Nghiên cứu cơ cấu khuếch đại đàn hồi của micro linear actuator

Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

-1-

ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TẤN PHÚC

NGHIÊN CỨU CƠ CẤU KHUẾCH ðẠI ðÀN
HỒI CỦA MICRO LINEAR ACTUATOR
Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ðIỆN TỬ.

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2010

GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

-2-

CƠNG TRÌNH ðƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA
ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS PHẠM HUY HOÀNG ……………………………..
……………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 1 : .......................................................................................... …
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2 : .......................................................................................... ....
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………

Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ tại HỘI ðỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠCSĨ
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc

Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

ðẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

-3-

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA

ðộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

----------------oOo------------------------Tp. HCM, ngày 22 tháng 11 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN TẤN PHÚC

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 07/12/1983

Nơi sinh : ðỒNG NAI

Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ðIỆN TỬ .
Khoá (Năm trúng tuyển) : 2009.
1. TÊN ðỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU CƠ CẤU KHUẾCH ðẠI ðÀN HỒI CỦA MICRO-LINEAR
ACTUATOR

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Tìm hiểu tình hình nghiên cứu về Micro-linear actuator (MLA), ñặc biệt là MLA
sử dụng cơ cấu khuếch ñại ñàn hồi.
- Nghiên cứu ảnh hưởng sai số ñến hoạt ñộng cơ cấu khuếch ñại ñàn hồi của Microlinear actuator.
- Gia cơng chế tạo, lập trình và thực nghiệm về ñộ khuếch ñại và ñộ phân giải của
MLA sử dụng cơ cấu khếch ñại ñàn hồi.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/07/2010
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/12/2010
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHẠM HUY HOÀNG
Nội dung và ñề cương Luận văn thạc sĩ ñã ñược Hội ðồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. PHẠM HUY HỒNG

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN QUẢN
LÝ CHUN NGÀNH

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN
NGÀNH

PGS. TS. NGUYỄN TẤN TIẾN TS. TRẦN THIỆN PHÚC

GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

-4-

ðể hồn thành tốt luận văn này, tôi xin chân thành cám ơn q thầy cơ và gia
đình đã hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình học tập tại
trường.
Tơi xin chân thành cám ơn TS Phạm Huy Hồng ,giám đốc trung tâm bảo
dưỡng cơng nghiệp, là người hướng dẫn khoa học , ñã ñưa ra những lời khun hữu ích
và đã giúp đỡ tận tình cho tơi khi thực hiện và hồn thành luận văn này.
Tơi cũng xin cảm ơn K.S Võ ðồn Tất Thắng, đã cho tơi những phản biện hữu
ích trong q trình hồn thiện đề tài. KS ðạo đã giúp đỡ về phần kỹ thuật trong q
trình gia cơng chế tạo thực tế ñể làm rõ ý nghĩa khoa học của ñề tài .
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các q thầy cơ trong trường đại học bách
khoa , ñặc biệt là các thầy cô trong bộ môn Cơ ðiện Tử đã truyền đạt nhiều kiến thức
bổ ích cho tơi trong q trình học tập sau đại học tại trường.
Cuối cùng , xin cảm ơn các anh chị và các bạn trong lớp cao học cơ ñiện tử
K2009, ñã giúp đỡ tơi trong q trình học tập và nghiên cứu tại trường.
Do thời gian thực hiện có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi những thiếu sót và
sai lầm . Rất mong nhận được sự chỉ dẫn và đóng góp của q thầy cơ và các bạn để
luận văn được hồn thiện hơn ...
Thành Phố Hồ Chí Minh,Ngày 01 tháng 12 năm 2010,
Học viên thực hiện

NGUYỄN TẤN PHÚC.

GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

-5-

Các thiết bị định vị chính xác đang là một nhu cầu lớn trong các nhiều lĩnh vực
như công nghệ y sinh học, cơng nghệ gia cơng cơ khí chính xác , hệ thống truyền thông
bằng sợi quang, công nghệ gia công chất bán dẫn…Cơ cấu tạo chuyển động tuyến tính
với độ phân giải cao là một thành phần không thể thiếu trong các hệ thống định vị
chính xác này.Cấu tạo của cơ cấu dẫn ñộng này dựa trên tinh thể thạch anh ( piezo)
nhiều lớp và các khớp nối mềm ñang được nghiên cứu nhiều vì những đặc tính ưu việt
của chúng. Cơ cấu bao gồm nhiều khớp mềm nối các khâu có thể tạo nên các chuyển
động chính xác ở ñộ phân giải cao nhờ vào sự biến dạng ñàn hồi của các vật liệu, cấu
trúc liền khối , ñặc tính khơng có ma sát , khơng cần bơi trơn , khơng khe hở và khơng
có hiện tượng trễ của vật liệu….
Nhiệm vụ của luận văn này là thiết kế và chế tạo một cơ cấu tác ñộng dạng thiết
kế mới dựa trên khớp mềm ñàn hồi và tinh thể thạch anh piezo nhiều lớp . Khảo sát các
đặc tính tác ñộng và sai số hoạt ñộng của cơ cấu bằng một phần mềm phần tử hữu hạn
cũng ñược ñề cập ñến trong luận văn này. Kết quả hoạt ñộng của cơ cấu tác ñộng ở
phạm vi dịch chuyển lớn với ñộ phân giải cao mỗi bước ñã chứng minh cho tính đúng
đắn của dạng thiết kế mới này…

GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

-6-

Luận văn ñược bao gồm 5 chương với các nội dung như sau:
Chương 1: Giới thiệu. Giới thiệu về các nghiên cứu liên quan trong và ngồi nước

đến đề tài.
Chương 2:Cơ sở lý thuyết. Trình bày các cơ sở lý thuyết để thực hiện ñề tài.
Chương 3: Khảo sát sai số cơ cấu bằng thực nghiệm. Sử dụng phần mềm phần tử
hữu hạn để khảo sát mơ hình đã được tham số hóa.
Chương 4: Chế tạo thực nghiệm và kết quả.Trình bày mơ hình được chế tạo và phần
mềm thu nhận dữ liệu từ cảm biến.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển .ðánh giá kết quả ñạt ñược và ñưa ra
hướng phát triển cho luận án trong tương lai.

GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

-7-

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH TRONG LUẬN VĂN.
Chương 1 : TỔNG QUAN.
1.1.CÁC ðỊNH NGHĨA
1.1.1 ðộ Phân Giải…………………….………………….……….…………………1
1.1.2 Cơ cấu dẫn ñộng thẳng tuyến tính….……………….…………….…………....1
1.1.3Tinh thể áp điện piezo actuator……..….……………….………….…………...1
1.2.NHU CẦU THỰC TẾ CỦA ðỀ TÀI
1.2.1 Thiết bị lưu giữ thông tin mật độ cao……………………………..……………2
1.2.2 Cơ cấu tác động kích thước nhỏ……………………………………..…………3
1.2.3 Máy qt nhận dạng ảnh…………………………………………..……………3
1.2.4 Q trình lắp ráp kích thước nhỏ……………………………………..………...4

1.2.5 Hệ thống ñịnh vị và kết nối cáp quang tự động……………………..………….6
1.2.6 ðo lực trong gia cơng cơ khí………………………………………..……….....6
1.2.7 Trong cơng nghệ gia cơng siêu chính xác…………………………..……….....7
1.2.8 Trong các ứng dụng khác……………………………………………..………..8
1.3.NHỮNG CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN
1.3.1 Cơ cấu sâu ño…………………………………………………..……………....8
1.3.2 Cơ cấu dính trượt………………………………………………………..……10
1.3.3 Cơ cấu từ trường…………………………………………………..……….…12
1.3.4 Cơ cấu visme và bộ khuyếch ñại cơ…………………………………..……...12
1.3.5 Cơ cấu dùng piezo và bộ khuyếch đại cơ…………………………..……..….13
1.3.5.1 Khớp mềm…………………………………………………..……...14
1.3.5.2 Mơ hình bộ khuyếch ñại dùng khớp ñàn hồi……………..………...15
1.4.KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ðỀ TÀI.
1.4.1 Nội dung dự kiến thực hiện……………………..……………..……………..19
1.4.2 Phương pháp dự kiến thực hiện………………..………………..……………20
1.5. LỊCH TRÌNH LÀM VIỆC.
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Ngun lý địn bẩy …...……………………………………………….…………..22
2.2 Lý thuyết về khớp mềm đàn hồi……………………….……………………..…...24
2.3 Tính tốn ma trận ñộ cứng tương ñương ……………………....…………………26
2.3.1 Ma trận tổng qt khớp mềm……………….……………………………….…27
2.3.1 Mơ hình khâu cứng tương đương…..……….…….………………………..….27
GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

