Luận văn Nghiên cứu về động lực học cơ cấu compliant với lực đầu ra không đồi (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu về động lực học cơ cấu compliant với lực đầu ra không đồi (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 LÊ HOÀI NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU COMPLIANT VỚI LỰC ĐẦU RA KHÔNG ĐỒI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 0 4 3 2 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN : LÊ HOÀI NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU COMPLIANT VỚI LỰC ĐẦU RA KHÔNG ĐỒI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 /2014
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN : LÊ HOÀI NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU COMPLIANT VỚI LỰC ĐẦU RA KHÔNG ĐỒI NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ HƯỚNG DẪN KHOA HOC TS. VĂN HỮU THỊNH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 /2014
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Lê Hoài Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19/05/1989 Nơi sinh: Long An Quê quán: Long An Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 255/16, ấp Hòa Thuận II, xã Trường Bình, huyện Cần Giuộc, tỉnh Long An. Điện thoại: 0169.524 9188 E-mail: lehoai@dongan.edu.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2007 đến 2012 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật TpHCM Ngành học: Thiết Kế Máy. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Tính Toán, Thiết Kế, Mô Phỏng Máy Kiểm Định Độ Bền Khung Xe Đạp. Người hướng dẫn: TS. Văn Hữu Thịnh. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2012 Công ty Cổ Phần Vĩnh Phú Lập trình - Vận hành CNC. Trường Cao đẳng nghề Công nghệ 2012 - Nay Giảng viên khoa Cơ khí cao Đồng An i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Lê Hoài ii
6. CẢM TẠ Em xin chân thành cám ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy Văn Hữu Thịnh, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, thầy đã xây dựng con đường và định hướng lối đi rất rõ ràng giúp em tìm tòi học hỏi và nghiên cứu mảng đề tài này, thầy luôn tạo những điều kiện tốt nhất để em có thể hoàn thành luận văn này. Cuối cùng em xin cám ơn tất cả những người bạn đồng nghiệp trường Cao Đẳng Nghề Công Nghệ Cao Đồng An đã đồng hành và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. iii
7. TÓM TẮT Luận văn xây dựng phương trình động lực học cơ cấu dựa trên việc phân tích cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi thông qua phương pháp sử dụng mô hình giả cứng cơ cấu. Dựa vào phương trình nêu trên, xây dựng và tìm ra được mối quan hệ mật thiết giữa vị trí chuyển vị con trượt theo thời gian; mối quan hệ giữa giá trị lực theo thời gian; chứng minh được lực đầu ra không đổi của cơ cấu Compliant được nghiên cứu. Để tìm được các mối quan hệ rõ ràng và cụ thể nêu trên là thành quả của việc xây dựng và thiết lập chương trình dựa vào phần mềm Matlab; việc xây dựng thành công chương trình cũng tạo cơ hội trong việc thay đổi các điều kiện thông số để tạo ra kết quả về lực theo mong muốn từ đó sẽ tạo tiền đề cho việc thiết kế và chế tạo ra các cơ cấu Compliant có lực đầu ra phù hợp với yêu cầu sử dụng, mang lại hiệu quả kinh tế và tính ứng dụng cao trong thực tế. Chúng ta sẽ xây dựng thêm nhiều cơ sở lý thuyết vững chắc có thể áp dụng thực tiễn không cần thông qua phương pháp thử và sai . Đây chính là kết quả mong muốn khi thực hiện đề tài. iv
