Luận Văn Thiết kế hình dạng và mô phỏng hoạt động của cơ cấu dẫn động với độ phân giải Micron

TÓM TẮT: 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. Ý tưởng của thiết kế dựa trên họat động của
thanh piezo gồm nhiều lớp và cơ cấu khuếch đại vi phân. Bài báo cũng trình bày việc mô
phỏng họat động của cơ cấu nhờ vào ANSYS. Việc mô phỏng là kết quả của việc kết hợp hai
bài 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 mũi
nhọn như: gia công chính xác, cáp quang, công nghệ sinh học, công nghệ y sinh học, Hiện
nay một số dạng cơ cấu tạo chuyển động với độ phân giải micro đã được chế tạo theo các
nguyên lý “Sâu đo”-Inchworm [1], “Dính-trượt”- Stick-Slip [2], từ trường - magnet [3], kết
hợp Stick-slip và visme vi phân [4], dãn nở của thank piezo nhiều lớp (multi-stack piezo) và
bộ khuếch đại cơ [5 – 8]. Các cơ cấu trên thường có khả năng tải nhỏ (dạng Stick-slip) hay
khỏang di chuyển nhỏ (dạng Inchworm hay dùng bộ khuếch đại cơ) hay độ phân giải và cứng
vững thấp (dạng từ trường).
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.
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 chuyển
động, có sử dụng khớp mềm để nối các khâu thay cho các khớp bản lề thông thường. Cơ cấu
được dẫn động bởi thanh piezo nhiều lớp sẽ có khả năng tải lớn (tới 10 KN), tuy nhiên khoảng
di chuyển rất nhỏ (dưới 100 àm – nếu không dùng bộ khuếch đại hoặc dưới 300 àm nếu có bộ
khuếch đại). Nhược điểm dạng này là bộ khuếch đại là một dãy liên tiếp các đòn bẩy, mà số
đòn bẩy hạn chế và độ khuếch đại của mỗi đòn bẩy cũng không lớn (1,5 - 2). Khuyết điểm
dạng cơ cấu này sẽ được khắc phục khi dãy những đòn bẩy liên tiếp được thay thế bởi cơ cấu
khuếch đại vi sai. Bình thường đòn bẩy đơn (Hình 1-a) cho đầu ra: