động thẳng độ phân giải micro 01

1.2.1 Ví dụ 1 02

1.2.2 Ví dụ 2 03

1.2.3 Ví dụ 3 04

1.3 Những thiết kế đã có- Ưu và nhược điểm 04

1.3.1 Cơ cấu Inchworm 05

1.3.1.1 Khái niệm về Piezoelectric PZT 05

1.3.1.2 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Inchworm 06

1.3.1.3 Ưu đểm 06

1.3.1.4 Nhược điểm 07

1.3.2 Cơ cấu Stick – Slip 07

1.3.2.1 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu 07

1.3.2.2 nguyên lý hoạt động 07

1.3.2.3 Ưu đểm 08

13.2.4 Nhược điểm 08

1.3.3 Cơ cấu Visme vi phân và Piezo 09

1.3.3.1 Mô hình cơ cấu 09

1.3.3.2 Sơ đồ nguyên lý 09

1.3.3.3 Nguyên lý hoạt động 10

1.3.4 Nguyên lý Magnet 10

1.3.4.1 Mô hình cơ cấu Magnet 10

1.3.4.2 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu 11

1.3.4.3 Nguyên lý hoạt động 11

1.3.4.4 Ưu điểm 11

1.3.4.5 Nhược điểm 12

1.3.5 Cơ cấu Piezo với bộ khuyếch đại cơ 11

1.4 Kết luận 13

1.5 Nội dung nghiên cứu của đề tài 14

1.5 Các bước giải quyết vấn đế 14

Chương 2 Thiết kế hình dạng cơ cấu 2.1 Xuất phát điểm Trang 15 2.1.1 Yêu cầu thiết kế của cơ cấu dẫn động thẳng độ phân giải micro 15

2.1.2 Nguyên lý thiết kế cơ cấu 15

2.2 Các phương án thiết kế cơ cấu 16

2.2.1 Phương án thiết kế 1 17

2.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu 17

2.2.1.2 nguyên lý làm việc của cơ cấu 17

2.2.1.3 Tính toán hệ số khuyếch đại K của cơ cấu 17

2.2.1.4 Thiết kế sơ bộ hình dạng của cơ cấu 18

2.2.2 Phương án thiết kế thứ 2 20

2.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu 20

2.2.2.2 Tính toán hệ số khuyếch đại K của cơ cấu 20

2.2.2.3 Thiết kế sơ bộ hình dạng của cơ cấu 21

2.2.3 Phương án thiết kế 3 22

2.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu 22

2.2.3.2 Thiết kế sơ bộ hình dạng của cơ cấu 22

2.3 Đánh giá và lựa chọn phương án thiết kế cơ cấu 23

2.3.1 Phân tích các phương án thiết kế 23

2.3.2 Lựa chọn phướng án thiết kế 24

2.4 Vật liệu thiết kế cơ cấu 24

2.4.1 Vật liệu cấu tạo cơ cấu 24

2.4.2 Vật liệu Piezo 24

2.5 Kết luận 25

Chương 3 Tính ma trận độ cứng của cơ cấu theo phương pháp giải tích

3.1 Ma trận độ mềm tổng quát của khớp mềm Trang 26

3.2 Đặt biến kết cấu 27

3.3 Xây dựng ma trận độ cứng của kết cấu 28

3.3.1 Ma trận độ cứng của Limb-1 28

3.3.1.1 Ma trận mềm đường chéo của Limb-1 29

3.3.1.2 Ma trận Jacobi biến dạng của Limb-1 30

3.3.1.3 Ma trận chuyển vị của ma trận JS Limb-1 31

3.3.1.4 Kết quả tính ma trận độ cứng của Limb-1 31

3.3.2 Ma trận độ cứng của Limb-2 32

3.3.3 Ma trận độ cứng kết hợp của Limb-1 và Limb-2 33

3.3.3.1 Xét Limb-1 33

3.3.3.2 Xét Limb-2 34

3.3.3.3 Ma trận độ cứng kết hợp của Limb-1 và Limb-2 ( Limb-12) 34

3.3.4 Ma trận độ cứng kết hợp của Limb-3 và Limb-4( Limb-34) 35

3.3.5 Ma trận độ cứng của Limb-345 (Limb-34 kết hợp với Limb-5) 35

3.3.6 Ma trận độ cứng kết hợp của Limb-12 và Limb-6( Limb-126) 37

3.3.7 Ma trận độ cứng kết hợp của Limb-126 và Limb-345 37

3.3.7.1 Xét Limb-126 37

3.3.7.2 Xét Limb-345 38

3.3.7.3 Kết quả tính 39

3.3.8 Ma trận độ cứng của cơ cấu 39

3.3.9 Kết luận 40

3.4 Khảo sát độ cứng vững của cơ cấu bằng phần mềm Matlab 40

3.4.1 Mô hình cơ cấu và các tham số kết cấu 40

3.4.2 Khảo sát độ cứng vững cơ cấu theo t và R 41

3.4.2.1 Đồ thị của Limb-3 41

3.4.2.2 Đồ thị của Limb-6 43

3.4.2.3 Đồ thị của Limb-5 45

3.4.2.4 Nhận xét về quan hệ giữa độ cứng vững cơ cấu theo t và R 47

3.4.2.5 Kết luận sơ bộ hai tham số kích thước theo t và R 48

3.4.3 Khảo sát độ cứng vững theo chiều dài d và L của các khâu 49

3.4.3.1 Đồ thị độ cứng Kxx theo chiều dài d (mm) và L (mm) 49

3.4.3.2 Đồ thị độ cứng Kyy theo theo bề dài d (mm) và L (mm 49

3.4.3.3 Đồ thị độ cứng K_Z theo theo bề dài d (mm) và L (mm) 49

3.4.3.4 Nhận xét 50

3.4.3.5 Kết luận 50

3.5 Kết luận chương 50

Chương 4 Tối ưu kích thước cơ cấu và mô phỏng cơ cấu 4.1 Tham số hoá kích thước Trang 51 4.2 Lựa chọn phương pháp thiết kế tối ưu 52

