Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm đánh giá hệ thống phản hồi lực 4 bậc tự do dùng cơ cấu tay máy tạo tọa độ cầu và phanh MRF :Luận văn Thạc sĩ - Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGÔ VĂN THẮNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM

ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG PHẢN HỒI LỰC 4 BẬC

TỰ DO DÙNG CƠ CẤU TAY MÁY TẠO TỌA

ĐỘ CẦU VÀ PHANH MRF

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Mã chuyên ngành: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018

Công trình đƣợc hoàn thành tại Trƣờng Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng

Ngƣời phản iện 1: .......................................................................................................

Ngƣời phản iện 2: .......................................................................................................

Luận văn thạc sĩ đƣợc ảo vệ tại Hội đồng chấm ảo vệ Luận văn thạc sĩ Trƣờng

Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày . . . . . tháng . . . . năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1………………………………………………….Chủ tịch hội đồng

2………………………………………………….Phản iện 1

3 ………………………………………………….Phản iện 2

4…………………………………………………. Ủy viên

5 ………………………………………………….Thƣ ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

TS. Châu Minh Quang

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Ngô Văn Thắng MSHV: 16003231

Ngày, tháng, năm sinh: 17/07/1991 Nơi sinh: Thanh Hóa

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã chuyên ngành: 60520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm đánh giá hệ thống phản hồi lực 4 ậc tự do dùng

cơ cấu tay máy tạo tọa độ cầu và phanh MRF.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1. Nhiệm vụ

Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống tay máy Master 4 ậc tự do.

2. Nội dung

Nghiên cứu tổng quan về các loại phanh quay và phanh trƣợt sử dụng MRF để làm

tiền đề cho kết cấu tay máy Master.

Nghiên cứu phát triển các cấu hình mới của ộ phanh quay và phanh trƣợt dùng

MRF, ứng dụng trên khớp tay máy của đề tài.

Thu thập kết quả, so sánh và nhận xét. Thiết kế, chế tạo hệ thống tay máy master 4

ậc tự do sử dụng lƣu chất từ iến MRF đã đƣợc đề xuất.

Lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống thiết ị.

Xây dựng hệ thống thực nghiệm để đánh giá tính năng của tay máy đƣợc chế tạo.

Sau đó tổng hợp kết quả, thuyết minh luận văn.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 04/QĐ–ĐHCN ngày 03/01/2018

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/07/2018

IV. NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 201

NGƢỜI HƢỚNG DẪN

PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

TS. Châu Minh Quang

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô tại khoa Công nghệ Cơ khí

trƣờng Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ, hƣớng dẫn và cung

cấp đầy đủ kiến thức với mong muốn trang ị cho em một hành trang tốt nhất để có

thể phát triển công việc và cuộc sống trong tƣơng lai.

Em xin chân thành gửi đến thầy PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng lời cám ơn và tri ân

sâu sắc, nhất là trong thời gian thực hiện luận văn, thầy đã hƣớng dẫn và hỗ trợ em

hoàn thành luận văn thạc sĩ này.

Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các ạn học viên lớp CHCK6A, lớp CHCK6B và

các ạn đồng nghiệp đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu, nhất

là đã hỗ trợ tôi hoàn thành luận văn này.

Xin kính chúc quý thầy cô, đồng nghiệp, cùng các ạn học viên sức khỏe, hạnh

phúc và thành công trong công tác và trong cuộc sống.

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Với đề tài: “Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm đánh giá hệ thống phản hồi lực 4 ậc

tự do dùng cơ cấu tay máy tạo tọa độ cầu và phanh MRF , hệ thống MRB đã đƣợc

nghiên cứu cải tiến mới có iên dạng răng cƣa nh m thay thế các hệ thống phanh

thông thƣờng đang sử dụng hiện nay. MRB với iên dạng răng cƣa này có nh ng ƣu

điểm nổi trội so với các loại MRB trƣớc đây nhƣ giảm kích thƣớc cũng nhƣ khối

lƣợng phanh, đồng thời tăng moment phanh do tăng diện tích tiếp xúc gi a đĩa

phanh và lƣu chất từ iến, kết hợp với cơ cấu phanh trƣợt, đƣợc quấn với hai cuộn

dây và có thành phân cách để cuộn dây không tiếp xúc trực tiếp với lƣu chất MRF,

thuận lợi cho việc chế tạo và ảo trì.

B ng việc sử dụng ài toán tối ƣu hóa kết hợp với phƣơng pháp phần tử h u hạn

thông qua phần mềm ANSYS, kết quả là khối lƣợng nhỏ nhất, kích thƣớc của phanh

quay, phanh trƣợt và mô men phanh, lực phanh trƣợt đã đạt đƣợc theo yêu cầu nhƣ

mục tiêu trong đề tài nghiên cứu.

iii

ABSTRACT

Through the topic with title is: "Design, Manufacturing and experimental evaluation

of a 4D force feedback system using Spherical manipulator and MR brakes", the

studying carried out to improve MRB system with the brake designed in serrated

shape, in order to replaces the conventional brake system used in current. The MRB

system with the brake designed in serrated shape has benefits more than previous.

