Luận văn Nghiên cứu ứng dụng cơ cấu ðàn hồi với lực ðầu ra không ðổi trong thiết bị ðầu cuối cánh tay máy (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu ứng dụng cơ cấu ðàn hồi với lực ðầu ra không ðổi trong thiết bị ðầu cuối cánh tay máy (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HÀ NGỌC HIẾU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠ CẤU ÐÀN HỒI VỚI LỰC ÐẦU RA KHÔNG ÐỔI TRONG THIẾT BỊ ÐẦU CUỐI CÁNH TAY MÁY NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 5 0 6 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ NGUYỄN HÀ NGỌC HIẾU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI VỚI LỰC ĐẦU RA KHÔNG ĐỔI TRONG THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI CÁNH TAY MÁY NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ NGUYỄN HÀ NGỌC HIẾU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠ CẤU ĐÀN HỒI VỚI LỰC ĐẦU RA KHÔNG ĐỔI TRONG THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI CÁNH TAY MÁY NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. PHẠM HUY TUÂN Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ và Tên: Nguyễn Hà Ngọc Hiếu Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh : 10/09/1984 Nơi sinh : Long An Quê quán : Long An Dân tộc : Kinh Địa chỉ liên lạc: 713/6 Lê Đức Thọ, Phường 16, Quận Gò Vấp, TP.HCM Điện thoại: 0979035057 Email: hieunguyen138@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo: từ 2010 đến 2012 Nơi học (trường, thành phố) : Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Ngành học: Công Nghệ Cơ Khí Nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp : bảo vệ đồ án tốt nghiệp 07/2012 tại trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Người hướng dẫn : Hoàng Công Học Thạc sỹ Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo: từ 05/2014 đến 04/2016 Nơi học (trường, thành phố) : Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí Tên luận văn : Nghiên cứu ứng dụng cơ cấu đàn hồi với lực đầu ra không đổi trong thiết bị đầu cuối cánh tay máy Ngày & nơi bảo vệ luận văn tốt nghiệp 29/04/2016 tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Người hướng dẫn : TS. Phạm Huy Tuân i
5. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công ty TNHH Thương Mại Từ 2012 - 2013 Nhân viên kỹ thuật Dịch Vụ Tân Hiệp Phát Công ty TNHH Tia Chớp Từ 2013 tới nay Nhân viên kỹ thuật Việt Học cao học tại Trường Đại Từ 05/2014 – 04/2016 Học viên cao học Học SPKT TP .HCM IV. CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI [1]. Phạm Huy Tuân, Nguyễn Hà Ngọc Hiếu, Lê Minh Nhật, “Nghiên cứu thiết kế cơ cấu đàn hồi với lực đầu ra không đổi ứng dụng trong thiết bị đầu cuối cánh tay máy”, Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí (lần thứ IV), TP.HCM 06/11/2015, trang 79-86. ii
6. 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 24 tháng 03 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Hà Ngọc Hiếu iii
7. LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường. Cảm ơn quý Thầy, Cô Phòng Đào tạo sau đại học và Khoa Cơ Khí Máy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đối với Thầy TS. Phạm Huy Tuân đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Cảm ơn em Lê Trung Hậu và Võ Xuân Vũ với sự giúp đỡ của hai em trong việc thiết kế, chế tạo máy thí nghiệm đàn hồi cũng như quá trình kiểm tra thực nghiệm cho cơ cấu. Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ, động viên và truyền cảm hứng cho em hoàn thành tốt luận văn này. Nguyễn Hà Ngọc Hiếu iv
8. TÓM TẮT Điều chỉnh lực trong quá trình làm việc của thiết bị đầu cuối cánh tay máy luôn là một thách thức với những nhà thiết kế robot. Bên cạnh đó việc phải sử dụng một hệ thống cảm biến lực làm cho cơ cấu càng thêm phức tạp cũng như đẩy cao chi phí. Cơ cấu đàn hồi với lực đầu ra không đổi đã được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới với rất nhiều hướng ứng dụng. Tuy nhiên tại Việt Nam các công trình nghiên cứu về dạng cơ cấu này ứng dụng trong chế tạo robot vẫn còn chưa nhiều. Đề tài này tập trung nghiên cứu phương pháp thiết kế một cơ cấu đàn hồi với lực đầu ra không đổi có thể tích hợp vào thiết bị đầu cuối cánh tay máy. Cơ cấu này tận dụng được rất nhiều ưu điểm của cơ cấu đàn hồi như: kích thước nhỏ gọn, loại bỏ được ma sát và mài mòn, giảm chi phí lắp ráp, bảo trì. Thiết kế của cơ cấu được cụ thể hóa dựa trên cơ sở tối ưu hóa hình dạng các đường cong tham số côsin và Bezier trên nền giải thuật di truyền. Trên cơ sở kết quả của quá trình thiết kế tối ưu tác giả đã tiến hành chế tạo mô hình cơ cấu và máy thí nghiệm đàn hồi được tác giả lựa chọn để kiểm tra thực nghiệm. Kết quả của đề tài sẽ hỗ trợ đẩy mạnh hơn nữa việc ứng dụng cơ cấu đàn hồi trong thiết kế robot cũng như các lĩnh vực khác của ngành cơ khí và tự động hóa. Từ khóa: cơ cấu đàn hồi, lực đầu ra không đổi, tối ưu hóa hình dạng, đường cong Bezier. v
