Hcmute 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

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SINH

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA HÌNH DẠNG KHỚP ĐÀN HỒI
CHO CÁC THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC TRONG
CƠ KHÍ

MÃ SỐ: T2019-03NCS

SKC 0 0 6 9 2 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2019

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN NGHIÊN CỨU SINH

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA HÌNH DẠNG KHỚP
ĐÀN HỒI CHO CÁC THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC
TRONG CƠ KHÍ
Mã số: T2019-03NCS

Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Văn Khiển

TP. HCM, 12/2019

Luan van


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN NGHIÊN CỨU SINH

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA HÌNH DẠNG KHỚP
ĐÀN HỒI CHO CÁC THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC
TRONG CƠ KHÍ
Mã số: T2019-03NCS

Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Văn Khiển
Thành viên đề tài: PGS.TS Phạm Huy Tuân

TP. HCM, 12/2019

Luan van


MỤC LỤC

MỤC LỤC .................................................................................................................. 1
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH.................................................................................................... 6
THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................................. 8
CHƯƠNG 1 ................................................................................................................ 1
TỔNG QUAN ............................................................................................................. 1
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước
đã cơng bố................................................................................................................... 1
1.1.1. Các nghiên cứu trong và ngồi nước ....................................................................................... 1
1.1.1.1. Các nghiên cứu ngoài nước....................................................................................................... 1
1.1.1.2. Các nghiên cứu trong nước....................................................................................................... 5

1.2. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 8
1.3. Mục đích của đề tài.............................................................................................. 9
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 9
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................................ 9
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................................... 9

1.5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ...................................................... 10
1.5.1. Cách tiếp cận ............................................................................................................................ 10
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................................ 10

CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 11
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................... 11
2.1. Phương pháp tối ưu hóa .................................................................................... 11
2.1.1. Phương pháp đáp ứng bề mặt ................................................................................................ 11
2.1.2. Phương pháp đáp ứng bề mặt trong ANSYS ........................................................................ 11

CHƯƠNG 3 .............................................................................................................. 18
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ....................................................................................... 18

3.1. Ý tưởng và yêu cầu thiết kế ............................................................................... 18
3.1.1. Ý tưởng thiết kế ....................................................................................................................... 18

Luan van


3.1.2. Yêu cầu thiết kế ....................................................................................................................... 19

3.2. Lựa chọn vật liệu ............................................................................................... 19
3.3. Phương án thiết kế ............................................................................................. 21
3.3.1. Phương án 1 ............................................................................................................................. 21
3.3.2. Phương án 2 ............................................................................................................................. 22
3.3.3. Phương án 3 ............................................................................................................................. 23

3.4. Lựa chọn phương án ......................................................................................... 24
CHƯƠNG 4 .............................................................................................................. 25
THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA ................................................................................ 25
4.1. Nguyên lý hoạt động .......................................................................................... 25
4.2. Thiết kế và tối ưu hóa ........................................................................................ 25
4.2.1. Thiết kế ........................................................................................................................................ 26
4.2.2. Tối ưu hóa .................................................................................................................................... 28
4.2.3. Xây dựng RSM cho khớp mềm .................................................................................................... 29
4.2.4. Kết quả tối ưu .............................................................................................................................. 31
4.2.5. Kết quả mô phỏng ....................................................................................................................... 32

CHƯƠNG 5 .............................................................................................................. 36
CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG ..................................... 36
5.1. Chế tạo ............................................................................................................... 36
5.1.1. Phương pháp chế tạo ............................................................................................................... 36
5.1.2. Vật liệu...................................................................................................................................... 36

5.1.3. Chế tạo ...................................................................................................................................... 36

5.2. Thực nghiệm ...................................................................................................... 38
5.2.1. Mơ hình thí nghiệm khớp mềm .............................................................................................. 38
5.2.2. Thực nghiệm ............................................................................................................................ 39
5.2.3. Hướng ứng dụng ...................................................................................................................... 42

CHƯƠNG 6 .............................................................................................................. 46
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 46
6.1. Kết luận .............................................................................................................. 46

Luan van


6.2. Kiến nghị ............................................................................................................ 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 48
CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ................................................ 50
THUYẾT MINH VÀ HỢP ĐỒNG ĐỀ TÀI NCKH ............................................... 51

