Tài liệu Thiết kế tối ưu cơ cấu đàn hồi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- NGÔ NAM PHƢƠNG THIẾT KẾ TỐI ƢU CƠ CẤU ĐÀN HỒI Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 60 52 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG Công tình đƣợc hoàn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Huy Hoàng. Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Ngọc Phƣơng. Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS Lƣu Thanh Tùng. Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày 18 tháng 1 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1.PGS. TS Nguyễn Hữu Lộc. 2. PGS. TS Trần Doãn Sơn. 3. PGS.TS Nguyễn Ngọc Phƣơng. 4. PGS. TS Lƣu Thanh Tùng. 5. TS. Hồ Triết Hƣng. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Học vi n: Ngô Nam Phƣơng TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ Trang 1 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ t n học vi n: NGÔ NAM PHƢƠNG Ngày, tháng, năm sinh: Chuyên ngành: MSHV: 1570816 Nơi sinh: KON TUM 02/09/1983 mã số: 60 52 01 03 Kỹ Thuật Cơ Khí I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ TỐI ƢU CƠ CẤU ĐÀN HỒI NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thiết kế tối ƣu cơ cấu đàn hồi có chuyển động thẳng có độ khuếch đại lớn hơn 5 và độ dịch chuyển micromet sử dụng trong các cơ cấu dịch chuyển dao máy tiện CNC . II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ........................................................ ................... III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:............................................................... IV.CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): ................................ . PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG . Tp. HCM, ngày ... tháng ... năm 2018 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 2 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG LỜI CẢM ƠN Lời đâu ti n tôi cảm ơn đến Thầy Phạm Huy Hoàng đã giúp đỡ, hƣớng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn này. Thầy tận tình giúp tôi từ viết đề cƣơng đến việc hoàn thành luận văn, cho tôi những lời động viên khi thực hiện đề tài. Sau thời gian học tập, tôi đã tiếp thu đƣợc rất nhiều kiến thức quý báu từ các Thầy Cô để có thể hoàn thành đề tài này và tự tin hơn khi nghi n cứu giải quyết các vấn đề kỹ thuật. Một lần nữa tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Phạm Huy Hoàng và quý Thầy/Cô trong tại trƣờng Đại học Bách Khoa TP HCM, NCS Nguyễn Văn Khiển trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp HCM đã giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cám ơn đến những anh chị, bạn bè và đặc biệt là các thành viên lớp cao học ngành Kỹ Thuật Cơ Khí – Đợt 2/2015 đã cùng chia sẻ giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Và lời cảm ơn cuối cùng, tôi chân thành cảm ơn tất cả những ngƣời thân trong gia đình luôn giúp đỡ, động viên và hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trƣờng Đại học Bách khoa TP.HCM. Chân thành cảm ơn! Học viên Ngô Nam Phƣơng Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 3 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG TÓM TẮT Hiện nay cơ cấu ăn dao của máy tiện CNC sử dụng cơ cấu ăn dao dạng visme đai ốc bi có sai số khoảng 6µm kết hợp với các sai số khác nhƣ sai số do nhiệt độ, sai số do khe hở dọc trục bộ truyền …cơ cấu ăn dao của máy tiện hiện nay có sai số khoảng 10µm. Để thực hiện việc gia công tinh với độ chính xác cao cho các máy tiện CNC việc thiết kế cơ cấu ăn dao mới cho các loại máy này là cần thiết. Với sƣ phát triển của công nghệ piezo actuator với các lớp piezo dãn nở khi đƣợc cung cấp điện áp cho mỗi lớp từ 0.0001đến 0.01µm vì vậy để sử