Nghiên cứu tối ưu hóa hình dạng khớp đàn hồi cho các thiết bị định vị chính xác trong cơ khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Văn Khiển NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA HÌNH DẠNG KHỚP ĐÀN HỒI CHO CÁ

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

1.1.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Trong nghiên cứu khớp mềm đàn hồi, Paros và Weisbord (1965) được xem là những người đặt nền móng đầu tiên cho việc sử dụng các khớp mềm có biên dạng hình bán nguyệt, hình elip và bo góc (Fillet) như hình 1 để thay thế cho dầm công-xon Kết quả nghiên cứu của họ cho thấy có thể thiết kế các khớp mềm và dựa trên lý thuyết toán học đã xây dựng được mô hình toán học mô tả mối quan hệ giữa các tham số t, r, a, b, cùng với các hàm chuyển vị, ứng suất và độ cứng của các loại khớp này; y = f(x) thể hiện sự phụ thuộc theo hình dạng Circle / Ellipse / Fillet.

(a) Hình bán nguyệt (b) Ellipse (c) Fillet

Hình 1.1: Khớp bản lề đàn hồi cơ bản

Xu và King (1966) đã ứng dụng Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để so sánh ba loại khớp mềm có biên dạng bán nguyệt, hình elip và hình bo góc (fillet) với ba mục tiêu là dịch chuyển, độ chính xác và mức độ ứng suất, và kết quả cho thấy khớp mềm hình elip có vùng tập trung ứng suất nhỏ nhất trong khi khớp bo góc có không gian làm việc lớn nhất Dựa trên một số biến đổi thiết kế ban đầu được Paros và Weisbord đề xuất năm 1965, Smith và cộng sự (1997) đã đưa ra các phương trình khép kín cho khớp đàn hồi hình elip, được giới hạn bởi khớp mềm hình tròn và một dầm đơn giản về mức độ tuân theo Các phương trình này được đánh giá bằng cách so sánh với kết quả phân tích phần tử hữu hạn trên một loạt hình học điển hình của nhiều khớp bản lề thiết kế, cho thấy dự đoán về độ tuân theo của khớp bản lề elip có thể đạt sai số khoảng 12% đối với một phạm vi hình học có tỉ lệ βx = t/(2 a_x) từ 0,06 đến 0,2 và với các giá trị của ε từ 1 đến 10.

Trong Hình 1.3, ba loại khớp mềm bản lề được xem xét gồm loại hình tròn, loại elip và loại ít đàn hồi Lobontiu và cộng sự (2001) đã trình bày các phương trình khép kín của các khớp mềm đàn hồi bo tròn góc (Fillet) So với khớp mềm đàn hồi hình tròn, khớp Fillet có tính uốn cong cao hơn và sinh ra ứng suất thấp hơn, nhưng độ chính xác về góc xoay lại thấp hơn.

Hình 1.4: Hình dạng một khớp nối mềm đàn hồi bo tròn góc (Fillet)

Lobontiu và cộng sự (2002) đã thiết kế khớp đàn hồi dạng parabol và hyperbol, dùng định lý thứ hai của Castigliano để suy ra các phương trình toán học mô tả đường viền của khớp Kết quả so sánh giữa hai loại khớp cho thấy các khớp đàn hồi có đặc trưng biến dạng và phân bố ứng suất khác nhau, ảnh hưởng đến hiệu quả truyền lực và độ tin cậy vận hành Nghiên cứu cung cấp các công cụ thiết kế và đánh giá khớp dựa trên các biểu thức đường viền, từ đó cho phép tối ưu hoá hình dạng và tiết kiệm vật liệu trong các ứng dụng cơ cấu.

Trong mô hình đàn hồi được khảo sát, các phần hình parabol cho góc xoay lớn hơn và gây ra ứng suất thấp hơn; ngược lại, khớp đàn hồi hyperbol có chuyển vị kí sinh nhỏ hơn.