8. ABSTRACT This thesis constructes a kinetic equation of the mechanism Compliant mechanism based on structural analysis Compliant with constant output force through methods using pseudo body model. This thesis will build and find a close relationship between the position slider switch over time; the relationship between human values over time; also study about the frequency power structure that has the most stable value. To find the relationship clearly and specifically mentioned above is the result of the construction and set up programs based on Matlab software; successful building programs are also creating conditions in changing conditions parameters to create the results desired force which will set the stage for the design and engineering of the structure with its Compliant output suitable for use request, brought economic efficiency and high applicability in industrial. We will build more solid theoretical that can be applied into practice without going through trial and error method. That is the goal of doing this research. v
9. MỤC LỤC GIẤY GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC BẢNG ix DANH SÁCH CÁC HÌNH x Chương 1 1 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU COMPLIANT 1 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1 1.1.1 Cơ cấu Compliant và mô hình giả cứng các khâu cơ cấu 1 1.1.2. Cơ cấu có lực đầu ra không đổi 5 1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước. 6 1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước 6 1.2.2 Các nghiên cứu trong nước. 8 1.3. Hướng nghiên cứu 9 1.3.1. Phân tích. 9 1.3.2. Nhận định và đề xuất hướng nghiên cứu 9 1.3.2.1. Nhận định 9 1.3.2.2. Đề xuất hướng nghiên cứu 10 1.4. Mục đích, nhiệm vụ và giới hạn đề tài. 10 1.4.1. Mục đích của đề tài 10 1.4.2. Nhiệm vụ đề tài và giới hạn đề tài 10 1.5. Phương pháp nghiên cứu 11 CHƯƠNG 2 13 vi
10. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 Giới thiệu chung 13 2.2. Phương trình Lagrange 13 2.3. Phương pháp giả cứng cơ cấu. 15 2.4. Phân tích động lực học cơ cấu 18 2.4.1. Phân tích vị trí của cơ cấu 18 2.4.2. Phân tích vận tốc cơ cấu 20 2.4.3. Phân tích gia tốc của cơ cấu 21 2.4.4. Xây dựng phương trình thế năng cho vật thể 22 2.4.5. Xây dựng phương trình động năng cho vật thể 23 2.4.6 . Xây dựng phương trình Lagrange 24 Chương 3 26 XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CÂU COMPLIANT VỚI LỰC ĐẦU RA KHÔNG ĐỔI 26 3.1 Cấu trúc cơ cấu compliant có lực đầu ra không đổi 26 3.2 Xây dựng phương trình động lực học cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi nhóm 1A-d. 27 3.2.1 Mô hình giả rắn vật thể 28 3.2.2. Phân tích động lực học mô hình giả cứng cơ cấu compliant có lực đầu ra không đổi. 30 3.3 Xây dựng phương trình động lực học cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi nhóm 1B-g. 33 Chương 4 36 MÔ PHỎNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU COMPLIANT CÓ LỰC ĐẦU RA KHÔNG ĐỔI 36 4.1. Mô hình hóa cơ cấu 36 4.2. Xác định mối quan hệ các thông số cơ cấu nhóm 1A-d. 36 4.2.1. Mối quan hệ giữa vị trí xb(t) và thời gian. 37 4.2.2.Mối quan hệ giữa lực F(t) và thời gian 39 vii
