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

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

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HÓA CƠ CẤU
CHÍNH XÁC TẠO CHUYỂN ĐỘNG THẲNG HAI BẬC
TỰ DO

MÃ SỐ: T2019-08TĐ

SKC 0 0 6 7 6 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2020


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 CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HĨA CƠ CẤU
CHÍNH XÁC TẠO CHUYỂN ĐỘNG THẲNG HAI BẬC
TỰ DO
Mã số: T2019-08TĐ

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. Phạm Huy Tuân

TP. HCM, 4/2020


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

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU HĨA CƠ CẤU
CHÍNH XÁC TẠO CHUYỂN ĐỘNG THẲNG HAI BẬC
TỰ DO
Mã số: T2019-08TĐ

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

TP. HCM, 4/2020


MỤC LỤC
Trang
DANH SÁCH CÁC HÌNH ......................................................................................... iii
DANH SÁCH CÁC BẢNG .......................................................................................... v
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................vi

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................. vii
PHẦN MỞ ĐẦU ..........................................................................................................1
1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước .....1
1.1. Các nghiên cứu ngoài nước ............................................................................1
1.2. Các nghiên cứu trong nước ............................................................................7
2. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 11
3. Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................12
4. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................12
5. Kế hoạch thực hiện .............................................................................................13
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................................14
1.1. Cơ cấu đàn hồi và các ứng dụng .................................................................... 14
1.1.1. Khái niệm cơ cấu đàn hồi ..........................................................................14
1.1.2. Các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi .............................................................. 17
1.1.3. Ứng dụng cơ cấu đàn hồi vào cơ cấu ăn dao chính xác ............................. 21
1.2. Tổng quan về các phương pháp gia công kết hợp .......................................... 23
1.2.1. Tổng quan về các phương pháp gia công kết hợp ......................................23
1.2.2. Các phương pháp gia công cắt gọt có kết hợp dao động ............................ 24
1.2.3. Phương pháp gia cơng phay có kết hợp dao động ......................................25
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BÀN GÁ HAI BẬC TỰ DO BẰNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI ..29
2.1. Phương án thiết kế ...........................................................................................29
2.2. Mô hình hóa bài tốn thiết kế ...........................................................................31
2.3. Kết quả và thảo luận .........................................................................................37

i


CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM .............................................................41
3.1. Chế tạo ............................................................................................................. 41
3.2. Thử ngiệm ........................................................................................................42
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 46

4.1. Kết luận ...........................................................................................................46
4.2. Kiến nghị ......................................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 47
PHỤ LỤC 1. MINH CHỨNG BÀI BÁO .................................................................... 50
PHỤ LỤC 2. BẢN SAO THUYẾT MINH ĐỀ TÀI ĐÃ ĐƯỢC PHÊ DUYỆT........... 51

ii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 1. Cơ cấu 2 bậc tự do XY của cơng ty PI ................................................................ 1
Hình 2. Các cơ cấu 2 bậc tự do XY ................................................................................. 3
Hình 3. Bốn cơ cấu sử dụng các khớp mềm song song để tao cơ cấu hai bậc tự do XY 5
Hình 4. Two Completely Decoupled XY Stages ............................................................. 6
Hình 5. Cơ cấu hai bậc tự do theo phương XY ................................................................ 6
Hình 6. Cơ cấu mềm sử dụng khớp Z(ZFH) .................................................................... 7
Hình 7. Kết quả mơ phỏng cơ cấu .................................................................................... 8
Hình 8. Khớp chân giả sử dụng cơ cấu đàn hồi ............................................................... 9
Hình 9. Bàn chân giả bằng vật liệu POM ........................................................................ 9
Hình 10. Cơ cấu ổn định lực .......................................................................................... 10
Hình 1. 1. Một số cơ cấu cứng truyền thống ............................................................... 14
Hình 1. 2. Các cơ cấu đàn hồi phổ biến ....................................................................... 15
Hình 1. 3. Khớp đàn hồi với cấu tạo nguyên khối ....................................................... 16
Hình 1. 4. Kìm cộng lực bằng cơ cấu mềm ................................................................. 16
Hình 1. 5. Cơ cấu dẫn động với độ phân giải micro .................................................... 17
Hình 1. 6. “Quả bóng trên đỉnh đồi” mơ phỏng cho ngun lý cơ cấu song ổn định .... 18
Hình 1. 7. Cơ cấu đàn hồi song ổn định ......................................................................18
Hình 1. 8. Cơ cấu kẹp với độ phân giải micro ............................................................. 19
Hình 1. 9. Tay gắp micron ..........................................................................................19

