nghiên cứu về động lực học cơ cấu compliant với lực đầu ra không đồi

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ HOÀI

NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU COMPLIANT
VỚI LỰC ĐẦU RA KHÔNG ĐỒI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

S K C0 0 4 3 2 2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN : LÊ HOÀI

NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU COMPLIANT
VỚI LỰC ĐẦU RA KHÔNG ĐỒI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 /2014

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN : LÊ HOÀI

NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU COMPLIANT
VỚI LỰC ĐẦU RA KHÔNG ĐỒI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
HƯỚNG DẪN KHOA HOC
TS. VĂN HỮU THỊNH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 /2014


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Lê Hoài

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/05/1989

Nơi sinh: Long An

Quê quán: Long An
Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 255/16, ấp Hòa Thuận II, xã Trường Bình, huyện
Cần Giuộc, tỉnh Long An.
Điện thoại: 0169.524 9188
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 2007 đến 2012

Nơi học (trường, thành phố):

Đại học Sư phạm Kỹ thuật TpHCM

Ngành học:

Thiết Kế Máy.

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Tính Toán, Thiết Kế, Mô Phỏng Máy
Kiểm Định Độ Bền Khung Xe Đạp.
Người hướng dẫn: TS. Văn Hữu Thịnh.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

2012

Công ty Cổ Phần Vĩnh Phú

Lập trình - Vận hành CNC.

2012 - Nay

Trường Cao đẳng nghề Công nghệ
cao Đồng An

i

Giảng viên khoa Cơ khí


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Hoài

ii


CẢM TẠ
Em xin chân thành cám ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy Văn Hữu Thịnh,
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, thầy đã xây dựng con đường và định hướng

lối đi rất rõ ràng giúp em tìm tòi học hỏi và nghiên cứu mảng đề tài này, thầy luôn
tạo những điều kiện tốt nhất để em có thể hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng em xin cám ơn tất cả những người bạn đồng nghiệp trường Cao
Đẳng Nghề Công Nghệ Cao Đồng An đã đồng hành và giúp đỡ em trong suốt quá
trình thực hiện luận văn này.

iii


TÓM TẮT
Luận văn xây dựng phương trình động lực học cơ cấu dựa trên việc phân tích
cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi thông qua phương pháp sử dụng mô hình
giả cứng cơ cấu. Dựa vào phương trình nêu trên, xây dựng và tìm ra được mối quan
hệ mật thiết giữa vị trí chuyển vị con trượt theo thời gian; mối quan hệ giữa giá trị
lực theo thời gian; chứng minh được lực đầu ra không đổi của cơ cấu Compliant
được nghiên cứu. Để tìm được các mối quan hệ rõ ràng và cụ thể nêu trên là thành
quả của việc xây dựng và thiết lập chương trình dựa vào phần mềm Matlab; việc
xây dựng thành công chương trình cũng tạo cơ hội trong việc thay đổi các điều kiện
thông số để tạo ra kết quả về lực theo mong muốn từ đó sẽ tạo tiền đề cho việc thiết
kế và chế tạo ra các cơ cấu Compliant có lực đầu ra phù hợp với yêu cầu sử dụng,
mang lại hiệu quả kinh tế và tính ứng dụng cao trong thực tế. Chúng ta sẽ xây dựng
thêm nhiều cơ sở lý thuyết vững chắc có thể áp dụng thực tiễn không cần thông qua
phương pháp thử và sai . Đây chính là kết quả mong muốn khi thực hiện đề tài.

iv


ABSTRACT
This thesis constructes a kinetic equation of the mechanism Compliant
mechanism based on structural analysis Compliant with constant output force

through methods using pseudo body model. This thesis will build and find a close
relationship between the position slider switch over time; the relationship between
human values over time; also study about the frequency power structure that has the
most stable value. To find the relationship clearly and specifically mentioned above
is the result of the construction and set up programs based on Matlab software;
successful building programs are also creating conditions in changing conditions
parameters to create the results desired force which will set the stage for the design
and engineering of the structure with its Compliant output suitable for use request,
brought economic efficiency and high applicability in industrial. We will build
more solid theoretical that can be applied into practice without going through trial
and error method. That is the goal of doing this research.