4.2.1 Khái niệm về tối ưu hoá thiết kế 52

4.2.2 Lựa chọn phương pháp thiết kế tối ưu 53

4.3 Sử dụng Ansys thiết kế tối ưu kích thước cơ cấu theo độ cứng vững 54 4.3.1 Các phương pháp tối ưu trong Ansys 54

4.3.2 Tối ưu kích thước cơ cấu theo độ cứng vững 54

4.3.2.1 Khoảng giá trị của các tham số tối ưu hoá 54

4.3.2.2 Trình tự thực hiện 55

4.3.2.3 Kết luận của bài toán tối ưu các tham số kích thước R, d, L 60

4.3.2.4 Kiểm tra độ bền và góc quay cực đại của khớp mềm 60

4.3.2.5 Nhận xét kết quả 62

4.4 Mô phỏng cơ cấu làm việc 63

4.4.1 Mô phỏng chuyển động của cơ cấu 63

4.4.2 Khảo sát biến dạng và ứng suất của cơ cấu theo điện áp đặt lên Piezo có tính đến bài toán tiếp xúc, bài toán kết hợp giữa điện áp và biến dạng của piezo 63

4.4.2.1 Khảo sát sự kết hợp giữa diện áp và biến dạng của Piezo 63

4.4.2.2 Nhận xét 65

4.4.3 Khảo sát sự tiếp xúc giữa cơ cấu và Piezo 65

4.5 Suy đoán độ phân giải 67

4.5.1 Độ phân giải lý thuyết 67

4.5.2 Độ phân giải của cơ cấu khi mô phỏng bằng Ansys 68

4.6Kết luận 69

Chương 5 Kết luận và Phương pháp phát triển đề tài 5.1Kết luận Trang 70 5.1.1 Những vấn đề đã được thực hiện trong luận án 70

5.1.2 Những vấn đề chưa thực hiện được trong luận án 71

5.2 Phương hướng phát triển 72

Tài liệu tham khảo Trang 74Phụ lục 76

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU DẪN ĐỘNG THẲNG

ĐỘ PHÂN GIẢI MICRO

1.1 Khái niệm về cơ cấu dẫn động thẳng độ phân giải micro

1.1.1 Khái niệm độ phân giải micro của cơ cấu

Độ phân giải micro của cơ cấu là chuyển động nhỏ nhất mà khâu công táccủa cơ cấu có thể đạt được ( Chuyển động nhỏ nhất trong trường hợp này làmicromét )

1.1.2 Khái niệm về cơ cấu dẫn động thẳng độ phân giải micro

Cơ cấu dẫn động thẳng độ phân giải micro là một cấu trúc gồm các khâu vàcác khớp liên kết với nhau theo một trật tự nhất định có khả năng truyền và biếnđổi chuyển động Nguồn dẫn động cho cơ cấu có thể chuyển động tịnh tiến hoặcquay, thông qua cơ cấu này có thể tạo ra chuyển động công tác là chuyển động

thẳng có độ phân giải đến micro (0.001 mm)[1].

1.1.3 Đặc điểm chung của cơ cấu

- Độ chính xác cao

- Làm việc êm

- Không cần bôi trơn trong các khớp quay

- Không xảy ra sự trượt trong khớp

- Cơ cấu đơn giản

- Độ tin cậy làm việc cao

- Trọng lượng nhẹ

1.2 Nhu cầu thực tế về việc thiết kế và chế tạo các lọai cơ cấu dẫn động thẳng độ phân giải micro

Trong thời gian gần đây, nhiều ngành khoa học mới ra đời và phát triểnmạnh mẽ Kết quả nghiên cứu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹthuật khác nhau đã mang lại một bước đột phá về công nghệ, thiết bị và chất lượngcủa các quá trình, Một phần kết quả trong số đó đã trở thành nền tảng cho nhữngphát triển tiếp theo của khoa học hiện đại

Một trong những đối tượng nghiên cứu của các ngành khoa học mới này làcác cấu trúc có kích thước rất nhỏ hoặc yêu cầu các cơ cấu, kết cấu phải được chế

tạo và lắp ráp vớiù độ chính xác rất cao trong điều kiện máy móc, thiết bị thôngthường không thể đáp ứng được.