Hình 1. 10. Cơ cấu định vị 1 bậc tự do. .......................................................................20
Hình 1. 11. Cơ cấu song song đàn hồi phẳng .............................................................. 20
Hình 1. 12. Cơ cấu điều khiển nano sáu bậc tự do. ...................................................... 20
Hình 1. 13. Cơ cấu đàn hồi trong các sản phẩm MEMS .............................................. 21
Hình 1. 14. Bộ phận chạy dao sử dụng cơ cấu đàn hồi và cơ cấu chấp hành piezo ...... 21
Hình 1. 15. Cơ cấu ăn dao ..........................................................................................22
Hình 1. 16. Cơ cấu đàn hồi với dụng cụ cắt là kim cương ........................................... 22
Hình 1. 17. Tổng quan của phương pháp gia cơng phay có kết hợp dao động .............25
Hình 1. 18. Tách dao - phơi Loại I ..............................................................................26
Hình 1. 19. Tách dao - phơi Loại II ............................................................................. 27
Hình 1. 20. Tách dao - phơi Loại III ........................................................................... 28
Hình 2. 1. Các ngun lý gia cơng có dao động hỗ trợ: ................................................. 30
Hình 2. 2. Cấu hình thiết kế khớp bản lề uốn rỗng mới với: ......................................... 31

iii


Hình 2. 3. Thơng số thiết kế của tấm gá ........................................................................ 32
Hình 2. 4. Sơ đồ thuật tốn tối ưu hóa giải thuật di truyển dựa trên FEM .................... 34
Hình 2. 5. Kết quả mô phỏng FEM cho tổng chuyển vị của cơ cấu với chuyển vị đầu
vào theo phương x (a) và phân bố ứng suất tương tương (b)......................................... 36
Hình 2. 6. Phân tích mode dao động .............................................................................. 37
Hình 2. 7. Kết quả mơ phỏng chuyển vị. ....................................................................... 39
Hình 2. 8. Phân tích điều hịa (harmonic analysis) của cơ cấu ...................................... 40
Hình 3. 1. Bản vẽ chi tiết gia cơng (trang bên) ........................................................... 41
Hình 3. 2. Chi tiết đã gia cơng ....................................................................................41
Hình 3. 3.Cơ cấu chấp hành piezoelectric (Physik Instrument, model: P-225.10)........42
Hình 3. 4. Mơ hình 3D kết cấu bàn gá micro tích hợp dao động vào VAMill ..............43
Hình 3. 5. Bản vẽ phân rã (trang bên) ......................................................................... 43
Hình 3. 6. Bố trí thí nghiệm đo dao động với cảm biến laser Keyences LK-G30 ........ 44

Hình 3. 7. Thiết bị đo lực cắt của Kitsler (Dynamometer 9257B). .............................. 44
Hình 3. 8. Bố trí thiết bị đo lực cắt lên bàn gia công. .................................................. 45

iv


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2. 1. Mơ hình hóa bài toán tối ưu cho bàn định vị micro 2-DOF ....................... 33
Bảng 2. 2. Các biến thiết kế tối ưu của cơ cấu .............................................................38

v


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
DOF:

Degree of Freedom

EDM:

Electrical Discharge Machining

FEM:

Finite Element Method

GA:

Genetic Algorithm

PZT:

Piezoelectric transducer

TWS:

Tool-workpiece separation

VAM:

Vibration Assissted Machining

VAMill:

Vibration Assissted Milling

VATurn:

Vibration Assissted Turning

vi


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

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

Tp. HCM, ngày 25 tháng 3 năm 2020

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

Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu chính xác tạo chuyển động
thẳng hai bậc tự do

-

Mã số: T2019-08TĐ

-

Chủ nhiệm: PGS.TS. Phạm Huy Tuân

-

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

-

Thời gian thực hiện: 15 tháng

2. Mục tiêu:
-

Mục đích của nghiên cứu này là thiết kế cơ cấu tạo chuyển động thẳng 2 bậc tự
do có độ chính xác cao với khoảng di chuyển từ 0.5 đến 500 µm và độ phân giải

0,1 µm và có độ cứng cao hơn các cơ cấu hiện tại.

