Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu chính xác taọ chuyển động thẳng hai bậc tự do

Kết quả của đề tài “Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu chính xác tạo chuyển động thẳng hai bậc tư do” ngoài việc sẽ chế tạo ra một cơ cấu để kiểm tra hiệu quả gia tang độ chính xác

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước

Các nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới có các nghiên cứu gần đây về cơ cấu tạo chuyển động hai bậc tự do như:

Hình 1 Cơ cấu 2 bậc tự do XY của công ty PI

Trong thiết kế, động học của kết cấu có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của cơ cấu Thông thường người ta hay sử dụng các khớp mềm liên kết với nhau thành một chuỗi nối tiếp và song song để tạo thành cơ cấu một, hai bậc tự do Hình 1 (a) là thiết kế của của hãng PI Trong thiết kế này các cơ cấu một bậc tự do được liên kết với nhau và xếp chồng lên nhau thành 2 bậc tự do Thiết kế từng mô-đun này là đơn giản nhưng có trọng lực ở tâm lớn Thiết kế ở hình 1(b) được tích hợp và lồng vào nhau Do đó nó có trọng tâm thấp hơn và động lực học tốt hơn so với hệ thống xếp chồng lên nhau như hình 1(a)

Như hình 2 (a), Dagalakis et al (2011) đề xuất một thiết kế 2 bậc XY có hai cơ cấu mềm song song cho mỗi hướng, để giảm chuyển động không mong muốn trong các dịch chuyển theo X và Y và tạo ra chuyển động tuyến tính và độc lập hơn P Gao

Vào năm 1999, một hệ thống định vị vi mô nối tiếp (xem hình 2(b)) đã được phát triển, sử dụng khớp mềm làm cơ cấu chủ đạo Hệ thống này bao gồm hai cấp bộ khuếch đại và các cơ cấu mềm đối xứng, giúp điều khiển chuyển động ở quy mô vi với độ nhạy cao Phạm vi chuyển động theo hai hướng X và Y lần lượt đạt 45 μm và 40 μm, đi kèm với độ phân giải cao và thiết kế tối ưu cho các ứng dụng trong vi công nghệ và vi cơ cấu.

2 giải chuyển vị là 0.020μm và 0.018μm Tần số tự nhiên đầu tiên cho hướng kép là 525

(b) Hình 2 Các cơ cấu 2 bậc tự do XY

Việc thiết kế cơ cấu dựa trên các khớp mềm nối tiếp dễ thực hiện hơn so với các cơ cấu song song hoặc lồng vào nhau như hình 1, nhưng di chuyển thiết bị truyền động cồng kềnh tạo lực quán tính lớn làm giảm hiệu suất truyền động, đặc biệt ở phạm vi chuyển động rộng; chuyển động của cơ cấu như hình 1(a) gây ma sát và độ trễ, làm nhiễu hệ thống định vị ở cấp nano Ngược lại, các cơ cấu song song, đối xứng và lồng vào nhau như hình 1(b) cho phép các bộ truyền động gắn trên đế cố định, tăng độ cứng, khả năng chịu tải và độ chính xác, vì vậy cơ cấu song song được xem là phù hợp hơn so với các cơ cấu nối tiếp.

Đến nay, một số thiết kế cơ cấu hai bậc tự do XY dựa trên khớp mềm và động học song song đã được đề xuất Li (2006) đề xuất cơ cấu hai bậc tự do có phạm vi chuyển động theo hướng X và Y tương ứng là 180 μm × 180 μm và độ phân giải nano (Hình 3(a)) Yong (2009) đề xuất cơ cấu hai bậc tự do sử dụng khớp mềm với phạm vi chuyển động theo hướng X và Y tương ứng 25 μm × 25 μm.

Trong Hình 3(a) thể hiện 4 số tự nhiên đầu tiên ở tần số 2.7 kHz Yao (2007) đã phát triển một cơ cấu hai bậc tự do XY vi định vị (Hình 3(c)) gồm hai liên kết song song kết nối bốn thanh thẳng, cho một không gian làm việc vuông 87 μm x 87 μm với độ phân giải khoảng 20 nm Choi và Lee (2008) sau đó đã đề xuất một cơ cấu mềm hai bậc tự do.

XY dựa trên các thanh đàn hồi với cấu trúc liên kết 4-PP (P là chữ viết tắt của prismatic joint) như Hình 3(d) Trong cấu hình này, cơ cấu khuếch đại kép được áp dụng để dẫn hướng, tạo chuyển động thẳng và khuếch đại chuyển vị.

Thiết kế cơ cấu mềm dựa trên các cơ cấu song song có nhiều ưu điểm, nhưng thách thức lớn là tách rời giữa đầu vào và đầu ra của cơ cấu Tách đầu vào nghĩa là ly khai bộ truyền động khỏi tải trọng, giúp mỗi bộ truyền động không bị tác động bởi tải của các thành phần khác Tách đầu ra nghĩa là mỗi bộ truyền động chỉ dẫn động một hướng di chuyển nhất định, giảm ảnh hưởng chéo và làm rõ hướng di chuyển Tuy nhiên, khớp nối đầu vào thường áp đặt tải không mong muốn lên bộ truyền động, có thể gây hại cho nó; khớp nối đầu ra làm phức tạp mô hình động học và gây khó khăn cho kiểm soát chính xác Do đó, thiết kế cơ cấu mềm cần đảm bảo tách rời hoàn toàn giữa đầu vào và đầu ra Trong một cấu hình hai bậc tự do XY hoàn toàn tách rời, mỗi bộ truyền động hoạt động độc lập, tạo chuyển động theo từng hướng mà không ảnh hưởng lẫn nhau.

Hình 3 Bốn cơ cấu sử dụng các khớp mềm song song để tao cơ cấu hai bậc tự do XY

Trong các nghiên cứu trước, chỉ có một thiết kế sử dụng hai cơ cấu song song cho cơ cấu 2 bậc tự do XY được đề xuất Awtar (2007) đã phát triển một cơ cấu 2 bậc tự do XY hoàn toàn tách rời bằng cách sử dụng các thanh đàn hồi song song kép như trong Hình 4 (a), với phạm vi chuyển động lớn 5 mm × 5 mm; khớp nối trục chéo, mất chuyển động và cách ly hoạt động tốt hơn 1% Li et al (2009) đề xuất bộ vi xử lý siêu âm XY dựa trên thanh đàn hồi được tách rời hoàn toàn (Hình 4 (b)) bằng cách sử dụng các thanh đàn hồi song song kép và các bộ khuếch đại dịch chuyển; không gian làm việc khoảng 117 μm × 117 μm, với chuyển động không mong muốn tối đa 1,5% và tần số tự nhiên khoảng 110,2 Hz Cả hai thiết kế đều xây dựng các cơ cấu có khả năng tạo động độc lập và tách rời dựa trên các cơ chế song song 4-PP, và áp dụng các cơ cấu song song kép để có được chuyển động cho hình lăng trụ Hình 4 (a).

Trong nghiên cứu của Yang (2018), như hình 5 mô tả, phạm vi chuyển động theo hai hướng X và Y lần lượt đạt 148.11 μm và 149.73 μm, và tần số tự nhiên đầu tiên ở hướng kép là 102.88 Hz và 118.41 Hz Ngược lại, cơ cấu chuyển vị kết hợp khớp mềm và các thanh mềm hình Z (ZFH) như ở hình 6 của Zhu et al (2016) cho thấy phạm vi chuyển động theo X và Y lần lượt là 1.14 mm và 0.32 mm, với tần số tự nhiên đầu tiên ở hai hướng là 56.9 Hz và 68.8 Hz.

