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. TT LUẬN VĂN THẠC SỸ

Tên 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 2.. Với tính năng đó, những thiết kế cân bằng trọng l

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ HOÀI NAM

Phản biện 1: TS TÀO QUANG BẢNG

Phản biện 2: PGS.TS PHẠM ĐĂNG PHƯỚC

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học

Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 10 năm 2018

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

-Thư viện Khoa cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Chương 1 Giới thiệu

1 Tên 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

2 Lý do chọn đề tài và mục tiêu nghiên cứu

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 trọng trường 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 cơ cấu nâng hạ trong 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…

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

Hình 1-1 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 1-2 Đánh giá hoạt động của cơ cấu cân bằng trọng lực một bậc

tự do theo đề xuất của Yang [21]

Các mô hình lý thuyết của các cơ cấu được mô phỏng bằng CREO và Matlab, chưa có sự so sánh với mô hình thực tế Thêm vào đó, 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 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] Việc kiểm nghiệm này mang tính cảm tính, việc xác định góc quay tương ứng với giới hạn hoạt động của cơ cấu là không chính xác

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)

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Cơ cấu cân bằng trọng lực 1DOF dựa trên nguyên lý hoạt động của cơ cấu Scotch Yoke được đề xuất bởi Nguyen [28]

- Hệ thống tác động lực và thu thập dữ liệu

4 Nội dung nghiên cứu

- Đề tài được thực hiện với các nội dung chủ yếu như sau:

- Nghiên cứu tổng quan các cơ cấu cân bằng trọng lực và cơ cấu cân bằng trọng lực 1DOF được đề xuất bởi Nguyen [28]

- Thiết kế, chế tạo hệ thống tác động lực và thu thập dữ liệu

- Tiến hành thực nghiệm

- Phân tích và xử lý dữ liệu

5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:

- Nghiên cứu lý thuyết:

o Lý thuyết về thiết kế cơ cấu cân bằng trọng lực 1DOF

- Nghiên cứu thực nghiệm:

o Thiết kế hệ thống tác động lực và thu thập dữ liệu

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa thực tiễn: Cơ cấu có thể áp dụng vào rất nhiều lĩnh vực như: tay máy robot công nghiệp, các cơ cấu nâng hạ trong 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…

- Ý nghĩa khoa học: Là tiền đề để bổ sung các yếu tố được bỏ qua trong mô hình lý thuyết như tác động của lực ma sát, độ tuyến tính của lò xo

Chương 2 Cơ cấu cân bằng trọng lực Nguyen [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 kiđược 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

2.2 Điều kiện cân bằng

Điều kiện cân bằng trong cơ cấu cân bằng trọng lực dựa vào nguyên lý hoạt động của cơ cấu Scotch Yoke là biến thiên của thế năng trọng trường bằng biến thiên của thế năng đàn hồi, hay nói cách khác tổng thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi luôn bằng một hằng số

Cơ cấu ở đây sẽ có nguyên lý như trong Hình 2-3

Hình 2-3 Cơ cấu Scotch Yoke sử dụng cặp bánh răng có tỉ số truyền

Hình 2-4 Cơ cấu sử dụng lò xo cân bằng

2.4 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

2.4.1 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 2-5 Cấu trúc của mô hình được xây dựng chủ yếu dựa trên cấu hình của kết cấu cơ khí như trong Hình 2-4, trong đó thanh trượt được thiết kế lại theo hình chữ

U như trong Hình 2-5 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 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 2-6 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

Hình 2-6 Thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi và tổng thế năng

của mô hình cơ cấu 1 bậc tự do

2.4.2 Thiết kế và chế tạo mô hình

Theo thiết kế được trình bày trong Hình 2-5 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 2-7a 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 2-9c thì việc điều chỉnh vị trí của lò xo và có thể thay thế sử dụng một lò xo có độ dài tự nhiên khác khác nhau Việc điều chỉnh như vậy được thực hiện bởi vít điều chỉnh như trong hình

3 Thiết kế giảm ma sát Ma sát của mô hình này có thể được quy cho hai nguồn chính: một là do sự ăp khớp của cặp bánh răng, hai là do khớp lăng trụ của cơ cấu Scotch Yoke Thông

thường, lực ma sát gây ra bởi cơ chế hoạt động của cánh tay máy Scotch Yoke xảy ra lớn hơn so với cặp bánh răng ăn khớp Do đó, một ổ đỡ có ống lót cùng với một cực dẫn hướng được sử dụng để giảm ma sát trượt giữa nắp liên kết

và thành phần hình chữ U như trong Hình 2-9d Nhờ việc thiết kế làm giảm lực ma sát như vậy mà ta có thể quan sát xác định được các tác động đến việc cân bằng của mô hình cánh tay một bậc tự do một cách dễ dàng, thậm chí với cách dịch chuyển một đoạn nhỏ của vị trí tải trọng của cánh tay

Hình 2-7 Mô hình cơ cấu cánh tay cân bằng dựa trên nguyên lý

Scotch yoke: (a) Cánh tay 1 bậc; (b) lò xo cân bằng; (c) cơ cấu hiệu

chỉnh; (d) trục chính

Hình 2-8 Hoạt động của cánh tay cân bằng

Hình 2-8 cho thấy vùng hoạt động của mô hình cánh tay 1 DOF

có góc quay trải dài từ 𝛩̃1∈ [−900, 900 ] Cần lưu ý rằng trong quá trình lắp đặt không được để lò xo bị nén tại vị trí góc 𝛩̃1= 900 Nếu không thì trạng thái cân bằng của mô hình không đúng Hình 2-10a-b-c là các vị trí của cơ cấu Theo như các kết quả nghiên cứu từ mô hình thí nghiệm thì cánh tay 1DOF này có thể tự duy trì được ở các

tư thế khác nhau, và chỉ cần một lực rất nhỏ để di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác Tính khả thi và thực tế của hệ thống cân bằng bằng lò xo đã được chứng minh

Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm 3.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm

Cơ cấu cân bằng trọng lực nguyên bản được trình bày trong

chương trước được thiết kế cho một vật nặng có khối lượng m = 1kg đặt tại điểm O như trong Hình 3-1a Vật nặng này sinh ra một momen M đối với trục quay của cơ cấu: M = P × R = mg × R

Để nghiên cứu thực nghiệm hoạt động của cơ cấu nguyên bản này, ta phải thay vật nặng trên bằng một hệ tương đương bao gồm: một hệ thống cơ điện tử (cảm biến, mạch điều khiển, động cơ, hệ truyền động) có khối lượng m1 và một vật nặng có khối lượng m2 sao cho: M = M1 + M2 với bất kỳ góc α nào (Hình 3-1b)

(a) Cơ cấu nguyên bản (b) Mô hình thực nghiệm

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

thực nghiệm (b) Việc đánh giá hoạt động của cơ cấu nguyên bản bằng cách thêm

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 (như trong Hình 1-8, Chương 1) sẽ được thực hiện một cách tự động ở mô hình thực nghiệm này bằng cách điều khiển vật nặng có khối lượng m2 dịch chuyển tịnh tiến dọc theo chiều dài của cơ cấu Việc dịch chuyển tịnh tiến này phải được thực hiện rất chậm để có thể xem đây như là một bài toán tĩnh học

Mô hình CAD của hệ thống thực nghiệm được mô tả trong Hình 3-2 Mô hình thực tế được mô tả trong Hình 3-3

Hình 3-2 Mô hình CAD của hệ thống thực nghiệm

Hình 3-3 Hệ thống thực tế

Hình 3-2 và 3-3 là mô hình thực nghiệm nhằm mục đích đo đạc giá trị góc cân bằng α của cơ cấu khi thay đổi vị trí của vật nặng m2 Động cơ bước và hệ thống dẫn hướng sẽ dịch chuyển vật nặng m2dọc theo chiều dài cơ cấu Thông qua đó, cánh tay đòn từ tâm vật nặng m2 đến trục quay của cơ cấu sẽ bị thay đổi Điều này góc quay

α sẽ thay đổi để chống lại sự biến thiên mômen đó Cơ cấu tìm được một vị trí cân bằng mới

3.2 Sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống cơ điện tử được biểu diễn trong Hình 3-4

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

Phần mềm Matlab sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến mạch điều khiển trung tâm Arduino Nano để thay đổi vị trí của vật nặng m2 Cảm biến góc có nhiệm vụ đo các góc quay của cơ cấu theo thời gian lấy mẫu tương ứng và phản hồi về mạch điều khiển trung tâm dưới dạng giá trị điện áp Mạch điều khiển trung tâm sẽ gửi giá trị điện áp này về PC và xử lý thông qua phần mềm Matlab để tìm ra được góc quay tương ứng Việc tính toán này được mô tả ở phần tiếp

theo Các kết quả được biểu diễn dưới dạng đồ thị nhờ vào phần mềm Matlab

Các phần tử sử dụng trong hệ thống:

- Cảm biến góc ECO78CSB502 dạng chiết áp;

- Mạch điều khiển trung tâm Arduino Nano và các thư viện mềm hỗ trợ Một điểm mạnh của Arduino là được nền tảng Matlab hỗ trợ Việc giao tiếp giữa Arduino và Matlab được thực hiện dễ dàng qua giao thức truyền thông RS232;

- Driver TB6560 có khả năng điều khiển vi bước đến 32/1;

- Động cơ bước Nema 42SHDC3025 hoạt động ở điện áp 12VDC và có độ chia 200 bước/1 vòng quay Đối với loại động cơ này, số bước/1 vòng quay càng lớn thì độ chính xác của động cơ càng cao;

- Bộ truyền đai răng, biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của vật nặng Bộ truyền càng mịn (bước răng càng nhỏ) thì độ liên tục của các vị trí khảo sát càng cao Puly răng lựa chọn là loại 16 răng, bước răng 2mm và loại đai sử dụng là loại đai GT2 có bước răng 2mm

3.3 Tính toán, thu thập và xử lý số liệu

3.3.1 Thuật toán của quá trình điều khiển, đo đạc và xử lý số liệu

Sơ đồ thuật toán điều khiển và nhận phản hồi trong Matlab

được mô tả ở Hình 3-5

Hình 3-5 Sơ đồ thuật toán điều khiển và nhận phản hồi 3.3.2 Các tính toán liên quan

Các tính toán này được sử dụng trong phần lập trình Matlab

a) Tính toán điều khiển chuyển động

Để điều khiển vật nặng m2 đến các vị trí lấy mẫu, ta sử dụng hệ thống như đã mô tả ở phần 3.2

Ta có thể tính toán các thông số điều khiển:

- Chức năng hoạt động của bộ điều khiển: Nhằm giải quyết vấn đề thời gian trễ của đường truyền RS232, chức năng của

bộ truyền lựa chọn là điều khiển tròn bước (fullstep/ một xung thì động cơ sẽ dịch chuyển 1 bước) Gọi S là độ chia vi bước, vậy: S = 1

- Số bước dịch chuyển để một điểm trên đai dịch được 1mm:

để truyền chuyển động từ cơ cấu sang cảm biến Tuy nhiên,

ta không cần quan tâm đến tỉ số của bộ truyền vì đây là cảm biến dạng chiết áp Bằng thực nghiệm, ta tìm được độ phân