-

Đối với đô cứng vững của kết cấu: cứng hơn các cơ cấu hiện tại 5%

-

Đối với không gian hoạt động và định vị: lớn hơn các cơ cấu hiện tại 10%

-

Giảm chuyển động không mong muốn: cải thiện hơn các cơ cấu hiện tại 7%

-

Để thực hiện được mục đích trên thì vấn đề quan tâm: ta cấp điện điều khiển PZT
(piezo actuator) để tạo ra chuyển động đầu vào có khoảng di chuyển từ 0.05 đến
50µm với độ phân giải 0.01µm. Chuyển động này được khuếch đại lên bằng cơ
cấu đàn hồi và tạo ra sự dịch chuyển từ 0.5 đến 500 µm, độ phân giải 0.1µm.

3. Tính mới và sáng tạo:
-

Q trình thiết kế tối ưu hóa có sử dụng ANSYS Workbench kết hợp với ANSYS
APDL và MATLAB.

-

Bộ định vị chính xác 2-DOF có tích hợp một thiết kế khớp mềm mới có khả năng

tích trữ năng lượng tốt, ứng suất tập trung nhỏ dẫn đến tuổi thọ của khớp cao,

vii


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.

-

Đề xuất một phương pháp gia công mới kết hợp gia công cắt gọt truyền thống có
tích hợp thêm rung động cho phơi để gia tăng hiệu quả.

5. Thông tin chi tiết sản phẩm:
[1].

Sản phẩm khoa học:
Huy-Tuan Pham, Van-Khien Nguyen, Khac-Huy Nguyen, Quang-Khoa Dang,
Trung-Kien Hoang, Son-Minh Pham. “Optimization Design of a 2-DOF
Compliant Parallel Mechanism Using NSGA-II Algorithm for VibrationAssisted Milling”, I. A. Parinov et al. (eds.), Advanced Materials, Springer
Nature, Cham, Switzerland, 2020. ISBN: 978-3-030-45119-6. pp. 469-478,
SCOPUS indexed, (Accepted, proofreading)

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

Nghiên cứu này góp phần cho cơng tác giáo dục: đào tạo Nghiên cứu sinh, Cao
học và Đại học. Kết quả của đề tài “Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu
chính xác tạo chuyển động thẳng hai bậc tư do” ngoài việc sẽ chế tạo ra một cơ
cấu để kiểm tra hiệu quả gia tang độ chính xác, sản phẩn của đề tài cũng sẽ góp
phần đẩy mạnh hơn nữa lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng cơ cấu mềm tại Việt Nam.

-

Địa chỉ ứng dụng: Trung tâm Công nghệ cao, trường đại học Sư phạm Kỹ thuật
TP.HCM
Trưởng Đơn vị
(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)

PGS.TS. Phạm Huy Tuân

viii


INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
 Project title: Optimization Design of a 2-DOF Compliant Parallel Mechanism
 Code number: T2019-08TĐ
 Coordinator: Pham Huy Tuan
 Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and
Education
 Duration: 15 months

2. Objective(s):
-

Design a 2-DOF micropositioning stage with travel range from 0.5 - 500 µm with
0.1 µm resolution by using compliant mechanism.

-

Stiffness of the new design should be 5% higher than previous designs.

-

Working space should be 10% larger than previous designs.

-

Parasitic motion should be 10% less than previous designs.

-

In order to fulfill previous requirements, PZT actuators should be used to provide
input displacement. The designed 2-DOF micropositioning stage will magnify the
displacement to meet the expected output motion.