Hình 4 Two Completely Decoupled XY Stages

Hình 5 Cơ cấu hai bậc tự do theo phương XY

Hình 6 Cơ cấu mềm sử dụng khớp Z (ZFH)

Chen (2018a) đề xuất một phương pháp hình thành kết cấu bề mặt mới thông qua rung phi cộng hưởng hỗ trợ phay Thứ nhất, chuyển động của các rung động hỗ trợ quá trình phay được xây dựng để hình thành kết cấu bề mặt cuối, với các gia công và thông số rung khác nhau được thảo luận Các loại kết cấu bề mặt có thể được tạo ra bằng cách kết hợp khác nhau giữa gia công và rung động Thứ hai, phương pháp rung phi cộng hưởng 2D được phát triển để nhận biết các rung động trong quá trình xay xát Thứ ba, rung động hỗ trợ thí nghiệm phay được tiến hành để xác minh các phương pháp hình thành kết cấu bề mặt được đề xuất và đánh giá ảnh hưởng của các thông số rung và gia công lên cấu trúc bề mặt Cuối cùng, chất lượng của bề mặt gia công với các cấu trúc bề mặt khác nhau được điều tra nhằm chứng minh tính khả thi và ứng dụng của các phương pháp được đề xuất.

Chen và cộng sự (2018b) đã nghiên cứu gia công rung hỗ trợ (VAM) như một phương pháp gia công bên ngoài nhằm cải thiện quá trình loại bỏ vật liệu bằng cách chồng tần số cao và biên độ dao động nhỏ lên công cụ hoặc lên chuyển động phôi VAM đã được áp dụng cho nhiều quá trình gia công, bao gồm cả chuyển mài khoan và gần đây là phay có dao động hỗ trợ (VAMilling) Để tìm ra các phương trình động học cơ bản của 1D và 2D cho VAMilling, nhóm đã xây dựng mô hình và đề xuất ba loại tách công cụ-phôi điển hình.

Các nghiên cứu trong nước

Cơ cấu đàn hồi có phạm vi ứng dụng rất rộng trong thực tế sản xuất, từ truyền động chính xác ở mức micromet đến các cơ cấu kẹp và cơ cấu định vị, giúp tăng độ chính xác và hiệu suất gia công Trong các hệ thống này, tính co giãn và khả năng chịu tải của cơ cấu đàn hồi cho phép giảm rung động, cải thiện độ ổn định và cho phép điều chỉnh vị trí một cách linh hoạt Cơ cấu đàn hồi còn được tận dụng để giảm sự cố quá tải và tăng độ tương thích với các biến đổi tải trong quá trình vận hành Tuy nhiên, các thách thức vẫn tồn tại, như giới hạn về độ bền, sai số nhiệt và sự mấp mô theo thời gian, cùng với chi phí chế tạo và lắp đặt có thể cao hơn so với các giải pháp cố định, đòi hỏi thiết kế tối ưu và kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt.

Việt Nam hiện có 8 hướng nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi và các ứng dụng của nó, nhưng thực tế còn nhiều hạn chế trong nghiên cứu nội địa Số lượng đề tài về cơ cấu đàn hồi rất ít, và đặc biệt là các tài liệu chuyên khảo về lĩnh vực này ở Việt Nam vẫn còn thiếu thốn, gây khó khăn cho quá trình tổng hợp và tham khảo trong nghiên cứu.

Trong những năm gần đây, một nhóm tác giả đã bước đầu đi sâu vào nghiên cứu, thiết kế và hướng ứng dụng của cơ cấu này Phạm Huy Hoàng và cộng sự (2008) đã đề xuất thiết kế cơ cấu dẫn động với độ phân giải ở mức micron Đến năm 2013, một nghiên cứu khác của Phạm Minh Tuấn và Phạm Huy Hoàng đã nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng cơ cấu ăn dao bằng cơ cấu đàn hồi được sử dụng trong máy CNC, nhưng kết quả mới chỉ giới hạn ở tính toán và mô phỏng, chưa có nghiên cứu thực nghiệm sâu, như được thể hiện ở Hình 7.

Hình 7 Kết quả mô phỏng cơ cấu

Phạm Huy Tuân và cộng sự (2013) đã ứng dụng cơ cấu đàn hồi vào lĩnh vực cơ sinh học để phát triển một phương pháp thiết kế mới cùng với một công cụ chế tạo đơn giản nhằm tạo ra khớp mắt cá chân giả dựa trên nền tảng của cơ cấu đàn hồi và giải thuật di truyền Ưu điểm nổi bật của khớp chân giả này là cấu trúc nguyên khối, có khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng, từ đó tăng sự linh hoạt và thoải mái cho người dùng khi đi lại và sinh hoạt hàng ngày.

Hình 8 Khớp chân giả sử dụng cơ cấu đàn hồi

Nhóm tác giả Phạm Huy Tuân và các cộng sự đã tiến hành cải tiến khớp mắt của chân giả trong các nghiên cứu 2015 và 2016, kết hợp thanh đàn hồi và các khớp đàn hồi nhằm tăng tính linh hoạt và mở rộng bậc tự do cho khớp, đồng thời cho phép tích trữ và giải phóng năng lượng khi di chuyển như minh họa ở Hình 9 Đến năm 2017, nhóm tiếp tục nghiên cứu và chế tạo thành công một cơ cấu đàn hồi có lực đầu ra không đổi ở đầu cuối cánh tay máy, được trình bày trong Hình 10.

Hình 9 Bàn chân giả bằng vật liệu POM

Hình 10 Cơ cấu ổn định lực

Vào năm 2015, công trình của nhóm tác giả Nguyễn Văn Khiển và các cộng sự được công bố, trình bày các kết quả nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi thời gian gần đây, tập trung vào việc sử dụng cơ cấu đàn hồi để tạo chuyển động vi mô (micro) nhằm làm cho cơ cấu ăn dao có độ chính xác cao đồng thời đề cập đến các phương pháp phân tích và tổng hợp liên quan đến thiết kế loại cơ cấu này Ứng dụng của cơ cấu đàn hồi dạng này được xem là lần đầu được nghiên cứu trong nước và nếu thành công có thể được áp dụng để nâng cao độ chính xác trong gia công cơ khí một cách hiệu quả.

Trong các nghiên cứu trong nước và quốc tế, nhiều công trình đã sử dụng khớp mềm hoặc thanh đàn hồi để tạo chuyển động với độ chính xác cao Tuy nhiên, thách thức đối với các nhà nghiên cứu là làm sao tách rời hoàn toàn các chuyển động theo các phương mong muốn, tức là giảm chuyển động sai hướng, tăng độ cứng của kết cấu và giảm độ phức tạp của mô hình động học đầu ra của cơ cấu, đồng thời cải thiện bộ cách ly rung ở hai đầu vào và đầu ra Vì những lý do này, nhóm tác giả đề xuất hướng nghiên cứu là thiết kế và tối ưu hóa một cơ cấu chính xác tạo chuyển động thẳng hai bậc tự do Mục tiêu chính của đề tài nhằm thiết kế một cơ cấu có độ cứng vững cao hơn, giảm chuyển động theo và cách ly tốt hơn so với cơ cấu hiện tại Để thực hiện được mục tiêu trên, đề xuất các nhiệm vụ nghiên cứu sau:

 Khảo sát bài toán độ khuếch đại của cơ cấu khâu cứng tương đương

 Xây dựng mô hình toán về sự chuyển vị và tần số tự nhiên của cơ cấu

Đề xuất một thuật toán tối ưu hoá đa mục tiêu dựa trên nền tảng giải thuật di truyền, kết hợp MATLAB và ANSYS để đồng thời tối ưu hai hàm mục tiêu là chuyển vị lớn nhất và tần số lớn nhất của hệ Điều kiện ràng buộc của bài toán gồm σmax < σy/SF và chuyển động ký sinh (chuyển động theo) < 0.1 mm Các biến thiết kế là Li (độ dài của các khâu cứng), ri (bán kính của khớp) và t (độ dày của khớp mềm).

 Thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm cơ cấu

Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng nguồn dẫn động có độ chính xác cao, điển hình là cơ cấu chấp hành Piezo, để điều khiển cơ cấu đàn hồi Cơ cấu đàn hồi được hình thành từ các khớp đàn hồi và cơ cấu chấp hành Piezo với độ phân giải 0,1 nm nhằm nâng cao độ chính xác gia công Nhờ ưu điểm của cơ cấu đàn hồi và cơ cấu chấp hành Piezo, tác giả đã lựa chọn nguồn dẫn động có độ chính xác cao như cơ cấu chấp hành Piezo để đạt được hiệu suất gia công tối ưu.

Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật, nhiều thiết bị máy móc hiện đại được ra đời Trong đó một số thiết bị máy móc trong sản xuất, chế tạo đòi hỏi sự chính xác cao, phải có chất lượng bề mặt chi tiết gia công Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công có tính thực tiễn trong việc nghiên cứu cải tiến hiệu quả của các phương pháp gia công cắt gọt trong ngành cơ khí chế tạo Kết hợp dao động với các phương pháp gia công cắt gọt truyền thống hứa hẹn ngày càng mở rộng và nâng cao năng suất cho các máy công cụ hiện tại Đồng thời, mục đích của phương pháp gia công có dao động hỗ trợ xem xét có ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công Các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi và các phương pháp gia công cắt gọt có kết hợp dao động nhằm giảm thiểu thời gian lắp ráp của các khâu cứng lại với nhau, loại bỏ được ma sát, tiếng ồn sinh ra khi các khớp hoạt động Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng chi tiết bằng phương pháp gia công phay với sự trợ giúp của dao động dựa trên tình hình công nghệ trong nước nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, có tính ứng dụng cao trong thực tiễn

Từ những kết luận và các công trình đã công bố, rõ ràng đề tài "Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu chính xác tạo chuyển động thẳng hai bậc tự do" là một hướng đi mới và cần thiết để đưa vào ứng dụng rộng rãi cho các thiết bị định vị chính xác trong cơ khí tại Việt Nam Đây cũng là tiền đề cho những nghiên cứu ứng dụng tiếp theo đối với việc nâng cao chất lượng, năng suất, của sản phẩm cơ khí nói chung.

Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Nhiệm vụ của đề tài

Nghiên cứu này phân tích ảnh hưởng của các cơ cấu đàn hồi và các ứng dụng của chúng trong gia công có dao động hỗ trợ nói chung, với sự nhấn mạnh đặc biệt vào phương pháp phay có dao động hỗ trợ nói riêng Để thiết kế, mô phỏng và đánh giá, chúng tôi sử dụng các phần mềm AutoCAD, Inventor, MATLAB và ANSYS nhằm xác định ứng suất và phản lực của thiết kế, và kiểm tra ứng suất, biến dạng cũng như chuyển vị để điều chỉnh thiết kế cho phù hợp và tối ưu hóa hiệu suất của cơ cấu đàn hồi trong quá trình gia công.

 Phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công 3.3 Phạm vi nghiên cứu

Trong điều kiện có hạn về nguồn lực và cơ sở vật chất, nhóm tác giả chỉ dừng lại ở việc ứng dụng cơ cấu đàn hồi chính xác để tạo chuyển động thẳng hai bậc tự do, nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt của chi tiết gia công bằng hợp kim nhôm 7075-T6 Các tham số vật liệu được sử dụng gồm mô đun đàn hồi E = 71,7 GPa, hệ số Poisson ν = 0,33, giới hạn đàn hồi σ_y = 503 MPa và khối lượng riêng ρ = 2810 kg/m³. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng kết hợp nhiều phương pháp khác nhau như:

 Phương pháp trực tiếp kế thừa những nội dung hợp lý của các công trình nghiên cứu đã được thực hiện

 Phương pháp phân tích, so sánh một số mẫu thiết kế để chọn ra được mẫu thiết kế tối ưu nhất

Phương pháp mô phỏng và tối ưu hóa dựa trên hàm mục tiêu đã đề ra được thực hiện trên nền tảng ANSYS Workbench 17.1 kết hợp với ANSYS APDL 17.1 để tối ưu hóa đáp ứng bề mặt Quá trình này tận dụng mô phỏng chính xác và tối ưu hóa dựa trên các tham số thiết kế nhằm cải thiện các đặc tính bề mặt theo hàm mục tiêu đã xác định Việc tích hợp giữa Workbench 17.1 và APDL 17.1 cho phép luồng công việc linh hoạt, tối ưu hóa hiệu suất và rút ngắn chu kỳ thiết kế, đồng thời đảm bảo độ tin cậy và chất lượng của kết quả mô phỏng.

 Phương pháp chế tạo, thực nghiệm, kiểm tra, đánh giá.

Kế hoạch thực hiện

Thứ nhất, tìm hiểu tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

Thứ hai là phần tìm hiểu cơ sở lý thuyết về khái niệm cơ cấu đàn hồi và các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi trong các hệ thống cơ khí chính xác; mô tả chi tiết ứng dụng của cơ cấu đàn hồi cho định vị ở quy mô vi mô và nano Bài viết còn trình bày các phương pháp gia công kết hợp và các kỹ thuật gia công cắt gọt có kết hợp dao động, cùng với phương pháp phay có dao động hỗ trợ, nhằm nâng cao độ chính xác, hiệu suất và khả năng tích hợp của cơ cấu đàn hồi trong công nghệ sản xuất tiên tiến.

Thứ ba, tìm hiểu phần mềm Ansys Workbench để mô phỏng chuyển vị, ứng suất và phản lực của thiết kế; dùng module Ansys ADPL để thiết kế và tối ưu hóa các cấu kiện Ứng dụng ADPL trong thiết kế bàn hỗ trợ rung cho gia công phay giúp tối ưu hóa kết cấu và tải trọng Đồng thời, tối ưu hóa thiết kế bằng cách kết hợp ADPL với môi trường làm việc trong WorkBench và mở rộng khả năng tối ưu khi tích hợp với MATLAB.

Những kết quả nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đối với chất lượng bề mặt của chi tiết gia công, từ đó đề xuất các phương án thiết kế, chế tạo, thực nghiệm và hướng ứng dụng nhằm tối ưu hóa hiệu suất gia công và mở rộng ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ cấu đàn hồi và các ứng dụng

1.1.1 Khái niệm cơ cấu đàn hồi

Trong lĩnh vực kỹ thuật, các chi tiết thường liên kết với nhau bằng khớp nối truyền thống như khớp bản lề, khớp tịnh tiến và khớp cầu Những khe hở cố hữu của các khớp này gây ra sai số truyền động, thường ở mức khoảng 0,01 mm, đồng thời lực ma sát có trong mọi loại khớp nối truyền thống làm giảm hiệu suất, gây mài mòn chi tiết và làm tăng khe hở theo thời gian, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động của thiết bị và sản phẩm Những nhược điểm này khiến khớp nối truyền thống không phù hợp với các kết cấu máy có yêu cầu độ chính xác cao (ví dụ 0,001 mm) hoặc làm việc trong điều kiện sạch và chân không Ví dụ như cơ cấu trong Hình 1.1(a) là cơ cấu động cơ piston biến chuyển động tịnh tiến và lực của đầu vào thành chuyển động quay và mô-men ở đầu ra, trong khi Hình 1.1(b) mô tả cơ cấu kìm động lực được cấu thành từ cơ cấu cứng truyền thống.

(a) cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền, (b) cơ cấu kìm cộng lực

Hình 1 1 Một số cơ cấu cứng truyền thống

Cơ cấu đàn hồi là cơ cấu trong đó có một hoặc vài chuyển động được thực hiện nhờ sự biến dạng của các khớp đàn hồi thay thế cho các khớp thường dùng Cơ cấu đàn hồi được thiết kế dựa trên hai dạng chính: khớp bản lề đàn hồi và thanh mảnh Trong đó, khớp bản lề đàn hồi cho phép quay như khớp bản lề thông thường nhưng được tăng cường bởi tính đàn hồi của vật liệu, còn thanh mảnh tham gia vào quá trình biến dạng để thực hiện chuyển động.

Các cơ cấu đàn hồi đã được nghiên cứu từ những năm 1960 và được minh họa bằng các cơ cấu mềm phổ biến như hình minh họa (ví dụ Hình 1.2) Trong tổng hợp cơ cấu, khớp bản lề đàn hồi là dạng cấu trúc phổ biến nhờ thiết kế đơn giản: một khối vật liệu được gia công cắt khoét tạo rãnh để cho phép chuyển động dựa trên độ mềm của vật liệu Chính đặc tính này giúp khớp nối đàn hồi khắc phục nhược điểm của khớp truyền thống Do không cần chế tạo từ nhiều chi tiết khác nhau nên khớp nối đàn hồi không gặp các nhược điểm như ma sát, tiếng ồn, mài mòn, khe hở và yêu cầu bôi trơn Thêm vào đó, cấu trúc nguyên khối tiết kiệm không gian và giảm chi phí liên quan đến vật liệu, lắp ráp và bảo trì Kết cấu nguyên khối của khớp nối đàn hồi thể hiện ưu thế khi truyền động có độ chính xác ở mức micro và dưới micro, đặc biệt trong các tác vụ gia công đòi hỏi độ chính xác cao hoặc trong các thiết bị y sinh và hệ thống MEMS.

Hình 1 2 Các cơ cấu đàn hồi phổ biến (Kẹp, nắp chai, đầu nối cáp, chốt ba lô và kìm cắt móng tay)

Hình 1 3 Khớp đàn hồi với cấu tạo nguyên khối (R: bán kính; t: chiều dày; b: chiều rộng;θ m : góc xoay)

Một ví dụ minh họa cho việc chuyển đổi một cơ cấu cứng truyền thống bằng cơ cấu mềm như ở Hình 1.4 cho chi tiết kìm cộng lực

Hình 1 4 Kìm cộng lực bằng cơ cấu mềm

Cơ cấu mềm có thể phân thành hai dạng: mềm một phần và mềm hoàn toàn, và đều có cấu tạo gồm các khâu cứng xen kẽ với khâu mềm Trong cơ cấu mềm một phần, chuyển động được thực hiện thông qua sự kết hợp giữa các khớp động học truyền thống (khớp xoay, khớp trượt, cơ cấu cam, …) và các khâu mềm; ngược lại, cơ cấu mềm hoàn toàn phụ thuộc hoàn toàn vào sự biến dạng của các khâu mềm để thực hiện một chuyển động nào đó.

Chuyển động của cơ cấu mềm khiến các khâu bị biến dạng và tích trữ năng lượng đàn hồi Năng lượng này sau đó được giải phóng để hỗ trợ cơ cấu thực hiện một chức năng cụ thể, biến sự biến dạng thành động lực và tăng hiệu quả thao tác của hệ thống.

1.1.2 Các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi Để tạo được sự chuyển động nhỏ của cơ cấu đàn hồi dựa trên biến dạng của các khớp đàn hồi hay các thanh mảnh đàn hồi, bản thân chúng được kết hợp với nhau để tạo thành các cơ cấu tạo chuyển động nhỏ cỡ micron ứng dụng trong thực tế:

 Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro

Hình 1 5 Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro

Cơ cấu dẫn động có độ phân giải micro (Hình 5) ở dạng liền khối, gồm thanh piezo nhiều lớp, phần dẫn, bộ khuếch đại vi sai và phần bị dẫn Nhờ có độ phân giải micro, các cơ cấu này đóng vai trò then chốt cho các lĩnh vực nghiên cứu mũi nhọn như gia công chính xác, cáp quang, công nghệ sinh học và công nghệ y sinh.

Cơ cấu đàn hồi song ổn định (Bistable mechanism - BM) là một cơ cấu có ba vị trí cân bằng, trong đó hai vị trí cân bằng trở nên ổn định và tồn tại một vị trí trung gian không ổn định nằm giữa chúng Không cần bổ sung thêm năng lượng để duy trì ở các trạng thái này, BM có thể giữ được trạng thái mong muốn cho đến khi có một kích hoạt đủ lớn để chuyển sang trạng thái khác Hình 1.6 minh họa nguyên lý hoạt động và đặc trưng của cơ cấu song ổn định, cho thấy khả năng chuyển đổi nhanh giữa hai trạng thái ổn định và ứng dụng của nó trong các hệ cơ cấu tự khóa, cảm biến và cơ cấu chuyển động phức tạp.

18 chuyển Năng lượng cần dùng cho dạng cơ cấu này chỉ dùng để chuyển từ vị trí ổn định này sang vị trí ổn định khác

Hình 1 6 “Quả bóng trên đỉnh đồi” mô phỏng cho nguyên lý cơ cấu song ổn định

Hình 1.7 trình bày một cơ cấu song ổn định được tổng hợp từ cơ cấu mềm hoàn toàn Cơ cấu này có thể được ứng dụng làm các loại công tắc cơ micro trong các hệ thống vi điện cơ, nhờ khả năng duy trì ở cả hai trạng thái đóng và mở mà không tiêu hao thêm năng lượng để duy trì trạng thái mong muốn.

Hình 1 7 Cơ cấu đàn hồi song ổn định (a) vị trí ổn định ban đầu, (b) vị trí ổn định thứ hai

 Cơ cấu kẹp, gắp với độ phân giải micron

Cơ cấu kẹp và gắp với độ phân giải ở mức micron (Hình 1.8, Hình 1.9) là những bộ phận then chốt của hệ thống micro robot dùng trong nghiên cứu vật liệu mới, giúp vận chuyển, phân loại và kiểm tra vi mẫu một cách chính xác ở quy mô vi mô Ví dụ, chúng có thể xử lý các ống cacbon với kích thước micron, từ đó nâng cao hiệu quả phân tích và khảo sát đặc tính vật liệu ở cấp độ vi mô Việc tối ưu hóa cơ cấu kẹp – gắp đóng vai trò quan trọng trong tăng độ lặp lại, độ tin cậy và khả năng tích hợp của hệ thống micro robot vào các quy trình nghiên cứu và sản xuất vật liệu tiên tiến.

19 thước nano) hoặc trong các phòng thí nghiệm y sinh để chuyên chở và kiểm tra mẫu máu, mẫu tế bào cần xét nghiệm

Hình 1 8 Cơ cấu kẹp với độ phân giải micro

Một số cơ cấu chấp hành một bậc tự do (Hình 1.10) dùng chuyển động do piezo kết hợp với cơ cấu đàn hồi khuếch đại, cho phép chuyển động tối đa khoảng 200 micron với độ phân giải 0,05 micron Bộ định vị chính xác cho máy cắt dây vi (Hình 1.11) có độ phân giải 0,01 μm, cho phép định vị vị trí công cụ với độ chính xác cao.

Hình 1 10 Cơ cấu định vị 1 bậc tự do

Nhóm Culpepper và các đồng sự đã phát triển một thiết bị điều khiển bằng truyền động điện có sáu bậc tự do, với độ phân giải nano và chi phí thấp (Hình 1.12) Cơ cấu này nhờ độ phân giải nano có thể được ứng dụng để căn chỉnh dây cáp sợi quang cũng như các thành phần vi hệ thống.

Hình 1 11 Cơ cấu song song đàn hồi phẳng

Hình 1 12 Cơ cấu điều khiển nano sáu bậc tự do

 Ứng dụng cơ cấu đàn hồi trong truyền động chính xác

Nhờ ưu điểm về độ chính xác, cơ cấu đàn hồi ngày càng được sử dụng rộng rãi trong truyền động chính xác, đặc biệt khi truyền các chuyển động nhỏ có thể đến dưới micromet (Hình 1.13); ngoài ra, cơ cấu đàn hồi còn được ứng dụng cho cơ cấu chạy dao trong máy công cụ (Hình 1.14), mang lại giải pháp ổn định và chính xác cho các quá trình gia công và chế tạo.

Hình 1 13 Cơ cấu đàn hồi trong các sản phẩm MEMS

Hình 1.14 mô tả bộ phận chạy dao kết hợp cơ cấu đàn hồi và cơ cấu chấp hành piezo Ở Việt Nam, nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi chưa phổ biến; bước đầu nhóm tác giả Phạm Minh Tuấn và Phạm Huy Hoàng đã nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng cơ cấu ăn dao bằng cơ cấu đàn hồi, nhưng kết quả chưa đi sâu vào thực nghiệm cũng như tối ưu hóa kích thước và ảnh hưởng của lực cắt, mà chủ yếu dừng ở tính toán và mô phỏng.

1.1.3 Ứng dụng cơ cấu đàn hồi vào cơ cấu ăn dao chính xác

Ngày nay, trong lĩnh vực gia công cơ khí, yêu cầu về độ chính xác cao ngày càng khắt khe hơn đối với từng sản phẩm Các công nghệ gia công truyền thống trên máy vạn năng thường khó đáp ứng chuẩn xác này do độ chính xác còn hạn chế và biến động trong quá trình gia công Nguyên nhân chủ yếu là hạn chế về độ cứng của máy, sự biến dạng và sai số công cụ tác động đến kết quả gia công Để nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng năng suất, cần áp dụng các giải pháp hiện đại như gia công CNC, hệ thống đo kiểm tự động, kiểm soát quá trình và tối ưu hóa chu trình gia công Việc ứng dụng công nghệ tiên tiến sẽ giúp giảm sai số, cải thiện sự đồng nhất giữa các chi tiết và đáp ứng tốt hơn các yêu cầu kỹ thuật trong ngành gia công cơ khí.

Tổng quan về các phương pháp gia công kết hợp

1.2.1 Tổng quan về các phương pháp gia công kết hợp

Phương pháp gia công kết hợp (hybrid machining) là phương pháp gia công có kết hợp các phương pháp gia công một cách hiệu quả hơn và năng suất cao

Phương pháp Siêu âm kết hợp điện hóa ECM (USECM) thiết lập điện hóa hòa tan và sự hình thành của một lớp oxi hóa xảy ra trên bề mặt phôi bằng cách hình thành ion và phong trào trong chất điện phân sản xuất một dòng chảy cường độ cao hiện hành Lớp oxi hóa được lấy ra bằng những chất mài mòn siêu âm tăng tốc rằng tác động bề mặt phôi Quá trình này cũng giúp duy trì một khoảng cách giữa các điện cực không đổi

Phương pháp Laser kết hợp tiện là một kỹ thuật gia công trong đó cơ chế loại bỏ vật liệu vẫn dựa trên cắt thông thường, nhưng laser làm mềm vật liệu phôi để việc gia công thép hợp kim cao và một số loại gốm trở nên dễ dàng hơn Các chùm tia laser được tập trung trực tiếp ở phía trước công cụ cắt, từ đó tăng độ dễ dàng của quá trình gia công và nâng cao hiệu suất làm việc.

Phương pháp Laser kết hợp ECM (LAECM) mang lại sự nội địa hóa cao cho quá trình giải thể bằng cách kết hợp laser với ECM; Vai trò chính của laser trong ECM là nâng cao hiệu quả giải thể thông qua cơ chế loại bỏ vật liệu được tăng cường bằng kích hoạt nhiệt do giải điện và tia laser hội tụ mang lại; Cơ chế này khiến quá trình giải thải diễn ra nhanh hơn và đồng đều hơn; Ngoài ra LAECM còn giúp loại bỏ các lớp oxit kim loại hình thành trên phôi do sự tiến hóa của oxy tại anode trong quá trình điện phân.

1.2.2 Các phương pháp gia công cắt gọt có kết hợp dao động

Phương pháp gia công cắt gọt có kết hợp dao động (VAM – Vibration Assisted Machining) là một nguồn năng lượng hỗ trợ bên ngoài, trong đó tần số cao và biên độ dao động nhỏ được áp lên trên công cụ hoặc phôi để cải thiện quá trình loại bỏ vật liệu; khi điều kiện gia công và dao động phù hợp, công cụ có thể mất liên lạc với phôi, làm thay đổi cơ chế cắt và có thể nâng cao hiệu suất gia công VAM đã được áp dụng cho nhiều quá trình gia công, bao gồm tiện, phay và mài, nhằm gia công các vật liệu cứng Lợi ích của phương pháp này gồm giảm lực gia công, cải thiện hình thành bề mặt và độ chính xác, ức chế sự hình thành phoi, giảm mòn và kéo dài tuổi thọ của dao Trong tiện, sự hỗ trợ dao động dễ thực hiện vì công cụ được cố định Hệ thống rung động hỗ trợ cho quá trình tiện có đặc điểm rung tuyến tính theo hướng cắt và chuyển động rung elip trong mặt phẳng cắt và chiều sâu của phôi.

Trong nghiên cứu, 25 hướng cắt tương ứng đã được áp dụng thành công để tối ưu hóa quá trình phay Tuy nhiên, sự liên tục thay đổi vận tốc cắt và độ dày chip cắt trong quá trình phay của mũi công cụ bằng VAMilling phức tạp hơn so với rung động hỗ trợ cho quá trình tiện, bởi vì biến thiên này ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt, nhiệt sinh ra và chất lượng bề mặt Các yếu tố này đòi hỏi mô hình hóa động lực cắt và tối ưu hóa chiến lược gia công để đảm bảo hiệu suất, độ chính xác và tuổi thọ dụng cụ.

1.2.3 Phương pháp gia công phay có kết hợp dao động

Trong phương pháp gia công phay có kết hợp dao động (Vibration Assisted Milling – VAMill) với tần số cao và biên độ dao động nhỏ được đặt lên trên các dao cụ hoặc phôi nhằm tạo ra kết cấu bề mặt nhất định Dựa trên kích thước và cách thức áp dụng dao động, VAMill được chia thành hai nhóm chính là 1D VAMill và 2D VAMill Ở 1D VAMill, một sự dao động được áp dụng theo một hướng gia công có kết hợp dao động (FVAMill) hoặc hai theo hướng chéo gia công có kết hợp dao động (CFVAMill) Ở 2D VAMill, rung động được áp dụng đồng thời ở cả hai hướng, một theo hướng Song song và một theo hướng Chéo (2DVAMill) Hình 1.17 trình bày sơ đồ tổng quan của phương pháp gia công phay có kết hợp dao động.