v


MỤC LỤC
GIẤY GIAO ĐỀ TÀI
LÝ LỊCH KHOA HỌC............................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... ii
CẢM TẠ ................................................................................................................ iii
TÓM TẮT .............................................................................................................. iv
ABSTRACT ............................................................................................................ v
MỤC LỤC ............................................................................................................. vi
DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................... ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH ...................................................................................... x
Chương 1................................................................................................................. 1
TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU COMPLIANT ............................................................ 1
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu .......................................................... 1
1.1.1 Cơ cấu Compliant và mô hình giả cứng các khâu cơ cấu ............................. 1
1.1.2. Cơ cấu có lực đầu ra không đổi .................................................................. 5

1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước. ................................................................. 6
1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước ........................................................................ 6
1.2.2 Các nghiên cứu trong nước.......................................................................... 8
1.3. Hướng nghiên cứu ............................................................................................ 9
1.3.1. Phân tích. ................................................................................................... 9
1.3.2. Nhận định và đề xuất hướng nghiên cứu..................................................... 9
1.3.2.1. Nhận định ............................................................................................ 9
1.3.2.2. Đề xuất hướng nghiên cứu ................................................................. 10
1.4. Mục đích, nhiệm vụ và giới hạn đề tài. ........................................................... 10
1.4.1. Mục đích của đề tài .................................................................................. 10
1.4.2. Nhiệm vụ đề tài và giới hạn đề tài ............................................................ 10
1.5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 11
CHƯƠNG 2 .......................................................................................................... 13

vi


CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................................ 13
2.1 Giới thiệu chung .............................................................................................. 13
2.2. Phương trình Lagrange ................................................................................... 13
2.3. Phương pháp giả cứng cơ cấu. ........................................................................ 15
2.4. Phân tích động lực học cơ cấu......................................................................... 18
2.4.1. Phân tích vị trí của cơ cấu ........................................................................ 18
2.4.2. Phân tích vận tốc cơ cấu ........................................................................... 20
2.4.3. Phân tích gia tốc của cơ cấu ..................................................................... 21
2.4.4. Xây dựng phương trình thế năng cho vật thể .......................................... 22
2.4.5. Xây dựng phương trình động năng cho vật thể ......................................... 23
2.4.6 . Xây dựng phương trình Lagrange ............................................................ 24
Chương 3............................................................................................................... 26
XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CÂU COMPLIANT VỚI

LỰC ĐẦU RA KHÔNG ĐỔI................................................................................ 26
3.1 Cấu trúc cơ cấu compliant có lực đầu ra không đổi .......................................... 26
3.2 Xây dựng phương trình động lực học cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi
nhóm 1A-d. ........................................................................................................... 27
3.2.1 Mô hình giả rắn vật thể ............................................................................. 28
3.2.2. Phân tích động lực học mô hình giả cứng cơ cấu compliant có lực đầu ra
không đổi. .......................................................................................................... 30
3.3 Xây dựng phương trình động lực học cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi
nhóm 1B-g. ........................................................................................................... 33
Chương 4............................................................................................................... 36
MÔ PHỎNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU COMPLIANT CÓ LỰC ĐẦU RA
KHÔNG ĐỔI ........................................................................................................ 36
4.1. Mô hình hóa cơ cấu ........................................................................................ 36
4.2. Xác định mối quan hệ các thông số cơ cấu nhóm 1A-d. .................................. 36
4.2.1. Mối quan hệ giữa vị trí xb(t) và thời gian. ................................................. 37
4.2.2.Mối quan hệ giữa lực F(t) và thời gian ...................................................... 39

vii


4.2.3. Mối quan hệ giữa Fb(t) và vận tóc góc

(rad/s). ...................................... 41

4.2.4. Xác định mối quan hệ giữa vị trí xb(t) và lực F(N). ................................. 47
4.2.5. Kết luận.................................................................................................... 48
4.3. Xác định mối quan hệ các thông số động lực học cơ cấu nhóm 1B - g. .......... 48
4.3.1. Mối quan hệ giữa vị trí xb(t) và thời gian. ................................................. 49
4.3.2. Mối quan hệ giữa lực F(t) và thời gian ..................................................... 50
4.3.3.Mối quan hệ giữa lực F(t) và vận tốc góc