dụng công nghệ này đòi hỏi việc thiết kế 1 cơ cấu đàn hồi có độ khuếch đại để tăng độ phân giải sử dụng trong cơ cấu ăn dao. Từ các yêu cầu tr n đề tài có mục tiêu thiết kế tổng hợp tối ƣu cơ cấu đàn hồi có chuyển động thẳng có độ khuếch đại lớn hơn 5 và độ dịch chuyển micromet sử dụng trong các cơ cấu dịch chuyển dao máy tiện CNC nhằm phục vụ cho việc gia công lần cuối với độ chính xác cao vì cơ cấu đàn hồi có những ƣu điểm mà các cơ cấu khác không có đƣợc nhƣ: nhỏ, gọn, độ cứng vững cao, không có ma sát, không có khe hở, không cần bôi trơn, hoạt động không ồn, phù hợp với môi trƣờng chân không. Từ khóa: cơ cấu đàn hồi, thiết kế tối ƣu, cơ cấu khâu cứng, cơ cấu ăn dao. Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 4 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG ABSTRACT At present, feed drives of the CNC lathe uses feed drives as balls vis-a-vis with an error of about 6μm combined with other errors such as errors due to temperature and gap along the transmission axis. The configuration of the lathe now has an error of about 10μm. In order to perform high-precision machining for CNC lathes, the new knife feeding design for these machines is essential. With the development of piezo actuator technology with expanded piezo layers when supplied with a voltage range of 0.0001 to 0.01μm each, so to use this technology requires the design of a flexure mechanism to increase the resolution used in the knife feeder. From the requirements on the topic, the aim is to design the optimum linear elastic structure with a higher amplitude of 5 and the micrometer displacement used in the CNC turning lathe High-precision machining is required because the elastic structure has advantages that other structures do not have: small, compact, high rigidity, no friction, no gap, no need for lubrication, no noise, suitable for vacuum environment. Keywords: flexure mechanism, optimum design, pseudo rigid body mechanism, feed drives. Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 5 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG LỜI CAM ĐOAN Tôi tên: Ngô Nam Phƣơng MSHV: 1570816 Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào tạo Sau đại hoc, Đại học Bách Khoa Tp.HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “Thiết kế tối ƣu cơ cấu đàn hồi” dƣới sự hƣớng dẫn của Thầy PGS.TS Phạm Huy Hoàng. Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học của tôi, số liệu trong luận văn là thực, thực hiên luận văn đúng theo quy định của phòng Đào tạo sau đại học và theo hƣớng dẫn của Thầy PGS.TS Phạm Huy Hoàng. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu luận văn của mình. Tp. Hồ Chí Minh, tháng năm 2018 Học viên Ngô Nam Phƣơng Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 6 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG MỤC LỤC Chƣơng 1. TỔNG QUAN .................................................................................. 12 1.1. Giới thiệu .........................................................................................................12 1.2. Tình hình các nghiên cứu trên thế giới ............................................................12 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ....................................................................17 1.4. Nhận xét và lý do chọn đề tài: .........................................................................18 1.5. Ý nghĩa và mục tiêu của nghiên cứu ................................................................19 1.5.1. Mục tiêu của nghiên cứu ........................................................................19 1.5.2. Ý nghĩa của nghiên cứu .........................................................................19 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CƠ CẤU ĐÀN HỒI VÀ KHỚP ĐÀN HỒI .......................................................................................................... 