3. Creativeness and innovativeness:
-

Mechanism optimization using ANSYS Workbench, ANSYS APDL and
MATLAB.

-

The new 2-DOF micropositioning stage could effectively absorb and store elastic
energy, maintain low concentrated stress that could help to increase the life-time
and decrease the parasitic motion.

4. Research results:
-

A new optimization design approach has been proposed.

-

This project also proposes a new manufacturing method by integrating vibration
into traditional subtractive manufacturing approaches (Vibration-Assisted
Maching) to enhance the efficiecy and productivity of the industrial productions.

ix


5. Products:
[1]. Huy-Tuan Pham, Van-Khien Nguyen, Khac-Huy Nguyen, Quang-Khoa Dang,
Trung-Kien Hoang, Son-Minh Pham. “Optimization Design of a 2-DOF
Compliant Parallel Mechanism Using NSGA-II Algorithm for VibrationAssisted Milling”, I. A. Parinov et al. (eds.), Advanced Materials, Springer
Nature, Cham, Switzerland, 2020. ISBN: 978-3-030-45119-6. pp. 469-478,
SCOPUS indexed, (Accepted, proofreading)
6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability:
-

The prototype of the 2-DOF micropositioning stage will be tested at the High

Technology Center of the Ho Chi Minh city University of Technology and
Education.

x


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1. Các nghiên cứu ngồi nước
Trên thế giới có các nghiên cứu gần đây về cơ cấu tạo chuyển động hai bậc tự do
như:

(b)

(a)

Hình 1. Cơ cấu 2 bậc tự do XY của công ty PI
Trong thiết kế, động học của kết cấu có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của cơ
cấu. Thông thường người ta hay sử dụng các khớp mềm liên kết với nhau thành một
chuỗi nối tiếp và song song để tạo thành cơ cấu một, hai bậc tự do. Hình 1 (a) là thiết
kế của của hãng PI. Trong thiết kế này các cơ cấu một bậc tự do được liên kết với nhau
và xếp chồng lên nhau thành 2 bậc tự do. Thiết kế từng mô-đun này là đơn giản nhưng
có trọng lực ở tâm lớn. Thiết kế ở hình 1(b) được tích hợp và lồng vào nhau. Do đó nó
có trọng tâm thấp hơn và động lực học tốt hơn so với hệ thống xếp chồng lên nhau như
hình 1(a).
Như hình 2 (a), Dagalakis et al. (2011) đề xuất một thiết kế 2 bậc XY có hai cơ cấu
mềm song song cho mỗi hướng, để giảm chuyển động không mong muốn trong các
dịch chuyển theo X và Y và tạo ra chuyển động tuyến tính và độc lập hơn. P. Gao
(1999) đã phát triển một hệ thống định vị vi mơ nối tiếp (xem hình 2(b)) sử dụng các
khớp mềm. Hệ thống này bao gồm các bộ khuếch đại hai cấp và các cơ cấu mềm đối

xứng. Phạm vi chuyển động theo hướng X và Y tương ứng 45μm và 40μm, và độ phân

1


giải chuyển vị là 0.020μm và 0.018μm. Tần số tự nhiên đầu tiên cho hướng kép là 525
Hz và 558 Hz.

(a)

2


(b)
Hình 2. Các cơ cấu 2 bậc tự do XY
Việc thiết kế cơ cấu dựa vào các khớp mềm nối tiếp dễ thiết kế hơn so với thiết kế
các cơ cấu song song hoặc lồng vào nhau như hình 1. Tuy nhiên, việc di chuyển thiết bị
truyền động cồng kềnh dẫn đến lực quán tính cao và giảm hiệu xuất trong quá trình
truyền chuyển động, đặc biệt là khi phạm vi chuyển động lớn. Việc di chuyển của cơ
cấu như hình 1(a) sẽ gây ra ma sát và độ trễ, là nguồn gây nhiễu cho việc định vị cỡ
nano. Trong khi ở các cơ cấu được thiết kế song song, đối xứng và lồng vào nhau hình
1(b), các bộ truyền động có thể được gắn trên một đế cố định tỏ ra tốt hơn về độ cứng,
khả năng chịu tải và độ chính xác. Do đó các cơ cấu song song thích hợp hơn so với
những cơ cấu nối tiếp.
Cho đến nay, một số thiết kế sử dụng dạng song song hai bậc tự do XY dựa trên
khớp mềm với động học song song đã được đề xuất. Li (2006) đã đề xuất cơ cấu hai
bậc tự do có phạm vi chuyển động theo hướng X và Y tương ứng 180μm × 180μm và
độ phân giải nano (Hình 3(a)). Yong (2009) đề xuất cơ cấu hai bậc tự do sử dụng khớp
mềm có phạm vi chuyển động theo hướng X và Y tương ứng 25μm×25 μm và có tần