9. ABSTRACT Force regulation during operation of a robot end-effector is always a challenge for engineers. The use of sensor systems makes the mechanism both complicated and cost intensive. Compliant constant-force mechanism (CFM) has been widely studied with various applications. However, in Vietnam, the study of these structures is not much. This study demonstrates the design methodology for a compliant CFM which could be integrated into a robot end-effector. This design takes a lot of advantages from the compliant mechanism: minimization, no friction and abrasion, cost reduction for assembly and maintenance. The design process is implemented via a shape optimization scheme using parameter Bezier curves and cosine curves and genetic algorithm. Based on the optimum design, a prototype of the CFM was fabricated using the CNC milling machining method. In order to verify for the simulated results, an experiment was also set up. The measured results shows good agreement with the calculated force - displacement curve. The results of the research will facilitate the application of compliant mechanism in robot design and some other fields of automation and mechanical engineering. Keywords: Compliant mechanism, constant-force mechanism, shape optimization, Bezier curve. vi
10. MỤC LỤC Mục lục Trang Quyết định giao đề tài Giấy xác nhận của GVHD Lý lịch khoa học i Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Abstract vi Mục lục vii Danh sách chữ viết tắt x Danh mục các bảng xi Danh mục các hình xii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1 1.1.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1 1.1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước 1 1.1.1.2 Các nghiên cứu trong nước 4 1.1.2 Định nghĩa cơ cấu 6 1.1.3 Cơ cấu có lực đầu ra không đổi 7 1.2 Tính cấp thiết của đề tài 10 1.3 Mục đích của đề tài 11 1.4 Nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11 1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài 11 1.4.2 Đối tượng nghiên cứu 11 1.4.3 Phạm vi nghiên cứu 12 1.5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 12 1.5.1 Cách tiếp cận 12 vii
11. 1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 12 1.6 Hiệu quả trong giáo dục đào tạo và kinh tế - xã hội 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Đường cong tham số Bezier 14 2.1.1 Dạng tổng quát đường cong Bezier 14 2.1.2 Đường cong Bezier bậc nhất 14 2.1.3 Đường cong Bezier bậc hai 15 2.1.4 Đường cong Bezier bậc ba 15 2.1.5 Dạng ma trận 17 2.1.6 Các tính chất của đường cong Bezier 18 2.2 Tổng quát về Abaqus 18 2.2.1 Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 18 2.2.2 Các bước giải bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 20 2.2.3 Lực, ứng suất và chuyển vị 20 2.2.4 Giới thiệu về Abaqus 21 2.2.5 Các cửa sổ chính ABAQUS/CAE 22 2.3 Tối ưu hóa hình dạng 25 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 26 3.1 Yêu cầu thiết kế 26 3.2 Phương án thiết kế 26 3.2.1 Phương án 1 26 3.2.2 Phương án 2 27 3.3 Lựa chọn phương án 29 3.4 Lựa chọn vật liệu 29 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ TỐI ƯU 31 4.1 Nguyên lý hoạt động 31 4.2 Thiết kế và tối ưu 32 4.2.1 Thiết kế 32 4.2.2 Tối ưu 37 viii
12. 4.3 Kết quả mô phỏng 40 CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO – KIỂM TRA VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG 45 5.1 Chế tạo 45 5.1.1 Vật liệu 45 5.1.2 Chế tạo 46 5.2 Kiểm tra 48 5.2.1 Máy thí nghiệm cơ cấu đàn hồi 48 5.2.2 Kiểm tra 49 5.3 Hướng ứng dụng 52 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 56 6.1 Kết luận 56 6.2 Hướng phát triển của đề tài 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 1 : Thông số kỹ thuật của vật liệu POM 61 PHỤ LỤC 2 : Thông số kỹ thuật của loadcell 62 PHỤ LỤC 3 : Các công bố liên quan đến đề tài 63 ix
13. S K L 0 0 2 1 5 4