.............................................. 52

4.4. So sánh lực cơ cấu nhóm 1B-g và nhóm 1A-d ................................................ 57
4.5 Kết luận .......................................................................................................... 60
Chương 5............................................................................................................... 61
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 61
5.1. Kết luận .......................................................................................................... 61
5.2. Kiến nghị ........................................................................................................ 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 63
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 66

viii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 4.1: Thông số của cơ cấu nhóm 1A-d được xác định theo [8] ....................... 37
Bảng 4.2: Hệ thống giá trị lực ứng với các vận tốc góc khác nhau. ........................ 46
Bảng 4.3: Thông số cơ cấu nhóm 1B-g được xác định [8] ..................................... 48

ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình

Trang

Hình 1.1: Động cơ đốt trong ................................................................................... 1
Hình 1.2: Kiềm bấm ............................................................................................... 2
Hình 1.3: Cơ cấu Compliant dùng để kẹp ............................................................... 2
Hình 1.4: Các dạng khác cơ cấu Compliant ............................................................ 3
Hình 1.5: Cơ cấu Compliant(a), Cơ cấu cứng thông thường (b) .............................. 3
Hình 1.6: Cơ cấu Compliant có trong máy cắt thủy tinh......................................... 5
Hình 1.7: Cơ cấu Compliant .................................................................................. 6
Hình 1.8: Cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi khi tách rời .......................... 7
Hình 1.9: Cơ cấu 4 khâu bản lề (rigid-body mechanisms) ...................................... 8
Hình 1.10: Cơ cấu Compliant ................................................................................ 9
Hình 2.1: Mô hình giả cứng điển hình .................................................................. 16
Hình 2.2: Khâu đàn hồi (a), Mô hình giả cứng (b) ............................................... 17
Hình 2.3: Cơ cấu Compliant (a) , mô hình giả cứng cơ cấu (b) ............................ 17
Hình 2.4: Cơ cấu giả cứng về dạng cơ cấu tay quay con trượt . ......................... 18
Hình 2.5: Vòng lặp vector vị trí ........................................................................... 19
Hình 2.6: Động năng vật thể ................................................................................. 23
Hình 3.1: Cơ cấu compliant có lực đầu ra không đổi............................................. 26
Hình 3.2: Tổng hợp cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi............................. 27
Hình 3.3: Cơ cấu Compliant ................................................................................. 28
Hình 3.4: Cơ cấu nhóm 1A-d ................................................................................ 28
Hình 3.5: Mô hình giả cứng cơ cấu nhóm 1A-d .................................................... 29
Hình 3.6: Cơ cấu Compliant nhóm 1B-g (a), mô hình giả cứng (b) ....................... 34
Hình 4.1: Mô hình giả cứng cơ cấu nhóm 1A-d .................................................... 37
Hình 4.2: Mối quan hệ giữa vị trí và thời gian ...................................................... 38
Hình 4.3: Mối quan hệ giữa vị trí và vận tốc góc ................................................. 39

x

Hình 4.4: Mối quan hệ giữa lực và thời gian ........................................................ 40
Hình 4.5: Mối quan hệ giữa lực và vận tốc góc ................................................... 41
Hình 4.6: Biểu đồ lực với

= 2.09( rad/s) ........................................................... 42

Hình 4.7: Biểu đồ lực với = 4.19(rad/s) ............................................................. 42
Hình 4.8: Biểu đồ lực với = 7.33(rad/s) ............................................................. 43
Hình 4.9: Biểu đồ lực với = 10.47(rad/s) ........................................................... 43
Hình 4.10: Biểu đồ lực với = 20.94 (rad/s) ......................................................... 44
Hình 4.11: Biểu đồ lực với = 31.42 (rad/s) ......................................................... 44
Hình 4.12: Biểu đồ lực với = 52.36 (rad/s) ......................................................... 45
Hình 4.13: Biểu đồ lực với =73.3 (rad/s) ............................................................ 45
Hình 4.14: Biểu đồ lực với = 94.25 (rad/s) ......................................................... 46
Hình 4.15: Biểu đồ thể hiện sự không đổi lực đầu ra của cơ cấu. .......................... 47
Hình 4.16: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa lực và vị trí chuyển vị .................. 47
Hình 4.17: Mô hình giả rắn cơ cấu Compliant nhóm 1B-g ................................... 48
Hình 4.18: Mối quan hệ giữa vị trí và thời gian .................................................... 49
Hình 4.19: Mối quan hệ giữa vị trí và vận tốc góc ................................................ 50
Hình 4.20: Mối quan hệ giữa lực và thời gian ...................................................... 51
Hình 4.21: Mối quan hệ giữa lực và vận tốc góc .................................................. 52
Hình 4.22: Biểu đồ lực với