Đặc biệt, trong các lĩnh vực như : gia công siêu chính xác; lưu trữ và truyềntải dữ liệu; công nghệ Nano; công nghệ Sinh học, công nghệ Y sinh học… thườngđòi hỏi thiết bị công nghệ phục vụ cho các quá trình chế tạo, lắp ráp và vận hànhphải có độ chính xác cao Do vậy, cần phải có những thiết bị hay các cơ cấu dẫnđộng có thể thực hiện được chuyển động rất nhỏ (độ phân giải của chuyển độngđến micro), tốc độ đáp ứng nhanh và sai số vị trí cho phép nhỏ

1.2.1 Ví dụ 1

Trong quá trình kết nối cáp quang, yêu cầu chính là khi cơ cấu vận hànhkhông gây ra khuyết tật trên bề của lõi cáp quang không gây ra ứng suất trong lõivà phải có độ chính xác cao về vị trí để đảm bảo tính thông suốt của đường truyềntín hiệu[1]

Hình 1.1

Với yêu cầu cao như vậy, lọai cơ cấu kết nối cáp cơ khí thông thường (hình1.2) không thể đáp ứng được Do trong quá trình vận hành, trong bản thân mỗi khớpbản lề đã có sự trượt tương đối giữa hai bề mặt của trục và lỗ, thành phần lực masát trong các khớp lại không giống nhau cả về phương, chiều và độ lớn, nên nóichung rất khó đạt được độ chính xác định vị cần thiết của các cơ cấu lọai này

Hình 1.2, [1]

Để khắc phục hai nhược điểm trên, người ta đưa ra một lọai khớp mới thay

thế cho các khớp bản lề thông thường, đó là khớp mềm (flexure joint) (hình 1.3).

Với loại cơ cấu này, độ chính xác định vị có thể đạt đến micro

Hình 1.3, [1]

1.2.2 Ví dụ 2

Để gia công một thiết bị đo cơ khí có độ chính xác 0.001mm , về nguyên tắc

mỗi chi tiết của thiết bị đo có tham gia vào việc xác định kích thước đo phải được

chế tạo riêng lẽ với sai số kích thước không vượt quá 0.001mm Trong trường hợp

này, rõ ràng thiết bị công nghệ để gia công chúng phải có khả năng tạo ra cácchuyển động công tác thích hợp có độ phân giải dưới micro.

Hình 1.4 1.2.3 Ví dụ 3

Một số thiết bị lưu trữ thông tin mật độ cao được xây dựng trên nền tảng của

công nghệ 60 na-no-mét (nm), hay gần nay là công nghệ 40 nanomet của hãng Sam

Sung Trong đó, mỗi phần tử lân cận nhau chỉ cách nhau vài chục na-no-mét phảiđược gia công bằng những thiết bị có độ chính xác cực cao Ngoài ra, trong một sốthiết bị khác như : thiết bị phân tách tế bào trong công nghệ sinh học, thiết bị giacông và lắp ráp vi mạch đa lớp trong công nghiệp bán dẫn … cũng phải sử dụng tớinhững cơ cấu có khả năng tạo ra các chuyển động công tác mà độ phân giải chuyểnđộng dưới kích thước một mi-cro-mét( m).

Tóm lại, để đáp ứng được các nhu cầu trên, bên cạnh việc cải tiến về vậtliệu chế tạo hay sơ đồ nguyên lý của các cơ cấu có khả năng tạo ra chuyển độngnhỏ theo nguyên lý đòn bẩy truyền thống; thì việc tiếp tục nghiên cứu, phát triển đểnâng cao độ chính xác cho các cơ cấu tạo chuyển động có độ phân giải dưới  m là

rất cần thiết

1.3 Những thiết kế đã có – Ưu và nhược điểm

Hiện nay trên thế giới đã thiết kế và chế tạo được một số cơ cấu tạo chuyểnđộng với độ phân giải dưới micro đáp ứng được nhu cầu sử dụng trong nghiên cứukhoa học và trong công nghiệp

Sau nay là một số thiết kế đã được ứng dụng trong việc tạo ra các chuyểnđộng nhỏ như :

- Cơ cấu Inchworm

- Cơ cấu Stick-Slip

- Cơ cấu Magnet

- Cơ cấu visme vi phân và Piezo

- Cơ cấu Piezo với bộ khuyếch đại cơ …

1.3.1 Cơ cấu Inchworm

Nguyên lý thiết kế trong cơ cấu Inchworm là kết hợp nhiều khoảng dịchchuyển nhỏ để tạo ra một khoảng dịch chuyển lớn trên cơ cấu, sơ đồ cấu tạo cơ cấunhư sau (hình 1.5):

Hình 1.5, [2]

Trong đó:

1-Trục chính (chuyển động theo phương dọc trục),

2-Đai ốc,

3-Vòng đệm lò xo,

4-Ống trụ bao bên ngòai,

5-Piezoelectric PZT,

6-Vòng tựa,

7-Ống trụ,

8-Khớp nối mềm : dùng để khuếch đại khoảng dịch chuyển của PZT

Mô hình cấu tạo cơ cấu Inchworm:

Hình 1.6, [2]

1.3.1.1 Khái niệm về Piezoelectric PZT

- Piezoelectric PZT là một cấu trúc được chế tạo bằng vật liệu có khả năngtăng thể tích khi chịu tác động của một điện thế nguồn nào đó Thông thường cấutrúc này được chế tạo gồm nhiều lớp Piezoelectric mỏng ghép lại với nhau bằngkeo dán Epoxy Sự thay đổi kích thước của bản thân mỗi lớp dán do sự dãn dài củavật liệu khi có điện thế tác động vào là hiệu ứng cơ bản được ứng dụng trong cơ cấu

này Trong cơ cấu này, khoảng dịch chuyển công tác của PZT bằng tổng các lượngdịch chuyển của các lớp Piezo mỏng theo phương dọc trục.

