Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo này trình bày việc thiết kế một cơ cấu tác động cho chuyển động thẳng có độ phân giải micro có khả năng tải và khoảng di chuyển lớn dựa trên kết hợp thanh piezo nhiều lớp và bộ phận khuếch đại vi phân. Đây là một phần kết quả của đề tài Nghiên cứu cơ bản NCCB-300506 được tài trợ bởi Bộ Khoa Học và Công nghệ Môi Trường Việt Nam. Các vấn đề được trình bày gồm thiết kế ý tưởng và hình dạng cho cơ cấu – phần 2, thiết kế cơ cấu theo độ cứng vững – phần 3, phần 4 trình bày việc mô phỏng họat động của cơ cấu dùng ANSYS.
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 03 - 2008 THIẾT KẾ HÌNH DẠNG VÀ MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU DẪN ĐỘNG VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI MICRON Phạm Huy Hoàng (1), Trần Văn Thùy (2) (1)Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG-HCM (2)Trường Đại học Phạm Văn Đồng GIỚI THIỆU Các cấu dẫn động có độ phân giải micro cần thiết cho lãnh vực nghiên cứu mũi nhọn như: gia cơng xác, cáp quang, công nghệ sinh học, công nghệ y sinh học,… Hiện số dạng cấu tạo chuyển động với độ phân giải micro chế tạo theo nguyên lý “Sâu đo”-Inchworm [1], “Dính-trượt”- Stick-Slip [2], từ trường - magnet [3], kết hợp Stick-slip visme vi phân [4], dãn nở thank piezo nhiều lớp (multi-stack piezo) khuếch đại [5 – 8] Các cấu thường có khả tải nhỏ (dạng Stick-slip) hay khỏang di chuyển nhỏ (dạng Inchworm hay dùng khuếch đại cơ) hay độ phân giải cứng vững thấp (dạng từ trường) Bài báo trình bày việc thiết kế cấu tác động cho chuyển động thẳng có độ phân giải micro có khả tải khoảng di chuyển lớn dựa kết hợp piezo nhiều lớp phận khuếch đại vi phân Đây phần kết đề tài Nghiên cứu NCCB-300506 tài trợ Bộ Khoa Học Công nghệ Môi Trường Việt Nam Các vấn đề trình bày gồm thiết kế ý tưởng hình dạng cho cấu – phần 2, thiết kế cấu theo độ cứng vững – phần 3, phần trình bày việc mơ họat động cấu dùng ANSYS THIẾT KẾ Ý TƯỞNG VÀ HÌNH DÁNG CƠ CẤU 2.1 Nguyên lý khuếch đại vi sai Cơ cấu thiết kế bao gồm khuếch đại với piezo làm nguồn phát động chuyển động, có sử dụng khớp mềm để nối khâu thay cho khớp lề thông thường Cơ cấu dẫn động piezo nhiều lớp có khả tải lớn (tới 10 KN), nhiên khoảng di chuyển nhỏ (dưới 100 µm – khơng dùng khuếch đại 300 µm có khuếch đại) Nhược điểm dạng khuếch đại dãy liên tiếp đòn bẩy, mà số đòn bẩy hạn chế độ khuếch đại đòn bẩy khơng lớn (1,5 - 2) Khuyết điểm dạng cấu khắc phục dãy đòn bẩy liên tiếp thay cấu khuếch đại vi sai Bình thường đòn bẩy đơn (Hình 1-a) cho đầu ra: n o= i m (1) Để tăng độ khuếch đại đòn bẩy đơn, điểm tựa có di chuyển nhỏ Hình vẽ 1-b đầu cấu là: o= m+n n b+ i m m (2) Từ ý tưởng trên, cấu khuếch đại vi sai tổng hợp từ đòn bẩy đơn đòn bẩy có bố sung độ di chuyển điểm tựa Hình với đầu o xác định theo đầu vào i cách lý tưởng: o= m + 4n i m (3) Science & Technology Development, Vol 11, No.03- 2008 Hình Đòn bẩy đơn dạng vi sai Hình Cơ cấu khuếch đại vi sai 2.2 Thiết kế hình dạng cấu dùng khớp đàn hồi Với u cầu độ phân giải µm, ổ bình thường khơng có khả đáp ứng tồn khe hở sai số, việc sử dụng khớp lề đàn hồi (flexure hinge) cho