ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH QUỐC BÃO NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU CÂN BẰNG TRỌNG LỰC 1-DOF DỰA TRÊN NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU SCOTCH-YOKE Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số: 8.52.01.44 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 Công trình hồn thành TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS LÊ HOÀI NAM Phản biện 1: TS TÀO QUANG BẢNG Phản biện 2: PGS.TS PHẠM ĐĂNG PHƯỚC Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật điện họp Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 10 năm 2018 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa -Thư viện Khoa khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Chƣơng Giới thiệu Tên đề tài Nghiên cứu thực nghiệm hoạt động cấu cân trọng lực 1-DOF dựa nguyên lý hoạt động cấu Scotch-Yoke Lý chọn đề tài mục tiêu nghiên cứu Một cấu cân trọng lực di chuyển đến vị trí với hồn tồn khơng lực phát động hoạt động mơi trường phi trọng trường Với tính đó, thiết kế cân trọng lực áp dụng vào nhiều lĩnh vực như: tay máy robot công nghiệp, cấu nâng hạ công nghiệp, thiết bị hỗ trợ phục hồi chức chấn thương chỉnh hình cho cánh tay, chân; xây dựng, mơ hình hóa cấu trúc xương; cấu máy song song… Có nhiều cấu thay với chức tương đương với lò xo lý tưởng đề xuất, dây thép, ròng rọc lò xo tiêu chuẩn sử dụng Tuy nhiên, thực tế áp dụng, cấu tồn nhược điểm sau: - Rất khó để có lò xo tiêu chuẩn với độ dãn dài đủ cho vùng hoạt động lớn với hai đầu lắp cố định - Việc xếp chồng lên dây thép thành phần khác cấu làm phức tạp hệ thống ảnh hưởng tới vùng hoạt động tồn hệ - Hơn nữa, dây thép lò xo kéo có vòng đời hoạt động đáng tin cậy không lâu, việc sử dụng chúng tồn lỗi nhỏ muốn thay cho lò xo lý tưởng Để giải nhược điểm trên, Nguyen [28] đề xuất loại cấu cân trọng lực dựa nguyên lý hoạt động cấu Scotch-Yoke với ưu điểm sau: - Là phương án thay phù hợp cho lò xo khơng độ dài tự với cấu trúc đơn giản thành phần đáng tin cậy - Việc lắp đặt cấu tránh lỗi lò xo tác động lên lò xo khác mở rộng áp dụng cho tay máy đa bậc tự Hình 1-1 Cơ cấu cân trọng lực dựa nguyên lý hoạt động cấu Scotch-Yoke theo đề xuất Nguyen [28] (a) Cơ cấu bậc tự do; (b) Cơ cấu ba bậc tự Hình 1-2 Đánh giá hoạt động cấu cân trọng lực bậc tự theo đề xuất Yang [21] Các mơ hình lý thuyết cấu mơ CREO Matlab, chưa có so sánh với mơ hình thực tế Thêm vào đó, việc đánh giá hoạt động (khả chịu tải tối đa) cấu cân trước Nguyen [28] thực cách treo vật nặng có khối lượng tăng dần vào đầu cấu cấu cân [27, 28, 29] Việc kiểm nghiệm mang tính cảm tính, việc xác định góc quay tương ứng với giới hạn hoạt động cấu khơng xác Từ phân tích trên, nghiên cứu đề xuất việc nghiên cứu thực nghiệm hoạt động cấu cân trọng lực bậc tự Nguyen [28] hệ thống điện tử gắn cấu có đặc điểm sau: - Việc thay đổi tải thực tự động; - Vị trí giới hạn (mà khả chịu tải tối đa) cấu đo đạc cảm biến; - Việc nghiên cứu thực nghiệm thực với giá trị khác chiều dài lò xo (tương ứng độ nén khác nhau) Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Cơ cấu cân trọng lực 1DOF dựa nguyên lý hoạt động