Luan van


DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT/ KÍ HIỆU KHOA HỌC
FEA: Phương pháp phần tử hữu hạn
MEMS: Hệ thống vi cơ điện tử
RSM: Phương pháp đáp ứng bề mặt
CCD: Phương pháp thiết kế tổng hợp trung tâm
MRR: Số dư tương đối lớn nhất
RMSE: Sai số trung bình
RRMSE: Sai số trung bình tương đối

RMAE: Sai số tuyệt đối lớn nhất
RAAE: Sai số tuyệt đối trung bình
FEM: Phương pháp phân tích tuyến tính, phi tuyến, nhiệt, mỏi
LCD: Màn hình tinh thể lỏng
E: Mơ đun đàn hồi của vật liệu
ρ: Khối lượng riêng của vật liệu
: Hệ số Poisson của vật liệu
: Ứng suất của vật liệu
α: Góc giới hạn tâm quay

Luan van


DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1. Bài tốn tối ưu hóa đa mục tiêu (Phương pháp đáp ứng bề mặt) ................ 27
Bảng 4.2. Thiết kế thí nghiệm và kết quả tính tốn tương ứng ................................... 30
Bảng 4.3. Kết quả của phương pháp đáp ứng bề mặt ................................................. 30
Bảng 4.4: So sánh giữa các ứng cử viên .................................................................... 32
Bảng 4.5: So sánh giữa thiết kế ban đầu và thiết kế tối ưu ......................................... 32
Bảng 5.1: Kết quả thí nghiệm và mơ phỏng lực, chuyển vị của khớp mềm ................ 40

Luan van


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Khớp bản lề đàn hồi cơ bản ......................................................................... 1
Hình 1.2: Khớp bán nguyệt (3D) ................................................................................. 2
Hình 1.3: Một số khớp mềm bản lề đơn giản được xem xét ......................................... 3
Hình 1.4: Hình dạng một khớp nối mềm đàn hồi bo trịn góc (Fillet)........................... 3
Hình 1.5: Hình dạng hình học của khớp mềm bản lề parabolic (hyperbolic) ................ 4

Hình 1.6: Khớp mềm bo trịn góc Hyperbolic.............................................................. 5
Hình 1.7: Cơ cấu khuếch đại vi sai .............................................................................. 5
Hình 1.8: Khớp chân giả sử dụng cơ cấu đàn hồi......................................................... 6
Hình 1.9: Kết quả mơ phỏng của CGM ....................................................................... 7
Hình 1.10: (a) Khớp bán nguyệt; (b) Cơ cấu ăn dao chính xác .................................... 8
Hình 3.1: Sơ đồ thiết kế khớp mềm ........................................................................... 19
Hình 3.2: Biểu đồ chỉ số Sy/E .................................................................................... 20
Hình 3.3: Mẫu thiết kế 1............................................................................................ 21
Hình 3.4: Mẫu thiết kế 2............................................................................................ 22
Hình 3.5: Mẫu thiết kế 3............................................................................................ 23
Hình 4.15: Điều kiện biên và điểm đặt lực................................................................. 25
Hình 4.16: Thiết kế khớp mềm .................................................................................. 26
Hình 4.17: Lưu đồ thuật tốn tối ưu hóa đa mục tiêu ................................................. 29
Hình 4.18: (a) Mối quan hệ giữa các hàm mục tiêu và các điểm thiết kế ................... 31
Hình 4.19: Mơ phỏng chia lưới phần tử hữu hạn với FEM ........................................ 33
Hình 4.20: Mơ phỏng ứng suất lớn nhất của khớp ..................................................... 33
Hình 4.21: Mơ phỏng chuyển vị lớn nhất của khớp ................................................... 33
Hình 4.22: Biểu đồ chuyển vị và ứng suất của các khớp ............................................ 34
Hình 4.23: Biểu đồ độ cứng và độ chính xác của các khớp ........................................ 35
Hình 5.1: Bản vẽ khớp mềm 2D ................................................................................ 36
Hình 5.2: Bản vẽ khớp mềm 3D ................................................................................ 37