20 2.1. Giới thiệu khớp đàn hồi ...................................................................................20 2.1.1. Khớp nối truyền thống ...........................................................................20 2.1.2. Khớp nối đàn hồi ...................................................................................20 2.1.3. Những ƣu điểm của khớp nối đàn hồi: ..................................................21 2.2. Ứng dụng cơ cấu đàn hồi trong truyền động chính xác ...................................22 2.2.1. Cơ cấu đàn hồi .......................................................................................22 2.2.2. Ứng dụng cơ cấu đàn hồi trong truyền động chính xác .........................23 2.3. Khả năng truyền chuyển động của khớp đàn hồi .............................................28 2.4. Độ mềm và độ cứng của khớp đàn hồi ............................................................30 2.4.1. Trƣờng hợp tổng quát ............................................................................30 2.4.2. Trƣờng hợp khớp đàn hồi dạng cung tròn đối xứng ..............................32 Chƣơng 3. THIẾT KẾ CƠ CẤU KHÂU CỨNG ............................................ 34 3.1. Thiết kế lựa chọn cơ cấu khâu cứng ................................................................34 3.2. Phân tích, tông hợp, tối ƣu cơ cấu khâu cứng ..................................................38 Chƣơng 4. THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐÀN HỒI .................................................... 41 Chƣơng 5. TỐI ƢU HÓA THIẾT KẾ ............................................................. 44 5.1. Các biến thiết kế...............................................................................................44 5.2. Các ràng buộc của bài toán tối ƣu ....................................................................45 5.3. Hàm mục tiêu của bài toán tối ƣu ....................................................................46 5.4. Phân tích đánh giá độ nhạy các biến tối ƣu .....................................................46 5.4.1. Ảnh hƣởng của các biến thiết kế đến chuyển vị đầu ra theo trục x .......50 5.4.2. Ảnh hƣởng của các biến thiết kế đến chuyển vị đầu ra theo trục y .......50 5.4.3. Ảnh hƣởng của các biến thiết kế đến ứng suất lớn nhất của cơ cấu. .....51 5.5. Tối ƣu hóa thiết kế ...........................................................................................51 Chƣơng 6. MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU................................ 55 6.1. Mô phỏng hoạt động của cơ cấu ......................................................................55 6.2. Mô phỏng lắp ráp cài đặt cơ cấu. .....................................................................57 Chƣơng 7. KẾT LUẬN ...................................................................................... 59 7.1. Nhận xét và đánh giá nghi n cứu .....................................................................59 7.2. Hƣớng phát triển trong tƣơng lai .....................................................................59 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 60 Phụ lục 1 .......................................................................................................... 63 Phụ lục 2 .......................................................................................................... 