Hình 1 17 Tổng quan của phương pháp gia công phay có kết hợp dao động

Mô hình thích hợp tách dao - phôi (Tool-workpiece separation, TWS) là chìa khóa cho sự thành công của phương pháp gia công cắt gọt có kết hợp dao động (VAM) Theo định nghĩa, sự tách biệt trong phương pháp gia công cắt gọt có kết hợp dao động (VAM) là sự gián đoạn tuần hoàn nhanh chóng của hằng số công cụ làm việc mảnh xúc Có ba cơ chế khác nhau dẫn đến hiện tượng tách và mỗi cơ chế sẽ được mô tả dưới đây.

1.2.3.1 Tách dao - phôi (Tool-workpiece separation) loại I TWS

Hình 1.18 minh họa loại I TWS trong phay rung hỗ trợ Loại I tách xảy ra trong đường dẫn công cụ hiện nay khi các thành phần hướng cắt (thành phần tức là tiếp tuyến) của vận tốc tương đối giữa dao và phôi là đối diện với sự chỉ đạo cụ xoay dẫn đến mũi dao tụt hậu so với các phôi để TWS xảy ra Ở vị trí 1 của Hình 1.18 thành phần hướng cắt của vận tốc tương đối giữa dao và phôi là lớn hơn không và dao này là tiếp xúc với phôi Khi dao tiến đến vị trí 2 thành phần hướng cắt của vận tốc tương đối là bằng không và để phá vỡ tiếp xúc với phôi Ở vị trí 3 thành phần hướng cắt của vận tốc tương đối là ví dụ tiêu cực theo hướng ngược lại với luân chuyển công cụ và công cụ tách từ phôi Có thể thấy rằng trong giai đoạn này khi dao và phôi bị mất liên lạc với các thành phần hướng cắt thay đổi vận tốc tương đối từ số không đến tiêu cực và tích cực trở lại Ở vị trí 4 dao lấy lại được tiếp xúc với phôi

Hình 1 18 Tách dao - phôi Loại I 1.2.3.2 Tách dao - phôi (Tool-workpiece separation) loại II TWS

Hình 1.19 minh họa loại II TWS trong phay rung có sự hỗ trợ Loại II TWS xảy ra khi trong đường dẫn công cụ hiện tại, trong quá trình cắt, rung động tức thời làm cho độ dày cắt ở hướng xuyên tâm của công cụ lớn hơn độ dày con chip cắt tức thời Sự chênh lệch này khiến công cụ và phôi bị tách rời nhau khi phay, dẫn đến tách công cụ-phôi và có thể gây hỏng dụng cụ hoặc gián đoạn quá trình gia công.

Trong quá trình gia công, dịch chuyển rung của công cụ theo hướng bố trí hình tròn có biên độ nhỏ hơn độ dày con chip cắt tức thời nên công cụ vẫn tiếp xúc với phôi Khi công cụ tiến tới vị trí 2, dịch chuyển rung theo hướng bố trí hình tròn đạt đúng bằng độ dày con chip cắt tức thời và điều này phá vỡ tiếp xúc với phôi Ở vị trí 3, sự dịch chuyển rung vượt quá độ dày con chip cắt tức thời khiến công cụ hoàn toàn tách khỏi phôi Ở vị trí 4, dịch chuyển rung bằng đúng độ dày con chip cắt tức thời giúp công cụ lấy lại được tiếp xúc với phôi.

Hình 1 19 Tách dao - phôi Loại II 1.2.3.3 Tách dao - phôi (Tool-workpiece separation) loại III TWS

Trái ngược với rung động hỗ trợ quay có ảnh hưởng chủ yếu bởi hình học phôi và có thể bỏ qua các quỹ đạo phức tạp của mũi phay, phay rung hỗ trợ có thể gây ra bề mặt khá gồ ghề do sự phức tạp của quỹ đạo mũi, từ đó ảnh hưởng đến quá trình cắt Hình 1.20 minh họa hiệu ứng này và loại III TWS trong phay rung hỗ trợ Đường công tác hiện tại bị chồng lên do rung chồng chéo ở một số vùng, khiến đường viền mặt trái của đường cắt trước đó bị chồng lấn và trong các khu vực chồng chéo các cạnh cắt có thể mất tiếp xúc với phôi, sinh ra các chip không liên tục Phần vật liệu còn lại trên đường dẫn cắt hiện tại có thể đã bị loại bỏ bởi quá trình tách trước, làm tăng khả năng tách công cụ-phôi Trong nhiều trường hợp của VA Milling loại I, II và III, tách có thể xảy ra đồng thời; điều kiện tách Tool-phôi được nêu chi tiết trong 35.

28 Hình 1 20 Tách dao - phôi Loại III

THIẾT KẾ BÀN GÁ HAI BẬC TỰ DO BẰNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI

Phương án thiết kế

Trong nghiên cứu này, bàn máy 2 bậc tự do được xem như thành phần chủ lực cho cơ cấu gia công phay có dao động hỗ trợ Phôi gia công được gá lên bàn rung và dao động với biên độ trong phạm vi micromet, đòi hỏi biên độ dao động chỉ ở mức micro được duy trì nhờ cơ cấu đàn hồi do đề xuất, nhằm đảm bảo độ chính xác cao cho quá trình gia công Mục tiêu là phát triển và đánh giá một hệ thống có khả năng kiểm soát biên độ dao động ở giới hạn micromet, tối ưu hóa hiệu suất gia công phay và độ ổn định của quá trình Nghiên cứu tập trung vào thiết kế, đặc tính động học và khả năng kiểm soát của bàn máy hai bậc tự do để nâng cao độ lặp và độ chính xác trong gia công bằng dao động hỗ trợ.

Gia công với sự hỗ trợ của dao động (Vibration assisted machining, VAM) là nhóm phương pháp gia công lai, tích hợp dao động với biên độ nhỏ vào các phương pháp gia công cắt gọt truyền thống và phi truyền thống nhằm mục đích cải thiện hiệu suất gia công Một số nghiên cứu đã thực hiện chỉ ra rằng với dao động tuần hoàn được tích hợp vào dao cắt hay vào phôi có khả năng giúp nâng cao độ chính xác cũng như có thể giúp cải thiện chất lượng bề mặt theo mong muốn Ưu điểm của nhóm phương pháp gia công này càng được thể hiện rõ hơn khi phải gia công các loại vật liệu cứng và dòn (Gu 2018, Chen 2018) Ngoài ra các báo cáo khác cũng chỉ ra rằng VAM còn giúp làm giảm lực cắt, loại bỏ bớt bavia, giúp làm chậm quá trình mòn dao qua đó gia tăng tuổi thọ của dao cắt

Việc tích hợp dao động vào các phương pháp gia công phi truyền thống đã được nghiên cứu và triển khai, nhằm cải thiện tốc độ cắt vốn là hạn chế lớn nhất của các phương pháp này Cụ thể, dao động đã được tích hợp vào các phương pháp gia công bắn tia lửa điện (EDM) và cắt dây EDM để tăng tốc độ gia công Đối với các phương pháp gia công cắt gọt truyền thống, VAM đã được nghiên cứu kết hợp với tiện, phay, khoan và mài nhằm gia công các loại vật liệu có độ cứng cao Trong phương pháp tiện với dao động hỗ trợ (VATurn), dao động có thể dễ dàng tích hợp lên dao cắt do dao đứng yên và phôi quay tròn (Nguyen Van-Khien 2018) Nhiệm vụ tích hợp dao động lên quá trình gia công phay vẫn tương đối khó khăn.