phép khắc phục sai số Khớp lề đàn hồi dải cắt khóet cho phép xoay xung quanh trục (Hình 3) Hình Khớp lề đàn hồi Cơ cấu khâu cứng Hình chuyển đổi sang dạng cấu đàn hồi diễn tả Hình Cơ cấu đàn hồi có dạng liền khối, bao gồm piezo nhiều lớp, phần dẫn, khuếch đại vi sai phần bị dẫn TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 03 - 2008 Hình Cơ cấu đàn hồi THIẾT KẾ CƠ CẤU THEO ĐỘ CỨNG VỮNG Độ phân giải chuyển động nhỏ điều khiển cấu Thơng số phụ thuộc vào ba yếu tố chính: (1) độ phân giải piezo nhiều lớp, (2) tần số riêng cấu, (3) khả truyền động xác từ phần dẫn động đến phần bị dẫn cấu Với độ phân giải thiết kế µm, yếu tố (1) thỏa mãn truyền động piezo nhiều lớp có độ phân giải cỡ nm Yếu tố (3) đáp ứng nhờ sử dụng cấu đàn hồi khơng có khe hở khớp Yếu tố (2) phụ thuộc chủ yếu vào độ cứng vững cấu Vì cấu dạng liền khối, tóan thiết kế cấu theo độ cứng vững giải theo hai bước: - Bước – Khảo sát: Thiết lập ma trận độ cứng giải tích theo kích thước động cấu khâu cứng, khảo sát thay đổi độ cứng theo kích thước động trên, chọn lựa kích thước động làm ẩn - Bước – Tính tối ưu: Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn cấu theo kích thước dạng tham số, giải tóan tối ưu 3.1 Khảo sát Ma trận độ cứng cấu đàn hồi xác định cách ghép nối ma trận độ cứng thành phần đàn hồi cấu tạo nên cấu theo dạng song song hay nối tiếp [9] Cách ghép nối sau: * Kết cấu ghép nối tiếp Gọi Ji ma trận Jacôbi thành phần đàn hồi thứ i với ma trận mềm Ci, ma trận độ cứng kết cấu nối tiếp là: n K = ∑ J i C i J iT i =1 −1 (4) * Kết cấu ghép song song: Gọi Ai AFi ma trận chuyển đổi biến dạng lực từ chân thứ i có ma trận độ cứng Ki tâm khảo sát, ma trận độ cứng kết cấu song song là: n K = ∑ A Fi K i A i−1 i =1 (5) Science & Technology Development, Vol 11, No.03- 2008 Ma trận mềm hay cứng thành phần xác định theo ma trận mềm khớp lề đàn hồi [10]: C11 C f = C22 C32 C23 C33 (6) Với: r 1 / 9π r 5 / π − 2.57 C22 = Ee t Ee t (mm/N); (mm/N), / 9π r C11 = C 33 = Eet / (rad/Nmm) 3/ t 9πr C23 = C32 = − 2e Eet / (mm/Nmm) Trong : r (mm) - bán kính vùng khóet, t (mm) - phần lại sau khóet, e (mm) - chiều dày khớp đàn hồi E (MPa) - modun đàn hồi vật liệu Ma trận độ cứng cấu xác định hàm kích thước r , t , l a , lb , lc , l d , A, X , Y , Z , T , U cho Hình * Ảnh hưởng t r: Ảnh hưởng tỉ số r/t lên độ cứng cấu thấy đồ thị Hình Trong vùng gần 4.4, độ mềm tăng vọt, vượt qua 4.6 độ mềm giảm nhiều l ,l ,l ,l * Ảnh hưởng a b c d : Ảnh hưởng kích thước động l a ,lb ,lc ,l d lên độ cứng cấu thấy đồ thị Hình Kích thước l b ,l c ,l d tăng làm độ mềm tăng/độ cứng giảm Trong đó, l a lại ảnh hưởng Ngoài lb phụ thuộc vào l c ,l d TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 03 - 2008 Hình Kích thược cấu dạng tham số Hình 6.Đồ thị độ mềm Cxx theo r/t Science & Technology Development, Vol 11, No.03- 2008 Hình 7.