cấu Scotch Yoke đề xuất Nguyen [28] - Hệ thống tác động lực thu thập liệu Nội dung nghiên cứu - Đề tài thực với nội dung chủ yếu sau: - Nghiên cứu tổng quan cấu cân trọng lực cấu cân trọng lực 1DOF đề xuất Nguyen [28] - Thiết kế, chế tạo hệ thống tác động lực thu thập liệu - Tiến hành thực nghiệm - Phân tích xử lý liệu Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài kết hợp nghiên cứu phương pháp lý thuyết thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết: o Lý thuyết thiết kế cấu cân trọng lực 1DOF - Nghiên cứu thực nghiệm: o Thiết kế hệ thống tác động lực thu thập liệu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa thực tiễn: Cơ cấu áp dụng vào nhiều lĩnh vực như: tay máy robot công nghiệp, cấu nâng hạ công nghiệp, thiết bị hỗ trợ phục hồi chức chấn thương chỉnh hình cho cánh tay, chân; xây dựng, mơ hình hóa cấu trúc xương; cấu máy song song… - Ý nghĩa khoa học: Là tiền đề để bổ sung yếu tố bỏ qua mơ hình lý thuyết tác động lực ma sát, độ tuyến tính lò xo Chƣơng Cơ cấu cân trọng lực Nguyen [28] 2.1 Thiết kế hệ thống cân sử dụng lò xo dựa nguyên lý cấu Scotch Yoke Cơ cấu Scotch-Yoke cấu chuyển động qua lại, biến chuyển động tuyến tính trượt thành chuyển động quay, ngược lại Về mặt khái niệm, nguyên lý chuyển động điều hòa cấu Scotch-Yoke sử dụng để cân trọng lực khâu liên kết với trạng thái Hình 2-1 Hình 2-1 Nguyên lý cấu Scotch-Yoke sử dụng lò xo Hình 2-2 Cơ cấu Scotch-Yoke sử dụng lò xo cân lượng Hình 2-1 thể cấu cánh tay Scotch-Yoke với việc bố trí lò xo bên trái tạo đủ lượng đàn hồi để cân với trọng trường hệ thống khâu liên kết bên phải Theo cấu Scotch-Yoke Hình 2-2, khâu mặt đất, khâu tay quay, khâu khâu di chuyển theo trục x, rãnh dẫn hướng chuyển động hợp với phương ngang góc nghiêng λi khâu trượt chuyển động rãnh Một lò xo nén k i gắn bên trái khâu Góc hợp tay quay (khâu 2) trục x góc βi xác định góc ngược chiều kim đồng hồ theo hướng trục x dương Một điểm Bi khâu 3, định nghĩa điểm giao trục x đường tâm rảnh nghiêng Điểm B0,i vị trí điểm Bi vị trí lò xo khơng nén 2.2 Điều kiện cân Điều kiện cân cấu cân trọng lực dựa vào nguyên lý hoạt động cấu Scotch Yoke biến thiên trọng trường biến thiên đàn hồi, hay nói cách khác tổng trọng trường đàn hồi số Cơ cấu có nguyên lý Hình 2-3 Hình 2-3 Cơ cấu Scotch Yoke sử dụng cặp bánh có tỉ số truyền 2:1 2.3 Thiết kế cấu tránh xảy lỗi khơng đáng có hệ thống Thiết kế thực tế cấu cân trọng lực đề xuất Nguyen [28] Hình 2-4 Cơ cấu sử dụng lò xo cân 2.4 Mơ hình cấu cân trọng lực 1DOF [28] Phần trình bày mơ hình thực tế cánh tay máy bậc tự lắp đặt với lò xo cân dựa cấu Scotch Yoke thiết kế, gia công, thử nghiệm 2.4.1 Thiết kế phần mềm cánh tay bậc tự Việc thiết kế mơ hình cấu cân trọng lực bậc tự với tải trọng 1kg khâu chấp hành cuối thực phần mềm Pro/Engineering Creo, Hình 2-5 Cấu trúc mơ hình xây dựng chủ yếu dựa cấu hình kết cấu khí Hình 2-4, trượt thiết kế lại theo hình chữ U Hình 2-5 Bằng cách gán vật liệu thích hợp cho ̃ 𝟏 𝝇̃𝟏 ước thành phần kể hai trọng lượng tương đương 𝝈 10 Hình 2-6 Thế trọng trường, đàn hồi tổng mơ hình cấu bậc tự 2.4.2 Thiết kế chế tạo mơ hình Theo thiết kế trình bày Hình 2-5 thơng số đưa Bảng 2-1, mơ hình cánh tay máy bậc tự sản xuất lắp ráp Hình 2-7a Trong mơ hình này, số thành phần mua trực tiếp từ đơn vị cung cấp ngồi thị trường Lò xo nén với mặt cắt ngang hình chữ nhật có độ cứng 𝑘 = 68,96𝑁/𝑚𝑚 đặt hàng từ SPRINGMING Cặp bánh 𝐺𝐴,1 𝐺𝐵,1 với sô 20 40 mô-đun mm sản xuất MITSUMI Các tính canh tay máy bậc tự thực tế sau: Mơ- đun hóa thiết kế: Cơ cấu cân lò xo, bao gồm bánh 𝐺𝐴,1 (bánh lớn), lò xo nén cấu Scotch yoke thiết kế thành mơ- đun Hình 2-9b Thiết kế mô-đun làm cho việc lắp ráp/tháo gỡ đơn giản Dễ dàng thay lò xo Theo việc chế tạo kiểu mơ- đun Hình 2-9c việc điều chỉnh vị trí lò xo thay sử dụng lò xo có độ dài tự nhiên khác khác Việc điều chỉnh thực vít điều chỉnh hình Thiết kế giảm ma sát Ma sát mơ hình quy cho hai nguồn chính: ăp khớp cặp bánh răng, hai khớp lăng trụ cấu Scotch Yoke Thông 11 thường, lực ma sát gây chế hoạt động cánh tay máy Scotch Yoke xảy lớn so với cặp bánh ăn khớp Do đó, ổ đỡ có ống lót với cực dẫn hướng sử dụng để giảm ma sát trượt nắp liên kết thành phần hình chữ U Hình 2-9d Nhờ việc thiết kế làm giảm lực ma sát mà ta quan sát xác định tác động đến việc cân mơ hình cánh tay bậc tự cách dễ dàng, chí với cách dịch chuyển đoạn nhỏ vị trí tải trọng cánh tay Hình 2-7 Mơ hình cấu cánh tay cân dựa nguyên lý Scotch yoke: (a) Cánh tay bậc; (b) lò xo cân bằng; (c) cấu hiệu chỉnh; (d) trục 12 Hình 2-8 Hoạt động cánh tay cân Hình 2-8 cho thấy vùng hoạt động mơ hình cánh tay DOF có góc quay trải dài từ 𝛩̃1 ∈ [−900 , 900 ] Cần lưu ý q trình lắp đặt khơng để lò xo bị nén vị trí góc 𝛩̃1 = 900 Nếu khơng trạng thái cân mơ hình khơng Hình 2-10ab-c vị trí cấu Theo kết nghiên cứu từ mơ hình thí nghiệm cánh tay 1DOF tự trì tư khác nhau, cần lực nhỏ để di chuyển từ vị trí đến vị trí khác Tính khả thi thực tế hệ thống cân bằng lò xo chứng minh Chƣơng Nghiên cứu thực nghiệm 3.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm Cơ cấu cân trọng lực nguyên trình bày 13 chương trước thiết kế cho vật nặng có khối lượng m = 1kg đặt điểm O Hình 3-1a Vật nặng sinh momen M trục quay cấu: M = P × R = mg × R Để nghiên cứu thực nghiệm hoạt động cấu nguyên này, ta phải thay vật nặng hệ tương đương bao gồm: hệ thống điện tử (cảm biến, mạch điều khiển, động cơ, hệ truyền động) có khối lượng m1 vật nặng có khối lượng m2 cho: M = M1 + M2 với góc α (Hình 3-1b) Trong đó: M1 momen hệ thống điện tử so với trục quay cấu; M2 momen vật nặng có khối lượng m2 so với trục quay cấu (a) Cơ cấu nguyên (b) Mơ hình thực nghiệm Hình 3-1 Sự tương đương cấu ngun (a) mơ hình thực nghiệm (b) Việc đánh giá hoạt động cấu nguyên cách thêm 14 treo vật nặng có khối lượng tăng dần vào đầu cấu cấu cân (như Hình 1-8, Chương 1) thực cách tự động mơ hình thực nghiệm cách điều khiển vật nặng có khối lượng m2 dịch chuyển tịnh tiến dọc theo chiều dài cấu Việc dịch chuyển tịnh tiến phải thực chậm để xem tốn tĩnh học Mơ hình CAD hệ thống thực nghiệm mơ tả Hình 3-2 Mơ hình thực tế mơ tả Hình 3-3 Hình 3-2 Mơ hình CAD hệ thống thực nghiệm Hình 3-3 Hệ thống thực tế 15 Hình 3-2 3-3 mơ hình thực nghiệm nhằm mục đích đo đạc giá trị góc cân α cấu thay đổi vị trí vật nặng m2 Động