Hình 1.7 Piezo electric PZT, [2]

1.3.1.2 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Inchworm

Khi áp điện thế vào Piezo PZT, Piezo sẽ bị biến dạng Nguyên lý Inchwormcó thể được trình bày theo thứ tự các bước ở hình dưới đây :

Hình 1.8 Các bước làm việc của Piezo PZT ,[4]

- Cơ cấu Inchworm thường được sử dụng trong ngành công nghiệp hàng

không và c ông nghiệp ô tô để điều khiển hình dáng và điều khiển dao động của hệthống cấu trúc thích nghi [2]

1.3.1.3 Ưu điểm

- Độâ phân giải cao

- Tốc độ nhanh

- Tạo ra lực lớn

- Sai số không đáng kể

- Độ cứng vững cao

Nhược điểm

- khoảng dị chuyển nhỏ ( khoảng vài micromét )

- Số lượng chi tiết của cơ cấu nhiều ( khoảng 25 chi tiết )

- Chi phí cao

1.3.2 Cơ cấu Stick-Slip

1.3.2.1 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu Stick-Slip, [3]

1.3.2.2 Nguyên lý hoạt động

Piezo có một đầu được cố định, một đầu được dãn dài tự do khi được ápđiện, thanh trượt thực hiện chuyển động công tác được đặt nằm tự do trên phần tửPiezo thông qua chi tiết trung gian là một gối Gối này được liên kết cố định vớiđầu tự do của Piezo như hình 1.8 Khi áp điện có dạng sóng hình răng cưa vàoPiezo (hình 1.10)( điện áp tăng rất chậm đến giá trị cực đại), Piezo sẽ dịch chuyển(dãn dài)

Hình 1.10 Chu kỳ áp điện vào phần tử Piezo, [3]

Khi Piezo dãn dài, do lực ma sát tĩnh giữa gối ma sát và thanh trượt lớn nênthanh trượt cũng dịch chuyển theo Piezo Khi đến giá trị cực đại, điện áp giảmxuống giá trị cực tiểu rất nhanh dẫn đến Piezo và gối trở về vị trí ban đầu cũngnhanh hơn khi dãn dài ra Tuy nhiên, do lực quán tính của thanh trượt lớn hơn lực

ma sát tĩnh giữa thanh trượt và gối nên xảy ra quá trình trượt trơn giữa gối và thanhtrượt Kết quả là chỉ có Piezo mang gối trở về vị trí ban đầu còn thiết bị trượt đãdịch chuyển một đoạn so với vị trí ban đầu

Hình sau minh họa rõ hơn nguyên lý làm việc của cơ cấu này:

- Tạo ra lực nhỏ

- Độ cứng vững thấp

- Khoảng dịch chuyển nhỏ

1.3.3 Cơ cấu Visme vi phân và Piezo

1.3.3.1 Mô hình cơ cấu

Hình 1.12, [5]

1.3.3.2 Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.13,[5]

3 c ơ c ấ u v is m e

1.3.3.3 Nguyên lý hoạt động

Tương tự như nguyên lý Stick-Slip, nhờ vào lực ma sát tĩnh và động để quaytrục vít Khi Piezo dịch chuyển chậm sẽ làm cho vít quay ( hình 1.13b) Ngược lạikhi Piezo dịch chuyển nhanh do lực quán tính lớn hơn lực ma sát động nên khônglàm cho vít quay ( hình 1.13c)

Cơ cấu này được ứng dụng để điều chỉnh tinh độ cao, độ nghiêng… của thiết

bị như hình 1.14

Hình 1.14 Tinh chỉnh độ cao và độ nghiêng của bàn công tác bằng 3 cơ cấu Visme

vi phân và Piezo

1.3.4 Nguyên lý Magnet

1.3.4.1 Mô hình cơ cấu Magnet

Hình 1.15, [5]

1.3.4.2 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu

Hình 1.16, [5]

1.3.4.3 Nguyên lý hoạt động

Chuyển động của trục công tác trong cơ cấu này nhờ vào tương tác lực từgiữa nam châm vĩnh cửu (lắp với trục) và hai cặp nam châm điện cố định (được đặthai bên như hình 1.16) có thể điều khiển việc thay đổi cực từ Theo đó, để namchâm vĩnh cửu (kéo theo trục công tác) chuyển động về hướng nam châm điện thứbên phải thì nam châm điện bên trái phải tạo ra một lực từ đẩy nam châm vĩnh cửuđồng thời nam châm điện bên phải tạo ra lực từ hút nam châm vĩnh cửu và ngượclại

1.3.4.4 Ưu điểm

- Tốc độ nhanh

- Tạo ra khoảng dịch chuyển lớn

- Độ cứng vững cao

- Cơ cấu nhỏ gọn

1.3.4.5 Nhược điểm

- Tạo ra lực nhỏ

- Độ chính xác không cao

1.3 5 Cơ cấu Piezo với bộ khuếch đại cơ

Cơ cấu Piezo được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị chính xác Có khả năngtạo ra lực công tác khá lớn với tốc độ đáp ứng nhanh Tuy nhiên, do hạn chế của

vật liệu chế tạo Piezo về phương diện dãn dài Cho nên Piezo chỉ thực hiện được

khoảng dịch chuyển rất nhỏ (khoảng nm) nên không thể sử dụng trực tiếp đáp ứng

về chuyển động của Piezo trong các cấu trúc thực tế Chính vì vậy, người ta thườngphải khuếch đại khoảng dịch chuyển ở đầu ra bằng một hoặc nhiều hệ thốngkhuếch đại cơ khí Hình 1.17 và hình 1.18 trình bày hai hệ thống điển hình

- Sơ đồ khuếch đại chuyển vị 1

nếu có thể thay thế chúng bằng loại khớp mềm (flexure joint) (hình 1.19) thì cơ cấusẽ có độ chính xác cao hơn nhờ biến dạng của vật liệu có tiết diện nhỏ tại khớp màkhông có trượt và các hiệu ứng do ma sát trong khớp Không những thế, dao độngvà tiếng ồn của cơ cấu khi làm việc cũng được giảm nhiều.