3


số tự nhiên thứ nhất 2.7 kHz (Hình 3(a)). Bên cạnh đó, Yao (2007) đã phát triển một cơ
cấu hai bậc tự do XY vi định vị (Hình 3(c)) bao gồm hai liên kết song song liên kết
thanh thẳng bốn thanh, và nó có một khơng gian làm việc vng 87μm x 87μm với độ
phân giải khoảng 20nm. Choi và Lee (2008) đã đề xuất một cơ cấu mềm hai bậc tự do
XY dựa trên các thanh đàn hồi với cấu trúc liên kết 4-PP (P là chữ viết tắt của
prismatic joint) như Hình 3(d). Trong đó cơ cấu khuếch đại kép được áp dụng để dẫn
hướng, tạo chuyển động thẳng và khuếch đại chuyển vị.
Mặc dù thiết kế cơ cấu mềm sử dụng các cơ cấu song song có những ưu điểm đã
được đề cập ở trên, một thách thức tồn tại trong dạng thiết kế cơ cấu này là việc tách
đầu vào và đầu ra của cơ cấu. Việc tách đầu vào có thể được định nghĩa là cách ly bộ
truyền động, điều này có nghĩa là mỗi bộ truyền động sẽ không bị tải trọng thêm do sự
kích hoạt của các bộ truyền động khác. Việc tách đầu ra có nghĩa là một bộ truyền
động chỉ dẫn động tác động cuối hoặc giai đoạn di động theo một hướng trục nhất định.
Nói chung, khớp nối đầu vào sẽ áp đặt tải không mong muốn trên thiết bị truyền động
và thậm chí làm hỏng nó. Khớp nối đầu ra sẽ dẫn đến các mơ hình động học phức tạp,
và do đó làm cho việc kiểm sốt chính xác khó thực hiện. Do đó, để tránh những vấn
đề này các thiết kế của cơ cấu mềm phải đảm bảo thiết kế có khả năng tách rời hồn
tồn đầu vào và đầu ra. Trong một thiết kế hai bậc tự do XY hoàn toàn tách rời, mỗi bộ
truyền động độc lập tạo ra chuyển động trên cơ cấu theo từng hướng mà không ảnh
hưởng lẫn nhau.

(a)
(b)

4

(c)

(d)

Hình 3. Bốn cơ cấu sử dụng các khớp mềm song song để tao cơ cấu hai bậc tự do XY
Trong các nghiên cứu trước, chỉ có một thiết kế sử dụng hai cơ cấu song song cho
cơ cấu 2 bậc tự do XY đã được đề xuất. Awtar (2007) đã phát triển một cơ cấu 2 bậc tự
do XY hoàn toàn tách rời bằng cách sử dụng các thanh đàn hồi song song kép như
trong Hình 4 (a) và có một phạm vi chuyển động lớn 5mm × 5mm. Khớp nối trục chéo,
mất chuyển động và cách ly hoạt động tốt hơn 1%. Li et al. (2009) đã đề xuất bộ vi xử
lý siêu âm XY dựa trên thanh đàn hồi được tách rời hồn tồn (Hình 4 (b)) bằng cách
sử dụng các thanh đàn hồi song song kép và các bộ khuếch đại dịch chuyển. Không
gian làm việc là khoảng 117 μm × 117 μm với chuyển động không mong muốn tối đa
là 1,5%, và tần số tự nhiên là khoảng 110,2Hz. Cả hai đều xây dựng các cơ cấu có khả
năng tạo chuyển động độc lập và tách rời dựa trên các cơ chế song song 4-PP, và áp
dụng các cơ cấu song song kép để có được chuyển động cho hình lăng trụ Hình 4 (a).
Trong nghiên cứu của Yang (2018) như ở Hình 5, kết quả cho thấy: phạm vi
chuyển động theo hướng X và Y tương ứng 148.11μm × 149.73μm, tần số tự nhiên đầu
tiên cho hướng kép là 102.88 Hz và 118.41 Hz. Một cơ cấu tạo chuyển vị có sự kết hợp
của khớp mềm và các thanh mềm hình Z (ZFH) như ở Hình 6 của Zhu et al (2016) cho
thấy phạm vi chuyển động theo hướng X và Y tương ứng 1.14 mm x 0.32 mm, tần số
tự nhiên đầu tiên cho hướng kép là 56.9 Hz và 68.8 Hz.