11. 4.2.3. Mối quan hệ giữa Fb(t) và vận tóc góc (rad/s). 41 4.2.4. Xác định mối quan hệ giữa vị trí xb(t) và lực F(N). 47 4.2.5. Kết luận 48 4.3. Xác định mối quan hệ các thông số động lực học cơ cấu nhóm 1B - g. 48 4.3.1. Mối quan hệ giữa vị trí xb(t) và thời gian. 49 4.3.2. Mối quan hệ giữa lực F(t) và thời gian 50 4.3.3.Mối quan hệ giữa lực F(t) và vận tốc góc 52 4.4. So sánh lực cơ cấu nhóm 1B-g và nhóm 1A-d 57 4.5 Kết luận 60 Chương 5 61 KẾT LUẬN 61 5.1. Kết luận 61 5.2. Kiến nghị 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 66 viii
12. DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 4.1: Thông số của cơ cấu nhóm 1A-d được xác định theo [8] 37 Bảng 4.2: Hệ thống giá trị lực ứng với các vận tốc góc khác nhau. 46 Bảng 4.3: Thông số cơ cấu nhóm 1B-g được xác định [8] 48 ix
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Trang Hình 1.1: Động cơ đốt trong 1 Hình 1.2: Kiềm bấm 2 Hình 1.3: Cơ cấu Compliant dùng để kẹp 2 Hình 1.4: Các dạng khác cơ cấu Compliant 3 Hình 1.5: Cơ cấu Compliant(a), Cơ cấu cứng thông thường (b) 3 Hình 1.6: Cơ cấu Compliant có trong máy cắt thủy tinh 5 Hình 1.7: Cơ cấu Compliant 6 Hình 1.8: Cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi khi tách rời 7 Hình 1.9: Cơ cấu 4 khâu bản lề (rigid-body mechanisms) 8 Hình 1.10: Cơ cấu Compliant 9 Hình 2.1: Mô hình giả cứng điển hình 16 Hình 2.2: Khâu đàn hồi (a), Mô hình giả cứng (b) 17 Hình 2.3: Cơ cấu Compliant (a) , mô hình giả cứng cơ cấu (b) 17 Hình 2.4: Cơ cấu giả cứng về dạng cơ cấu tay quay con trượt . 18 Hình 2.5: Vòng lặp vector vị trí 19 Hình 2.6: Động năng vật thể 23 Hình 3.1: Cơ cấu compliant có lực đầu ra không đổi 26 Hình 3.2: Tổng hợp cơ cấu Compliant có lực đầu ra không đổi 27 Hình 3.3: Cơ cấu Compliant 28 Hình 3.4: Cơ cấu nhóm 1A-d 28 Hình 3.5: Mô hình giả cứng cơ cấu nhóm 1A-d 29 Hình 3.6: Cơ cấu Compliant nhóm 1B-g (a), mô hình giả cứng (b) 34 Hình 4.1: Mô hình giả cứng cơ cấu nhóm 1A-d 37 Hình 4.2: Mối quan hệ giữa vị trí và thời gian 38 Hình 4.3: Mối quan hệ giữa vị trí và vận tốc góc 39 x
14. Hình 4.4: Mối quan hệ giữa lực và thời gian 40 Hình 4.5: Mối quan hệ giữa lực và vận tốc góc 41 Hình 4.6: Biểu đồ lực với = 2.09( rad/s) 42 Hình 4.7: Biểu đồ lực với = 4.19(rad/s) 42 Hình 4.8: Biểu đồ lực với = 7.33(rad/s) 43 Hình 4.9: Biểu đồ lực với = 10.47(rad/s) 43 Hình 4.10: Biểu đồ lực với = 20.94 (rad/s) 44 Hình 4.11: Biểu đồ lực với = 31.42 (rad/s) 44 Hình 4.12: Biểu đồ lực với = 52.36 (rad/s) 45 Hình 4.13: Biểu đồ lực với =73.3 (rad/s) 45 Hình 4.14: Biểu đồ lực với = 94.25 (rad/s) 46 Hình 4.15: Biểu đồ thể hiện sự không đổi lực đầu ra của cơ cấu. 47 Hình 4.16: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa lực và vị trí chuyển vị 47 Hình 4.17: Mô hình giả rắn cơ cấu Compliant nhóm 1B-g 48 Hình 4.18: Mối quan hệ giữa vị trí và thời gian 49 Hình 4.19: Mối quan hệ giữa vị trí và vận tốc góc 50 Hình 4.20: Mối quan hệ giữa lực và thời gian 51 Hình 4.21: Mối quan hệ giữa lực và vận tốc góc 52 Hình 4.22: Biểu đồ lực với = 2.09( rad/s) 53 Hình 4.23: Biểu đồ lực với = 4.19(rad/s) 53 Hình 4.24: Biểu đồ lực với = 7.33(rad/s) 54 Hình 4.25: Biểu đồ lực với = 10.47(rad/s) 54 Hình 4.26: Biểu đồ lực với = 20.94 (rad/s) 55 Hình 4.27: Biểu đồ lực với = 31.42 (rad/s) 55 Hình 4.28: Biểu đồ lực với = 52.36 (rad/s) 56 Hình 4.29: Biểu đồ lực với = 73.3(rad/s) 56 Hình 4.30: Biểu đồ lực với = 94.25 (rad/s) 57 Hình 4.31: Biểu đồ lực với = 2.09 (rad/s) 58 Hình 4.32: Biểu đồ lực với = 4.19 (rad/s) 58 xi