The size and weight of brake were not only reduced, but also the value of braking

torque raised by increasing the contacted area between brake disc and magnetic

fluid. Combined with a structure damper, it is wrapped with two coils and has a

separator for the coil not to come in direct contact with MRF fluid, which is

convenient for fabrication and maintenance.

By using the optimization problem associated with finite element method through

ANSYS software, the result is the smallest weight, the size of the rotary brake, the

slide braking and the brake torque, the slide braking force has been reached as

required as the objective in the research topic.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và đƣợc sự hƣớng dẫn

khoa học của thầy PGS.TS. Nguyễn Quốc Hƣng. Các nội dung nghiên cứu, kết quả

trong đề tài này là trung thực và chƣa công ố dƣới ất kỳ hình thức nào trƣớc đây.

Nh ng số liệu trong các ảng iểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá

đƣợc chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu

tham khảo. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm đƣợc trình ày trong luận văn

này đều đƣợc phản ánh một cách trung thực.

Học viên

Ngô Văn Thắng

v

MỤC LỤC

MỤC LỤC...................................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................... xi

MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1

1. Đặt vấn đề ......................................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................2

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................2

4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu....................................................3

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài...........................................................................4

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN...................................................................................6

1.1 Sự phát triển và ứng dụng của tay máy công nghiệp ....................................6

1.2 Tổng quan về hệ thống tay máy Chủ-Tớ.......................................................8

1.3 Hệ thống phản hồi lực và ứng dụng trong hệ thống tay máy Chủ-Tớ...........9

1.4 Nghiên cứu và phát triển của hệ thống phản hồi lực ...................................12

1.5 Hạn chế các hệ thống phản hồi lực trƣớc đây và lý do thực hiện luận văn .13

CHƢƠNG 2 HỆ THỐNG TAY MÁY CHỦ-TỚ 4 BẬC TỰ DO CÓ

PHẢN HỒI LỰC DÙNG PHANH MRF..................................................................15

2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tay máy 4 ậc tự do có phản hồi lực dùng

phanh MRF đƣợc đề xuất .....................................................................................15

2.2 Tính toán thiết kế tay máy Master...............................................................16

2.2.1 Sơ đồ động lực học và thông số cơ ản ................................................16

2.2.2 Tính toán mô men phanh cần thiết và lực phanh cho phanh trƣợt của hệ

thống phản hồi lực ............................................................................................18

2.2.3 Thiết kế chi tiết từng ộ phận của tay máy Master ................................20

CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ PHANH QUAY MRF VÀ KHỚP TRƢỢT .................24

3.1 Thiết kế phanh quay....................................................................................24

3.1.1 Giới thiệu các loại phanh quay dùng lƣu chất từ iến............................24

3.1.2 Lựa chọn kiểu phanh quay ....................................................................29

3.1.3 Tính toán moment phanh........................................................................30

3.1.4 Tính toán từ trƣờng phanh......................................................................35

vi

3.1.5 Tính toán tối ƣu phanh ...........................................................................36

3.1.6 Phƣơng pháp giải ài toán tối ƣu ..........................................................37

3.1.7 Lựa chọn lƣu chất MR và vật liệu làm phanh ........................................37

3.1.8 Kết quả giải ài toán tối ƣu phanh MRF................................................39

3.1.9 Thiết kế chi tiết phanh quay ...................................................................45

3.2 Thiết kế phanh trƣợt.....................................................................................48

3.2.1 Giới thiệu các loại phanh trƣợt...............................................................48

3.2.2 Lựa chọn phanh trƣợt .............................................................................50

3.2.3 Tính toán lực phanh................................................................................50

3.2.4 Lựa chọn lƣu chất và vât liệu cho phanh trƣợt.......................................52

3.2.5 Thiết kế tối ƣu phanh trƣợt.....................................................................53

3.2.6 Kết quả tối ƣu phanh trƣợt .....................................................................53

3.2.7 Thiết kế chi tiết phanh trƣợt ...................................................................58

CHƢƠNG 4 CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM CƠ CẤU PHẢN HỒI LỰC............62

4.1 Chế tạo phanh quay .....................................................................................62

4.2 Chế tạo phanh trƣợt ....................................................................................66

4.3 Chế tạo ộ phận cơ ản...............................................................................67

4.4 Lắp ráp cơ cấu phản hồi lực........................................................................69

4.3 Thực nghiệm đánh giá phanh quay và phanh trƣợt ....................................71

4.3.1 Mô hình thực nghiệm đánh giá phanh quay khớp 1..............................71

4.3.2 Mô hình thực nghiệm đánh giá phanh quay khớp 2..............................74

4.3.3 Mô hình thực nghiệm đánh giá phanh trƣợt...........................................77

4.3.4 Nhận xét và đánh giá kết quả ................................................................79

CHƢƠNG 5 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHẢN HỒI LỰC...............................80

5.1 Hệ thống điều khiển hở ...............................................................................80

5.2 Sơ đồ kết nối phần cứng hệ thống điều khiển hở........................................83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................85

1. Kết luận..........................................................................................................85

2. Kiến nghị........................................................................................................85

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................87

PHỤ LỤC..................................................................................................................89

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .........................................................93