Thiết kế tối ưu và mô phỏng cơ cấu đàn hồi dùng làm bộ khuếch đại của cơ cấu tạo vi chuyển động

Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K5-2017 
5 
 
Tóm tắt—Bài báo này trình bày việc thiết kế 
cơ cấu đàn hồi dùng làm bộ khuếch đại cho cơ 
cấu tác động tạo vi chuyển động. Thiết kế bao 
gồm việc xây dựng cơ cấu khâu cứng tương 
đương, sau đó chuyển đổi sang cơ cấu đàn hồi, 
chọn lọc và tham số hóa các kích thước của cơ 
cấu đàn hồi và tối ưu hóa thiết kế sử dụng công 
cụ tối ưu của ANSYS. Ngoài ra, bài báo còn sử 
dụng công cụ ResponseSurface của ANSYS 
Workbench để đánh giá ảnh hưởng của các biến 
thiết kế đến bài toán tối ưu nhằm mục đích khảo 
sát thêm độ nhạy của các biến thiết kế ảnh 
hưởng tới hàm mục tiêu của cơ cấu. Thiết kế 
này được lập mô hình phần tử hữu hạn và mô 
phỏng hoạt động nhằm chứng minh khả năng 
khuếch đại của cơ cấu. Kết quả chỉ ra rằng cơ 
cấu có độ khuếch đại lớn hơn 10. 
Từ khoá—Cơ cấu đàn hồi, cơ cấu khâu cứng, thiết 
kế tối ưu 
1 GIỚI THIỆU 
ơ cấu đàn hồi đang được nghiên cứu rộng rãi 
trên thế giới trong những năm gần đây nhằm 
tạo ra chuyển động nhỏ cỡ micron và có độ chính 
xác dưới micron, thậm chí nano nhưng chịu tải lớn. 
Việc sử dụng rộng rãi cơ cấu đàn hồi là do rất nhiều 
ưu điểm của nó so với cơ cấu truyền thống như: 
giảm độ mài mòn, tiếng ồn, độ rung và nhu cầu bôi 
trơn, trọng lượng nhẹ, độ chính xác tăng lên vì ma 
sát được loại bỏ, do đó dễ dàng thu nhỏ thiết bị [1]. 
Hiện nay các nghiên cứu tương tự chưa có nhiều ở 
Bài báo này được gửi vào ngày 3 tháng 07 năm 2017 và 
được chấp nhận đăng vào ngày 10 tháng 09 năm 2017. 
Nguyễn Văn Khiển, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM 
(e-mail: 1500403@student.hcmute.edu.vn). 
Ngô Nam Phương, Trường Sĩ quan Không quân 
(e-mail: namphuongctm24@gmail.com). 
Phạm Huy Hoàng, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM 
(e-mail: phhoang@hcmut.edu.vn). 
Phạm Huy Tuấn, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM 
(e-mail: phtuan@hcmute.edu.vn) 
trong nước, các nghiên cứu gần đây tập trung vào 
cơ cấu định vị chính xác dùng trong quang học, cơ 
cấu dẫn động với độ phân giải micro [2], tay kẹp 
vật kích thước nhỏ micron [3], tay máy cho chuyển 
động có độ phân giải đến micron [4], cơ cấu đàn 
hồi trong truyền động chính xác [5, 6]. Một số ứng 
dụng cơ cấu đàn hồi song ổn định như: cơ cấu khoá 
micro ứng dụng trong quang học [7], cơ cấu đựng 
đĩa CD [8], gia tốc kế dạng khóa (latching 
accelerometer) [9], relay điện [10]. 
 Về mặt lý thuyết, có ba phương pháp tiếp cận 
tổng hợp thiết kế khác nhau cho cơ cấu đàn hồi: (1) 
các phương pháp tiếp cận dựa trên động học, (2) 
các cách tiếp cận các khối cấu trúc và (3) phương 
pháp tiếp cận dựa trên cơ sở tối ưu hóa hình học, 
tối ưu hóa kích thước, thuật toán di truyền (GA) 
[11-14]. Các nghiên cứu trước đây về cơ cấu đàn 
hồi thông thường nghiên cứu ở chuyển vị đầu ra 
nhỏ hoặc với hệ số khuếch đại nhỏ. Bài báo trình 
bày việc thiết kế tối ưu và mô phỏng cơ cấu đàn hồi 
dùng làm bộ khuếch đại của cơ cấu tạo vi chuyển 
động với các chỉ tiêu thiết kế: Cơ cấu có hệ số 
khuếch đại lớn hơn 10, có giới hạn kích thước (100 
mm x 100 mm x 8 mm), chuyển vị đầu ra lớn hơn 1 
mm được tối ưu hóa theo độ cứng vững (chuyển vị 
kí sinh nhỏ nhất). Để tạo chuyển động đầu vào cho 
cơ cấu tác giả dùng cơ cấu áp điện có độ chính xác 
cao như PZT. Hiện nay công nghệ chế tạo piezo với 
các lớp piezo mỏng được xếp chồng lên nhau, mỗi 
lớp piezo khi được cung cấp điện áp thi dãn nở từ 
0,001 đến 0,1 m. Vì vậy cần phải có cơ cấu 
khuếch đại để tạo ra các vi chuyển động có dịch 
chuyển lớn hơn. 