15. Hình 4.33: Biểu đồ lực với = 10.47 (rad/s) 59 Hình 4.34: Biểu đồ lực với = 52.36 (rad/s) 59 Hình 4.35: Biểu đồ lực với = 94.25 (rad/s) 60 xii
16. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU COMPLIANT 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1.1.1 Cơ cấu Compliant và mô hình giả cứng các khâu cơ cấu Cơ cấu ( mechanism) là thiết bị cơ khí được sử dụng để truyền chuyển động, lực hoặc năng lượng. Các cơ cấu truyền thống bao gồm các khâu cứng nối với nhau bằng các khớp động ví dụ như ở hình 1.1 là 1 phần của động cơ đốt trong. Ở đây chuyển động tịnh tiến của đầu vào được biến đổi thành chuyển động quay của đầu ra và lực đầu vào được biến đổi thành mô men xoắn ờ đầu ra. Hình 1.1: Động cơ đốt trong Một ví dụ khác đó là kiềm bấm (hình 1.2) Cơ cấu này dùng để truyền năng lượng đầu vào thành năng lượng đầu ra. Vì năng lượng được bảo toàn (bỏ qua mất mát năng lượng do ma sát) nên lực đầu ra có thể lớn hơn nhiều so với lực đầu vào 1
17. nhưng chuyển vị (chuyển động, dịch chuyển) đầu ra là nhỏ hơn nhiều so với chuyển vị đầu vào. Hình 1.2: Kiềm bấm Cơ cấu Compliant dùng để truyền chuyển động, lực hoặc năng lượng như cơ cấu cứng (rigid-body mechanisms). Điểm khác biệt là cơ cấu Compliant đạt được một số chuyển động tối thiểu là nhờ độ võng của các khâu đàn hồi hơn là từ các khớp động. Ví dụ cơ cấu Compliant dùng để kẹp. Hình 1.3: Cơ cấu Compliant dùng để kẹp 2
18. Hình 1.4: Các dạng khác cơ cấu Compliant Ưu điểm của cơ cấu Compliant: Giảm rất nhiều số lượng chi tiết máy trong cơ cấu. Giảm thời gian chế tạo, thời gian lắp ráp. Giảm giá thành. Giảm dạng hỏng mòn và giảm yêu cầu bôi trơn các chi tiết máy. Giảm trọng lượng của toàn cơ cấu. Từ hình 1.5 là 2 phương án thiết kế, chế tạo 2 dạng cơ cấu cứng và cơ cấu Compliant để minh họa cho các ưu diểm cùa cơ cấu Compliant đã được nêu ra. (a) (b) Hình 1.5: Cơ cấu Compliant(a), Cơ cấu cứng thông thường (b) 3
19. Sự xuất hiện của các mô hình giả cứng vật thể trong những năm gần đây trùng với quá trình xây dựng thực hiện các cơ cấu Compliant trong kỹ thuật. Ngay cả một khảo sát nhanh tại thế giới tự nhiên cho thấy sức mạnh và tính ưu việt của cơ cấu Compliant, chẳng hạn như sự chuyển động linh hoạt cánh của một con ong hoặc ruồi, hay tính linh hoạt của bàn tay con người và cổ tay (Vogel, 1995). Tuy nhiên, về bản chất là rất khó khăn cho việc để bắt chước bởi vì các phân tích phi tuyến phức tạp cần thiết để có thể hiểu được tất cả những động tác nhỏ đó. Mô hình giả cứng khâu cơ cấu là một phương pháp giúp phá vỡ một số khó khăn trong những trở ngại phát sinh khi cơ cấu compliant được đưa vào các thiết bị cơ khí. Nó cung cấp cho ta một cơ sở căn bản để so sánh giữa thiết kế chỉ bằng phương cách thử và sai, từ đó đề ra các công thức toán học chính xác. Cơ cấu Compliant là cơ cấu mà có được một số hoặc tất cả các chuyển động của cơ cấu nhờ vào độ võng của các khâu đàn hồi. Trong lịch sử, phương pháp phổ biến nhất của thiết kế cơ cấu Compliant đã được sử dụng là phương pháp thử và sai. Tuy