Hình 1.19, [4]

Nhìn chung, các bộ khuếch đại chuyển vị cơ khí (có sử dụng khớp nốimềm(flexure joint) thay thế cho khớp bản lề truyền thống có những ưu điểm sau[4]:

- Làm việc êm

- Không cần bôi trơn trong các khớp quay

- Không xảy ra sự trượt trong khớp

- Tốc độ đáp ứng nhanh

- Giảm mài mòn trong quá trình vận hành

- Độ tin cậy làm việc cao

- Trọng lượng nhẹ

- Độ chính xác cao

Tuy vậy, bản thân lọai khớp thay thế này cũng có một số nhược điểm[4]:

- Hệ số khuyếch đại không cao

vững cơ cấu chưa tốt, hình dạng và kích thước cơ cấu chưa được tối ưu v.v Nhưvậy để cơ cấu Piezo với bộ khuếch đại cơ khí được hoàn thiện hơn thì vấn đề tiếptục nghiên cứu, phát triển là hết sức cần thiết.

Luận án này cố gắng giải quyết một phần nhỏ của họat động này

1.5 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Luận án này tập trung nghiên cứu thiết kế và tối ưu kích thước cơ cấu đànhồi với nguồn chuyển động làPiezo theo chỉ tiêu độ cứng vững Cơ cấu này có khảnăng tạo ra chuyển động thẳng với độ phân giải mi-cro-mét Trong hệ thống này,có sử dụng khớp nối mềm để nối các khâu nhằm khắc phục một số nhược điểm củacác hệ thống khuếch đại cơ đã có

1.6 Các bước giải quyết vấn đề

Bước 1: Để thiết kế hình dạng cơ cấu, việc đầu tiên là tổng hợp cơ cấu

khuyếch đại sao cho độ khuếch đại cao nhưng kích thước nhỏ gọn Sau đó tính tóantối ưu kích thước của khớp nối mềm và chiều dài của các khâu của cơ cấu (tối ưu

ba thông số r , L và d sẽ được trình bày trong các chương sau).

Bước 2: Lập mô hình độ cứng vững của cơ cấu theo phương pháp giải tích Bước 3: Tính toán thiết kế kích thước cơ cấu.

Bước 4: Tham số hoá các kích thước quan trọng của cơ cấu để thiết kế tối ưu

theo chỉ tiêu độ cứng vững

Bước 5: Mô phỏng cơ cấu bao gồm chuyển vị biến dạng và ứng suất Trong

đó có tính đến bài toán tiếp xúc , bài toán kết hợp giữa điện áp và biến dạng củaPiezo

Phần mềm hỗ trợ tính tóan thiết kế: MATLAB và ANSYS

Chương 2

THIẾT KẾ HÌNH DẠNG CƠ CẤU

2.1 Xuất phát điểm

2.1.1 Yêu cầu thiết kế của cơ cấu dẫn động thẳng độ phân giải Micro

- Tổng hợp cơ cấu khuếch đại cơ với Piezo làm nguồn phát động chuyểnđộng, có sử dụng khớp mềm để nối các khâu thay cho các khớp bản lề thôngthường

- Chuyển động đáp ứng của khâu công tác là chuyển động thẳng

- Chuyển vị cho phép của Piezo dãn dài khi được áp điện trong khoảng từ

50m đến 100m

- Đáp ứng đầu ra của cơ cấu cho chuyển vị thẳng trong khoảng từ 500m đến

1000m Tương ứng với hệ số khuếch đại của cơ cấu là: K=10.

- Độ phân giải chuyển động : 1m

- Tải trọng tối đa trên khâu công tác: 30 ÷ 40 N

- Kích thước bao cho phép của cơ cấu :

+ Chiều dài L ≤ 250 mm+ Chiều rộng B ≤ 150 mm+ Chiều dày W ≤ 15 mm

2.1.2 Nguyên lý thiết kế cơ cấu

Như trình bày trong chương 1, các cơ cấu khuếch đại cơ khí chủ yếu dựa trênnguyên tắc đòn bẩy như hình 2.1

Hình 2.1

Hệ số khuyếch đại

m

n

K  không lớn nên khoảng dịch chuyển ở đầu ra của

cơ cấu không lớn

Để tăng hệ số khuếch đại của cơ cấu, trên cơ sở các thiết kế đã có và căn cứvào các yêu cầu thiết kế cơ cấu có thể thiết lập được sơ đồ nguyên lý của cơ cấucần thiết dựa vào nguyên tắc khuếch đại vi phân như trong hình 2.2

Hình 2.2

Từ sơ đồ này, có thể tính được độ khuếch đại chuyển vị của cơ cấu như sau:

Ta có :

n m

i L m

i b

n b m

n m

L  

Nhận xét: Theo qui luật của đòn bẩy, nếu lợi về đường đi thì tất sẽ thiệt về

lực Do đó phải cân nhắc khi thiết kế sơ đồ nguyên lý cơ cấu sao cho dung hòa đượchai đại lượng này mới đáp ứng được yêu cầu thiết kế của cơ cấu

2.2 Các phương án thiết kế cơ cấu

Trên cơ sở nguyên lý khuếch đại vi phân ở mục 2.1.2 và căn cứ vào yêu cầuthiết kế cụ thể của cơ cấu Ta triển khai thành các phương án thiết kế theo sơ đồnguyên lý hoạt động của cơ cấu như sau:

2.2.1 Phương án thiết kế 1

2.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu

Hình 2.3

2.2.1.2 Nguyên lý làm việc của cơ cấu

Chuyển vị của nguồn dẫn động cơ cấu x được đặt tại A theo phương của mũitên, thông qua các khâu và các khớp, chuyển động công tác L của cơ cấu được lấy

ra ở điểm B theo hướng ngược lại với chuyển động nguồn Quĩ đạo chuyển động làthẳng

2.2.1.3 Tính tóan hệ số khuếch đại K của cơ cấu

Độ khuếch đại chuyển vị của cơ cấu K được tính dựa vào công thức 2.2, ta có:

i m

n b m

n m

L  

Trong trường hợp này, thay thế b = x và i = x, ta được kết quả:

x m

n x m

n m

L  

x m

n m

L 2

đặt :

x m

n m

K  2 (2.5)

K được gọi là hệ số khuếch đại chuyển vị của cơ cấu

trong đó:

L - chuyển vị công tác,m

K – hệ số khuếch đại chuyển vị

x – chuyển vị nguồn,m

vậy, công thức 2.4 trở thành:

Kx

L (2.6)

2.2.1.4 Thiết kế sơ bộ hình dạng của cơ cấu

Để tăng độ cứng vững, tăng độ chính xác định vị cho cơ cấu, với phương ánthiết kế này tiến hành thay thế các khớp bản lề truyền thống bằng khớp mềm nhưđã trình bày trong mục 1.2.1 của chương 1 Cần nhắc lại là việc thay thế này giúplọai bỏ thành phần lực ma sát sinh ra giữa các chi tiết của khớp quay khi chuyểnđộng tương đối để thay đổi vị trí của các khâu thành phần

Chỉ tiêu thiết kế cơ cấu trong luận án này là theo độ cứng vững Do đó, ngòaikích thước hình học của các khâu được lựa chọn sao cho đáp ứng đúng hệ sốkhuếch đại chuyển vị mà cơ cấu yêu cầu thì kích thước các phần tử hình học tạo

thành khớp được chọn sơ bộ (bán kính R và chiều dày t của khớp mềm (hình 2.4)).

Sau đó sẽ tiến hành tính tóan tối ưu hóa kích thước của chúng theo độ cứng vững đểtìm ra khỏang giá trị mục tiêu cần thiết Phần này sẽ được trình bày trong chươngsau

Hình 2 4

Khi thiết kế cơ cấu này, căn cứ vào kích thước bao của cơ cấu, căn cứ vàonhững kết quả nghiên cứu trong các tài liệu [1,2,3], tiến hành chọn sơ bộ hai thôngsố hình học của phần tử khớp mềm như sau:

Chọn: R=5mm, t=0.3mm

Chọn chiều dày của cơ cấu là: b =12mm

Với việc lựa chọn sơ bộ về kích thước hình học như vậy, ta đưa ra được hìnhdáng hình học sơ bộ của cơ cấu đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của cơ cấu như tronghình 2.5

Hình 2.5

Dựa vào kích thước hình 2.5, ta xây dựng hình dạng cơ cấu trên phầnmềm Ansys :

2.2.2 Phương án thiết kế 2

2.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu

Hình 2.6

2.2.2.2 Tính tóan hệ số khuếch đại K của cơ cấu

Độ khuyếch đại chuyển vị của cơ cấu K được tính cũng dựa vào công thức2.2, ta có :

i m

n b m

n m

L  

Trong trường hợp này, thay thế b = 2x và i =2x, ta được kết quả:

x m

n x m

n m

L  2  2

x m

n m

K 2 2 (2.8)

K được gọi là hệ số khuếch đại chuyển vị của cơ cấu

vậy, công thức 2.7 trở thành:

Kx

L (2.9)

2.2.2.3 Thiết kế sơ bộ hình dạng của cơ cấu

Lý luận tương tự như trên khi lựa chọn sơ bộ hình dạng cơ cấu, kết quả sơ bộthu được trong hình 2.7 mô tả hình dạng của cơ cấu này

Hình 2.7

Dựa vào kích thước hình 2.7, ta xây dựng hình dạng cơ cấu trên phần mềmAnsys :

2.2.3 Phương án thiết kế 3

2.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu

K 2 2

2.2.3.2 Thiết kế sơ bộ hình dạng của cơ cấu

Dựa vào sơ đồ nguyên lý ở mục 2.1.3.3.1, ta xây dựng hình dạng sơ bộ của cơ

cấu như sau :

Hình 2.9

Dựa vào kích thước hình 2.9, ta xây dựng hình dạng cơ cấu trên phần mềmAnsys:

2.3 Đánh giá và lựa chọn phương án thiết kế cơ cấu

2.3.1 Phân tích các phương án thiết kế

Dựa vào phần mềm Ansys để đánh giá ưu và nhược điểm của từng cơ cấu.Chú ý rằng cả ba cơ cấu trên đều sử dụng cùng đặc tính vật liệu, cùng chuyển vịnguồn va kích thước của khớp mềm

Bảng 2.1Mô tả Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3

2.3.2 Lựa chọn phương án thiết kế

Căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật của cơ cấu, căn cứ vào bảng phân tích cácphương án thiết kế 2.1, nhận thấy rằng cơ cấu thứ 3 (hình 2.9) có khả năng đáp ứngđược đầy đủ các yêu cầu thiết kế Trong đó, quan trọng nhất là tạo ra chuyển vị ởđầu ra của cơ cấu lớn với sai số chuyển vị nhỏ

Tất nhiên, hình 2.9 chỉ trình bày sơ bộ về hình dạng và kết cấu của cơ cấu.Việc tối ưu hóa các thông số quyết định đến độ cứng và độ phân giải của cơ cấu là

d, L và t sẽ được thực hiện bằng cách tham số hóa mô hình và tiến hành giải bàitóan tối ưu trên theo phương pháp số Công cụ thực hiện là hai phần mềm Matlabvà Ansys Trong đó, dùng Matlab để xác định khỏang giá trị cho phép của cácthông số d, L và t Sau đó tiến hành mô phỏng ứng suất và chuyển vị của cơ cấu

trên phần mềm Ansys để đánh giá kết quả và xác lập giá trị tối ưu theo chỉ tiêu độcứng vững của cơ cấu.