Hình 1.5: Hình dạng hình học của khớp mềm bản lề parabolic (hyperbolic) Cùng với đó việc so sánh không gian làm việc và độ chính xác giữa chúng cho thấy khớp mềm đàn hồi dạng hình tròn cho chuyển vị lớn, trong khi các khớp mềm đàn hồi hyperbolic có khả năng hạn chế sự dịch chuyển của tâm quay

Rongzhou Lin và các cộng sự [6] thiết kế và phân tích khớp đàn hồi hỗn hợp gồm một nửa khớp đàn hồi hyperbolic và một nửa khớp đàn hồi bo tròn Tất cả các phân tích và so sánh được thực hiện trong phạm vi dịch chuyển nhỏ Định lý thứ hai của Castigliano được sử dụng để suy luận các phương trình khép kín ở dạng tổng quát mà không giả định rằng áp lực tối đa xuất hiện tại phần mỏng nhất, nhằm đánh giá mức ứng suất tối đa Các phương trình này đã được xác minh bằng phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và thử nghiệm Các dự đoán của mô hình phân tích nằm trong phạm vi lỗi 8% so với kết quả FEA và trong khoảng 13% so với kết quả thực nghiệm.

Hình 1.6: Khớp mềm bo tròn góc Hyperbolic 1.1.1.2 Các nghiên cứu trong nước

Trong những năm gần đây một nhóm tác giả đã bước đầu đi sâu vào nghiên cứu, thiết kế cũng như hướng ứng dụng của cơ cấu này

Năm 2008, Phạm Huy Hoàng và cộng sự đã trình bày thiết kế cơ cấu dẫn động có độ phân giải ở mức micro cho chuyển động thẳng, đồng thời cho thấy cơ cấu này có khả năng tải trọng lớn và khoảng di chuyển rộng Cấu trúc của cơ cấu được xây dựng trên sự kết hợp của thanh piezo nhiều lớp, phần dẫn, bộ khuếch đại vi sai và phần bị dẫn, như được minh họa trong hình 1.7.

Hình 1.7: Cơ cấu khuếch đại vi sai

Vào năm 2014, nhóm tác giả do Phạm Huy Tuân dẫn đầu cùng các cộng sự đã phát triển một phương pháp thiết kế mới và một công cụ chế tạo đơn giản dành cho khớp mắt cá chân giả, dựa trên nền tảng của cơ cấu đàn hồi và thuật toán di truyền Khớp chân giả này có cấu tạo nguyên khối và có khả năng tích trữ, giải phóng năng lượng, như minh họa ở hình 1.8 (Phạm Huy Tuân và các cộng sự, 2014).

Hình 1.8 trình bày khớp chân giả sử dụng cơ cấu đàn hồi Năm 2017, Van-Khien Nguyen và các cộng sự [9] trình bày thiết kế tối ưu của cơ cấu ăn dao ứng dụng cho quá trình gia công CNC chính xác Thiết kế được xác nhận trong mô hình FEA - 3D sử dụng ANSYS Kết quả cho thấy tỷ lệ khuếch đại tối đa thu được từ cơ cấu ăn dao là 6,8 (hình 1.9).

Vào năm 2017, Van-Khien Nguyen và các cộng sự đã giới thiệu thiết kế tối ưu cơ cấu ăn dao dựa trên cơ cấu mềm Trong thiết kế, khớp mềm dạng bán nguyệt được lựa chọn nhằm khử khe hở, tạo chuyển động chính xác và gia tăng độ lớn dịch chuyển Dựa trên phân tích động lực học và phân tích thống kê, cơ cấu được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) Phương pháp Taguchi được dùng để đánh giá và chọn biến thiết kế; sau đó bài toán tối ưu hóa nhằm cải thiện các đặc tính tĩnh và động của cơ cấu ăn dao được giải quyết bằng giải thuật di truyền (GA) và phương pháp đáp ứng bề mặt dựa trên kết quả phân tích FE Kết quả mô phỏng cho thấy cơ cấu ăn dao có phạm vi hoạt động lớn hơn 380 μm, với tần số tự nhiên đầu tiên là khoảng 170 Hz và có chuyển động ký sinh dưới 7 μm (hình 1.10).

Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật, nhu cầu về độ chính xác ngày càng cao khiến các thiết bị máy móc hiện đại đòi hỏi các cơ cấu liên kết tối ưu Các khớp cứng truyền thống gây rung động, ma sát, tiếng ồn, mài mòn và tạo khe hở, làm tăng chi phí lắp ráp và bảo trì, vì vậy cần có những cơ cấu khớp đàn hồi để khắc phục những nhược điểm này So với các cơ chế truyền thống, khớp đàn hồi có lợi thế không có ma sát, độ phân giải cao, trọng lượng nhẹ và khả năng thu nhỏ kích thước, nên được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao trong không gian làm việc hạn chế Các ứng dụng tiêu biểu của khớp mềm bao gồm thiết bị định vị micro/nano, thiết bị căn chỉnh chính xác cho sợi quang và các hệ thống vi điện cơ Trong nghiên cứu khớp mềm, mục tiêu là đạt được chuyển vị mong muốn, dịch chuyển theo và tập trung ứng suất ở mức tối ưu, dù các đặc tính này luôn đối lập và cần phải tìm được điểm dung hòa tùy theo từng ứng dụng cụ thể Đề tài “Nghiên cứu tối ưu hình dạng khớp đàn hồi cho các thiết bị định vị chính xác trong cơ khí” nhằm giải quyết các vấn đề trên, với ưu điểm nổi bật của khớp mềm ở khả năng tích trữ năng lượng và nâng cao hiệu suất hệ thống.

Các khớp mềm được thiết kế với mức năng lượng tối ưu và ứng suất tập trung thấp, từ đó tăng tuổi thọ khớp, giảm chuyển động ký sinh và cho phép sự dịch chuyển lớn hơn so với các khớp mềm trước đó Những khớp mềm này có thể được ứng dụng vào cơ cấu truyền động cơ khí chính xác ở quy mô vi mô, cơ cấu ăn dao, bàn máy hai bậc tự do, cơ cấu ổn định lực và các ứng dụng trong cơ sinh học.

Mục đích của đề tài

 Đề tài này đi sâu nghiên cứu và tìm kiếm một số loại khớp mềm mới nhằm đóng góp cho lĩnh vực cơ cấu mềm

Mục đích của loại khớp mềm mới là cho phép chuyển vị lớn hơn và giảm ứng suất tập trung so với các khớp mềm hiện có, trong khi vẫn đảm bảo độ phân giải tương đương với chúng Thiết kế này tối ưu hóa phạm vi di chuyển mà không làm mất đi độ chính xác đo lường, giữ nguyên mức độ phân giải như các khớp mềm hiện có Nhờ đó, khớp mềm mới kết hợp hiệu quả cơ học và độ phân giải cao, đáp ứng tốt các yêu cầu của các ứng dụng công nghệ cao.

 Giảm thiểu thời gian lắp ráp của các khớp lại với nhau, loại bỏ được ma sát và tiếng ồn sinh ra khi các khớp hoạt động

 Tăng hiệu năng hoạt động của cơ cấu, tăng độ chính xác cho các thiết bị, máy móc.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tối ưu hình dạng một loại khớp đàn hồi mới cho các thiết bị định vị chính xác trong cơ khí

Các thông số vật liệu dùng trong mô phỏng bằng vật liệu hợp kim Nhôm (7075 - T6) với các thông số của vật liệu như sau: Mô đun đàn hồi E = 71,7 GPa, hệ số Poisson là 0,33, giới hạn đàn hồi là 503 MPa và khối lượng riêng ρ = 2810 kg/m 3 , kết hợp với vật liệu Silicone

Trong khả năng có hạn và sự giới hạn về cơ sở vật chất cùng kinh phí thực hiện, tác giả chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu tối ưu hình dạng khớp đàn hồi cho các thiết bị định vị chính xác trong cơ khí, được thực hiện bằng vật liệu hợp kim nhôm 7075-T6 và xem xét các biến thể hình học cùng tham số vật liệu nhằm tối ưu hiệu suất và độ bền.

10 thông số của vật liệu như sau: Modul đàn hồi E = 71,7 GPa, hệ số Poisson là 0,33, giới hạn đàn hồi là 503 MPa và khối lượng riêng ρ = 2810 kg/m 3

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Một mô hình được xây dựng dựa trên cơ sở nền tảng và các đặc điểm hợp lý của khớp đàn hồi trong các nghiên cứu đã được công bố

Phân tích so sánh một số mẫu thiết kế để chọn ra được mẫu thiết kế tối ưu nhất Tối ưu hóa thiết kế mô hình đã được xây dựng theo hàm mục tiêu, phương pháp tối ưu hóa đáp ứng bề mặt trên phần mềm ANSYS Workbench 15

Phương pháp nghiên cứu, tham khảo lý thuyết

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

Phương pháp thiết kế dựa trên sự tích hợp của các phần mềm INVENTOR, MATLAB và ANSYS giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế bằng cách mô phỏng hình học, phân tích toán học và đánh giá cơ học Phân tích so sánh nhiều mẫu thiết kế khác nhau được thực hiện để đánh giá hiệu suất, độ bền và tính khả thi, từ đó chọn ra mẫu thiết kế tối ưu nhất cho sản phẩm Việc kết hợp INVENTOR cho mô phỏng hình học và lắp ghép, MATLAB cho tối ưu và phân tích dữ liệu, cùng ANSYS cho phân tích phần tử hữu hạn và động lực học chất lỏng/mềm sẽ đảm bảo độ chính xác cao và thời gian thiết kế được rút ngắn.

Phương pháp mô phỏng và tối ưu hóa dựa trên hàm mục tiêu đã đề ra được thực hiện trên phần mềm ANSYS Workbench 15 kết hợp với ANSYS APDL 15 nhằm tối ưu hóa đáp ứng bề mặt Quá trình tối ưu hóa đáp ứng bề mặt dựa trên hàm mục tiêu giúp điều chỉnh các tham số thiết kế để đạt hiệu quả và chất lượng bề mặt mong muốn Đồng thời, phương pháp chế tạo được triển khai song hành với thực nghiệm, kiểm tra và đánh giá để xác nhận tính khả thi và độ tin cậy của mô hình Việc kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm cho phép tối ưu hóa thiết kế một cách hiệu quả, đồng thời nâng cao hiệu suất sản xuất và đánh giá kết quả trên nền tảng ANSYS.

Phương pháp tối ưu hóa

2.1.1 Phương pháp đáp ứng bề mặt

Phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface Methodology - RSM) được phát triển từ những năm 1950 bởi Box và đồng sự, là tập hợp các kỹ thuật toán học và thống kê dựa trên sự phù hợp của mô hình thực nghiệm nhằm liên kết dữ liệu thực nghiệm với thiết kế thí nghiệm Theo hướng này, các hàm đa thức bậc hai hoặc bậc nhất được dùng để mô tả hệ nghiên cứu và khảo sát các điều kiện thực nghiệm nhằm tìm ra sự tối ưu Để ứng dụng kỹ thuật tối ưu RSM, cần trải qua các bước sau: (1) lựa chọn các biến độc lập ảnh hưởng quan trọng tới hệ nghiên cứu trong phạm vi giới hạn và theo mục tiêu cũng như kinh nghiệm của người nghiên cứu; (2) thiết kế thí nghiệm và tiến hành các thí nghiệm đó theo một ma trận đã được vạch sẵn; (3) xử lý thống kê các dữ liệu thực nghiệm thông qua sự phù hợp của hàm đa thức; (4) đánh giá tính tương thích và mức độ giải thích của mô hình; (5) xác minh tính khả thi và tính thiết yếu để tiến sang ranh giới tối ưu; (6) tiến hành thí nghiệm dựa trên kết quả tối ưu cho từng biến.

Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phương pháp tối ưu RSM với hai tham số cần khảo sát là bán kính cung tròn (R) và bề dày giữa hai cung tròn (t) Phương pháp này cho phép xây dựng mô hình hồi quy nhằm mô tả ảnh hưởng của R và t lên các đặc tính thiết kế, từ đó tìm ra điều kiện tối ưu Việc khảo sát hai thông số R và t giúp xác định mối quan hệ giữa hình học và hiệu suất, đồng thời tối ưu hoá quá trình thiết kế với độ tin cậy cao Kết quả cho thấy cả hai tham số đều có tác động đáng kể và nên được tối ưu đồng thời để đạt được hiệu suất mong muốn.

2.1.2 Phương pháp đáp ứng bề mặt trong ANSYS

Phương pháp đáp ứng bề mặt là kỹ thuật dùng để khảo sát mối quan hệ giữa một hay nhiều biến đáp ứng và tập hợp các biến thực nghiệm định lượng hoặc các yếu tố Các phương pháp này thường được áp dụng sau khi đã xác định một số yếu tố quan trọng có thể kiểm soát được, với mục tiêu tìm các giá trị của các yếu tố để đạt được đáp ứng tối ưu.

Trong bài viết này, tối ưu hóa đa mục tiêu trong ANSYS được thực hiện bằng phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM) nhằm tối ưu hóa thiết kế khớp mềm mới Quá trình tối ưu dựa trên lưu đồ thuật toán tối ưu và được minh họa bằng hình 4.17, giúp cân bằng nhiều mục tiêu thiết kế và nâng cao hiệu quả phân tích mô phỏng Việc ứng dụng RSM vào thiết kế khớp mềm cho phép tối ưu hóa các tham số liên quan, tăng độ tin cậy và hiệu suất của khớp mềm trong hệ thống.

Các bước trình bày dưới đây là tiêu biểu cho một thí nghiệm đáp ứng bề mặt; tùy thuộc vào mục tiêu và điều kiện thực nghiệm, một số bước có thể được thực hiện với thứ tự khác nhau Trong thí nghiệm đáp ứng bề mặt, các bước cốt lõi thường bao gồm chuẩn bị mẫu và làm sạch bề mặt, thiết lập và kiểm tra điều kiện thí nghiệm, tiến hành đo đạc hoặc quan sát tương tác ở bề mặt, và phân tích dữ liệu thu được để rút ra kết luận về đặc tính đáp ứng Do tính linh hoạt của từng loại vật liệu và hệ đo, trình tự các bước có thể điều chỉnh cho phù hợp nhằm tối ưu hóa độ nhạy và độ tin cậy của kết quả.

1 Chọn mẫu bề mặt đáp ứng cho thí nghiệm Ở đây ta chọn mẫu bằng phương pháp gọi trực tiếp mô hình dạng file code đã được viết trước đó thông qua mô đun Mechanical APDL có trong môi trường Workbench

Hình 2.1: Gọi mô hình dạng file code

2 Khai báo biến đầu vào và biến đầu ra theo hàm mục tiêu

Hình 2.2: Khai báo biến đầu vào và đầu ra

3 Nhấp chuột vào nút Thanh công cụ Return to Project để trở về Project Schematic Chuẩn bị cho mô đun đáp ứng bề mặt.

Trong hộp Toolbox, mở rộng Design Exploration, và nhấp đúp vào Response Surface Optimization để thêm mô đun Response Surface Optimization

4 Ngoài ra, có thể kéo Response Surface Optimization và thả nó vào Schematic Project

Hình 2.3: Thêm mô đun đáp ứng bề mặt vào hệ thống Làm việc với các thiết kế của phần thí nghiệm:

1 Trên hệ thống mới Response Surface Optimization, kích đúp vào ô Design of Experiments

Hình 2.4: Khởi động cài đặt biến thiết kế

2 Trong không gian làm việc thiết kế thử nghiệm (DOE), đặt giới hạn cho các tham số đầu vào

Hình 2.5: Đặt giới hạn biến thiết kế

3 Trong Outline view, chọn Design of Experiments

Chọn thiết lập thiết kế Central Composite Design

Thiết lập Design Type là Face-Centered, thiết lập Template Type là Standard

Hình 2.6: Chọn kiểu thiết kế thực nghiệm

5 Nhấp vào nút Update trên thanh công cụ để cập nhật các điểm thiết kế

Sau khi bản cập nhật hoàn tất, bảng Design Points cho thấy tổng cộng 10 điểm thiết kế tự động đã được giải quyết, và mỗi điểm thiết kế bây giờ đã được xử lý.

Bảng 2.1: Bảng dữ liệu thống kê các điểm thiết kế

6 Nhấp chuột vào nút Thanh công cụ Return to Project để trở về Project Schematic Làm việc với các thành phần đáp ứng bề mặt

1 Trong Response Surface Optimization, kích đúp chuột vào ô Response Surface

Hình 2.7: Khởi động Response Surface

Hình 2.8: Chọn kiểu đáp ứng (kiểu Kriging)

2 Nhấp vào nút Update để cập nhật bề mặt đáp ứng

Chọn Min-Max Search để tìm các kết quả đáp ứng theo hàm mục tiêu

Ý tưởng và yêu cầu thiết kế

Trong các nghiên cứu trước đây của Lin et al (2011b), khớp mềm hình 3.1(d) được xem như khớp mềm cơ bản, thường tổng hợp từ các loại khớp đàn hồi khác Thiết kế mới được phát triển dựa trên hình 3.1(d) cho thấy dạng đường cong cơ bản phụ thuộc vào bán kính cong R khi điều khiển chuyển vị, độ cứng và góc xoay của khớp Tuy nhiên, khi sử dụng khớp mềm dạng này trong truyền động chính xác thì không tiết kiệm vật liệu cũng như không giảm được trọng lượng và độ rung động Vì vậy, một thiết kế mới được đề xuất như hình 3.1(g): thay vì gia công nguyên khối như hình 3.1(d), khớp được thay bằng các thành dầm cong như hình 3.1(f) Phần giữa của khớp mềm hình 3.1(d) được bỏ đi và thay bằng vật liệu Silicone như hình 3.1(g) nhằm giảm rung động, giảm ứng suất và tăng độ cứng của khớp Độ cứng của khớp ở dạng này phụ thuộc chủ yếu vào bán kính cong R, độ dày t và độ dày c của lớp Silicone.

Thiết kế khớp mềm mới có những ưu điểm vượt trội so với cơ cấu truyền thống như giảm mài mòn, giảm tiếng ồn và giảm độ rung, không cần bôi trơn, trọng lượng nhẹ và độ chính xác tăng lên nhờ loại bỏ ma sát; nhờ đó thiết bị dễ dàng thu nhỏ Hình 3.1 trình bày sơ đồ thiết kế khớp mềm.

Tìm ra được khớp mềm mới có chuyển vị lớn hơn và ứng suất tập trung nhỏ hơn các khớp mềm hiện có nhưng vẫn đảm bảo được độ phân giải tương đương với các khớp mềm hiện có

 Mẫu thiết kế có cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn, dễ dàng gia công

 Chi tiết dễ lắp ráp, dễ thay thế và kiểm tra dễ dàng

 Giảm chi phí bảo trì, bảo dưỡng

 Với một lực tỏc dụng F = 10N tạo ra chuyển vị lớn nhất (≥ 40 àm), đồng thời cú ứng suất tập trung của khớp mềm là nhỏ nhất (≤ 503 Mpa)

Lựa chọn vật liệu

Hình 3.2: Biểu đồ chỉ số Sy/E Dựa trên biểu đồ chỉ số Sy/E (hình 3.2) tác giả lựa chọn vật liệu hợp kim Nhôm

(7075 - T6) với các thông số vật liệu dùng trong mô phỏng và tối ưu hóa đáp ứng bề mặt như sau: Mô đun đàn hồi E = 71,7 GPa, hệ số Poisson là 0,33, giới hạn đàn hồi là

503 MPa và khối lượng riêng ρ = 2810 kg/m 3 , chỉ số Sy/E (chỉ số phá hủy vật liệu/mô đun đàn hồi)

Không gian thiết kế 2D của mẫu được giới hạn 14 mm x 18 mm, mẫu thiết kế đảm bảo nhỏ gọn Ứng suất lớn nhất của khớp mềm phụ thuộc chủ yếu vào độ dày tại những vị trí có tiết diện nhỏ nhất Đề tạo được chuyển vị lớn nhất của khớp, cần phải giảm độ dày của biến t đồng thời cũng cần đảm bảo độ bền không vượt quá ứng suất cho phép Việc so sánh dựa trên ứng suất lớn nhất, chuyển vị lớn nhất, và chuyển vị kí sinh của mẫu thiết kế Mẫu thiết kế 2D và 3D được dựng hình trên phần mềm AutoCAD và SolidWorks trong cùng một không gian thiết kế, với các ràng buộc kích thước là như nhau, các kết quả mô phỏng bằng phương pháp tối ưu hóa đáp ứng bề mặt trên phần

21 mềm mô phỏng ANSYS Workbench 15 Kiểm tra, so sánh kết quả trên phần mềm ANSYS Mechanical APDL 15 và thực nghiệm Ưu điểm:

Hợp kim Nhôm 7075 - T6 có độ bền cao nhất và là hợp kim nhôm biến dạng hóa bền Nó thường được sử dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, cơ khí chính xác…, những ứng dụng mà yêu cầu chống ăn mòn vết nứt Thành phần của nó chủ yếu là nhôm, kẽm và hợp kim magiê

Hợp kim Nhôm 7075 - T6 khá dai cần có một phản lực lớn hơn trong quá trình gia công

Việc gia công không đơn giản, để khắc phục nhược điểm này có thể nung nhôm lên nhiệt độ 200° - 250°F để việc gia công dễ dàng hơn.

Phương án thiết kế

Trong phần này, tác giả tập trung vào phương án thiết kế bằng cách so sánh một số mẫu thiết kế để phát triển khớp đàn hồi mới, sau đó đánh giá ưu nhược điểm của từng mẫu và chọn ra mẫu thiết kế có ưu điểm nổi trội nhất so với các mẫu còn lại nhằm ứng dụng cho các thiết bị định vị chính xác trong cơ khí.