= 2.09( rad/s) ......................................................... 53

Hình 4.23: Biểu đồ lực với = 4.19(rad/s) ........................................................... 53
Hình 4.24: Biểu đồ lực với = 7.33(rad/s) ........................................................... 54
Hình 4.25: Biểu đồ lực với = 10.47(rad/s) ......................................................... 54
Hình 4.26: Biểu đồ lực với = 20.94 (rad/s) ........................................................ 55

Hình 4.27: Biểu đồ lực với = 31.42 (rad/s) ........................................................ 55
Hình 4.28: Biểu đồ lực với = 52.36 (rad/s) ........................................................ 56
Hình 4.29: Biểu đồ lực với = 73.3(rad/s) ........................................................... 56
Hình 4.30: Biểu đồ lực với = 94.25 (rad/s) ........................................................ 57
Hình 4.31: Biểu đồ lực với = 2.09 (rad/s) .......................................................... 58
Hình 4.32: Biểu đồ lực với = 4.19 (rad/s) .......................................................... 58

xi


Hình 4.33: Biểu đồ lực với = 10.47 (rad/s) ........................................................ 59
Hình 4.34: Biểu đồ lực với = 52.36 (rad/s) ........................................................ 59
Hình 4.35: Biểu đồ lực với = 94.25 (rad/s) ........................................................ 60

xii


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU COMPLIANT
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
1.1.1 Cơ cấu Compliant và mô hình giả cứng các khâu cơ cấu
Cơ cấu ( mechanism) là thiết bị cơ khí được sử dụng để truyền chuyển động,
lực hoặc năng lượng. Các cơ cấu truyền thống bao gồm các khâu cứng nối với nhau
bằng các khớp động ví dụ như ở hình 1.1 là 1 phần của động cơ đốt trong. Ở đây
chuyển động tịnh tiến của đầu vào được biến đổi thành chuyển động quay của đầu
ra và lực đầu vào được biến đổi thành mô men xoắn ờ đầu ra.

Hình 1.1: Động cơ đốt trong
Một ví dụ khác đó là kiềm bấm (hình 1.2) Cơ cấu này dùng để truyền năng

lượng đầu vào thành năng lượng đầu ra. Vì năng lượng được bảo toàn (bỏ qua mất
mát năng lượng do ma sát) nên lực đầu ra có thể lớn hơn nhiều so với lực đầu vào

1


nhưng chuyển vị (chuyển động, dịch chuyển) đầu ra là nhỏ hơn nhiều so với chuyển
vị đầu vào.

Hình 1.2: Kiềm bấm
Cơ cấu Compliant dùng để truyền chuyển động, lực hoặc năng lượng như cơ
cấu cứng (rigid-body mechanisms). Điểm khác biệt là cơ cấu Compliant đạt được
một số chuyển động tối thiểu là nhờ độ võng của các khâu đàn hồi hơn là từ các
khớp động. Ví dụ cơ cấu Compliant dùng để kẹp.

Hình 1.3: Cơ cấu Compliant dùng để kẹp

2


Hình 1.4: Các dạng khác cơ cấu Compliant
Ưu điểm của cơ cấu Compliant:
 Giảm rất nhiều số lượng chi tiết máy trong cơ cấu.
 Giảm thời gian chế tạo, thời gian lắp ráp.
 Giảm giá thành.
 Giảm dạng hỏng mòn và giảm yêu cầu bôi trơn các chi tiết máy.
 Giảm trọng lượng của toàn cơ cấu.
Từ hình 1.5 là 2 phương án thiết kế, chế tạo 2 dạng cơ cấu cứng và cơ cấu
Compliant để minh họa cho các ưu diểm cùa cơ cấu Compliant đã được nêu
ra.