2.4 Vật liệu thiết kế cơ cấu

Vật liệu thiết kế cơ cấu phải đảm bảo hai tiêu chí cơ bản về độ cứng và độbền thể tích Ngòai ra, vật liệu được chọn cũng phải thỏa mãn khả năng công nghệcủa thiết bị gia công, tức là phải gia công được một cách tương đối dễ dàng

Dựa trên những nghiên cứu về vật liệu đàn hồi dành cho các cấu trúc chínhxác [10 11 12 13 14] Trong luận án này chọn các lọai vật liệu như sau để tiến hànhtính tóan thiết kế và tối ưu hóa kích thước như trong mục sau đây

2.4.1 Vật liệu cấu tạo cơ cấu

- Hợp kim nhôm : Aluminum (6061-T6) [12]

- Tính chất vật liệu:

+ E = 68900 N/mm2

+ Hệ số Poisson : = 0.35+ Giới hạn chảy :  ch=255 MPa

2.4.2 Vật liệu Piezo

- Vật liệu dãn dài khi được áp điện, đó là Piezo electric: PIC 151 [9 14]

- Tính chất vật liệu:

+ Hằng số đàn hồi : CE

33 =8,9.1010 N/m2

+ Hằng số Piezoelectric d33= 635.10-12m/V+ Hằng số điện môiT33= 5440.0

+ Trọng lượng riêng 7800 kg/m3

- Ma trận độ cứng của Piezo:

10 5 2 0 0

0 0

0

0 10 3 2 0 0

0 0

0 0

10 3 2 0 0

0

0 0

0 10 9 8 10 3 5 10 3 5

0 0

0 10 3 5 10 8 10 10 7 5

0 0

0 10 3 5 10 7 5 10 8 10

2

m N

E E

E

E E

E

E E

E

E E

0 0 0 21 0 0

0

0 0 21 0 0 0

0

2

m C e

- Ma trận về hằng số điện môi của Piezo:

8 8 4 0

0

0 8

4 4 0

0 0

8 4 4

m F E

E E

- Thông số hình học của Piezo:

+ Hình dạng: trụ tròn+ Đường kính : R=10mm+ Chiều dài:L= 75mm

- Yêu cầu khác của Piezo

+ Độ cứng vững phù hợp+ Ứng suất và biến dạng sinh ra trong quá trình vận hành của cơ cấunhỏ

2.5 Kết luận

- Cơ cấu được thiết kế theo nguyên lý khuếch đại vi phân, sơ đồ nguyên lýđược trình bày theo hình 2.8 Các thông số hình học cơ bản của cơ cấu được lựachọn sơ bộ như sau (hình 2.4 và hình 2.9):

+ R = 5mm+ t = 0.3mm+ W =12mm+ B =140mm+ L = 220mm

- Vật liệu chế tạo cơ cấu: Aluminum (6061-T6)

- Vật liệu dãn dài: PIC 151

- Việc phân tích độ cứng vững và suy đóan độ phân giải của cơ cấu sẽ đượctrình bày trong chương 3 tiếp sau đây

Chương 3

TÍNH MA TRẬN ĐỘ CỨNG CỦA CƠ CẤU THEO PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH

3.1 Ma trận độ mềm tổng quát của khớp mềm

Trong đề án này chỉ giới hạn xây dựng ma trận độ mềm của khớp mềm trongmặt phẳng (xoy), nghĩa là chúng ta chỉ nghiên cứu độ mềm của khớp mềm theo cácphương x, y vàZ

Xét khớp mềm của cơ cấu gắn với hệ trục tọa độ như trong hình 3.1

23 22 11

0 0

0 0

C C

C C C C

Trong đó các phần tử của ma trận được tính như sau [8] :

t

R Eb

2 / 5 22

C  (mm/N)

2 / 5

2 / 1 33

2 / 3 2 32

23

2

9 2

1

Ebt

R R

t C

+ R - Bán kính của khớp mềm, mm

+ t - Chiều dày của khớp mềm, mm

+ b - Chiều rộng của khớp mềm, mm

+ E - Modun đàn hồi của vật liệu, Mpa

3.2 Đặt biến kết cấu

Ngoài yêu cầu phải đảm bảo đúng hệ số khuếch đại và chuyển vị công tác củakhâu chấp hành ở cơ cấu cần thiết kế, chỉ tiêu thiết kế cơ cấu là tối ưu hóa cơ cấutheo độ cứng vững Vậy để thiết lập bài tóan tối ưu phải tiến hành tham số hóa cácđại lượng thiết kế quyết định đến độ cứng vững của cơ cấu Trong tính tóan giải tíchđể xác định các giá trị kích thước tối ưu cho cơ cấu, tiến hành đặt các biến kết cấuđể xác định độ cứng vững của một nữa cơ cấu (cơ cấu đối xứng đã chọn thiết kếđược trình bày trong hình 2.8 ở chương 2) như trong hình 3.2