-8-

2.4 Tính tốn độ cứng tồn bộ cơ cấu……………………………...………………….30
2.4.1 Ma Trận ðộ Cứng Limb-1…………..………….…………………………….…31
2.4.2 Ma Trận ðộ Cứng Limb-2……………..………….………………………….…31
2.4.3 Ma Trận ðộ Cứng Limb-12……………..…………….………………………...31
2.4.4 Ma Trận ðộ Cứng limb-3………………..……………………………….……..32
2.4.5 Ma Trận ðộ Cứng limb-4………………..………………………………….…..32
2.4.6 Ma Trận ðộ Cứng limb-34……………..…………………………………….….33
2.4.7 Ma Trận ðộ Cứng limb-5………………..………………………………….…..33
2.4.8 Ma Trận ðộ Cứng limb-6…………………..……………………………….…..34
2.4.9 Ma Trận ðộ Cứng limb-126………………..…………………………….……..35
2.4.10 Ma Trận ðộ Cứng limb-345……………..…………………………….………35
2.4.11 Ma Trận ðộ Cứng toàn cơ cấu……………..………………………….………36
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG
Chương 3: KHẢO SÁT SAI SỐ BẰNG PHẦN MỀM PHẦN TỬ HỮU HẠN
3.1Tính hệ số khuyếch ñại lý thuyết của cơ cấu………...…………………………….41
3.2 Khảo sát khi thay ñổi tham số chuẩn B………………...…………….……………44
3.3 Khảo sát khi thay đổi tham số kích thước dọc V,W,Q………...……….………….47
3.4 Khảo sát khi thay đổi thơng số ảnh hưởng đến độ khuyếch ñại………….………..56
3.4.1 Khảo sát tham số U……………………..…..………………...………………...56
3.4.2 Khảo sát tham số Y………………………….……………....…………………59
3.4.3 Khảo sát theo tham số X…………………..……..………...…………..……….62
3.4.4 Khảo sát theo tham số Z………………………..…..….…..….…………..…….63
3.4.5 Khảo sát theo tham số T…………………..……………....…..…………..…….65
3.5 Khảo sát khi thay đổi thơng số kích thước khớp đàn hồi……………...……...…...66
3.5.1 Khảo sát theo chiều dày khớp t1…………..………..………..…..……….……66
3.5.2 Khảo sát theo bán kính khớp R……………..…………..……..…..……….…..70
3.6 Kết Luận Chương…………………..……….……………………………….…….73
3.7 Lựa Chọn Thông Số Gia Công Cơ Cấu……………..….…………………………74
Chương 4 : CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM CƠ CẤU.

4.1 Các thành phần chính của hệ thống……………………………………………….77
4.2 Mơ hình tồn bộ hệ thống khi hồn chỉnh…………………………….…………..82
4.3 Chương trình thu nhận dữ liệu…………………………………………………….82
4.4 ðồ thị dịch chuyển cơ cấu khi có điện áp xung bước………………….……….84
4.5 Vấn đề ñiều khiển chính xác vị trí của cơ cấu..…....…………………………….86
GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

-9-

Chương 5: CÁC KẾT QUẢ ðẠT ðƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.
5.1 Các vấn ñề ñã ñạt ñược……………………………………………………………89
5.2 Hướng phát triển ñề tài trong tương lai………………………...…………………90
PHỤ LỤC.
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG.

GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 10 -

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH TRONG LUẬN VĂN
CHƯƠNG 1
Hình 1.1: Hình dạng thanh piezo nhiều lớp…………………………………………….1
Hình 1.2:Cơ cấu dùng piezo trong ổ dĩa cứng máy tính………………………………..2
Hình 1.3: Cơ cấu piezo trong động cơ chuyển động tuyến tính………………………..3
Hình 1.4 :ðịnh vị chính xác trong máy STM……………………………………..……4
Hình 1.5:ðịnh vị chính xác trong q trình gắp vật thể………………………………..5
Hình 1.6:Mơ hình tay gắp trong định vị chính xác……………………………………..5
Hình 1.7: ðịnh vị chính xác trong kết nối sợi quang…………………………………...6
Hình 1.8: Ứng dụng định vị chính xác trong máy đo lực chính xác……………………7
Hình 1.9: Cung cấp dịch chuyển chính xác cho đầu tiện………………………………7
Hình 1.10:Cấu tạo Cơ cấu dạng sâu đo…………………………………………..……..8
Hình 1.11:Giản đồ hoạt động cơ cấu sâu đo……………………………………………9
Hình 1.12:Kết quả dịch chuyển cơ cấu sâu đo…………………………………….…..10
Hình 1.13:Mơ hình cơ cấu dính trượt………………………………………………….10
Hình 1.14:Kết quả hoạt động cơ cấu dính trượt……………...………………….….…11
Hình 1.15:Cấu tạo cơ cấu từ trường……………………………….……….……….…12
Hình 1.16:Cơ cấu dạng visme và piezo………………………………………….……12
Hình 1.17:Ngun lý hoạt động dạng visme và piezo…...……………………………13
Hình 1.18: Ứng dụng cơ cấu visme trong chỉnh độ dốc của bàn cân…………………13
Hình 1.19: Mơ hình 3D khớp mềm đàn hồi………………………..…………………14
Hình 1.20: Mơ hình tương đương khớp mềm và dạng hình học…………………...…14
Hình 1.21: Cơ cấu đàn hồi của Chil Liang Chu……………………………….………15
Hình 1.22:Ngun lý hoạt động của mơ hình Chil Liang Chu……………….…….…15
Hình 1.23: Giản đồ hoạt động cơ cấu Chil Liang Chu……………………………..…16
Hình 1.24: Hình dạng cơ cấu khớp mềm đàn hồi………………………………….….17
GVHD : TS Phạm Huy Hồng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc

Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 11 -

Hình 1.25: Cơ cấu khớp mềm và thanh piezo nhiều lớp………….……………….…18
CHƯƠNG 2
Hình 2.1:Ngun lý hoạt động dạng địn bẩy…………………………………………21
Hình 2.2: Ngun lý hoạt động dạng khớp mềm…………………….………..………22
Hình 2.3:Hình dạng khớp mềm bản lề………………………………………….……..23
Hình 2.4:Hình dạng khớp mềm tịnh tiến…………………………..………………….24
Hình 2.5:Hình dạng khớp mềm khơng gian đồng tâm và dị tâm ……………………24
Hình 2.6: Hình dạng khớp mềm dạng hình cầu…………….…………………………25
Hình 2.7:Kích thước một khớp mềm trong khơng gian phẳng…..……………………25
Hình 2.8:Mơ hình khâu cứng tương đương ……………….………………………….27
CHƯƠNG 3
Hình 3.1: Tham số kích thước hóa cơ cấu………………….…………………………38
Hình 3.2: Mơ phỏng với thơng số ban đầu……………………………………………40
Hình 3.3 :Mơ phỏng cơ cấu khi B=15………………………...………………………42
Hình 3.4 : Mơ phỏng cơ cấu khi B=20………………………..………………………43
Hình 3.5: Mơ phỏng cơ cấu khi V=2………………………….………………………44
Hình 3.6 : Mơ phỏng cơ cấu khi V=2.5…………………….…..……………………..45
Hình 3.7: Mơ phỏng cơ cấu khi V=3.0……………………………..…………………46
Hình 3.8: Mơ phỏng cơ câu khi W=1.5…………………….…………………………47
Hình 3.9: Mơ phỏng cơ cấu khi W=2.0………………………….……………………48
Hình 3.10: Mơ phỏng cơ cấu khi W=2.5….…………..………………………………49
Hình 3.11: Mơ phỏng cơ cấu khi Q=1.5………………………………………………50
Hình 3.12:Mơ phỏng cơ cấu khi Q=2…………………………………………………51
Hình 3.13: Mơ phỏng cơ cấu khi Q=2.5………………………………………………52
Hình 3.14 : Mơ phỏng cơ cấu khi U=2………………..………………………………53

Hình 3.15: Mơ phỏng cơ cấu khi U=3…………………...……………………………54
Hình 3.16: Mơ phỏng cơ cáu khi U=4……..………………………………………….55
Hình 3.17: Mơ phỏng cơ cấu khi Y=2……………………..………………………….56
GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 12 -

Hình 3.18: Mơ phỏng cơ cấu khi Y=3………………………..……………………….57
Hình 3.19: Mơ phỏng cơ cấu khi Y=4……………………………..………………….58
Hình 3.20: Mơ phỏng cơ cấu khi X=2…………………………..….…………………59
Hình 3.21: Mơ phỏng cơ cấu khi Z=2………………………………...……………….60
Hình 3.22: Mơ phỏng cơ cấu khi Z=3…………………………………………………62
Hình 3.23: Mơ phỏng cơ cấu khi t1=1…………...……………………………………63
Hình 3.24: Mơ phỏng cơ cấu khi t1=0.4…………………………………..………….64
Hình 3.25: Mơ phỏng cơ cấu khi t1=0.1…………………..….……………………….65
Hình 3.26: Mơ phỏng cơ cấu khi R=1………………………...………………………66
Hình 3.27: Mơ phỏng cơ cấu khi R=2…………………………...……………………67
Hình 3.28: Mơ phỏng cơ cấu khi R=7……………………….………..………………68
Hình 3.29:Mơ phỏng cơ cấu được chọn chế tạo 1……………….……………………72
Hình 3.30: Mơ phỏng cơ cấu được chọn chế tạo 2……………………………………73
CHƯƠNG 4
Hình 4.1:Mơ hình 3D piezo dẫn động cơ cấu…………………………………………73
Hình 4.2:Bộ điều khiển piezo…………………………………………………………74
Hình 4.3:Thơng số bộ điều khiển piezo…………………….…………………………74
Hình 4.4:cơ cấu khuyếch đại …………………………………………………………75