 Thiết kế đơn giản, dễ chế tạo

 Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn

 Loại bỏ được ma sát và mài mòn do không có sự chuyển động tương đối giữa các khâu

 Giảm thiểu thời gian, chi phí lắp ráp và bảo dưỡng

 Tăng hiệu năng hoạt động của cơ cấu, tăng độ chính xác cho các thiết bị, máy móc

 Đặc biệt mẫu thiết kế có thể gia công được ở kích thước micromet

 Đòi hỏi phương pháp gia công đặc biệt, chính xác

 Độ cứng vững của cơ cấu nhỏ

Hình 3.4: Mẫu thiết kế 2 Ưu điểm:

 Thiết kế đơn giản, dễ chế tạo

 Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn

 Loại bỏ được ma sát và mài mòn do không có sự chuyển động tương đối giữa các khâu

 Tăng độ cứng vững của cơ cấu

 Giảm ứng suất tập trung

 Chuyển vị đầu ra của cơ cấu nhỏ

 Đòi hỏi phương pháp gia công đặc biệt, chính xác

 Tăng thêm nguyên công trong quá trình chế tạo cơ cấu

 Tăng chi phí bảo dưỡng

Hình 3.5: Mẫu thiết kế 3 Ưu điểm:

 Thiết kế đơn giản, dễ chế tạo

 Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn

 Loại bỏ được ma sát và mài mòn do không có sự chuyển động tương đối giữa các khâu

 Tăng độ cứng vững của cơ cấu

 Giảm ứng suất tập trung

 Chuyển vị đầu ra cơ cấu nhỏ

 Đòi hỏi phương pháp gia công đặc biệt, chính xác

 Tăng thêm nguyên công trong quá trình chế tạo cơ cấu

 Tăng chi phí bảo dưỡng.

Lựa chọn phương án

Thông qua phân tích ưu nhược điểm của từng phương án thiết kế nhằm đáp ứng đầy đủ yêu cầu thiết kế, bài viết nhận thấy phương án 1 tối ưu để tăng chuyển vị và giảm ứng suất tập trung của cơ cấu, đồng thời giảm chi phí sản xuất và bảo dưỡng Vì vậy, tác giả chọn phương án 1 để nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm, nhằm đảm bảo hiệu quả vận hành và tính khả thi về kinh tế cho dự án.

Nguyên lý hoạt động

Khớp mềm được thiết kế gồm hai thanh đàn hồi có biên dạng đường cong ngược chiều nhau, làm bằng Nhôm 7075-T6 có khả năng đàn hồi Để thuận tiện cho quá trình thiết kế, mô phỏng và chế tạo, tác giả sử dụng mô hình đối xứng cho thiết kế Khi tác dụng một lực F lên khớp mềm, khớp bị biến dạng và dịch chuyển một khoảng y1 so với vị trí ban đầu; đồng thời khớp chịu một đơn vị ứng suất bên trong, do đó cần xác định điều kiện biên và điểm đặt lực tác dụng (như hình 4.15).

Trong mẫu khớp mềm được thiết kế, khi nhận lực tác dụng F = 10 N, hai thanh đàn hồi sẽ dịch chuyển y1 so với trạng thái ban đầu Mục tiêu là đạt được sự dịch chuyển mong muốn ≥ 40 mm, trong khi sai lệch dịch chuyển ngoài ý muốn được giới hạn ở ≤ 4 mm Đồng thời, ứng suất tập trung tại khớp mềm phải nằm trong giới hạn cho phép để đảm bảo khớp mềm không bị phá hủy, với mức giới hạn tối đa là 503 MPa Hình 4.1 minh họa điều kiện biên và vị trí đặt lực.

Thiết kế và tối ưu hóa

Quy trình thiết kế khớp mềm trong luận văn này, được tiến hành theo các bước như sau:

1 Đầu tiên, thiết kế được xây dựng trên nền code của phần mềm MATLAB và ANSYS Với các công cụ thiết kế này, ta có thể dễ dàng và nhanh chóng xác định được các điểm của khớp, từ đó thiết kế được biên dạng của khớp mềm

2 Xây dựng hàm mục tiêu, đặt và sắp xếp thứ tự các biến thiết kế của khớp mềm

3 Giới hạn khoảng tọa độ tối ưu cho các biến thiết kế

4 Sau đó, các biến thiết kế được đánh giá và chọn lọc bằng phương pháp RSM Phân tích tĩnh học, động học, động lực học của cơ cấu được thực hiện bằng phương pháp đáp ứng bề mặt để tối ưu hóa đa mục tiêu