bước hệ thống dẫn hướng dịch chuyển vật nặng m2 dọc theo chiều dài cấu Thơng qua đó, cánh tay đòn từ tâm vật nặng m2 đến trục quay cấu bị thay đổi Điều góc quay α thay đổi để chống lại biến thiên mơmen Cơ cấu tìm vị trí cân 3.2 Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ khối hệ thống điện tử biểu diễn Hình 3-4 Hình 3-4 Sơ đồ khối hệ thống điện tử Phần mềm Matlab gửi tín hiệu điều khiển đến mạch điều khiển trung tâm Arduino Nano để thay đổi vị trí vật nặng m2 Cảm biến góc có nhiệm vụ đo góc quay cấu theo thời gian lấy mẫu tương ứng phản hồi mạch điều khiển trung tâm dạng giá trị điện áp Mạch điều khiển trung tâm gửi giá trị điện áp PC xử lý thông qua phần mềm Matlab để tìm góc quay tương ứng Việc tính tốn mơ tả phần tiếp 16 theo Các kết biểu diễn dạng đồ thị nhờ vào phần mềm Matlab Các phần tử sử dụng hệ thống: - Cảm biến góc ECO78CSB502 dạng chiết áp; - Mạch điều khiển trung tâm Arduino Nano thư viện mềm hỗ trợ Một điểm mạnh Arduino tảng Matlab hỗ trợ Việc giao tiếp Arduino Matlab thực dễ dàng qua giao thức truyền thông RS232; - Driver TB6560 có khả điều khiển vi bước đến 32/1; - Động bước Nema 42SHDC3025 hoạt động điện áp 12VDC có độ chia 200 bước/1 vòng quay Đối với loại động này, số bước/1 vòng quay lớn độ xác động cao; - Bộ truyền đai răng, biến chuyển động quay động thành chuyển động tịnh tiến vật nặng Bộ truyền mịn (bước nhỏ) độ liên tục vị trí khảo sát cao Puly lựa chọn loại 16 răng, bước 2mm loại đai sử dụng loại đai GT2 có bước 2mm 3.3 Tính tốn, thu thập xử lý số liệu 3.3.1 Thuật toán trình điều khiển, đo đạc xử lý số liệu Sơ đồ thuật toán điều khiển nhận phản hồi Matlab mơ tả Hình 3-5 17 18 Hình 3-5 Sơ đồ thuật tốn điều khiển nhận phản hồi 3.3.2 Các tính tốn liên quan Các tính tốn sử dụng phần lập trình Matlab a) Tính tốn điều khiển chuyển động Để điều khiển vật nặng m2 đến vị trí lấy mẫu, ta sử dụng hệ thống mô tả phần 3.2 Ta tính tốn thơng số điều khiển: - Chức hoạt động điều khiển: Nhằm giải vấn đề thời gian trễ đường truyền RS232, chức truyền lựa chọn điều khiển tròn bước (fullstep/ xung động dịch chuyển bước) Gọi S độ chia vi bước, vậy: S = - Số bước dịch chuyển để điểm đai dịch 1mm: Cs = (Số bước động cơ)×S (Số puly)×2 (bước/mm) Vậy: Cs = 200×1 16×2 = 6.25 (bước/mm) Như bước dịch chuyển được: ∆s = - Cs = 6.25 = 0.16 (mm) Hệ số chuyển đổi từ điện áp sang góc quay đặc tính cảm biến: Mơ hình thực nghiệm sử dụng truyền đai để truyền chuyển động từ cấu sang cảm biến Tuy nhiên, ta không cần quan tâm đến tỉ số truyền cảm biến dạng chiết áp Bằng thực nghiệm, ta tìm độ phân 19 giải cảm biến 19.1416 Độ/Vol b) Tính tốn xử lý số liệu Bảng 3-1 Các ký hiệu sử dụng STT Ký hiệu L_zero L R’ α s m1 R1 10 m2 g M2 11 M1 - Đơn vị Chức Khoảng cách từ trục quay cấu đến ZERO mm Khoảng cách từ vật nặng đến ZERO mm Cánh tay đòn vật nặng so với trục quay rad Góc cân cấu Khoảng cách từ trục quay đến trọng tâm mm hệ thống điện tử kg Khối lượng hệ thống điện tử Cánh tay đòn trọng tâm G hệ thống mm điện tử đến trục quay cấu kg Khối lượng vật nặng m/s2 Gia tốc trọng trường Nmm Mômen vật nặng so với trục quay Mômen hệ thống điện tử so với trục Nmm quay mm Mômen vật nặng