Báo cáo nghiên cứu khoa học: THIẾT KẾ HÌNH DẠNG VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU DẪN ĐỘNG VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI MICRON

Các cơ cấu tác động cho chuyển động có độ phân giải micro được ứng dùng trong nhiều lĩnh vực chính xác như là định vị chính xác, gia công chính xác, quang học,… Việc thiết kế ý tưởng và hình dáng của một cơ cấu cấu tác động cho chuyển động có độ phân giải micro được trình bày trong bài báo này.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Báo cáo nghiên cứu khoa học: " THIẾT KẾ HÌNH DẠNG VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CẤU DẪN ĐỘNG VỚI ĐỘ PHÂN GIẢI MICRON"Science & Technology Development, Vol 11, No.03- 2008 THIẾT KẾ HÌNH DẠNG VÀ MÔ 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 (Bài nhận ngày 01 tháng 11 năm 2007, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 06 tháng 03 năm 2008) TÓM TẮT: Các cơ cấu tác động cho chuyển động có độ phân giải micro được ứng dùngtrong nhiều lĩnh vực chính xác như là định vị chính xác, gia công chính xác, quang học,…Việc thiết kế ý tưởng và hình dáng của một cơ cấu cấu tác động cho chuyển động có độ phângiải micro được trình bày trong bài báo này. Ý tưởng của thiết kế dựa trên họat động củathanh piezo gồm nhiều lớp và cơ cấu khuếch đại vi phân. Bài báo cũng trình bày việc môphỏng họat động của cơ cấu nhờ vào ANSYS. Việc mô phỏng là kết quả của việc kết hợp haibài toán: tiếp xúc và sự kết hợp giữa biến dạng và điện.1. GIỚI THIỆU Các cơ cấu dẫn động có độ phân giải micro rất cần thiết cho các lãnh vực nghiên cứu mũinhọn như: gia công chính xác, cáp quang, công nghệ sinh học, công nghệ y sinh học,… Hiệnnay một số dạng cơ cấu tạo chuyển động với độ phân giải micro đã được chế tạo theo cácnguyên lý “Sâu đo”-Inchworm [1], “Dính-trượt”- Stick-Slip [2], từ trường - magnet [3], kếthợp Stick-slip và visme vi phân [4], dãn nở của thank piezo nhiều lớp (multi-stack piezo) vàbộ khuếch đại cơ [5 – 8]. Các cơ cấu trên thường có khả năng tải nhỏ (dạng Stick-slip) haykhỏang di chuyển nhỏ (dạng Inchworm hay dùng bộ khuếch đại cơ) hay độ phân giải và cứngvững thấp (dạng từ trường). Bài báo này trình bày việc thiết kế một cơ cấu tác động cho chuyển động thẳng có độ phângiải micro có khả năng tải và khoảng di chuyển lớn dựa trên kết hợp thanh piezo nhiều lớp vàbộ 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 đượctrình bày gồm thiết kế ý tưởng và hình dạng cho cơ cấu – phần 2, thiết kế cơ cấu theo độ cứngvững – phần 3, phần 4 trình bày việc mô phỏng họat động của cơ cấu dùng ANSYS.2. THIẾT KẾ Ý TƯỞNG VÀ HÌNH DÁNG CƠ CẤU 2.1. Nguyên lý khuếch đại vi sai Cơ cấu được thiết kế bao gồm bộ khuếch đại cơ với piezo làm nguồn phát động chuyểnđộng, có sử dụng khớp mềm để nối các khâu thay cho các khớp bản lề thông thường. Cơ cấuđược dẫn động bởi thanh piezo nhiều lớp sẽ có khả năng tải lớn (tới 10 KN), tuy nhiên khoảngdi chuyển rất nhỏ (dưới 100 μm – nếu không dùng bộ khuếch đại hoặc dưới 300 μm nếu có bộkhuếch đại). Nhược điểm dạng này là bộ khuếch đại là một dãy liên tiếp các đòn bẩy, mà sốđòn bẩy hạn chế và độ khuếch đại của mỗi đòn bẩy cũng không lớn (1,5 - 2). Khuyết điểmdạng cơ cấu này sẽ được khắc phục khi dãy những đòn bẩy liên tiếp được thay thế bởi cơ cấukhuếch đại vi sai. Bình thường đòn bẩy đơn (Hình 1-a) cho đầu ra: n o= i m (1) Để tăng độ khuếch đại của đòn bẩy đơn, điểm tựa có di chuyển nhỏ như Hình vẽ 1-b và Trang 30 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 03 - 2008đầu ra của cơ cấu mới là: m+n no= b+ i m m (2) Từ ý tưởng trên, cơ cấu khuếch đại vi sai được tổng hợp từ một đòn bẩy đơn và một đònbẩy có bố sung độ di chuyển của điểm tựa như trên Hình 2 với đầu ra o được xác định theo đầuvào i một cách lý tưởng: 2m + 4no= i (3) m Hình 1. Đòn bẩy đơn và dạng vi sai. Hình 2. Cơ cấu khuếch đại vi sai. 2.2. Thiết kế hình dạng cơ cấu dùng khớp đàn hồi Với yêu cầu độ phân giải μm, các ổ bình thường không có khả năng đáp ứng vì tồn tại khehở và sai số, việc sử dụng khớp bản lề đàn hồi (flexure hinge) cho phép khắc phục sai số trên.Khớp bản lề đàn hồi là một dải được cắt khóet đi cho phép xoay xung quanh một trục (Hình3). Hình 3. Khớp bản lề đàn hồi. Trang 31Science & Technology Development, Vol 11, No.03- 2008 Cơ cấu khâu cứng ở Hình 2 được chuyển đổi sang dạng cơ cấu đàn hồi được diễn tả trênHình 4. Cơ cấu đàn hồi có dạng liền khối, bao gồm thanh piezo nhiều lớp, phần dẫn, bộkhuếch đại vi sai và phần bị dẫn. Hình 4. Cơ cấu đàn hồi3. THIẾT KẾ CƠ CẤU THEO ĐỘ CỨNG VỮNG Độ phân giải ...