Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Lập trình mô phỏng động học việc tạo hình bánh răng trụ răng nghiêng dùng thanh răng sinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- TRẦN NGỌC NHẪN Đề tài: LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VIỆC TẠO HÌNH BÁNH RĂNG TRỤ RĂNG NGHIÊNG DÙNG THANH RĂNG SINH Chuyên ngành: Côn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

TRẦN NGỌC NHẪN

Đề tài:

LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VIỆC TẠO HÌNH BÁNH RĂNG TRỤ RĂNG NGHIÊNG DÙNG THANH RĂNG SINH

Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp HCM, ngày tháng năm 20…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy MSHV: 10040421

I- TÊN ĐỀ TÀI: LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VIỆC TẠO HÌNH

BÁNH RĂNG TRỤ RĂNG NGHIÊNG DÙNG THANH RĂNG SINH

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Xây dựng chương trình mô phỏng quá trình tạo hình mặt xoắn ốc thân khai trong môi trường ba chiều

Mô phỏng bánh răng dịch chỉnh, hiện tượng cắt chân răng, nhọn đỉnh răng Tính sai số động học

Tạo mô hình bánh răng trụ kĩ thuật số phục vụ đào tạo, nghiên cứu, thiết kế kĩ thuật

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/01/2012 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2012 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHẠM HUY HOÀNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến thầy

PGS TS Phạm Huy Hoàng đã tận tình hướng dẫn cũng như hỗ trợ và giúp đỡ em

vượt qua nhiều khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em cũng xin gởi lời cảm ơn đến gia đình đã hỗ trợ em về mặt kinh phí, ủng hộ em về mặt tinh thần và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em hoàn thành luận văn này

Em cũng xin được gởi lời cảm ơn đến: – Ban giám hiệu trường Đại Học Bách Khoa TPHCM – Quý thầy, cô khoa cơ khí trường ĐHBK

– Quý thầy, cô phòng quản lý sau đại học trường ĐHBK Cuối cùng, em xin gởi lời cảm ơn đến các bạn đồng nghiệp, các bạn lớp cao học công nghệ chế tạo máy K2010 của trường ĐHBK đã có những ý kiến đóng góp cho em trong thời gian thực hiện luận văn này

TP Hồ Chí Minh, ngày 2 tháng 12 năm 2012

TRẦN NGỌC NHẪN

LỜI CAM KẾT

Tôi tên: TRẦN NGỌC NHẪN Học viên lớp: cao học công nghệ chế tạo máy K2010 Mã số học viên: 10040421

Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào tạo Sau đại học, Đại học Bách khoa Tp.HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “Lập trình mô phỏng động học việc tạo hình bánh răng trụ răng nghiêng dùng thanh răng sinh”

dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Huy Hoàng từ ngày 04/01/2012 đến

02/12/2012

Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học do tôi thực hiện Tôi đã thực hiện luận văn đúng theo quy định của phòng đào tạo sau đại học, Đại Học

Bách Khoa TP.HCM và theo sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Huy Hoàng

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam kết trên đây Nếu có sai phạm trong quá trình thực hiện luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu các hình thức xử lý của phòng đào tạo sau đại học và Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

Học viên

Trần Ngọc Nhẫn

MỤC LỤC Chương 1: Tổng quan 1

1.3.2 Direct Digital Simulation (DDS) 5

1.3.4 Bài báo: ”Mô phỏng quá trình cắt biên dạng răng thân khai bằng dao thanh răng theo phương pháp bao hình” 6

1.3.4 Thư viện đồ họa OpenGL kết hợp C++ 7

1.3.5 Bài báo “Mô phỏng quá trình gia công bánh răng côn cong dạng cung tròn Gleason trên máy tính” 7 1.3.6 Các chương trình tích hợp trong phần mềm CAD: AutoCAD VBA,