(a)

(b)

Hình 1.5: Cơ cấu Compliant(a), Cơ cấu cứng thông thường (b)

3


Sự xuất hiện của các mô hình giả cứng vật thể trong những năm gần đây
trùng với quá trình xây dựng thực hiện các cơ cấu Compliant trong kỹ thuật. Ngay
cả một khảo sát nhanh tại thế giới tự nhiên cho thấy sức mạnh và tính ưu việt của
cơ cấu Compliant, chẳng hạn như sự chuyển động linh hoạt cánh của một con ong
hoặc ruồi, hay tính linh hoạt của bàn tay con người và cổ tay (Vogel, 1995). Tuy
nhiên, về bản chất là rất khó khăn cho việc để bắt chước bởi vì các phân tích phi
tuyến phức tạp cần thiết để có thể hiểu được tất cả những động tác nhỏ đó. Mô hình
giả cứng khâu cơ cấu là một phương pháp giúp phá vỡ một số khó khăn trong
những trở ngại phát sinh khi cơ cấu compliant được đưa vào các thiết bị cơ khí. Nó
cung cấp cho ta một cơ sở căn bản để so sánh giữa thiết kế chỉ bằng phương cách
thử và sai, từ đó đề ra các công thức toán học chính xác.
Cơ cấu Compliant là cơ cấu mà có được một số hoặc tất cả các chuyển động
của cơ cấu nhờ vào độ võng của các khâu đàn hồi. Trong lịch sử, phương pháp phổ
biến nhất của thiết kế cơ cấu Compliant đã được sử dụng là phương pháp thử và sai.
Tuy nhiên, quan niệm của giả cứng vật thể trong kỹ thuật đã mở đường thành công
cho các thiết kế đơn giản và là nền tảng để phân tích của nhiều cơ cấu phù hợp
khác.Tiền đề của mô hình giả cứng cơ cấu là nhiều cơ cấu tương thích với các hoạt
động đầy đủ tương tự như một cơ cấu cứng cho cơ cấu tương ứng, làm cho nó có
thể thực hiện các phân tích trên cơ cấu giả cứng của cơ cấu thay thế. Phương pháp
giả cứng cơ cấu, nó tương đồng với cơ cấu Compliant được hiểu rõ và giúp dễ dàng

để có được các phân tích thông thường. Giả định mô hình giả cứng sẽ tuân thủ khá
tốt các chuyển động thực tế của một loạt các cơ cấu Compliant. Mô hình giả cứng
đã được sử dụng gần như dành riêng cho thiết kế động học và mô hình hóa. Trong
thực tế là các mô hình giả cứng đã có một quá trình nghiên cứu và đã được chứng
minh như một dự báo đáng tin cậy của chuyển động cho cơ cấu phù hợp (Millar và
cộng sự, 1996. Howell và cộng sự, 1996). Nghiên cứu đã đề cập đến mong muốn
làm thế nào để các cơ cấu Compliant nhất định phù hợp với chuyển động.

4


1.1.2. Cơ cấu có lực đầu ra không đổi
Một cơ cấu có lực đầu ra không đổi có kết quả khi mang lại lực đầu ra không
đổi trong một phạm vi tương ứng với đầu vào chuyển vị. Cơ cấu có lực đầu ra
không đổi sẽ có ích trong các ứng dụng đòi hỏi phải có một lực không đổi được áp
dụng cho một thời gian khác nhau hoặc sự không đồng đều bề mặt như trong quá
trình mài, hàn, lắp ráp. Chúng cũng có thể được sử dụng để duy trì lực thường
xuyên giữa các kết nối điện; trong quy trình sản xuất có liên quan đến công cụ thay
đổi đường kính như mài hoặc mài giũa, hoặc khi dùng van an toàn để duy trì một hệ
thống ở áp suất liên tục khi bị mất điện.

Hình 1.6: Cơ cấu Compliant có trong máy cắt thủy tinh

Trong vai trò của ứng dụng này và các ứng dụng khác, cơ cấu có lực đầu ra
không đổi thì chúng ta không cần phải điều khiển lực một cách tốn kém và phức
tạp, thay thế nó bằng một thiết bị cơ khí đơn giản (Evans và Howell, 1999). Cơ cấu
có lực đầu ra không đổi là cơ cấu tay quay con trượt cơ bản với kích thước phân

5

đoạn linh hoạt và sự giả cứng tối ưu hóa để giảm thiểu sự biến đổi trong lực đầu ra
trên một phạm vi thiết kế .