Đồ thị độ mềm Cxx theo l c ,l d Hình Đồ thị độ mềm Cxx theo l b ,l a Hình Đồ thị mềm Cxx theo A, X, Y, Z, T, U * Ảnh hưởng A, X, Y, Z, T, U: Hình cho thấy kích thước ngang nhỏ độ mềm nhỏ Với khảo sát trên, kích thước cấu chọn sau: - Tỉ số r/t = 10, cụ thể t = 0.5 mm r = mm - Kích thước chuẩn: l a = 17 mm A = 13.5 mm TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SOÁ 03 - 2008 l ,l ,l - Chọn kích thước X, Y, Z, T, U, b c d làm biến thiết kế tóan tối ưu độ cứng bước xác 3.2 Tính tối ưu Vật liệu cấu giả định hợp kim nhơm (6061-T6) có hệ số Poisson 0.35, mođun đàn hồi 68900 N/mm2, giới hạn chảy 255 MPa Mơ hình cấu theo tham số kích thước thiết lập dạng mã lệnh ANSYS Đặt lực F = N lên phần bị dẫn, cố định phần dẫn, tìm chuyển vị phần bị dẫn (Hình 10) Chuyển vị tối thiểu hóa với: - Biến thiết kế: X , Y , Z , T , U , W , Q (W = l c / l a ,Q = l d / l a ) S ≤S S y ( max : ứng suất lớn xuất bên thể tích - Biến trạng thái: max cấu) - Biến đối tượng cần tối ưu: XMAX (XMAX: chuyển vị ngang phần bị dẫn) Kết tóan sau: Tên biến X Y Z T U W Q SMAX XMAX Lọai biến Thiết kế Thiết kế Thiết kế Thiết kế Thiết kế Thiết kế Thiết kế Trạng thái Đối tượng Lời giải 0.90645 1.1628 0.92492 0.49421 1.0820 0.51818 0.7735333 0.18311 0.57 Thông số thật 12.24 mm 15.7 mm 12.49 mm 6.67 mm 14.61 mm 8.81 mm 13.15 mm 0.18311 Mpa 0.57 mm/N Hình 10 Mơ hình cấu dùng ANSYS Đồ thị biểu diễn hội tụ toán minh hoạ Hình 11 Science & Technology Development, Vol 11, No.03- 2008 Hình 11 Giá trị XMAX theo số lần lặp MƠ PHỎNG HỌAT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU Mơ hình cấu thiết kế phần trước xây dựng ANSYS Hình 12 4.1 Biến dạng piezo theo điện áp Piezo sử dụng cho cấu có chiều dài L = 75mm tạo thành từ 500 lớp piezo có dạng hình đĩa, lớp có đường kính 20mm chiều dày 0.15mm Vật liệu piezo PIC 151 với thuộc tình: số đàn hồi CE33 = 8.9.1010 N/m2, số Piezo d33 = 635.10-12 m/V, số điện môi εT33 = 5440.ε0, trọng lượng riêng 7800 Kg/m3 Giả thiết biến dạng piezo chủ yếu theo phương dọc trục biến dạng lớp piezo dạng hình đĩa phụ thuộc vào điện cung cấp mà không phụ thuộc vào chiều dày lớp Sự mô biến dạng lớp piezo theo điện áp đặt vào thấy Hình 13 Đồ thị 14 diễn tả biến dạng lớp piezo điện áp thay đổi khỏang 1÷300 V Với điện tương tác cực đại cực tiểu giới hạn khảo sát cho biến dạng: - Điện áp V = 300 V gây biến dạng 0.191 µm cho lớp tạo chuyển vị 95.5 µm (500x0.191) cho piezo - Điện áp V = V gây biến dạng 0.635 nm cho lớp tạo chuyển vị 317.5 nm (500x0.635) cho piezo Hình 12 Mơ hình cấu 4.2 Sự tiếp xúc piezo cấu Sự dẫn động piezo nhiều lớp cho cấu khuếch đại vi sai mô tóan tiếp xúc piezo phần dẫn động cấu Nhận xét để piezo chuyển TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 03 - 2008 vị không tải (chưa tiếp xúc phần dẫn) chuyển vị ứng với điện áp 300V 95,5 µm Hình vẽ 15 Tuy nhiên cho piezo có tải (tiếp xúc phần dẫn - Hình 16), chuyển vị 93,3 µm Như vậy, hiệu suất cấu : η= 93,3 100 % = 97.7 % 95,5 (7) Ngoài ra, chuyển vị khâu dẫn cấu 93.3 µm, chuyển vị khâu bị dẫn 898 µm, độ khuếch đại thực tế cấu là: K= 898 = 9.53 93.3 (8) Sự biến dạng “ký sinh” khớp nguyên nhân gây khác biệt độ khuếch đại so với đóan ban đầu theo mơ hình khâu cứng Các piezo nhiều lớp thực tế thường có độ phân giải cỡ 50 nm Với độ khuếch đại trên, độ phân giải cho tòan cấu đạt là: 0.5 - 1µm Hình 13.Biến dạng lớp piezo Science & Technology Development, Vol 11, No.03- 2008 Hình 14 Biến dạng lớp theo điện áp Hình 15 Chuyển vị khơng tải Hình 16 Chuyển vị có tải KẾT LUẬN Bài báo trình bày thiết kế hoàn toàn cấu dẫn động thẳng với độ phân giải micron tạo thành từ cấu đàn hồi khuếch đại biến dạng thành piezo nhiều lớp thành chuyển vị thẳng Thiết kế bao gồm ba bước: (1) Thiết kế ý tưởng – hình dạng thơng qua việc tìm cấu khuếch đại vi sai khâu cứng chuyển đổi cấu đàn hồi; (2) Phân tích độ cứng vững cấu theo biến số kích thước giải tích; (3) Thiết kế cấu dùng công cụ thiết kế tối ưu ANSYS Trong ý tưởng khuếch đại vi sai ưu điểm cấu thiết kế so với cấu phát triển trước Cơ cấu thiết kế mô dùng ANSYS việc giải hai tóan: (1) “Pha trộn” hai môi trường điện trường biến dạng cơ; (2) Tiếp xúc hai bề mặt truyền lực Các nội dung cho phép đóan trước đặc tính cấu trước chế tạo Các vấn đề tồn việc phát triển cấu là: Việc đánh giá ảnh TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 03 - 2008 hưởng sai số chế tạo lắp ráp đến đặc tính họat động việc khảo sát đáp ứng động lực học cấu để đánh giá xác độ phân giải TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Li et al., Design and development of a new piezoelectric linear Inchworm actuator, Mechatronics, 15, pp 651-681, (2005) [2] Y Zhang et al., On development of a rotary-linear actuator using piezoelectric translator, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 11 (5), pp 647-651, (2006) [3] S Verma and W-J Kim, Multi-axis maglev nanopositioner for precision manufacturing and manipulation applications, IEEE Transactions on Industry Applications, 41 (5), pp 1159-1167, (2005) [4] Trang web sản phẩm New Focus: http://www.newfocus.com/products/ [5] S B Choi et al., A magnification Device for Precision Mechanism Featuring Piezoactuators and Flexure Hinges, Mechanism and Machine Theory, 42 (9), pp 11841198, (2007) [6] C-L Chu and S-H Fan, A novel long - travel piezoelectric - driven linear nanopositioning stage, Precision Engineering, 30, pp 85-95, (2006) [7] J Yu et al., On the design of compliant-based micro-motion manipulators with a nanometer range resolution, Proceeding of the IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, pp 149-154, (2003) [8] B H Kang et al., Analysis and design of parallel mechanisms with flexure joints, IEEE Transactions on Robotics, 21 (6), pp 1179-1185, (2005) [9] H-H Pham and I-M Chen, Stiffness modeling of flexure parallel mechanism, Precision Engineering, 29, pp 467-478, (2005) [10] J M Paros & L Weisbord, How to design flexure hinges, Machine Design, 25, pp 151156, (1965) ... chính: (1) độ phân giải piezo nhiều lớp, (2) tần số riêng cấu, (3) khả truyền động xác từ phần dẫn động đến phần bị dẫn cấu Với độ phân giải thiết kế µm, yếu tố (1) thỏa mãn truyền động piezo... 2008 Hình 14 Biến dạng lớp theo điện áp Hình 15 Chuyển vị khơng tải Hình 16 Chuyển vị có tải KẾT LUẬN Bài báo trình bày thiết kế hồn toàn cấu dẫn động thẳng với độ phân giải micron tạo thành từ cấu. .. max cấu) - Biến đối tượng cần tối ưu: XMAX (XMAX: chuyển vị ngang phần bị dẫn) Kết tóan sau: Tên biến X Y Z T U W Q SMAX XMAX Lọai biến Thiết kế Thiết kế Thiết kế Thiết kế Thiết kế Thiết kế Thiết