5 Cuối cùng phương pháp đáp ứng bề mặt dựa trên FEA trong ANSYS được sử dụng để thêm hàm mục tiêu và mở rộng không gian thiết kế nhằm thiết lập các hàm tối ưu hóa toàn cục Dựa trên kết quả này, để nâng cao độ tin cậy của phương pháp ta có thể phân tích thực nghiệm bằng thống kê, tìm phương trình toán biểu diễn mối quan hệ của các biến và các hàm mục tiêu mong muốn

Thiết kế khớp mềm như được thể hiện ở hình 4.2 và minh họa tương tự ở hình 4.16 sử dụng hai loại vật liệu là hợp kim nhôm và silicone, trong đó hợp kim nhôm được chọn là 7075-T6 với các đặc tính cơ học và khả năng gia công phù hợp để đảm bảo độ bền và tin cậy của khớp, còn silicone mang lại độ đàn hồi và khả năng cách nhiệt cho toàn bộ cấu trúc; các thông số của hợp kim nhôm 7075-T6 sẽ được trình bày ở phần sau để làm rõ ứng dụng và giới hạn của từng thành phần.

Trong cấu trúc được phân tích, mô đun đàn hồi của vật liệu chính đạt E = 71,7 GPa, hệ số Poisson ν = 0,33, giới hạn đàn hồi 503 MPa và khối lượng riêng ρ = 2810 kg/m³ Vật liệu Silicone (silicone rubber) có các thông số: mô đun đàn hồi E = 1,35 GPa, hệ số Poisson ν = 0,49 và khối lượng riêng ρ = 0,91 g/cm³ Silicone được đưa vào nhằm giảm rung động và tăng độ cứng cho khớp.

Trong hình 4.16, các ký hiệu R, t, α, w, L, c, d lần lượt đại diện cho bán kính khớp, độ dày khớp, góc α tạo bởi cung tròn của khớp, chiều cao khớp, chiều rộng khớp, độ dày lớp silicone và chiều sâu khớp Đầu bên trái của khớp mềm được cố định, đầu bên phải đặt lực Fy theo phương y như hình 4.16 Khi khớp mềm nhận lực Fy, nó chuyển vị và truyền động cho các khâu và các khớp khác trong cơ cấu cơ khí Đặc biệt ở khớp mềm này là phần rỗng ở giữa được điền đầy bằng vật liệu silicone, giúp khớp truyền động êm hơn và rung động ít hơn so với các loại khớp mềm trước đây.

Bảng 4.1 Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu

(i) Giới hạn biến thiết kế (mm) 0,3 ≤ t≤ 0,9 (4.42)

(ii) Chuyển động ký sinh theo trục x: ux 4μm (4.47)

(iii) Ứng suất lớn nhất của cơ cấu: m y

Để đảm bảo khả năng làm việc và ứng dụng thực tế của khớp mềm, cần đạt được chuyển vị lớn theo phương y, đồng thời giảm tối đa ứng suất và đảm bảo cứng vững của khớp Hai hàm mục tiêu được chọn cho bài toán tối ưu hóa là y1, chuyển vị theo phương y, và y2, độ cứng vững của khớp mềm Các biến thiết kế được thể hiện trên hình 4.16, và các giới hạn biến thiết kế, điều kiện ràng buộc cùng hàm mục tiêu của bài toán tối ưu hóa được trình bày chi tiết như bảng 4.1.

Không gian thiết kế của khớp mềm được giới hạn L mm x W mm x d mm, đảm bảo nhỏ gọn Xét các biến số thiết kế, theo lý thuyết về cơ cấu mềm [11], ứng suất lớn nhất của khớp mềm phụ thuộc chủ yếu vào độ dày tại vị trí có tiết diện nhỏ nhất Để tạo được chuyển vị lớn cho cơ cấu, cần phải giảm độ dày t của khớp mềm đồng thời cũng cần phải đảm bảo độ bền của nó Thêm vào đó, như đã trình bày ở trên, toàn bộ cơ cấu khi bị biến dạng phải nằm trong giới hạn đàn hồi, do đó, cần xác định chính xác ứng suất lớn nhất của cơ cấu khi làm việc Giá trị ứng suất này sẽ được đưa vào rằng buộc của bài toàn tối ưu, giá trị ứng suất lớn nhất của khớp mềm max