Solidworks VBA, Inventor VBA 8

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 11

2.1.1 Các thông số bánh răng và cặp bánh răng an khớp 12

2.1.2 Phương trình đường thân khai 20

2.1.3 Tính toán bánh răng thân khai răng trụ răng nghiêng 21

2.1.4 Hệ số dịch chỉnh và hiện tượng cắt chân răng 23

2.1.4.1 Hiện tượng cắt chân răng 23

2.2.2.2 Tham số thiết kế thanh răng sinh 32

Chương 3: INVENTOR VBA 35

3.2 Tổng quan về giao diện Inventor VBA 35

Chương 4: Thiết kế chương trình 38

4.3.2 Điều kiện các thông số đầu vào 41

4.3.3 Phân tích vẽ bánh răng, thanh răng và các thông số để lập trình mô

4.3.4 Điều khiển thời gian IeTimer 44

4.3.5 Quá trình tạo hình mặt xoắn ốc thân khai 45

4.3.6.6 Thiết kế các nút lệnh 60

4.3.6.7 Lắp và chạy cắt phôi bánh răng 60

Chương 5: Cài đặt và mô phỏng 62

5.1 Đăng ký điều khiển thời gian IeTimer.ocx 62

Chương 6: Sai số động học biên dạng răng 68

6.4.1 Ảnh hưởng của dịch chỉnh 78

6.4.2 Ảnh hưởng của góc nghiêng β 82

6.4.3 Ảnh hưởng của các thông số khác 85

Chương 7: Kết luận 86

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề:

Sự phát triển công nghệ nói chung, trong đó có công nghệ thông tin và công nghệ máy tính đã làm thế giới thay đổi nhanh chóng Sự phân công sản xuất, công nghiệp phụ trợ phát triển, kĩ thuật đồng thời,…đưa nền sản xuất thế giới bước đi với nhịp độ chóng mặt, chu kì của một sản phẩm ngày càng rút ngắn, chẳng hạn như điện thoại di động, máy vi tính…

Đóng góp vào sự phát triển đó phải kể đến quá trình nghiên cứu và phát triển sản phẩm với sự trợ giúp đắc lực của công nghệ mô phỏng và tạo mẫu nhanh, tiết kiệm chi phí và rút ngắn thời gian dự án Và nó ngày càng giữ vai trò quan trọng hơn, quyết định chiến lược cạnh tranh

Ở Việt Nam, nền sản xuất còn lạc hậu, yếu kém nhiều mặt, tính cạnh tranh chưa cao, nên quá trình nghiên cứu phát triển chưa được quan tâm đúng mức.Trong xu thế phát triển của thế giới, dần tham gia vào thị trường chung đầy cạnh tranh đặt chúng ta vào tình thế phải thay đổi tư duy và hành động Một cách cụ thể nhất có thể đưa công nghệ mô phỏng vào lớp học tạo điều kiện tiếp cận và phổ biến rộng rãi Việc mô phỏng quá trình gia công bánh răng gần với thực tế gia công cũng giúp trực quan hóa những lí thuyết, giúp người học có thể kiểm chứng các thông số khác nhau, giúp hiểu rõ và nhớ lâu hơn

Với những ý nghĩa như vậy, tác giả thực hiện đề tài mong được góp phần phát triển việc mô phỏng, ứng dụng CAD/ CAM, đưa công nghệ mô phỏng gần hơn với ngành kĩ thuật thông qua trường học, hỗ trợ các mục đích chuyên môn kĩ thuật khác, đưa công nghệ mô phỏng vào sâu rộng trong sản xuất

1.2 Mục tiêu đề tài

- Xây dựng chương trình vẽ phôi bánh răng, thanh răng sinh, lắp và mô phỏng quá trình tạo mặt xoắn ốc thân khai bánh răng trụ có góc nghiêng bất kì thuộc chuẩn ở các góc nhìn khác nhau

- Mô phỏng bánh răng dịch chỉnh, hiện tượng cắt chân răng, nhọn đỉnh răng

- Xuất được sai số động học của mỗi bánh răng được tạo ra từ chương trình - Tạo mô hình bánh răng trụ kĩ thuật số phục vụ đào tạo, nghiên cứu và thiết kế kĩ thuật

1.3 Các phần mềm mô phỏng 1.3.1 Các phần mềm CAM trên thị trường

Thị trường phần mềm CAM (Computer Aided Manufacturing) thế giới khá đa dạng Mỗi phần mềm có những ưu điểm nhất định, đáp ứng những lĩnh vực sản cũng như trình độ sản xuất khác nhau

Một số phần mềm CAM chuyên mô phỏng phổ biến hiện nay: - DelCam: Là một trong những nhà cung cấp giải pháp CAD/CAM cho công nghiệp chế tạo Ứng dụng của Delcam sử dụng trong thiết kế: không gian, động cơ, thiết bị điện, giày dép, đồ gốm, bao bì, đồ chơi, dụng cụ thể thao, đồ trang sức và biển quảng cáo Công ty thành lập vào 1977 Được phát triển lần đầu ở đại học Cambrigde Hiện nay DelCam có hơn 125 văn phòng đại diện, được sử dụng bởi 30000 tổ chức ở 80 quốc gia Delcam là nhà cung cấp CAD/CAM đứng thứ 3 Đông Nam Á, hiện đang được sử dụng rộng rãi ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan

Hình 1.1 Phần mềm Delcam

- Unigraphics NX được phát triển bởi Siemens PLM Software của tập đoàn Siemen Unigraphics NX là một tổng thể các giải pháp CAD/CAM/CAE, là phần mềm thiết kế CAD, mô phỏng CAE và tạo chương trình gia công CAM cho máy gia công CNC Tính mở và tính tương thích của NX cho phép nhiều phần mềm ứng dụng khác có thể chạy trực tiếp trên môi trường của nó như Autodesk Inventor, Catia, Pro-E, Solid Edge, CADKEY, SoildWorks, Cimatron, Phần mềm NX phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất hàng gia dụng và dân dụng (balo, dày dép), máy công cụ, máy công nghiệp, ôtô, xe máy, đóng tàu cho tới các các ngành công

nghiệp hàng không thiết kế máy bay, công nghiệp vũ trụ Ở Nhật bản, Đức, Mỹ và Ấn Độ thì Unigraphics NX có thị phần lớn nhất so với tất cả các phần mềm CAD/CAM khác

Hình 1.2 Phần mềm NX

- Cimatron: Phần mềm của hãng Cimatron Co, Ltd Cimatron sử dụng ACIS Kernel của hãng Spatial Technology ( Mỹ), Cimatron mang ưu điểm của các phần mềm thuộc hệ thống ACIS Kernel đó là dễ thao tác hơn MasterCAM, được đánh giá là phần mềm tích hợp CAD/CAM dùng cho lĩnh vực thiết kế gia công cơ khí hàng đầu của thế giới Phần mềm Cimatron do nhóm chuyên gia Nhật Bản và Israel hợp tác xây dựng từ năm 1990 Đi kèm với Cimatron là hệ thống thư viện chi tiết khuôn khổng lồ của các hãng chế tạo của Nhật, Mỹ, Đức Cimatron hỗ trợ thiết kế lõi, chi tiết trượt trong các khuôn khó tháo rất tiện mà không đòi hỏi người thao tác CAD phải có kinh nghiệm nhiều về tạo hình khuôn

Hình 1.3 Phần mềm Cimatron

- MasterCam: Được phát triển bởi hãng CNC software, Mỹ, dùng Parasolid Kernel của hảng Unigraphics Solution (Mỹ) Mastercam là một phần mềm CAD/CAM tích hợp được sử dụng rộng rãi ở châu Âu và trên thế giới, đồng thời nó cũng được sử dụng rất phổ biến ở Việt Nam Mastercam là một phần mềm mạnh về Cam có khả năng thiết kế công nghệ để điều khiển cho máy phay CNC năm trục,

máy tiện CNC bốn trục, máy cắt dây CNC bốn trục, máy khoan CNC ba trục, máy soi CNC Đến phiên bản Mastrcam X2 có thêm phần chạm khắc mỹ thuật

Hình 1.4 Phần mềm Mastercam

- SolidCam: phần mềm CAM đi kèm với SolidWorks, được phát triển bởi Dassault Systems Phần mềm SolidCAM như là một cầu kết nối giữa thiết kế và chế tạo với những tính năng mạnh mẽ dễ sử dụng Ưu điểm nổi bật của phần mềm Solidcam là dễ dàng kết hợp các tính năng mạnh mẽ của CAM với khả năng tùy biến xử lý dữ liệu, tạo ra các chương trình nguồn để thực hiện trên máy CNC SolidCAM được sử dụng rộng rãi đặc biệt trong các ngành gia công cơ khí chế tạo ô tô, điện tử, làm các khuôn đúc và dập…

Hình 1.5 Phần mềm Solidcam

- Phần mềm Denford của Anh là một giải pháp CAD/CAM-CNC ở mức đơn giản hơn so với hai phần mềm Cimatron, MasterCAM nhưng cũng đi từ khâu thiết kế kết cấu chi tiết cơ khí, qua khâu tạo lập các lệnh gia công theo ISO Code (Create GIM-Code), mô phỏng gia công CNC trên màn hình máy vi tính và cuối cùng là điều khiển máy gia công CNC (CNC execute/manufacturing/operate) để tạo ra các bề mặt yêu cầu