5


(a)
(b)
Hình 4. Two Completely Decoupled XY Stages

Hình 5. Cơ cấu hai bậc tự do theo phương XY

6


Hình 6. Cơ cấu mềm sử dụng khớp Z (ZFH)
Chen (2018a) đã đề xuất một phương pháp hình thành kết cấu bề mặt mới bằng
cách rung phi cộng hưởng hỗ trợ phay. Thứ nhất là chuyển động của những rung động
hỗ trợ quá trình phay được xây dựng và hình thành kết cấu bề mặt phay cuối với gia
công và độ rung thông số khác nhau được thảo luận. Các loại kết cấu bề mặt có thể
được tạo ra bằng cách kết hợp khác nhau của gia công và rung động. Thứ hai, phương
pháp rung phi cộng hưởng 2D được phát triển để nhận ra những rung động trong quá
trình xay xát. Thứ ba rung động hỗ trợ thí nghiệm phay được thực hiện để xác minh
các phương pháp hình thành kết cấu bề mặt được đề xuất và những ảnh hưởng của các
thông số rung và gia công trên kết cấu bề mặt. Cuối cùng chất lượng của bề mặt gia
công với kết cấu bề mặt khác nhau được điều tra để chứng minh việc áp dụng các
phương pháp được đề xuất.
Chen và cộng sự (2018b) đã nghiên cứu về gia công rung hỗ trợ (VAM) là phương
pháp gia cơng bên ngồi để cải thiện q trình loại bỏ vật liệu bởi chồng tần số cao và
biên độ dao động nhỏ vào công cụ hoặc chuyển động phôi. VAM đã được áp dụng cho
một số q trình gia cơng bao gồm cả chuyển mài khoan và gần đây hơn phay có dao
động hỗ trợ (VAMilling). Để tìm ra các phương trình động học cơ bản của 1D và 2D
VAMilling được xây dựng và ba điển hình loại tách cơng cụ phôi được đề xuất.
1.2. Các nghiên cứu trong nước
Cơ cấu đàn hồi có phạm vi ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế sản xuất như: trong
truyền động chính xác (dưới micromet), cơ cấu kẹp hay cơ cấu định vị…Tuy nhiên các

7

hướng nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi cũng như ứng dụng của cơ cấu này ở trong nước
còn nhiều hạn chế có rất ít đề tài nghiên cứu về cơ cấu này và đặc biệt về tài liệu
chuyên khảo về cơ cấu đàn hồi ở Việt Nam còn nhiều hạn chế.
Nhưng đặc biệt 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. Phạm Huy Hoàng và
cộng sự (2008) đã đưa ra thiết kế cơ cấu dẫn động với độ phân giải micron. Năm 2013
một nghiên cứu khác của nhóm tác giả Phạm Minh Tuấn và Phạm Huy Hoàng đã
nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng cơ cấu ăn dao bằng cơ cấu đàn hồi sử dụng trong máy
CNC, nhưng kết quả nghiên cứu chỉ giới hạn ở việc tính tốn, mơ phỏng mà chưa đi
sâu nghiên cứu thực nghiệm Hình 7.