69 Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 7 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ Phụ lục 3 Phụ lục 4 Phụ lục 5 GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG .......................................................................................................... 75 .......................................................................................................... 76 .......................................................................................................... 86 Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 8 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG DANH MỤC H NH ẢNH Hình 1.1 Cơ cấu khuếch đại dạng cầu ..................................................................... 13 Hình 1.2 Cơ cấu khuếch đại dạng cầu phức hợp ...................................................... 13 Hình 1.3 Cơ cấu cơ cấu khuếch đai dạng 4 khâu đối xƣng kép, 5 khâu đối xứng và 5 khâu không đối xứng. ............................................................................................... 13 Hình 1.5 Cơ cấu chạy dao đơn và kép của máy phay CNC sử dụng cơ cấu đàn hồi và piezoactuator 14 Hình 1.6 Cơ cấu ăn dao máy tiện sử dụng cơ cấu đàn hồi song song ...................... 15 Hình 1.7 Cơ cấu đàn hồi chuyển động thẳng “proportion” ...................................... 15 Hình 1.8 Cơ cấu đàn hồi khuếch đại dạng 4 khâu .................................................... 16 Hình 1.9 Cơ cấu ăn dao dạng 2 bậc tự do................................................................. 16 Hình 1.10 Cơ cấu khuếch đại dạng đòn bẩy kép ...................................................... 17 Hình1.11 Cơ cấu khuếch đại dạng đòn bẩy vi sai .................................................... 17 Hình 1.12 Cơ cấu ăn dao cho máy tiện EMCO CONCEPT TURN 55 .................... 18 Hình 2.1. Các loại khớp truyền thống ...................................................................... 20 Hình 2.2.. Các loại khớp đàn hồi .............................................................................. 21 Hình 2.3. Sơ đồ minh họa đặc điểm của khớp bản lề truyền thống ......................... 21 Hình 2.4. Khớp bản lề đàn hồi với cấu tạo nguyên khối đồng nhất ......................... 22 Hình 2.5. Những sản phẩm sử dụng khớp đàn hồi trong cơ khí .............................. 22 Hình 2.6. Cơ cấu 4 khâu bản lề dạng truyền thống và dạng sử dụng khớp đàn hồi ..... .......................................................................................................... 23 Hình 2.7. Khớp Cardan dùng khớp nối truyền thống và dùng khớp nối đàn hồi ......... .......................................................................................................... 23 Hình 2.8. Sản phẩm cơ khí đƣợc cải tiến dùng khớp đàn hồi thay khớp bản lề truyền thống .......................................................................................................... 23 Hình 2.9. Cơ cấu đàn hồi trong các sản phẩm MEMS ............................................. 23 Hình 2.10. Cơ cấu chạy dao sử dụng piezo actuator và cơ cấu đàn hồi ................... 24 Hình 2.11: Phân loại khớp nối đàn hồi ..................................................................... 25 Hình 2.12: Dạng mặt cắt của một số loại khớp nối đàn hồi dạng đơn giản ............. 26 Hình 2.13: Các dạng khớp nối đàn hồi đơn giản ...................................................... 27 Hình 2.14: Hình dạng một số loại khớp đàn hồi phức tạp ....................................... 27 Hình 2.15: Khả năng ứng dụng của các loại khớp đàn hồi trong thiết kế ................ 28 Hình 2.16: Phạm vi ứng dụng thực tế của các loại khớp đàn hồi cơ bản ................. 28 Hình 2.17: Mô hình tính toán của khớp đàn hồi....................................................... 29 Hình 2.18: Mô hình khảo sát chuyển động của khớp nối đàn hồi ............................ 