Hình 3.2

trong đó:

- Limb-1 là biến kết cấu nối tiếp của 03 phần tử khớp mềm A, khâu AB vàkhớp mềm B,

- Limb-2 là biến kết cấu của khớp mềm D,

- Limb-3 là biến kết cấu nối tiếp của 03 phần tử khớp mềm E, khâu EF vàkhớp mềm F,

- Limb-4 là biến kết cấu của khớp mềm G,

- Limb-5 là biến kết cấu nối tiếp của 03 phần tử khớp mềm H, khâu HK vàkhớp mềm K,

- Limb-6 là biến kết cấu nối tiếp của 03 phần tử khớp mềm C, khâu CL vàkhớp mềm L

3.3 Xây dựng ma trận độ cứng của cơ cấu

3.3.1 Ma trận độ cứng của Limb-1

- Gọi K Limb-1 là ma trận độ cứng của Limb-1

- Gọi C Limb-1 là ma trận độ mềm của Limb-1

Ta có:

Limb-1 - ma trận mềm đường chéo của Limb-1,

+ JS limb-1– ma trận Jacobi biến dạng của Limb-1,

+ JS T

Limb-1 – ma trận chuyển vị của ma trận JS Limb-1

3.3.1.1 Ma trận mềm đường chéo của Limb-1

Vì Limb-1 bao gồm sự nối tiếp của 03 phần tử : Khớp mềm A, Khâu AB vàKhớp mềm B, nên ta có [7]:

C* Limb-1 = diag( CA, CAB, CB ) (3.3)trong đó :

+ C A - Ma trận mềm của khớp mềm A, được tính như sau:

23 22 11

0 0

0 0

A A

A A A A

C C

C C

C C

+ C AB- Ma trận mềm của khâu AB, được tính như sau:

23 22

11

0 0

0 0

AB AB

AB AB

AB AB

C C

C C

C C

+CB : Ma trận mềm của khớp mềm B, được tính như sau:

23 22 11

0 0

0 0

B B

B B B B

C C

C C C C

Vậy, phương trình ma trận 3.3 được viết lại dưới dạng:

23 22 11

33 32

23 22

11

33 32

23 22

11

*

1

0 0

0 0

0 0

0

0 0

0 0

0 0

0

0 0 0

0 0

0 0

0

0 0 0 0

0 0

0

0 0 0 0

0 0

0

0 0 0 0

0 0

0 0

0 0 0 0

0 0

0

0 0 0 0

0 0

0

0 0 0 0

0 0

0 0

B B

B B B

AB AB

AB AB

AB

A A

A A

A

Limb

C C

C C C

C C

C C

C

A C

C C C

C

3.3.1.2 Ma trận Jacobi biến dạng của Limb-1

Ma trận Jacobi biến dạng của Limb-1 được tính thông qua ma trận biến dạngtương ứng với từng phần tử như biểu thức 3.4 [7]

1 0

0 1

1 1

x y

1y

L r

0 r

0 1 0

0 0 1

0 1 0 0 1 0 1

0

0 0 1 0 0 1 0 0 1

1

3.3.1.3 Ma trận chuyển vị của ma trận JS Limb-1

Từ ma trận JS Limb-1, tính được ma trận chuyển vị như sau:

0 1 0

0 0 1

1 0 0

0 1 0

0 0 1

1 0

0 1 0

0 0 1

1

1

x

Limb T

, 1

23 , 1 22

, 1

11 , 1 1

0 0

0 0

Limb Limb

Limb Limb

Limb Limb

C C

C C

C

trong đó, các phần tử của ma trận độ mềm C Limb-1 được xác định như sau:

+ C Limb-1,11 = CA11 + CAB11 + CB11

+ C Limb-1,22 = CA22 + LABCA32 + LABCA23 + LAB 2 CA33 + CAB22 + CB22

+ C Limb-1,33 = CA33 + CAB33 + CB33

+ C Limb-1,23 = CA23 + LABCA33 + CAB23 + CB23

+ C Limb-1,32 = CA32 + LABCA33 + CAB32 + CB32

3.3.1.4 Kết quả tính ma trận độ cứng của Limb-1

Từ 3.6 suy ra ma trận độ cứng của Limb-1 được xác định như sau :

, 1

23 , 1 22

, 1

11 , 1 1

0 0

0 0

Limb Limb

Limb Limb

Limb Limb

K K

K K

K

trong đó, các phần tử của ma trận độ cứng KLimb-1 được xác định như sau :

+

11 , 1 11

, 1

1



 

Limb Limb

C K

+

32 , 1 23

, 1 22

, 1 lim 33 , 1

33 , 1 22

, 1

C C

C C

C K

+

32 , 1 23

, 1 22

, 1 lim 33 , 1

22 , 1 22

, 1

b Limb

Limb Limb

C C

C C

C K

+

32 , 1 23

, 1 22

, 1 lim 33 , 1

23 , 1 23

, 1

C C

C C

C K

+

32 , 1 23

, 1 22

, 1 lim 33 , 1

32 , 1 32

, 1

C C

C C

C K

3.3.2 Ma trận độ cứng của Limb-2

Tương tự như trên, vì Limb-2 chỉ gồm một khớp mềm D nên ma trận độmềm được xác định như sau :

, 2

23 , 2 22

, 2

11 , 2 2

0 0

0 0

Limb Limb

Limb Limb

Limb Limb

C C

C C

C C