Hình 4.5: Cơ cấu khuyếch đại tích hợp piezo…………………………………………76
Hình 4.6:Cảm biến đo GT2……………………………………………………………76
Hình 4.7: Màn hình hiển thị giá trị đo đạc…………………………………………….77
Hình 4.8: Mơ đun truyền thơng mạng máy tính………………………………………77
Hình 4.9: Sơ đồ dây nối tiếp truyền thơng……………….……………………………78
Hình 4.10:Mơ hình tồn bộ cơ cấu……………………………………………………78
Hình 4.11: Dạng sóng input hình sin………………………………………………….79
Hình 4.12: Dạng sóng input hình tam giác……………………………………………79
Hình 4.13:Giao diện thu nhận tín hiệu cảm biến……………...………………………80
Hình 4.14: ðồ thị điều khiển vị trí và sai số cơ cấu…………………………………..83
GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 13 -

CHƯƠNG 1 :

TỔNG QUAN
1.CÁC ðỊNH NGHĨA:
1.1 ðộ phân giải của cơ cấu (resolution):
ðộ phân giải là chuyển ñộng nhỏ nhất mà khâu cơng tác của cơ cấu có thể thực
hiện ñược.
1.2 Cơ cấu dẫn ñộng thẳng tuyến tính (linear actuator):
Cơ cấu dẫn động thẳng là một cấu trúc gồm có nhiều khớp ,khâu ñược sắp xếp
theo một trật tự nhất ñịnh có khả năng truyền và biến ñổi chuyển ñộng . Chuyển ñộng
ra sau cùng của cơ cấu là chuyển ñộng thẳng, nguồn dẫn ñộng cho cơ cấu có thể là

chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay. Thơng qua cơ cấu này có thể tạo ra các
chuyển động cơng tác với có độ phân giải đến cấp micro mét.
1.3 Tinh Thể áp ñiện (piezo electric - PZT ):
PZT là một cấu trúc ñơn giản ñược chế tạo bằng vật liệu có khả năng tăng thể
tích khi chịu tác động của một nguồn điện thế nào đó.Thơng thường , PZT ñược tạo
thành bởi nhiều lớp mỏng ghép lại với nhau bằng keo dán epoxy.Trong cơ cấu khoảng
dịch chuyển công tác của PZT bằng tổng các lượng dịch chuyển của các lớp piezo
mỏng theo phương dọc trục.

Hình 1.1 : thanh piezo nhiều lớp

GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 14 -

2. NHU CẦU THỰC TẾ CỦA ðỀ TÀI:
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ ngày nay ,xuất hiện các nhu
cầu tạo ra các chuyển ñộng nhỏ cỡ micron hoặc thấp hơn (sub-micron). Các nhu cầu
này thường có trong cơng nghệ gia cơng cơ khí chính xác , lắp ráp đầu cáp quang …
Trong cơng nghiệp sản xuất ,các thiết bị định vị kích thước nhỏ để ñáp ứng ñộ
chính xác cao, tốc ñộ ñáp ứng nhanh và chiếm ít khơng gian làm việc.Xu hướng này
u cầu các cơ cấu phải ñược chế tạo và lắp ráp với độ chính xác rất cao mà các thiết bị
thơng thường khơng thể đáp ứng được…
Trong các ứng dụng để tạo ra được các chuyển động có độ dịch chuyển nhỏ,
piezo là một trong những giải pháp thích hợp giúp có thể tạo ra khoảng dịch chuyển

nhỏ với đáp ứng nhanh, cơng suất lớn..Chúng ta có thể thấy được các ứng dụng của
piezo trong việc tạo ra các nhu cầu chuyển động nhỏ trong các ví dụ dưới đây:
2.1 Thiết bị lưu giữ thơng tin mật độ cao (hard disc drive):
Các thiết bị lưu giữ thơng tin mật độ cao ñược xây dựng trên nền tảng công
nghệ nano mét . Trong đó mỗi phần tử lân cận chỉ cách nhau khoảng vài chục nano mét
được gia cơng bằng các thiết bị chính xác cực cao.Ỗ dĩa cứng là một trong những ứng
dụng rộng rãi của piezo , ứng dụng trong ñiều khiển ñịnh vị , nâng cao khả năng bám
theo mật độ thơng tin của ổ dĩa .Thiết bị này , địi hỏi những kết cấu có khả năng tạo ra
các chuyển động nhỏ dưới một micro-mét.

hình 1.2 : cơ cấu piezo trong dĩa cứng

GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 15 -

2.2 Cơ cấu tác động kích thước nhỏ (micro-actuator ) :
cung cấp các chuyển ñộng tịnh tiến , ñộ phân giải cao , có nhu cầu rất lớn trong
các robot có kích thước nhỏ (micro-robot).Sự kết hợp các cơ cấu này cho phép tạo ra
các chuyển ñộng nhỏ , linh hoạt của robot.

hình 1.3 : piezo trong động cơ tuyến tính
2.3 Máy quét nhận dạng ảnh (Scanning tunneling microscope-STM):
STM là một thiết bị ñể nhận dạng bề mặt ảnh ở cấp ñộ nguyên tử.ðể thực hiện ,
trục máy cần dịch chuyển những khoảng rất nhỏ có độ phân giải cấp micro và thấp hơn

khi dịch chuyển ñến gần bề mặt của vật thể cần nhận dạng, làm thay đổi dịng ñiện , sự
thay ñổi ñược biến ñổi giúp xác ñịnh ñược ñặc tính bề mặt vật thể .

GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 16 -

Hình 1. 4: Thiết bị STM
2.4 Quá trình lắp ráp kích thước nhỏ (micro-assembly,micro-gripper ):
Vấn đề chính trong q trình lắp ráp các sản phẩm có kích thước nhỏ là phương
pháp giữ các thiết bị và phương pháp ñể thao tác các sản phẩm này một cách tự
ñộng.Một hệ thống các thiết bị cần thiết trong lắp ráp kích thước nhỏ là camera, tay
gắp kích thước nhỏ, cơng cụ vận chuyển với độ chính xác cao … Trong đó , tay gắp có
kích thước nhỏ (micro -gripper) đang được nghiên cứu với mục tiêu chính là cung cấp
khả năng giữ vật thể với ñộ phân giải cao nhằm tránh làm hư hỏng các vật thể có kích
thước nhỏ này.
Q trình gắp và định vị của tay gắp có thể được miêu tả bằng hình dưới:

GVHD : TS Phạm Huy Hồng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 17 -

Hình 1. 5: quá trình gắp vật thể.
tay gắp sẽ ñịnh vị vật thể trong miền có thể thao tác ñược,sau ñó cơ cấu tay gắp này sẽ
dịch chuyển cho ñến khi chạm vào vật thể cần gắp, cuối cùng bằng các chuyển ñộng
với ñộ phân giải micro mét tịnh tiến theo phương vật thể , ñể giữ chặt vật thể và thực
hiện các thao tác khác…Như vậy dịch chuyển ñược cơ cấu chuyển ñộng thẳng với ñộ
phân giải micron giúp tay máy gắp được các vật thể có kích thước siêu nhỏ , một cách
chắc chắn trong thao tác và khơng làm vỡ hoặc hỏng vật thể cần gắp.

Hình 1.6 : mơ hình tay gắp.

GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 18 -

2.5 Hệ thống ñịnh vị và kết nối cáp quang tự động (optical fiber auto-alignment
system):
Trong q trình kết nối 2 sợi cáp quang , ñảm bảo cho 2 sợi cáp ñược ñồng trục
là ñiều rất quan trong, giúp nâng cao băng thơng của đường truyền , khơng gây ra ứng
suất trong lõi và đảm bảo tính thơng suốt của đường truyền tín hiệu.

Hình 1.7 : định vị kết nối sợi quang.

Với các yêu cầu cao và khắc khe như vậy ,việc kết nối cơ khí thơng thường là

khơng thể đáp ứng được q trình định vị 2 sợi cáp .Do trong q trình vận hành đã
phát sinh ra sự trượt tương ñối giữa 2 bề mặt trục và lổ với nhau, thành phần ma sát
không giống nhau về cả phương chiều và độ lớn nên rất khó định vị được chính xác
cho cơ cấu như vậy.Do đó rất cần một cơ cấu để định vị chính xác các sợi cáp với độ
phân giải cao và chính xác.
2.6 ðo lực trong gia cơng cơ khí:
Hiện nay để đo lực trong các máy gia cơng cơ khí như máy phay .. người ta
thường sử dụng tem điện trở biến dạng để có thể ño khoảng dịch chuyển và suy ra lực.
Tuy nhiên , tem biến dạng có đặc điểm là độ ổn định và độ chính xác thấp, dịch chuyển
khơng tuyến tính, ñiện trở phụ thuộc mạnh vào nhiệt ñộ. Yêu cầu có một cơ cấu dịch
chuyển với độ phân giải cao , chính xác ít bị nhiễu từ bên ngồi sẽ giúp q trình đo
lực được chính xác.Lúc này cần một cơ cấu dịch chuyển nhỏ , đóng vai trị như một
cảm biến giúp ño lượng dịch chuyển nhỏ phát sinh từ lực sinh ra trong máy gia cơng,
cảm biến có độ phân giải càng cao thì đo lực càng chính xác.

GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 19 -

Hình 1.8: đo lực trong máy gia cơng
2.7 Trong cơng nghệ gia cơng siêu chính xác(ultra precision machining ):
ðể có thể chế tạo các thiết bị dùng trong công nghệ micro assembly ở phần trên,
bên cạnh tay gắp siêu nhỏ , địi hỏi các thiết bị phải được gia cơng cực kỳ chính xác mà
các ngun cơng như tiện , phay , bào thơng thường khơng thể đáp ứng được. Ví dụ ở
ngun cơng tiện, muốn tạo được các chi tiết có bề mặt hoặc các biên dạng chính xác,

địi hỏi ñầu tiện (cutter tip ) phải dịch chuyển ñược những khoảng cách dịch chuyển
nhỏ với ñộ phân giải cao . Mơ hình dưới đây có cung cấp được khoảng dịch chuyển
nhỏ cho nguyên công tiện bằng cách sử dụng khớp mềm đàn hồi theo tài liệu [3]:

Hình 1. 9 : cơ cấu cung cấp dịch chuyển nhỏ cho ñầu tiện.
GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 20 -

2.8 Trong các ứng dụng khác :
Trong các lĩnh vực như : lắp ráp các thiết bị ñiện tử, mạch bán dẫn , công nghệ
sinh học , y sinh học, ñịnh vị vị trí vật thể, sản xuất kích thước nhỏ , đặc biệt là
trong cơng nghệ nano, micro (MEMS,NEMS ) ,cơng nghệ vi cơ điện tử hiện nay là
một nhu cầu cấp thiết hiện tại . Trong lĩnh vực này , thường yêu cầu các thiết bị
công nghệ cho quá trình chế tạo , lắp ráp và vận hành phải có độ chính xác cao,
khoảng dịch chuyển nhỏ …
Do ñó rất cần phải có các cơ cấu có thể thực hiện ñược những chuyển ñộng rất
nhỏ (ñộ phân giải micron), khoảng dịch chuyển tương ñối lớn, tốc ñộ ñáp ứng
nhanh và sai số vị trí cho phép nhỏ.
Tóm lại, ta nhận thấy rằng ñể ñáp ứng ñược các yêu cầu trên , bên cạnh việc
cải tiến vật liệu tạo thành hay sơ ñồ nguyên lý của các cơ cấu có khả năng tạo ra
các chuyển động nhỏ theo cách truyền thống thì việc tiếp tục nâng cao độ chính
xác cho các cơ cấu tạo chuyển động có độ phân giải cỡ micron và dưới micron là
rất cần thiết và là nhu cầu thiết yếu cho xu hướng tối thiểu hóa kích thước hiện
nay….

3.NHỮNG CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN :
Gần đây , trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu đến việc thiết kế và chế tạo một
số cơ cấu tạo chuyển ñộng với ñộ phân giải micro mét như:
cơ cấu sâu đo (inchworm).
cơ cấu dính-trượt (stick slip).
cơ cấu từ trường (magnet).
cơ cấu visme vi phân và piezo.
cơ cấu dùng thanh piezo nhiều lớp ( multi-stack ) và bộ khuyếch ñại cơ dùng
khớp mềm ñàn hồi.
3.1 Cơ cấu sâu ño (inch-worm):
cấu tạo cơ cấu :
•
•
•
•
•

GVHD : TS Phạm Huy Hồng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 21 -

Hình 1. 10: cấu tạo cơ cấu inchworm
Trong đó:
1-Trục chính (chuyển động theo phương dọc trục),
2-Đai ốc,

3-Vòng đệm lò xo,
4-Ống trụ bao bên ngòai,
5-Piezoelectric PZT,
6-Vòng tựa,
7-Ống trụ,
8-Khớp nối mềm : dùng để khuyếch đại khoảng dịch chuyển của PZT.
ngun lý hoạt động sâu đo :

Hình 1.11: cơ cấu sâu đo hoạt động
cơ cấu sâu đo hoạt động dưa trên tích hợp của nhiều bước .Mỗi chu kỳ hoạt ñộng gồm
: PZ1 giữ trục di chuyển ,PZ 2 duỗi và ñẩy PZ3 chuyển động , lúc này cơ cấu khơng di
chuyển do PZ1 ñược giữ cố ñịnh , PZ1 nhả trục dịch chuyển , PZ3 giữ trục, PZ2 co lại
khiến trục cơng tác hướng về PZ1… q trình cứ thế tiếp tục . Kết quả là cơ cấu dịch
chuyển ñược với ñộ phân giải cao , tạo ra lực lớn khi chuyển ñộng .Mỗi chu kỳ , cơ cấu
dịch chuyển ñược 2 micro mét,tùy vào ñiện áp cấp vào piezo.
Giản ñồ hoạt động:

GVHD : TS Phạm Huy Hồng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 22 -

hình 1.12: kết quả dịch chuyển cơ cấu sâu đo
Ưu ñiểm:
• ðộ phân giải cao.
• Tốc ñộ nhanh.