29 Hình 2.19: Mô hình hóa khớp đàn hồi dƣới dạng tổ hợp các lò xo.......................... 30 Hình 2.20: Tiết diện khớp đàn hồi trong trƣờng hợp tổng quát ............................... 30 Hình 2.21: Cấu tạo của một khớp bản lề đàn hồi dạng cung tròn đối xứng ............. 32 Hình 3.1. Cơ cấu khuếch đại dạng thanh biến dạng ngang (bulking beam) ............ 34 Hình 3.2. Cơ cấu khuếch đại dạng đòn bẩy .............................................................. 35 Hình 3.3. Cơ cấu khuếch đại dạng 4 khâu đối xứng ................................................ 36 Hình 3.4. Cơ cấu khuếch đại dạng 5 khâu ................................................................ 36 Hình 3.5. Cơ cấu khuếch đại 4 khâu bản lề song song ............................................. 36 Hình 3.7. Cơ cấu khâu cứng ..................................................................................... 38 Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 9 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG Hình 4.2. Cơ cấu đàn hồi chỉ sử dụng kết hợp nhiều loại khớp đàn hồi. ................. 42 . Hình 4.3. Cơ cấu đàn hồi ........................................................................................ 42 Hình 5.1. Sơ đồ các biến thiết kế cơ cấu đàn hồi ..................................................... 45 Hình 5.2 Độ nhạy của các biến thiết kế đối với chuyển vị đầu ra theo trục x.......... 48 Hình 5.3 Độ nhạy của các biến thiết kế đối với chuyển vị đầu ra theo trục y.......... 48 Hình 5.3 Độ nhạy của các biến thiết kế đối với ứng suất lớn nhất........................... 49 Hình 6.1. Chuyển vị theo trục X của cơ cấu............................................................. 55 Hình 6.2. Chuyển vị theo trục Y của cơ cấu............................................................. 56 Hình 6.3. Ứng suất của cơ cấu.................................................................................. 56 Hình 6.4. Đồ thị mối quan hệ giữa chuyển và đầu vào ............................................ 57 Hình 6.5. Mô phỏng lắp ráp của cơ cấu đàn hồi vào cơ cấu ăn dao máy tiện. ......... 58 Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 10 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG DANH MỤC ẢNG IỂU Bảng 3.1 Giới hạn của các biến thiết kế khâu cứng ................................................. 40 Bảng 5.1. Giới hạn của các biến thiết kế .................................................................. 45 Bảng 5.2. Biến thiết kế , biến khảo sat và giới hạn khảo sát. ................................... 47 Bảng 5.2. Biến thiết biến khảo sát và hê số độ nhạy ................................................ 50 Bảng 5.3. Bảng kết quả mô phỏng các lần tối ƣu ..................................................... 53 Bảng 5.4. Kết quả tối ƣu các biến trạng thái và biến mục tiêu................................. 54 Bảng 5.5. Kết quả tối ƣu của của biến thiết kế ......................................................... 54 Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 11 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu Hiện nay cơ cấu ăn dao của máy tiện CNC sử dụng cơ cấu ăn dao dạng vít me đai ốc bi có sai số khoảng 6m kết hợp với các sai số khác nhƣ sai số do nhiệt độ, sai số do khe hở dọc trục bộ truyền …cơ cấu ăn dao của máy tiện hiện nay có sai số khoảng 10m. Để thực hiện việc gia công tinh với độ chính xác cao cho các máy tiện CNC việc thiết kế cơ cấu ăn dao mới cho các loại máy này là cần thiết. Hiện nay với công nghệ piezo với các lớp piezo dãn nở khi đƣợc cung cấp điện áp cho mỗi lớp từ 0.0001đến 0.01m vì vậy để sử dụng công