Luan van


Hình 5.3: Khớp mềm sau khi được gia cơng.............................................................. 37
Hình 5.4: Mơ hình thí nghiệm đàn hồi ....................................................................... 38
Hình 5.5: Mơ hình thí nghiệm đàn hồi thực tế sau gá đặt (khi chưa chịu tác dụng bởi lực)
.................................................................................................................................. 39
Hình 5.6: Mơ hình thí nghiệm khớp mềm khi chịu lực tác dụng ................................ 40

Hình 5.7: Biều đồ lực – chuyển vị của khớp mềm khi kiểm tra thực nghiệm ............. 41
Hình 5.8: Cơ cấu định vị 2 bậc tự do với các khớp đàn hồi bán nguyệt [19] .............. 42
Hình 5.9: Đề xuất thử thay thế khớp mềm mới vào cơ cấu định vị 2 bậc tự do .......... 43
Hình 5.10: Mô phỏng tần số cơ cấu định vị 2 bậc tự do ............................................. 43
Hình 5.11: Mơ phỏng ứng suất lớn nhất cơ cấu định vị 2 bậc tự do ........................... 44
Hình 5.12: Mơ phỏng chuyển vị lớn nhất cơ cấu định vị 2 bậc tự do ......................... 44

Luan van


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2019

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
-

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

-

Mã số: T2019-03NCS

-

Chủ nhiệm: ThS Nguyễn Văn Khiển

-

Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

-

Thời gian thực hiện: 12 Tháng

2. Mục tiêu:
-

Mục đích của loại khớp mềm mới này là tạo 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.

-

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 một số thiết bị, máy
móc.

3. Tính mới và sáng tạo:

-

Tối ưu hóa có sử dụng ANSYS Workbench kết hợp với ANSYS APDL và
MATLAB

-

Khớp mềm mới này có khả năng tích trữ năng lượng tốt, ứng suất tập trung nhỏ dẫn
đến tuổi thọ của khớp cao, chuyển động theo (chuyển động ký sinh) nhỏ và sự
chuyển vị lớn hơn khớp mềm trước đó.

4. Kết quả nghiên cứu:
-

Đưa ra một giải thuật tối ưu mới

-

Thiết kế một dạng khớp mềm mới

-

Chế tạo và thử nghiệm khớp mềm mới

Luan van


5. Thông tin chi tiết sản phẩm:
-

Sản phẩm khoa học:
[1]. Van-Khien Nguyen, Duy-Luong Tuong, Huy-Tuan Pham, Huy-Hoang
Pham, 2019, "Design and Optimization of a New Hollow Circular Flexure
Hinge for Precision Mechanisms", Applied Mechanics and Materials, vol.
889, pp. 337 – 345. (ISSN: 1662 – 7482).

6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
-

Kết quả nghiên cứu của đề tài này là một dạng khớp đàn hồi mới có khả năng
truyền chuyển động chính xác và nâng cao hiệu quả giảm chấn. Khớp này sẽ được
tiếp tục tích hợp vào trong các thiết kế chế tạo cơ cấu ứng dụng trong các phương
pháp gia công cắt gọt với sự hỗ trợ của giao động.
Trưởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

(ký, họ và tên)

ThS Nguyễn Văn Khiển

Luan van


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information:
 Project title: Design and Optimization of a New Hollow Circular Flexure Hinge

for Precision Mechanisms
 Code number: T2019-03NCS
 Coordinator: Nguyen Van Khien
 Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and
Education
 Duration: from Jan. 2019 to Dec. 2019
2. Objective(s):
-

The new hollow flexural hinge could induce large displacement and small
concentrated stress compared to the previous flexural hinges, but it should ensure
adequate accuracy for high precision applications in engineering.

-

Reduce assembly time and eliminate friction and noise during its operation.

-

Enhance the efficiency and accuracy of the mechanisms that the hinge is
integrated.

3. Creativeness and innovativeness:
-

Mechanism optimization using ANSYS Workbench, ANSYS APDL and
MATLAB.

-

The new hollow hinge could effectively absorb and store elastic energy, maintain
low concentrated stress that could help to increase the lifetime and decrease the
parasitic motion.

4. Research results:
-

Propose a new optimization algorithm for compliant mechanisms.

-

Propose a novel compliant hinge.

-

Fabricate and testing the optimum hinge

5. Products:
- Scientific output:
i

Luan van


[1].Van-Khien Nguyen, Duy-Luong Tuong, Huy-Tuan Pham, Huy-Hoang Pham,
2019, "Design and Optimization of a New Hollow Circular Flexure Hinge for
Precision Mechanisms", Applied Mechanics and Materials, vol. 889, pp. 337 –
345. (ISSN: 1662 – 7482).
6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
-

The result of this research is a new design of a complaint hinge which is capable
of transmitting precise movement and improving damping effect. This hinge will
be further integrated into structural fabrication designs applied in vibrationassisted machining methods.

ii

Luan van


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngồi nước
đã cơng bố
1.1.1. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1.1.1. Các nghiên cứu ngoài nước
Trong nghiên cứu về khớp mềm đàn hồi, Paros và Weisbord’s (1965) [1] là những
người đặt nềm móng đầu tiên trong việc sử dụng các khớp mềm có biên dạng hình bán
nguyệt, hình elip, hình bo góc (Fillet) như hình 1, để thay thế cho dầm cơng - xon. Kết
quả nghiên cứu này đã thiết kế được các khớp mềm và dựa trên lý thuyết toán học đã
xây dựng được mơ hình tốn về mối quan hệ giũa t, r, a, b, với các hàm chuyển vị, ứng
suất và độ cứng của các loại khớp này. y = f(x): hàm Circle / Ellipse / Fillet

(a) Hình bán nguyệt

(b) Ellipse

Hình 1.1: Khớp bản lề đàn hồi cơ bản

1

Luan van

(c) Fillet


Hình 1.2: Khớp bán nguyệt (3D)
Mở rộng nghiên cứu về phương pháp nghiên cứu của một số loại khớp mềm trước
đó Xu và King (1966) [2] đã sử dụng phương pháp phân tích bằng (FEA) để nghiên
cứu so sánh các khớp đàn hồi có biên dạng hình học bán nguyệt, hình elip, hình bo góc
(Fillet). Nghiên cứu này đã so sánh ba loại khớp này với ba mục tiêu là chuyển vị, độ
chính xác và ứng suất. Sự so sánh cho thấy rằng khớp mềm hình elip có ứng suất tập
trung là nhỏ nhất, khớp mềm hình bo góc (Fillet) có khơng gian làm việc lớn nhất.
Dựa trên một số thay đổi của các thiết kế ban đầu được nghiên cứu bởi Paros và
Weisbord vào năm (1965) [1], Smith và các cộng sự (1997) [3] đã đưa ra phương trình
khép kín cho khớp đàn hồi hình elip, được giới hạn bởi khớp mềm đàn hồi hình trịn và
dầm đơn giản về sự tuân theo, như hình (1.3). Các phương trình này sau đó được đánh
giá bằng cách so sánh với các kết quả từ phân tích phần tử hữu hạn (FEA) trong một
loạt các hình học điển hình của nhiều khớp bản lề thiết kế. Kết quả người ta thấy rằng
các dự đoán về sự tuân theo của khớp bản lề elip có thể nằm trong khoảng 12% đối với
một phạm vi hình học với tỷ lệ βx (=t/2ax) giữa 0,06 và 0,2 và cho các giá trị của ϵ từ 1
đến 10.

2

Luan van


Hình 1.3: Một số khớp mềm bản lề đơn giản được xem xét

(a) loại hình trịn, (b) loại elip, (c) loại ít đàn hồi
Lobontiu và cộng sự (2001) [4] trình bày các phương trình khép kín của các khớp
mềm đàn hồi bo trịn góc (Fillet). So với các khớp mềm đàn hồi hình trịn, chúng có
tính uốn cong cao hơn và tạo ra ứng suất thấp hơn nhưng ít chính xác hơn về góc xoay.

Hình 1.4: Hình dạng một khớp nối mềm đàn hồi bo trịn góc (Fillet)
Lobontiu và cộng sự (2002) [5] đã thiết kế khớp đàn hồi hình dạng parabol,
hyperbol sử dụng định lý thứ hai của Castigliano để suy ra các phương trình tốn học
đường viền của khớp. Kết quả so sánh giữa hai loại khớp này cho thấy rằng các khớp

3

Luan van


đàn hồi hình parabol có góc xoay lớn hơn và gây ra ứng suất nhỏ hơn, trong khi khớp
đàn hồi hyperbol có chuyển vị kí sinh là nhỏ hơn.

Hình 1.5: Hình dạng hình học của khớp mềm bản lề parabolic (hyperbolic)
Cùng với đó việc so sánh khơng gian làm việc và độ chính xác giữa chúng cho thấy
khớp mềm đàn hồi dạng hình trịn 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 bao
gồm một nửa khớp đàn hồi hyperbolic và một nửa khớp đàn hồi bo tròn. Tất cả các
phân tích và so sánh nằm trong phạm vi của sự dịch chuyển nhỏ. Định lý thứ hai của
Castigliano được sử dụng để suy luận các phương trình dạng khép kín dạng tổng quát
mà không giả định áp lực lớn nhất xảy ra ở phần mỏng nhất được đề xuất để đánh giá
mức ứng suất tối đa. Những phương trình này được xác minh bởi FEA và thử nghiệm.
Các dự đoán mơ hình phân tích nằm trong phạm vi lỗi 8% so với kết quả FEA và nằm
trong khoảng 13% sai số so với kết quả thực nghiệm.

4

Luan van


Hình 1.6: Khớp mềm bo trịn 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 [7] và cộng sự đã đưa ra thiết kế cơ cấu dẫn động với
độ phân giải micro, nhóm tác giả đã trình bày việc thiết kế một cơ cấu tác động cho
chuyển động thẳng có độ phân giải micro có khả năng tải và khoảng di chuyển lớn dựa
trên kết hợp thanh piezo nhiều lớp, phần dẫn, bộ phận khuếch đại vi sai (hình 1.7) và
phần bị dẫn.

Hình 1.7: Cơ cấu khuếch đại vi sai

5

Luan van


Năm 2014 nhóm tác giả Phạm Huy Tuân [8] và cộng sự đã phát triển một phương
pháp thiết kế mới cùng với một công cụ chế tạo đơn giản cho khớp mắt cá chân giả dựa
trên nền tảng của cơ cấu đàn hồi và giải thuật di truyền. Khớp chân giả có cấu tạo
ngun khối, có khả năng tích trữ và giải phóng năng lượng (hình 1.8) (Pham Huy
Tuan và các cộng sự 2014).

Hình 1.8: 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 q trình gia cơng CNC chính xác. Thiết kế được xác nhận
trong mơ 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).

6

Luan van


Hình 1.9: Kết quả mơ phỏng của CGM
Cũng vào năm 2017 Van-Khien Nguyen, và các cộng sự [10] đã giới thiệu việc thiết
kế tối ưu cơ cấu ăn dao trên cơ sở cơ cấu mềm. Trong thiết kế, khớp mềm dạng bán
nguyệt được lựa chọn nhằm khử khe hở, tạo chuyển động chính xác và tăng độ lớn
dịch chuyển. Dựa vào phân tích động lực học, phân tích thống kê và được phân tích
bằng FEA. Phương pháp Taguchi được dùng để đánh giá và chọn biến thiết kế, sau đó
bài tốn tối ưu hóa để cải thiện các đặc tính tĩnh học và động học của cơ cấu ăn dao
được giải quyết bằng giải thuật gene và phương pháp đáp ứng bề mặt dựa trên kết quả
phân tích phần tử hữu hạn. 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 170 Hz, chuyển động ký sinh dưới 7
µm (hình 1.10).

7

Luan van


Hình 1.10: (a) Khớp bán nguyệt; (b) Cơ cấu ăn dao chính xác
1.2. 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 với yêu cầu về độ chính xác ngày càng cao. Các kết cấu cơ khí truyền
thống thường được liên kết với nhau bằng các khớp cứng do đó khi hoạt động sẽ có
rung động gây ra ma sát, tiếng ồn, chóng bị mài mịn, tạo ra các khe hở, tốn chi phí lắp
ráp và bảo trì. Vì vậy rất cần có những cơ cấu thích hợp khi hoạt động sẽ loại bỏ được
các nhược điểm trên. Với những ưu điểm vượt trội so với các cơ chế truyền thống như
khơng có ma sát, có độ phân giải cao, trọng lượng nhẹ và khả năng thu nhỏ, cơ cấu đàn
hồi với khớp đàn hồi đang được sử dụng rộng rãi trong những ứng dụng địi hỏi độ
chính xác cao trong một khơng gian làm việc tương đối nhỏ. Những ứng dụng cụ thể
cho loại cơ cấu này 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 người ta luôn
mong muốn tạo được chuyển vị mong muốn lớn, chuyển động theo và ứng suất tập
trung của khớp mềm nhỏ. Tuy nhiên, các đặc tính này ln đối lập nhau. Do vậy 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” hướng
tới giải quyết các vấn đề đã nêu. Ưu điểm của khớp mềm mới là có khả năng tích trữ