1.3.2 Các phần mềm CAM trong trường học

- WinUnisoft là phần mềm đào tạo cho phép soạn thảo và mô phỏng chương trình CNC Sản phẩm này là một công cụ dễ dàng sử dụng nhưng lại mang lại hiệu

quả cao, nó cho phép người sử dụng được thực hành trên một môi trường tích hợp nhiều hệ điều khiển số phổ biến trên thị trường.Trong công tác giảng dạy và học tập WinUnisoft là nền tảng cơ bản hình thành các công cụ cho phép mô phỏng chương trình CNC và chuyển đổi thành chương trình máy trước khi thực hiện chúng trên máy gia công thật nhằm tránh rủi ro và giảm tối đa thời gian sử dụng máy Cho phép học trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau như: SIEMENS, FANUC, FAGOR Khác với các máy gia công thật, WinUnisoft cho phép mô phỏng các chương trình CNC đồng thời trên cả máy tiện và máy phay

- Sentrol Proview là phần mềm chạy mô phỏng quá trình gia công theo công nghệ đã được lập trình sẵn của hệ thống máy cơ khí điều khiển kỹ thuật số ảo, hay còn gọi là máy CNC ảo theo chuẩn FANUC (G-code) Hiện đang được sử dụng rộng rải tại các trường đại học kỹ thuật và các khóa huấn luyện về CNC tại Hàn Quốc Máy CNC ảo bao gồm: máy tiện, máy phay … nhận mã NC giống như hệ máy CNC thật Các mã NC này sẽ được dịch mã qua bộ điều khiển ảo để tạo ra các lệnh và sau đó được chuyển tới hệ thống máy ảo để xây dựng mô hình mẫu gia công để chạy mô phỏng Màn hình để lựa chọn máy gia công: máy tiện, máy phay, máy tiện ngang …

1.3.3 Direct Digital Simulation (DDS)

Tác giả bắt đầu sử dụng phương pháp DDS cho bánh răng máy bay trực thăng trong năm 1986 Lần đầu tiên phương pháp đã giúp để mô phỏng một bánh răng phức tạp được thiết kế cho truyền dẫn máy bay trực thăng Mi-26 tại Công ty Mil Helicopter tại Moscow DDS là một phương pháp tạo mô hình bánh răng, gọi là mô phỏng số trực tiếp

DDS là một phương pháp mô hình hóa trên máy tính phục vụ cho việc thiết kế chế tạo và phân tích bánh răng Không giống các phương pháp truyền thống sử dụng vi phân hình học, Phương pháp DDS phỏng lại quá trính gia công thực tế để tạo ra các mô hình bánh răng số các bề mặt được tạo hình, không được mô tả bằng các phương trình toán học, mà chỉ là các mô hình CAD

Hình 1.6 Mô hình bánh răng được tạo ra trên phần mềm ZAKGEAR [5]

Hình 1.7 Mô hình DDS của bánh răng được tạo ra trên phần mềm Autocad [5]

1.3.4 Bài báo: ”Mô phỏng quá trình cắt biên dạng răng thân khai bằng dao thanh răng theo phương pháp bao hình” của tác giả Đào Ngọc Biên,Trường

Đại Học Hàng hải

Hình 1.8 Mô hình trên Flash MX.[15]

1.3.5 Thư viện đồ họa OpenGL kết hợp C++

Hình 1.9 Thư viện đồ họa OpenGL

Chúng ta sử dụng ngôn ngữ lập trình Microsoft Víual C++ kết hợp với OpenGL Hiện được dùng khá phổ biến trong ngành công nghiệp đồ họa: game, phát triển chương trình, thực tế ảo, mô phỏng thông tin, mô phỏng khoa học, Ưu điểm của OpenGL là khả năng xử lí 3D mạnh mẽ và toàn diện Dù đã được hỗ trợ khá nhiều hàm và công cụ xử lí đồ họa, tuy nhiên việc xây dựng chương trình dùng OpenGL là khá phức tạp, đòi hỏi cao về thuật toán, xử lí tương tác, giao diện người dùng,…

1.3.6 Bài báo “Mô phỏng quá trình gia công bánh răng côn cong dạng

cung tròn Gleason trên máy tính” của tác giả Phạm Phước Đăng, Lưu Đức Bình

Đại học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng Bài báo trình bày về mô phỏng quá trình gia công bánh răng dùng phần mềm Pro/Engineer

Hình 1.10 Mô phỏng quá trình gia công bánh răng côn cong

dạng cung tròn Gleason [6]