Hình 7. Kết quả mô phỏng cơ cấu
Phạm Huy Tuân và cộng sự (2013) đã ứng dụng cơ cấu đàn hồi vào lĩnh vực cơ
sinh học để phát triển một phương pháp thiết kế mới cùng với một công cụ chế tạo đơn
giản nhằm tạo ra một khớp mắt cá chân giả dựa trên nền tảng của cơ cấu đàn hồi và
giải thuật di truyền. Ưu điểm của khớp chân giả này có cấu tạo ngun khối có khả
năng tích trữ và giải phóng năng lượng tạo, tạo sự linh hoat cho người sử dụng (Hình
7) (Pham et al 2014).

8


Hình 8. Khớp chân giả sử dụng cơ cấu đàn hồi
Nhóm tác giả Phạm Huy Tuân và các cộng sự (2015, 2016) đã cải tiến thành công
khớp mắt các chân giả để tạo khả năng linh hoạt hơn thiết kế trước đó. Đặc điểm của
thiết kế này là sự kết hợp các thanh đàn hồi và các khớp đàn hồi nhằm mục đích tạo
chuyển động linh hoạt hơn bằng cách tạo thêm bậc tự do của khớp và có khả năng tích
trữ, giải phóng năng lượng khi di chuyển như ở Hình 9. Cũng nhóm tác giả Phạm Huy
Tn và các cộng sự (2017) nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công cơ cấu đàn hồi
với lực đầu ra không đổi trong thiết bị đầu cuối cánh tay máy (Hình 10).

Hình 9. Bàn chân giả bằng vật liệu POM

9


Hình 10. Cơ cấu ổn định lực
Năm 2015 cơng trình nhóm tác giả Nguyễn Văn Khiển và các cộng sự (2015) đã
cơng bố. Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về cơ cấu đàn hồi trong thời
gian gần đây, đặc biệt nói về việc sử dụng cơ cấu đàn hồi tạo chuyển động nhỏ cỡ
micro nhằm làm cơ cấu ăn dao chính xác và các phương pháp phân tích cũng như tổng
hợp liên quan đến việc thiết kế cơ cấu dạng này. Ứng dụng này có thể được xem là lần
đầu được nghiên cứu ở trong nước và nếu thành cơng có thể áp dụng vào việc nâng cao
độ chính xác trong gia cơng cơ khí rất hiệu quả
Tóm lại trong các nghiên cứu trong nước và quốc tế, các nghiên cứu này thường sử
dụng các khớp mềm hoặc các thanh đàn hồi để tạo chuyển động với độ chính xác cao.
Nhưng một thách thức của các nhà nghiên cứu là làm sao để tách rời hoàn toàn các
chuyển động theo các phương mong muốn tức là giảm chuyển động theo, độ cứng
vững của kết cấu, độ phức tạp của mơ hình động học đầu ra của cơ cấu, bộ cách ly (cắt
rung động) ở đầu vào và đầu ra của cơ cấu... Vì những lý do trên, nhóm tác giả đề xuất
hướng nghiên cứu của mình là "Nghiên cứu thiết kế và tối ưu hóa cơ cấu chính xác tạo
chuyển động thẳng hai bậc tự do". Mục đích chính của đề tài nhằm: thiết kế một cơ cấu
có độ cứng vững cao hơn, giảm chuyển động theo, cách ly tốt hơn cơ cấu hiện tại có.
Để thực hiện được mục đích trên đề xuất các nhiệm vụ sau:
 Khảo sát bài toán độ khuếch đại của cơ cấu khâu cứng tương đương
 Xây dựng mơ hình toán về sự chuyển vị và tần số tự nhiên của cơ cấu