• Tạo ra các lực lớn.
• ðộ cứng vững cao.
Nhược điểm:
• khoảng dịch chuyển nhỏ.(chỉ khoảng vài chục micro mét)
• giá thành cao.
Ứng dụng:
Cơ cấu inchworm này thường được dùng trong cơng nghiệp hàng khơng và cơng
nghiệp ơtơ để điều khiển hình dáng và dao động của các hệ có cấu trúc thích nghi.
3.2 Cơ cấu dính –trượt (stick-slip ):
Mơ hình cơ cấu :

hình 1.13: mơ hình cơ cấu dính trượt.
Piezo có một ñầu ñược cố ñịnh , một dầu dãn dài (movable palatform) khi ñược
áp ñiện , thanh trượt tạo chuyển ñộng của cơ cấu ñược ñặt tự do trên phần tử piezo
GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 23 -

thông qua chi tiết trung gian là một gối. Gối này ñược liên kết cố ñịnh với ñầu tự do
của piezo.
ngun lý hoạt động:
Khi áp điện có điện áp hình răng cưa vào piezo,piezo sẽ dãn dài, trong quá trình
dãn dài do lực ma sát tĩnh giữa gối ma sát và thanh trượt lớn nên thanh trượt cũng dịch
chuyển theo piezo. Khi ñến giá trị cực ñại ,ñiện áp giãm xuống giá trị cực tiểu rất
nhanh dẫn ñến piezo và gối trở về vị trí ban đầu cũng nhanh hơn khi dãn dài ra. Tuy

nhiên do lực quán tính lớn xảy ra quá trình trượt trơn giữa gối và thanh trượt .Kết quả
là chỉ có thanh piezo mang gối trở về vị trí ban đầu cịn thiết bị trượt (slider) ñã dịch
chuyển một ñoạn so với ban ñầu.
kết quả chuyển động với sóng tam giác :

hình 1.14: kết quả dịch chuyển cơ cấu với sóng tam giác
Ưu điểm:
• ðộ phân giải cao.
• ðáp ứng nhanh.
Khuyết điểm:
• Lực cơ cấu tạo ra nhỏ.
• ðộ cứng vững thấp.
• khoảng dịch chuyển nhỏ.
3.3 Cơ cấu từ trường (magnet):
Ngun lý hoạt động:
Chuyển động cơng tác của cơ cấu này nhờ vào lực tương tác lực từ giữa cặp
nam châm ñiện (gắn ở 2 bên ) và nam châm vỉnh cửu (gắn ở trục công tác).ðể tạo ra
dịch chuyển , cung cấp ñiện ñể các nam châm kéo và đẩy trục cơng tác.

GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 24 -

Hình 1. 15:cấu tạo cơ cấu từ trường.
Ưu điểm:

• Tốc ñộ nhanh.
• ðộ cứng vững cao.
• Khoảng dịch chuyển lớn.
Khuyết điểm:
• độ phân giải khơng cao.
• tạo ra lực nhỏ.
3.4 Cơ cấu vis me vi phân và bộ khuyếch ñại cơ:
Mơ hình cơ cấu :

hình 1.16: cơ cấu visme và piezo
sơ đồ ngun lý:

GVHD : TS Phạm Huy Hồng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc


Cơ Cấu Chuyển ðộng Có ðộ Phân Giải Micron

- 25 -

hình 1.17: ngun lý hoạt động visme và piezo.
Ngun lý hoạt ñộng:
cơ cấu visme vi phân và piezo hoạt ñộng tương tự như nguyên lý dính –trượt , nhờ vào
lực ma sát tĩnh và ma sát ñộng ñể làm dịch chuyển trục vít. Khi thanh piezo dịch
chuyển chậm sẽ làm cho vít quay, ngược lại khi thanh piezo dịch chuyển nhanh do lực
qn tính lớn hơn lực ma sát động nên khơng làm cho vít quay.

hình 1.18: ứng dụng cơ cấu trong chỉnh ñộ nghiêng.
3.5 Cơ cấu sử dụng multi stack piezo và bộ khuyếch ñại cơ dùng khớp mềm ñàn

hồi :
Cơ cấu piezo ñược sử dụng rất nhiều trong các thiết bị định vị chính xác , vì có
khả năng tạo ra các lực công tác lớn với tốc ñộ ñáp ứng nhanh.Tuy nhiên do hạn chế
của thanh piezo nhiều lớp chỉ thực hiện ñược những chuyển vị rất nhỏ (cỡ khoảng nano
GVHD : TS Phạm Huy Hoàng

HVTH: Nguyễn Tấn Phúc