so với trục quay cấu Khi cấu chuyển động góc Δα, ứng với khoảng L tính từ trọng tâm vật nặng đến điểm ZERO, vật nặng sinh mômen so với trục quay cấu với cánh tay đòn R’ (Hình 36) Góc Δα tương ứng với độ biến thiên Δl lò xo nhằm chống lại mơmen vật nặng gây 20 Hình 3-6 Mômen vật nặng so với trục quay cấu Nếu α ≤ 90° R′ = (L + L_zero) sin 𝛼 (mm) Nếu α > 90° R′ = (L + L_zero) cos(𝛼 − 90) (mm) Vị trí ZERO vị trí ban đầu vật nặng mà cánh tay đạt trạng thái cân Lúc này, mômen so với trục cấu vật nặng: M2 = 𝑚2 × 𝑔 × 𝑅′ (Nmm) Các đại lượng R’, α theo vị trí thí nghiệm ghi nhận biểu diễn đồ thị - Mômen hệ thống điện tử so với trục quay cấu Vì hệ thống điện tử gắn cứng lên cấu nên trình hoạt động ta phải tính đến tác dụng gây khối lượng 21 m1 Hệ thống điện tử xem hệ rắn nên ta xác định trọng tâm phương pháp thực nghiệm Từ đó, ta xác định khoảng cách từ trọng tâm s đến trục quay cấu (Hình 3-7) Cánh tay đòn tính từ trục quay đến trọng tâm cấu xác định α ≤ 90°: 𝑅1 = 𝑠 × sin 𝛼 (mm) Nếu α > 90° 𝑅1 = 𝑠 × cos(𝛼 − 90) (mm) Qua đó, ta dễ dàng xác định mômen gây khối lượng m1 hệ thống điện tử qua công thức sau: M1 = 𝑚1 × 𝑔 × 𝑅1 (Nmm) Đại lượng mômen M1 cộng vào M2 trước biểu diễn đồ thị Hình 3-7 Mơmen hệ thống điện tử so với trục quay cấu 22 Chƣơng Kết luận hƣớng phát triển 4.1 Kết ban đầu Từ kết đo đạc ban đầu, ta vẽ biểu đồ quan hệ vị trí vật nặng m2 góc cân α (Hình 4-1) quan hệ mơmen mơ hình thực nghiệm góc cân α (Hình 4-2) Hình 4-1 Biểu đồ quan hệ vị trị vật nặng m2 góc cân 23 Hình 4-2 Biểu đồ quan hệ mơmen mơ hình thực nghiệm góc cân Sự giống hình dạng hai biểu đồ cho thấy cơng thức chuyển đổi vị trí vật nặng mơmen xác 4.2 Kết luận Trong nghiên cứu này, việc xây dựng mơ hình thực nghiệm để đánh giá hoạt động cấu cân trọng lực bậc tự [28] thực Mơ hình ngun thay hệ thống điện tử vật nặng tương đương Các trình tự tính tốn, thu thập xử lý số liệu thực Vì thời gian thực hạn hẹp nên việc đo đạc chưa hồn thành Các cơng việc thực tương lai: - Các thí nghiệm tiếp tục thực mô tả đồ thị để xác định giới hạn hoạt động (góc 24 cân mà tải trọng cấu chịu tối đa) độ nén khác lò xo - Cơ cấu giả sử hoạt động với khơng lực tác dụng vào (bài toán tĩnh học lực tác dụng đều) Trên thực tế, cấu chịu lực có gia tốc Việc giải tốn tác dụng lực có gia tốc để cấu đạt trạng thái cân thực thời gian đến - Việc bổ sung yếu tố bỏ qua mơ hình lý thuyết nghiên cứu Nguyen [28] xem xét tương lai: tác động lực ma sát, độ tuyến tính lò xo - Nghiên cứu áp dụng cấu vào tay máy công nghiệp để thay cho phần đối trọng ... Giới thiệu Tên đề tài Nghiên cứu thực nghiệm hoạt động cấu cân trọng lực 1-DOF dựa nguyên lý hoạt động cấu Scotch-Yoke Lý chọn đề tài mục tiêu nghiên cứu Một cấu cân trọng lực di chuyển đến vị... nghiên cứu Đề tài kết hợp nghiên cứu phương pháp lý thuyết thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết: o Lý thuyết thiết kế cấu cân trọng lực 1DOF - Nghiên cứu thực nghiệm: o Thiết kế hệ thống tác động. .. tƣợng phạm vi nghiên cứu - Cơ cấu cân trọng lực 1DOF dựa nguyên lý hoạt động cấu Scotch Yoke đề xuất Nguyen [28] - Hệ thống tác động lực thu thập liệu Nội dung nghiên cứu - Đề tài thực với nội