nhiên, quan niệm của giả cứng vật thể trong kỹ thuật đã mở đường thành công cho các thiết kế đơn giản và là nền tảng để phân tích của nhiều cơ cấu phù hợp khác.Tiền đề của mô hình giả cứng cơ cấu là nhiều cơ cấu tương thích với các hoạt động đầy đủ tương tự như một cơ cấu cứng cho cơ cấu tương ứng, làm cho nó có thể thực hiện các phân tích trên cơ cấu giả cứng của cơ cấu thay thế. Phương pháp giả cứng cơ cấu, nó tương đồng với cơ cấu Compliant được hiểu rõ và giúp dễ dàng để có được các phân tích thông thường. Giả định mô hình giả cứng sẽ tuân thủ khá tốt các chuyển động thực tế của một loạt các cơ cấu Compliant. Mô hình giả cứng đã được sử dụng gần như dành riêng cho thiết kế động học và mô hình hóa. Trong thực tế là các mô hình giả cứng đã có một quá trình nghiên cứu và đã được chứng minh như một dự báo đáng tin cậy của chuyển động cho cơ cấu phù hợp (Millar và cộng sự, 1996. Howell và cộng sự, 1996). Nghiên cứu đã đề cập đến mong muốn làm thế nào để các cơ cấu Compliant nhất định phù hợp với chuyển động. 4
20. 1.1.2. Cơ cấu có lực đầu ra không đổi Một cơ cấu có lực đầu ra không đổi có kết quả khi mang lại lực đầu ra không đổi trong một phạm vi tương ứng với đầu vào chuyển vị. Cơ cấu có lực đầu ra không đổi sẽ có ích trong các ứng dụng đòi hỏi phải có một lực không đổi được áp dụng cho một thời gian khác nhau hoặc sự không đồng đều bề mặt như trong quá trình mài, hàn, lắp ráp. Chúng cũng có thể được sử dụng để duy trì lực thường xuyên giữa các kết nối điện; trong quy trình sản xuất có liên quan đến công cụ thay đổi đường kính như mài hoặc mài giũa, hoặc khi dùng van an toàn để duy trì một hệ thống ở áp suất liên tục khi bị mất điện. Hình 1.6: Cơ cấu Compliant có trong máy cắt thủy tinh Trong vai trò của ứng dụng này và các ứng dụng khác, cơ cấu có lực đầu ra không đổi thì chúng ta không cần phải điều khiển lực một cách tốn kém và phức tạp, thay thế nó bằng một thiết bị cơ khí đơn giản (Evans và Howell, 1999). Cơ cấu có lực đầu ra không đổi là cơ cấu tay quay con trượt cơ bản với kích thước phân 5
21. đoạn linh hoạt và sự giả cứng tối ưu hóa để giảm thiểu sự biến đổi trong lực đầu ra trên một phạm vi thiết kế . Khâu đàn hồi Con trượt Khâu đàn Khoảng trượt hồi Khâu cứng Hình 1.7: Cơ cấu Compliant Xem xét các thanh trượt tương thích của cơ cấu mô tả trong hình 1.3 đưa ra một chuyển vị, một hằng số tuân thủ cơ cấu có lực đầu ra không đổi sẽ mang lại lực F, cộng hoặc trừ một thay đổi nhỏ. Có tồn tại 15 dạng cơ cấu có thể của cơ cấu có lực đầu ra không đổi, xác định bởi Kỹ thuật tổng hợp (Howell, 2001). 1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước. 1.2.1 Các nghiên cứu ngoài nước A constant-force bistable micromechanism; Dung An Wanga, Jyun Hua Chena, Huy Tuan Pham, 2012. Dynamical switching of an electromagnetically driven compliantbistable mechanism; Dung AnWang, Huy-Tuan Pham, Yi-Han Hsieh, 2008. Design of Compliant mechanisms for minimizing input power in dynamic application; Tanakorn Tantanawat & Sridhar Kota, Department of Mechanical Engineering, The University of Michigan, 2007. Design of Compliant mechanisms applications to MEMS; Sridhar Kota, Department of Mechanical Engineering, The University of Michigan, 2001. 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4