nghệ này đòi hỏi việc thiết kế 1 cơ cấu đàn hồi có độ khuếch đại để tăng độ phân giải sử dụng trong cơ cấu ăn dao. Từ các yêu cầu tr n đề tài có mục tiêu thiết kế tổng hợp tối ƣu cơ cấu đàn hồi có chuyển động thẳng có độ khuếch đại lớn hơn 10 và độ dịch chuyển micromet sử dụng trong các cơ cấu dịch chuyển dao máy tiện CNC nhằm phục vụ cho việc gia công lần cuối với độ chính xác cao vì cơ cấu đàn hồi có những ƣu điểm mà các cơ cấu khác không có đƣợc nhƣ: nhỏ, gọn, độ cứng vững cao, không có ma sát, không có khe hở, không cần bôi trơn, hoạt động không ồn, phù hợp với môi trƣờng chân không. 1.2. Tình hình các nghiên cứu trên thế giới Năm 1996, Qingsong Xu thiết kế tổng hợp tối ƣu cơ cấu đàn hồi chuyển đông thẳng dùng cơ cấu khuếch đại dạng cầu với độ cứng vững và độ khuếch đại nhỏ . Sau đó phát triển thành dạng cầu phức hợp vào năm 2010[18] Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 12 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG Hình 1.1 Cơ cấu khuếch đại dạng cầu Hình 1.2 Cơ cấu khuếch đại dạng cầu phức hợp Với hệ số khuếch đai lớn hơn 12 với độ lớn dịch chuyển milimet có độ cứng khoảng 9N/m . Tháng 10 năm 2008, nhóm tác giả P. R. Ouyang , W. J. Zhang &M. M. Gupta [19] thiết kế tổng hợp tối ƣu cơ cấu đàn hồi chuyển động thẳng sử dụng cơ cấu khuếch đai dạng 4 khâu đối xƣng kép, 5 khâu đối xứng và 5 khâu không đối xứng. Hình 1.3 Cơ cấu cơ cấu khuếch đai dạng 4 khâu đối xưng kép, 5 khâu đối xứng và 5 khâu không đối xứng. Với độ khuếch đại từ 15 đến 25 độ lớn dịch chuyển micromet. Tháng 12 năm 2000 nhóm tác giả Jun Ni and Zhenqi Zhu thiết kế cơ cấu dẫn động thẳng độ chính xác cao với độ phân giải 0.005 m theo độ cứng. [20] Tháng 10 năm 2002 nhóm tác giả Jun Hyung Kim, Soo Hyun Kim, and Yoon Keun Kwak thiết kế cơ cấu dịch chuyển thẳng dạng cầu không gian hình 1.4: Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 13 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG Hình 1.4 Cơ cấu cơ cấu khuếch đai dạng cầu không gian Cơ cấu có độ phân giải 20 nm có hệ số khuếch đại 2-3 độ dịch chuyển micromet [21]. Tháng 2 năm 2005 nhóm tác giả A.T. Elfizy, G.M. Bone and M.A. Elbestawi thiết kế cơ cấu chạy dao đơn và kép cho máy phay CNC. [22]. Hình 1.5 Cơ cấu chạy dao đơn và kép của máy phay CNC sử dụng cơ cấu đàn hồi và piezoactuator Tháng 2 2008 nhóm tác giả Y.Tian,B.Shirinzadeh,D.Zhang thiết kế cơ cấu đàn hồi dùng cho cơ cấu ăn dao tinh máy tiện sử dụng cơ cấu đàn hồi song song. Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 14 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG Hình 1.6 Cơ cấu ăn dao máy tiện sử dụng cơ cấu đàn hồi song song Cơ cấu không có hệ số khuếch đại nhƣng làm tăng các chỉ tiêu về độ cứng, thời gian đáp ứng, thời gian trễ của cơ cấu [23]. Tháng 5 năm 2013 nhóm tác giả Qiaoling Meng , Yangmin Li Jia Xu thiết kế mô phỏng và tổng hợp tối ƣu cơ cấu đàn hồi chuyển động thẳng có kết cấu và hình dạng nhƣ hình : 1.7 [24] Hình 1.7 Cơ cấu đàn hồi chuyển động thẳng “proportion” Cơ cấu có độ khuếch đại gần bằng 5 sử dụng khớp đàn hồi dạng corner-filleted flexure hinge. Dùng trong các cơ cấu khuếch đại dùng trong máy móc yêu cầu độ chính xác cao. Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 15 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG Tháng 9 2013 nhóm tác giả Kyung Shin Kang, Young Hun Jeong Jung Min Hong,Woon-Jae Yong, Jong-Won Rhie, Dong-Woo thiết kế cơ cấu đàn hồi dạng 4 khâu nhƣ hình: Hình 1.8 Cơ cấu đàn hồi khuếch đại dạng 4 khâu Cơ cấu có hệ số khuếch đại khoảng 7. Có độ lớn dịch chuyển nhỏ (khoảng 10m) và độ cứng thấp.