2 THIẾT KẾ 
2.1 Thiết kế cơ cấu khâu cứng 
Việc phân tích và tổng hợp cơ cấu đàn hồi được 
xây dựng dựa trên mô hình cơ cấu khâu cứng sẽ 
giúp các nhà thiết kế nhanh chóng thu được phương 
án ban đầu với các biến thiết kế đã được đánh giá 
Thiết kế tối ưu và mô phỏng cơ cấu đàn hồi 
dùng làm bộ khuếch đại 
của cơ cấu tạo vi chuyển động 
Nguyễn Văn Khiển, Ngô Nam Phương, Phạm Huy Hoàng, Phạm Huy Tuân 
C 
6 Science and Technology Development Journal, vol 20, No.K5-2017 
sơ bộ và loại bỏ các biến thiết kế ít ảnh hưởng nhất. 
Việc sử dụng khâu cứng tỏ ra hiệu quả trong việc 
phân tích động học của cơ cấu. Dựa trên mô hình 
này ta cũng thu được một thiết kế có biến thiết kế 
sơ bộ phù hợp với việc xây dựng mô hình, phân 
tích phần tử hữu hạn, tối ưu hóa, chế tạo và thử 
nghiệm. Trong giai đoạn thiết kế ban đầu, mô hình 
khâu cứng rất linh hoạt. Nó có thể được xem như là 
một phương pháp phục vụ cho việc đánh giá nhiều 
mẫu thiết kế thử nghiệm khác nhau một cách nhanh 
chóng và hiệu quả. Mô hình khâu cứng cung cấp 
nhanh cho mẫu thiết kế ban đầu, thử nghiệm các 
mẫu thiết kế và phân tích chuyển động, động học. 
Sự phát triển của các phương pháp thiết kế bằng 
cách sử dụng các mô hình khâu cứng là một ưu tiên 
của nghiên cứu. 
Ứng dụng mô hình khâu cứng cho giai đoạn thiết 
kế ban đầu là cần thiết. Tuy nhiên, khi chuyển sang 
mô hình cơ cấu đàn hồi, khớp mềm sẽ biến dạng 
theo cả ba hướng (xoay do uốn, kéo/nén và võng do 
uốn), khớp mềm không đảm bảo chính xác tỷ lệ 
khuếch đại như ở lý thuyết khâu cứng. Nên xây 
dựng phương trình mối quan hệ giữa các biến thiết 
kế cơ cấu khâu cứng khi chuyển cơ cấu nay sang cơ 
cấu đàn hồi thì mối quan hệ toán học này không 
còn chính xác. Thêm vào đó, toàn bộ cơ cấu khi bị 
biến dạng phải đảm bảo điều kiện bền, do đó, cần 
xác định được ứng suất lớn nhất phát sinh trong cơ 
cấu khi làm việc. Việc làm này sẽ được thực hiện 
với cơ cấu đàn hồi tương ứng cơ cấu khâu cứng 
trên và giá trị ứng suất này sẽ được đưa vào ràng 
buộc của bài toán tối ưu. 
Hình 1. Cơ cấu khâu cứng 
Ý tưởng thiết kế của cơ cấu khuếch đại là sự kết 
hợp giữa cơ cấu bốn khâu bản lề và cơ cấu đòn bẩy. 
Trong thiết kế này cơ cấu đòn bẩy được sử dụng 
hai lần với mục đích khuếch đại, cơ cấu bốn khâu 
bản lề vừa làm nhiệm vụ tăng thêm độ cứng vững, 
giảm chuyển động theo của cơ cấu và cũng có thể 
được dùng làm bộ phận khuếch đại cơ cấu như 
trong Hình 1. 
2.