(b) Hình 2 1 Các nguyên lý gia công có dao động hỗ trợ:

(a) theo nguyên lý cộng hưởng (Ostasevicius 2013); (b) theo nguyên lý không có cộng hưởng Hiện tại, để tích hợp dao động vào quá trình cắt gọt có hai nguyên lý đang được áp dụng như ở Hình 2.1 Theo nguyên lý như Hình 2.1(a), dao động tần số siêu âm sẽ được tích hợp vào ụ gá dao và hoạt động theo nguyên lý cộng hưởng Đầu khuếch đại (horn) sẽ truyền dao động cơ từ các vòng piezoceramic đến dao cắt Horn là chi tiết giúp khuyếch đại dao động sóng cơ tùy theo thiết kế biên dạng của nó Thiết kế của horn cực kỳ quan trọng tuy nhiên cũng là nhiệm vụ khá phức tạp Một yêu cầu vô cùng quan trọng khi thiết kế các hệ thống này là phải đảm bảo sự tương thích giữa tần số dao động tự nhiên của horn và tần số dao động của PZT (Wang 2011, Ostasevicius 2013,

Phạm (2016) và Đặng (2019) cho thấy nếu hai tần số dao động không được đồng bộ sẽ gây hư hại cho dao cắt hoặc cả hệ thống trong quá trình làm việc Một cách khác để đưa dao động vào hệ thống là kích thích rung động cho phôi như minh họa ở Hình 2.1(b) Trong cấu trúc này, bàn gá 2-DOF được thiết kế bằng cơ cấu mềm là thành phần chính của hệ thống Đề tài đề xuất ý tưởng thiết kế bàn máy dao động 2-DOF sử dụng khớp đàn hồi rỗng nhằm tối ưu hóa các đặc tính tĩnh và động của chi tiết Bàn máy này dự kiến được kiểm nghiệm hiệu quả trong quá trình gia công phay kết hợp dao động của phôi.

Mô hình hóa bài toán thiết kế

Trong phạm vi nghiên cứu này, bàn gá định vị micro 2-DOF được thiết kế để tích hợp vào máy phay CNC nhằm sinh rung động cho phôi và nâng cao hiệu quả của phương pháp phay Thiết kế sử dụng khớp mềm rỗng được phát triển từ nghiên cứu trước đây của nhóm (Nguyen Van-Khien 2019) nhằm kết hợp với hai loại khớp đàn hồi truyền thống là khớp bán nguyệt và khớp loxo lá, tối ưu hóa đặc tính động học và tĩnh học của bàn máy Hình 2.2 miêu tả thiết kế của khớp đàn hồi rỗng và kết quả kiểm nghiệm cho loại khớp mới Kết quả thí nghiệm cho thấy khớp mới có khả năng cải thiện độ cứng và độ chính xác rất tốt.

Hình 2 2 Cấu hình thiết kế khớp bản lề uốn rỗng mới với:

(a) Các biến thiết kế của khớp và (b) mô hình bố trí thí nghiệm kiểm tra đặc tính của thiết kế (Nguyen Van-Khien 2019)

Thiết kế bàn định vị micro 2-DOF được biểu diễn như ở Hình 2.3 Bàn gá trung tâm (central stage) liên kết với khung cố định bằng một cơ cấu đàn hồi gồm 08 khớp đàn hồi rỗng, 08 khớp bán nguyệt và 08 thanh loxo lá Bàn gá sẽ nhận rung động từ 02 bộ cơ cấu chấp hành PZT, cho phép bàn gá rung theo hai phương x và y Có 02 cơ cấu đòn bẩy được dùng để truyền và khuếch đại từ nguồn dao động Theo như hình 2.3, bàn định vị này có tất cả 13 biến thiết kế.

Hình 2 3 Thông số thiết kế của tấm gá 2.2.2 Thiết kế tối ưu hóa

Để tạo rung động cho phôi theo hai phương độc lập vuông góc x và y, hai cơ cấu chấp hành PZT được sử dụng; bàn định vị micro 2-DOF này có thể độc lập và đồng thời kích hoạt dao động cho phôi trong quá trình gia công Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả gia công kết hợp rung động với phay, cần tiến hành tối ưu hóa thiết kế bàn gá với 3 hàm mục tiêu bằng cách thay đổi giá trị của 13 biến thiết kế đã nêu; hàm mục tiêu đầu tiên là tối đa hóa tần số dao động tự nhiên của bàn máy do nguyên lý gia công được sử dụng là loại không sử dụng cộng hưởng Tiếp theo, mối quan tâm hàng đầu là giảm mỏi và tăng tuổi thọ cho thiết kế cơ cấu đàn hồi chịu biến dạng liên tục, đặc biệt khi làm việc ở điều kiện rung động với tần số cao; chính vì thế quá trình thiết kế không chỉ cần đảm bảo ứng suất tập trung lớn nhất nhỏ hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu mà nó còn phải càng nhỏ càng tốt để tăng tuổi thọ của kết cấu Hàm mục tiêu cuối cùng là cực tiểu hóa chuyển động theo hai hướng của cơ cấu 2-DOF bằng cách tách rời hai chuyển động dẫn động nhằm gia tăng độ chính xác khi gia công Mô hình bài toán tối ưu được tóm tắt như tại Bảng 2.1 với các biến thiết kế được nêu ở trên.

03 hàm mục tiêu, 04 hàm ràng buộc và 13 biến thiết kế như trong bảng

Bảng 2 1 Mô hình hóa bài toán tối ưu cho bàn định vị micro 2-DOF

 Cực tiểu ứng suất tập trung (m)

 Cực tiểu chuyển động theo (𝛿y)

 Cực đại tần số dao động tự nhiên (fo)

 Khớp bán nguyệt của cơ cấu đòn bẩy: 𝑇 , 𝑅 , 𝑇 , 𝑅

 Khớp bán nguyệt của bàn máy: 𝑇 , 𝑅

3 Hàm ràng buộc: i (𝑔 ): 1.0 ≤ T ≤ 4.0, (mm) (i = 2 ÷ 8) ii (𝑔 ): 3.0 ≤ R ≤ 8.0, (mm) (i = 2 ÷ 7) iii Không gian thiết kế, (𝑔 ): W x H = 340 x 340 (mm) iv Ứng suất tập trung lớn nhất (𝑔 ): m < [y]/SF

34 Hình 2 4 Sơ đồ thuật toán tối ưu hóa giải thuật di truyển dựa trên FEM

Để tối ưu kích thước và hình dạng của cơ cấu bàn gá định vị, đề tài này sẽ sử dụng một phương pháp tối ưu hóa thiết kế cơ cấu đàn hồi dựa trên công trình của Pham Huy-Tuan (2011) được minh họa ở Hình 2.4 Thuật toán di truyền (GA) được kết hợp với công cụ phân tích mô phỏng ANSYS Mechanical APDL nhằm giải bài toán thiết kế đa mục tiêu có các hàm ràng buộc phi tuyến Trong quá trình tính toán, cả đặc tính động học và tĩnh học của cơ cấu được phân tích dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).

(b) Hình 2 5 Kết quả mô phỏng FEM cho tổng chuyển vị của cơ cấu với chuyển vị đầu vào theo phương x (a) và phân bố ứng suất tương tương (b)

Phân tích tĩnh được sử dụng để tính toán độ khuếch đại của cơ cấu đòn bẩy khi chuyển vị đầu vào từ PZT được truyền tới bàn máy trung tâm Ngoài ra ứng suất tập trung và chuyển động theo cũng được khảo sát trong loại phân tích này để đánh giá hai hàm mục tiêu đầu tiên như ở Bảng 2.1 Hình 2.5(a) biểu diễn kết quả mô phỏng cho chuyển vị của bàn gá khi cơ cấu dẫn động PZT-X tác động và Hình 2.5(b) mô tả phân bố ứng suất tại các khớp đàn hồi

Hình 2 6 Phân tích mode dao động

Phân tích mode dao động của cơ cấu nhằm khảo sát đặc tính động học Ba mode dao động đầu tiên được biểu diễn: hai mode đầu là chuyển động tịnh tiến theo hai phương truyền động và có tần số rất gần nhau do đặc tính dẫn động giống nhau, còn mode thứ ba là chuyển động xoay của bàn gá trung tâm Theo kết quả phân tích này, khi kích hoạt hệ thống gia công, dải tần số gia công phải nhỏ hơn tần số dao động của mode 1 để tránh hiện tượng cộng hưởng xảy ra.

Kết quả và thảo luận

Trong quá trình tính toán, vật liệu nhôm Al7075-T6 sẽ được sử dụng với các thông số của vật liệu như sau: hệ số modul đàn hồi (𝐸 = 71.7𝐺𝑃𝑎), hệ số poisson (𝜗 0.33), giới hạn đàn hồi 𝜎 = 503𝑀𝑃𝑎 , và khối lượng riêng (𝜌 = 2810 𝑘𝑔 𝑚⁄ ) và chiều dày của phôi gia công là 15.0mm Với việc sử dụng thuật toán tối ưu hóa GA kết

38 hợp ANSYS Mechanical ADPL, số thế hệ tiến hóa là 60, kết quả thiết kế tối ưu cho các biến thiết kế được liệt kê như tại Bảng 3.2

Bảng 2 2 Các biến thiết kế tối ưu của cơ cấu

Biến thiết kế Giá trị (mm) Biến thiết kế Giá trị (mm)

Cơ cấu chấp hành PZT (Physik Instrument, model: P-225.10) với hành trình dịch chuyển tối đa 15𝜇𝑚 và lực đẩy tối đa 12500N (Hình 4.4) sẽ được sử dụng trong nghiên cứu này Hình 2.7 là kết quả dịch chuyển của bàn máy trung tâm theo cả 2 hướng x và y khi cơ cấu được kích hoạt bởi PZT-X Chuyển vị tại đầu vào được cài đặt là 5𝜇𝑚 và chuyển vị đầu ra nhận được là 7𝜇𝑚, tương ứng với độ khuếch đại là 1.4 Chuyển vị đầu ra của bàn máy trung tâm có thể được thiết kế để đạt giá trị lớn hơn, tuy nhiên trong quá trình gia công VAMill biên độ dao động lớn không phải là tham số chính quyết định chất lượng gia công do vậy hàm chuyển vị này không được đưa và hàm mục tiêu trong quá trình tối ưu hóa Với thiết kế tối ưu đã tìm được, chuyển vị theo của bàn máy (phương y) nhỏ hơn 1000 lần so với chuyển vị chính (phương x) Điều này chứng minh khả năng cách ly dao động giữa 2 phương là rất tốt

Hình 2 7 Kết quả mô phỏng chuyển vị Để đảm bảo đạt được hiệu quả gia công tốt nhất và loại trừ khả năng xảy ra cộng hưởng, tần số dao động tự nhiên của cơ cấu cần phải lớn hơn vài lần so với tần số gia công của PZT Đối với cơ cấu chấp hành hiện tại, với chuyển vị đầu ra 5𝜇𝑚 thì tần số làm việc dự kiến khoảng 150𝐻𝑧 Hình 2.8 là kết quả phân tích điều hòa với tần số đáp ứng của cơ cấu vẫn là 498Hz tương tự như phân tích mode dao động ở Hình 2.6 Tần số này theo ghi nhận so với các công trình nghiên cứu khác là tương đối lớn cho phép tích hợp dao động với các tần số nhỏ hơn vào quá trình gia công VAMill

40 Hình 2 8 Phân tích điều hòa (harmonic analysis) của cơ cấu

CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM

Chế tạo

Trong chương 3, kích thước tối ưu của thiết kế sẽ được gia công bằng phương pháp cắt dây EDM trên vật liệu nhôm Al7075-T6, và bản vẽ chi tiết gia công được trình bày ở Hình 3.1 cùng với hình ảnh chi tiết sau khi gia công tại Hình 3.2.

Hình 3 1 Bản vẽ chi tiết gia công (trang bên)

Hình 3 2 Chi tiết đã gia công

Thử ngiệm

Cơ cấu chấp hành PZT của Physik Instrumente (PI), model P-225.10, được lắp vào bàn gá và điều khiển chuyển động thông qua bộ điều khiển gồm thiết bị phát sóng và thiết bị khuếch đại, như hình minh họa trong Hình 3.3 Để tiến hành thử nghiệm hiệu quả thiết kế, toàn bộ kết cấu bàn định vị micro 2-DOF sẽ được gá lên bàn máy phay theo bố trí ở Hình 3.4 và có bản vẽ phân rã chi tiết được trình bày ở Hình 3.5.

Hình 3 3.Cơ cấu chấp hành piezoelectric (Physik Instrument, model: P-225.10)

43 Hình 3 4 Mô hình 3D kết cấu bàn gá micro tích hợp dao động vào VAMill

Hình 3 5 Bản vẽ phân rã (trang bên)

Hình 3.6 mô tả bố trí thí nghiệm đo dao động bằng cảm biến laser Keyence LK-G30 Để kiểm tra biên độ dao động của bàn máy trước khi gia công thực tế, việc đo dao động là cần thiết nhằm đánh giá độ ổn định của hệ thống gia công Cảm biến laser Keyence LK-G30 được dự kiến sẽ đo biên độ dao động ở các tần số khác nhau, từ đó phân tích đáp ứng động của bàn máy Bố trí thí nghiệm này được thiết kế để đảm bảo thu thập dữ liệu đo đạc chính xác và có thể áp dụng cho nhiều tham số gia công khác nhau.

Hình 3 7 Thiết bị đo lực cắt của Kitsler (Dynamometer 9257B)

Công nghệ gia công có tích hợp dao động được ứng dụng chủ yếu cho các vật liệu có độ cứng cao Với dao động tích hợp này, các kết quả nghiên cứu cho thấy lực cắt được giảm đáng kể, giúp làm giảm quá trình mòn dao và tăng tuổi thọ dụng cụ gia công Do vậy, quá trình thử nghiệm của phương pháp VAMill trong đề tài đã được tiến hành để đánh giá hiệu quả của công nghệ dao động tích hợp trong gia công vật liệu cứng và tác động của nó đến hiệu suất gia công cùng độ bền của dụng cụ.

Trong kế hoạch này, thiết bị đo lực cắt từ hãng Kitsler (Dynamometer 9257B) được dự kiến sẽ sử dụng như mô tả ở Hình 3.7, và thiết bị này sẽ được gắn lên bàn máy phay theo bố trí như thể hiện ở Hình 3.8.

Hình 3 8 Bố trí thiết bị đo lực cắt lên bàn gia công