[25] 10 năm 2013 nhóm tác giả Zhiwei Zhu, Xiaoqin Zhou, Dan Luo, and Qiang Liu Thiết kế cơ cấu ăn dao cho máy tiện có cấu tạo và nguy n lý nhƣ hình 1.9 Hình 1.9 Cơ cấu ăn dao dạng 2 bậc tự do. Cơ cấu có khả năng di chuyển theo 2 chiều. Chiều z có thể di chuyển 27.03 m độ phân giải 14 nm. Chiều x từ -8.37 m đến 7.544m và độ phân giải 8nm [26]. Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 16 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG Tháng 10 2015 LU Qian thiết kế tổng hợp tối ƣu cơ cấu đàn hồi di chuyển thẳng sử dụng cơ cấu khuếch đại kiểu đòn bẩy kép[27] Hình 1.10 Cơ cấu khuếch đại dạng đòn bẩy kép Với hệ số khuếch đại từ 6,28 đến 8,96 làm việc với độ lớn dịch chuyển khoảng 0.88m đến 1.42m. 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Nhóm tác giả Phạm Huy Hoàng , Trần Văn Thùy, “thiết kế hình dạng và mô phỏng hoạt động của cơ cấu dẫn động sử dụng cơ cấu khuếch đại vi sai với độ phân giải micron”, [2] với độ khuếch đại 9,53 và dộ phân giải từ 0,5-1m. Hình1.11 Cơ cấu khuếch đại dạng đòn bẩy vi sai Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 17 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG Nhóm tác giả Phạm Minh Tuấn- Phạm Huy Hoàng “ Design and simulation of high precision feed drive for CNC turning machine.” Thiết kế cơ cấu ăn dao cho máy tiện EMCO CONCEPT TURN 55 có hình dạng nhƣ hình : 1.8 Hình 1.12 Cơ cấu ăn dao cho máy tiện EMCO CONCEPT TURN 55 Cơ cấu có hệ số khuếch đại khoảng bằng 2 chuyển vị lớn nhất của cơ cấu bằng 0,16 mm độ phân giải 6,91.10-9m, tối ƣu cơ cấu theo trọng lƣợng [5]. 1.4. Nhận xét và lý do chọn đề tài: Với nhiều ƣu điểm lớn trong truyền chuyển động chính xác nên việc sử dụng cơ cấu đàn hồi trong gia công chính xác là rất phù hợp. Cụ thể, nếu nguồn chuyển động đầu vào có độ chính xác cao, chẳng hạn sử dụng piezo actuator, qua cơ cấu đàn hồi để truyền và biến đổi chuyển động thì đầu ra có thể đạt đƣợc độ chính xác vị trí rất cao. Do đó, vấn đề nghiên cứu cơ cấu chạy dao trong máy tiện sử dụng cơ cấu đàn hồi và piezoactuator là rất quan trọng và mang nhiều ý nghĩa thực tiễn. Tuy nhiên, với khả năng truyền chuyển động nhỏ và chính xác n n cơ cấu chạy dao sử dụng cơ cấu đàn hồi và piezo actuator chỉ nên sử dụng trong gia công tinh. Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 18 MSHV: 1570816 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG Trong tình hình sản xuất cơ khí của Việt Nam, các máy công cụ và máy CNC đƣợc sử dụng phổ biến hầu hết là thế hệ cũ, độ chính xác thấp nên chất lƣợng sản phẩm không cao. Do đó, việc sử dụng cơ cấu chạy dao ứng dụng cơ cấu đàn hồi để gia công tinh có thể cải thiện đƣợc chất lƣợng sản phẩm mà mức đầu tƣ không cao, không cần mua máy móc – thiết bị thế hệ mới, tận dụng đƣợc các máy móc thế hệ cũ mà vẫn có thể chế tạo đƣợc sản phẩm có độ chính xác cao với giá thành rẻ. 1.5. Ý nghĩa và mục tiêu của nghiên cứu 1.5.1. Mục tiêu của nghiên cứu - Thiết kế, tối ƣu cơ cấu đàn hồi có chuyển động thẳng dùng trong cơ cấu ăn dao tinh sử dung piezoactuator có độ khuếch đại lớn hơn 10 . - Thiết kế cơ cấu có độ dịch chuyển micron. - Thiết kế cơ cấu có độ khuếch đại out/in>10. - Sử dụng cơ cấu đàn hồi (Flexure). - Cơ cấu có kích thƣớc 100x100mm - Tối ƣu hóa hình dáng và kích thƣớc cơ cấu theo độ cứng (chuyển vị kí sinh nhỏ nhất). 1.5.2. Ý nghĩa của nghiên cứu - Ý nghĩa khoa học của luận văn Ứng dụng cơ sở lý thuyết của cơ cấu đàn hồi, đặc điểm, tính năng của piezoactuator tính toán thiết kế cơ cấu chạy dao chính xác. - Thiết kế và mô phỏng hoạt động của cơ cấu chạy dao chính xác. - Tối ƣu hóa cơ cấu hình dạng và kích thƣớc của cơ cấu theo độ cứng (chuyển vị kí sinh nhỏ nhất) Luận văn là cơ sở để chế tạo thử nghiệm cơ cấu chạy dao chính xác theo đúng tính toán thiết kế Là cơ sở thiết kế đồ gá để lắp đặt cơ cấu chạy dao chính xác lên máy CNC thực tế. Học vi n: Ngô Nam Phƣơng Trang 19 MSHV: 1570816