10

 Xây dựng thuật toán tối ưu hoá đa mục tiêu dựa trên nền giải thuật di truyền có sự
kết hợp hai phầm mềm MATLAB và ANSYS với hai hàm mục tiêu là chuyển vị
lớn nhất và tần số lớn nhất. Điều kiện rằng buộc của bài toán là ứng suất lớn nhất
của cơ cấu max < y/SF và chuyển động ký sinh (chuyển động theo) < 0.1µm.
Các biến thiết kế là kích thước Li của các khâu cứng và bán kính ri, độ dày t của
khớp mềm.
 Thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm cơ cấu.
Trong nghiên cứu này tác giả đã sử dụng nguồn dẫn động có độ chính xác cao như
cơ cấu chấp hành Piezo để dẫn động cơ cấu đàn hồi. Việc sử dụng cơ cấu đàn hồi được
hình thành bởi các khớp đàn hồi và cơ cấu chấp hành piezo có độ phân giải 0.1µm để
nâng cao độ chính xác gia cơng. Với những ưu điểm của cơ cấu đàn hồi và cơ cấu chấp
hành piezo tác giả đã chọn nguồn dẫn động có độ chính xác cao như cơ cấu chấp hành
piezo.
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. Trong đó một số thiết bị máy móc trong sản xuất, chế tạo địi hỏi sự
chính xác cao, phải có chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng. Do đó, việc nghiên cứu ảnh
hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia
cơng có tính thực tiễn trong việc nghiên cứu cải tiến hiệu quả của các phương pháp gia
cơng cắt gọt trong ngành cơ khí chế tạo. Kết hợp dao động với các phương pháp gia
công cắt gọt truyền thống hứa hẹn ngày càng mở rộng và nâng cao năng suất cho các
máy công cụ hiện tại.
Đồng thời, mục đích của phương pháp gia cơng có dao động hỗ trợ xem xét có ảnh
hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Các ứng dụng của cơ cấu đàn hồi và các
phương pháp gia công cắt gọt có kết hợp dao động nhằm giảm thiểu thời gian lắp ráp
của các khâu cứng lại với nhau, loại bỏ được ma sát, tiếng ồn sinh ra khi các khớp hoạt
động. Việc nghiên cứu nâng cao chất lượng chi tiết bằng phương pháp gia công phay
với sự trợ giúp của dao động dựa trên tình hình cơng nghệ trong nước nhằm nâng cao
chất lượng sản phẩm, có tính ứng dụng cao trong thực tiễn.

11


Từ những kết luận và các cơng trình đã cơng bố, rõ ràng đề tài "Nghiên cứu thiết
kế và tối ưu hóa cơ cấu chính xác tạo chuyển động thẳng hai bậc tự do" là một hướng
đi mới và cần thiết để đưa vào ứng dụng rộng rãi cho các thiết bị định vị chính xác
trong cơ khí tại Việt Nam. Đây cũng là tiền đề cho những nghiên cứu ứng dụng tiếp
theo đối với việc nâng cao chất lượng, năng suất,... của sản phẩm cơ khí nói chung.
3. Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Nhiệm vụ của đề tài
Nghiên cứu ảnh hưởng của các cơ cấu đàn hồi và các ứng dụng của cơ cấu đàn
hồi. Các phương pháp gia cơng có dao động hỗ trợ nói chung, đặc biệt là phương pháp
phay có dao động hỗ trợ nói riêng. Sử dụng phần mềm AutoCAD, INVENTOR,
MATLAB, ANSYS để thiết kế, mô phỏng ứng suất, phản lực của thiết kế. Kiểm tra
ứng suất, biến dạng, chuyển vị từ đó điều chỉnh thiết kế cho phù hợp.
3.2. Đối tượng nghiên cứu
 Phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng bề mặt chi tiết gia công.
3.3. Phạm vi nghiên cứu
Trong khả năng có hạn và sự giới hạn về cơ sở vật chất, nhóm tác giả chỉ dừng lại
ở việc ứng dụng cơ cấu đàn hồi chính xác tạo chuyển động thẳng hai bậc tự do áp dụng
vào nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp phay có dao động hỗ trợ đến chất lượng
bề mặt chi tiết gia công 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.
4. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng kết hợp nhiều phương pháp khác nhau như:
 Phương pháp trực tiếp kế thừa những nội dung hợp lý của các cơng trình nghiên
cứu đã được thực hiện.
 Phương pháp phân tích, so sánh một số mẫu thiết kế để chọn ra được mẫu thiết kế
tối ưu nhất.

12