Khâu đàn hồi

Con trượt
Khâu đàn
hồi

Khoảng trượt

Khâu
cứng

Hình 1.7: Cơ cấu Compliant
Xem xét các thanh trượt tương thích của cơ cấu mô tả trong hình 1.3 đưa ra
một chuyển vị, một hằng số tuân thủ cơ cấu có lực đầu ra không đổi sẽ mang lại lực
F, cộng hoặc trừ một thay đổi nhỏ. Có tồn tại 15 dạng cơ cấu có thể của cơ cấu có
lực đầu ra không đổi, xác định bởi Kỹ thuật tổng hợp (Howell, 2001).
1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước.
1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước
A constant-force bistable micromechanism; Dung An Wanga, Jyun Hua
Chena, Huy Tuan Pham, 2012.
Dynamical switching of an electromagnetically driven compliantbistable
mechanism; Dung AnWang, Huy-Tuan Pham, Yi-Han Hsieh, 2008.
Design of Compliant mechanisms for minimizing input power in dynamic
application; Tanakorn Tantanawat & Sridhar Kota, Department of Mechanical
Engineering, The University of Michigan, 2007.
Design of Compliant mechanisms applications to MEMS; Sridhar Kota,

Department of Mechanical Engineering, The University of Michigan, 2001.

6


Handbook of Compliant mechanisms, Larry L.Howell, Brigham Young
University, USA, 2013.

Hình 1.8: Cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi khi tách rời
Cùng với sự xuất hiện của các mô hình trong kỹ thuật giả cứng vật thể trong
những năm gần đây, các phương pháp khác để thiết kế hoặc phân tích các cơ cấu
Compliant đàn hồi lớn đã phát sinh, bao gồm cả phương pháp tĩnh và động. Một
cách tiếp cận là việc xây dựng của mô hình toán học chính xác để mô tả cơ cấu
chùm đàn hồi lớn (Bisshopp và Drucker, 1945), (Burns và Crossley ,1968), và
(Sevak và McLarnan, 1974) sử dụng giải pháp không thể thiếu elip để tìm được
phương trình phi tuyến khác biệt thông thường đại diện các cơ cấu chùm. (Simo và
Posbergh, 1988) thực hiện một phương pháp hình học xây dựng chính xác về một
thanh cứng ba chiều kết hợp với một cơ cấu cứng và không có hạn chế về mức độ
linh hoạt. (Wang ,1997) thiết lập một phương trình động năng để mô tả sự hoạt
động của một cơ cấu liên kết bốn thanh đàn hồi. (Atanackovic và Cveticanin,1996 )
đã phát triển phương trình vi phân từng phần cùng trong hai hệ tọa độ để mô phỏng
tương tác năng lượng của một cơ cấu gắn con lăn dưới và nén. Gần đây, Panza
(2000) công bố một hàm phi tuyến phương trìnhvi phân Integro - một phần đại diện
cho sự hoạt động lệch khuyếch đại của một cơ cấu phù hợp cơ cấu chùm đàn hồi,
kết hợp giữa khối lượng và ma sát với hiệu ứng giảm xóc. Đây là một cách tiếp cận
phổ biến hơn để mô hình hóa các cơ cấu phù hợp được áp dụng phần tử hữu hạn kỹ

7

thuật với mô hình phi tuyến trong dạng này hay dạng khác. Một phương pháp mới
sử dụng tối ưu hóa cấu trúc để xác định cấu trúc liên kết có thể là một cơ cấu
Compliant có thể đáp ứng một mối quan hệ lực - chuyển vị (Ananthasuresh & Kota,
1995). Để phân tích động năng, nhiều phương pháp đã thành công, từ việc sử dụng
hữu hạn lý thuyết xoay ( Honke và cộng sự, 1997); (Sugano và cộng sự, 1999);
(Lyon, 1997) sử dụng mô hình giả cứng khâu kết hợp với phương pháp Lagrange để
phát triển phương trình vi phân tuyến tính thông thường .
Sử dụng kỹ thuật tổng hợp, (Jenuwine và Midha,1989 ) đã phát triển một
hằng số chính xác cho cơ cấu kết hợp lò xo tuyến tính và liên kết cứng . Nhiều kết
cấu cơ cấu trượt có lực không đổi, lấy cảm hứng từ các khâu cứng ban đầu này của
thiết bị, đến về sau này thông qua tổng hợp Topo (Howell và cộng sự, 1994).
Những xuất hiện trong bằng sáng chế số 5.649.454 của Hoa Kỳ ( Midha et al,
1995); (Millar et al, 1996) trình bày một sự phát triển chi tiết phù hợp có lực không
đổi về lý thuyết cơ cấu.
1.2.2 Các nghiên cứu trong nước.
Cơ cấu Compliant có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong thực tế sản suất, tuy
nhiên các tài liệu chuyên khảo về cơ cấu này ở Việt nam còn rất ít .
Mô phỏng cơ cấu tay quay con trượt có khâu đàn hồi và có vết nứt bằng
phương pháp độ cứng động lực, Văn Hữu Thịnh, Tuyển tập các công trình Hội
nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VII, 2/2002.