8

Luan van


năng lượng tốt, ứng suất tập trung nhỏ dẫn đến tuổi thọ của khớp cao, chuyển động
theo (chuyển động ký sinh) nhỏ và sự chuyển vị lớn hơn khớp mềm trước đó. Các khớp
mềm này sẽ được ứng dụng vào cơ cấu truyền chuyển động cơ khí chính xác cỡ micro,
cơ cấu ăn dao, bàn máy 2 bậc tự do, cơ cấu ổn định lực và ứng dụng trong cơ sinh học.
1.3. 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 này là tạo 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.
 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.
 Đưa ra ứng dụng khớp đàn hồi mới cho các thiết bị định vị chính xác trong cơ khí.
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1. Đối tượng 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 thơng 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/m3, kết hợp với vật
liệu Silicone.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
Trong khả năng có hạn, sự giới hạn về cơ sở vật chất và kinh phí thực hiện nên: 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” bằng vật liệu hợp kim nhơm (7075 - T6) với các

9

Luan van


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/m3.
1.5. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
1.5.1. Cách tiếp cận
Một mơ 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 cơng 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 mơ hình đã được xây dựng theo hàm mục tiêu, phương pháp tối
ưu hóa đáp ứng bề mặt trên phần mềm ANSYS Workbench 15.
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu, tham khảo lý thuyết.
Phương pháp trực tiếp kế thừa những nội dung hợp lý của các cơng trình nghiên cứu
đã được thực hiện.
Phương pháp thiết kế dựa trên phần mềm INVENTOR, MATLAB và ANSYS.
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, tối ưu hóa dựa trên hàm mục tiêu đã đề ra, tối ưu hóa đáp
ứng bề mặt trên phần mềm ANSYS Workbench 15 kết hợp với ANSYS APDL 15.
Phương pháp chế tạo, thực nghiệm, kiểm tra, đánh giá.

10

Luan van


CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. 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 50 của thế kỉ trước bởi nhà khoa học Box và đồng sự. Phương pháp
đáp ứng bề mặt bao gồm một nhóm các kỹ thuật tốn học và thống kê dựa trên sự phù
hợp của mơ hình thực nghiệm để các dữ liệu thực nghiệm thu được liên quan đến thiết
kế thí nghiệm. Theo hướng mục tiêu này, các hàm đa thức bậc hai hay bậc nhất được
sử dụng để mơ tả hệ nghiên cứu đó và khảo sát các điều kiện thực nghiệm để tìm ra sự
tối ưu.

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 của nghiên cứu đó
theo hàm mục tiêu và kinh nghiệm của người nghiên cứu: (2) Thiết kế thí nghiệm và
tiến hành thực hiện các thí nghiệm đó theo một ma trận đã vạch ra trước đó; (3) Xử lý
về mặt thống kê toán học các dữ liệu thực nghiệm thu được thơng qua sự tương thích
của hàm đa thức; (4) Đánh giá tính tương thích của mơ hình; (5) Xác minh tính khả thi
và tính thiết yếu để tiến hành chuyển hướng 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 thông số
cần khảo sát là bán kính cung trịn (R), và bề dày giữa hai cung tròn (t).
2.1.2. Phương pháp đáp ứng bề mặt trong ANSYS
Phương pháp đáp ứng bề mặt được dùng để khảo sát mối quan hệ giữa một hay
nhiều biến đáp ứng và một tập hợp các biến thực nghiệm định lượng hay 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 sốt được và muốn tìm các giá trị của các yếu tố để đáp ứng tối ưu.

11

Luan van