Hình 1.9: Cơ cấu 4 khâu bản lề (rigid-body mechanisms)

8


Hình 1.10: Cơ cấu Compliant
1.3. Hướng nghiên cứu
1.3.1. Phân tích.
Qua nghiên cứu tìm hiểu các vấn đề tổng quan về cơ cấu Compliant cũng

như các công trình công bố trong và ngoài nước cho thấy những năm gần đây thế
giới vẫn tiếp tục nghiên cứu về cơ cấu Compliant; mặc dù đã có công trình nghiên
cứu về lĩnh vực này nhằm tối ưu, hoàn thiện các tính năng về công nghệ mà cơ cấu
Compliant vẫn chưa hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu thực tế. Về vấn đề này trong
nước còn ít người quan tâm, có một số ít các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này
và số người nghiên cứu cũng không đáng kể mà hầu hết mới chỉ tập trung vào khai
thác theo từng cơ cấu Compliant có tính năng cụ thể. Việc hiểu và đi sâu vào bản
chất của cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi đặc biệt là cơ sở lý luận và toán
học cụ thể ít được quan tâm nghiên cứu.
1.3.2. Nhận định và đề xuất hướng nghiên cứu.
1.3.2.1. Nhận định
Qua phân tích nêu trên, cho thấy việc nghiên cứu phân tích động lực học cơ
cấu Compliant có lực đầu ra không đổi là cần thiết và cấp bách phục vụ cho nhiệm
vụ phát triển đổi mới công nghệ đáp ứng tình hình phát triển hội nhập kinh tế ở Việt
Nam đồng thời là tiền đề cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu tiến đến bổ sung và hoàn
thiện cơ sở tính toán cho việc thiết kế cơ cấu Compliant.

9


1.3.2.2. Đề xuất hướng nghiên cứu
- Nghiên cứu kết cấu cơ cấu Compliant, tìm hiểu một số phương pháp tính ứng
dụng cho cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi.
- Chọn cấu trúc cơ cấu trong tổng hợp cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi.
- Ứng dụng mô hình giả cứng vật thể (Pseudo-rigid body model).
- Phân tích và xây dựng phương trình động lực học với mô hình giả cứng vừa thiết
lập; theo cơ sở lý thuyết về phương trình Lagrange.
- Sử dụng ngôn ngữ lập trình cùng sự hỗ trợ phần mềm Matlad để xác định các
thông số động lực và tìm ra các mối quan hệ giữa các thông số, từ đó xây dựng các
đề xuất tích hợp về cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi.

1.4. Mục đích, nhiệm vụ và giới hạn đề tài.
1.4.1. Mục đích của đề tài
Cơ cấu Compliant có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong thực tế sản suất, tuy
nhiên các tài liệu chuyên khảo về cơ cấu này ở nước ta còn rất ít . Đặc biệt khi trong
cơ cấu khâu khớp bình thường có sự phá hủy mỏi do chịu tải chu kỳ. Ở Việt Nam
hiện nay có những khó khăn về cơ sở lý thuyết để tính toán, thiết kế tổng hợp, động
lực học cơ cấu Compliant. Chúng ta khó xác định năng lượng tích chứa trong các
khâu đàn hồi ở dạng năng lượng biến dạng.
Trước đây, ta tiến hành thiết kế, chế tạo cơ cấu Compliant theo phương pháp
thử & sai. Cho nên việc nghiên cứu một cách hệ thống về động lực học cơ cấu
compliant là công việc rất cần thiết, đặc biệt là cơ cấu Compliant có lực đầu ra
không đổi. Kết quả nghiên cứu là cơ sở tính toán thiết kế kết cấu hợp lý cơ cấu máy
tại Việt Nam trong tương lai.
1.4.2. Nghiên cứu kết cấu cơ cấu Compliant.
Nghiên cứu một số phương pháp tính ứng dụng cho cơ cấu Compliant có lực
đầu ra không đổi.Tập trung vào bảng tổng hợp 15 dạng cấu trúc của Howell.
Phân tích động lực học cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi bỏ qua yếu
tố biến dạng và ma sát.

10