1.3.7 Các chương trình tích hợp trong phần mềm CAD: AutoCAD VBA, Solidworks VBA, Inventor VBA

Các phần mềm AutoCAD, Inventor, Solidworks dùng cầu nối ActiveX để ứng dụng ngôn ngữ lập trình điều khiển API Hệ thống đối tượng và đoạn mã được xây dựng khá hoàn thiện, đáp ứng hầu hết các thao tác khi thực hiện bằng tay Ưu điểm của công cụ này là khả năng phát triển các ứng dụng dể dàng trên nền tảng các ứng dụng định sẵn, giao diện người dùng, tương tác sự kiện của phần mềm mẹ, khả năng tùy biến hầu như không hạn chế, lập trình sử dụng ngôn ngữ Visual basic phổ thông, những người không phải lập trình viên chuyên nghiệp có thể tiếp cận dể dàng và nhanh chóng Tuy nhiên công cụ này cũng có những giới hạn nhất định, luôn phải gắn liền với phần mềm chính

*) Luận văn thạc sĩ: “Lập trình mô phỏng động học việc tạo dạng răng thân

khai dùng thanh răng sinh" của tác giả Diệp Bảo Duy, Đại học Bách khoa TpHCM, 2010

Hình 1.11 Mô hình bánh răng trụ răng thẳng [14]

Đề tài này thực hiện trên nền Auto CAD dùng ngôn ngữ visual basic (AutoCAD VBA), mô phỏng việc tạo hình thân khai bánh răng trụ răng thẳng Chương trình mô phỏng việc tạo hình bánh răng thân khai với hiện tượng cắt chân răng, dịch chỉnh gần với quá trình gia công Ngoài ra nó còn xuất được mô hình kĩ

thuật số

1.4 Lựa chọn công cụ thực hiện

- Các phần mềm mô phỏng gia công thương mại và trong trường học ở trên có hạn chế chỉ để thấy được quá trình gia công và kiểm tra lỗi mà không xuất ra được mô hình số, khả năng tùy biến thấp

- DDS là phương pháp khá tốt để mô phỏng bánh răng, nhưng hiện nay do nó chỉ chuyên về bánh răng nên không phổ biến trên thế giới và càng ít hơn ở Việt Nam Vì đề tài hướng đến việc ứng dụng phổ biến hơn công nghệ mô phỏng nên dùng DDS không phù hợp

- Bài báo của tác giả Phạm Phước Đăng và Lưu Đức Bình, Đại học Bách khoa Đà nẵng tuy đơn giản, dễ sử dụng với đầy đủ các công cụ hỗ trợ nhưng Pro/E là phần mềm chuyên về gia công khuôn mẫu, thao tác và chỉnh sửa khá phức tạp, khả năng tùy biến thấp, không có khả năng xuất ra các mô hình số

- Bài báo của tác giả Đào Ngọc Biên,Trường Đại Học Hàng hải dùng phần mềm Flash MX , dể sử dụng, khá nhẹ Tuy nhiên nó không phải là phần mềm cơ khí, chỉ để trình diễn quá trình cắt bánh răng dùng thanh răng

- OpenGL là phần mềm chuyên lập trình game 3D nên sử dụng để hổ trợ cho kĩ thuật cơ khí là không phù hợp về tương lai, mặc khác việc sử dụng một ngôn ngữ lập trình độc lập C++ kết hợp với thư viện đồ họa OpenGL đòi hỏi rất nhiều về thuật toán xử lý đồ họa máy tính, thời gian không đảm bảo

- Đề tài của tác giả Diệp Bảo Duy, Đại học Bách khoa TpHCM dùng AutoCAD VBA đáp ứng khá tốt việc mô phỏng, phần mềm phổ biến trong ngành cơ khí, nhưng phần mềm AutoCAD mạnh mẽ về 2D, còn trong 3D có nhiều hạn chế như hệ thống đối tượng chưa phong phú, toàn diện, khó xử lí được những yêu cầu cao của một đối tượng phức tạp trong lập trình 3D

Với việc phân tích các ưu nhược điểm cũng như ứng dụng của các công cụ đã nêu, tác giả đánh giá việc sử dụng Inventor VBA là phù hợp hơn cả để thực hiện việc mô phỏng, vì các lý do sau:

- Inventor hiện được sử dụng rất phổ biến và ngày càng phổ biến hơn, nên một chương trình chạy trên nền Inventor sẽ không gặp nhiều khó khăn trong việc phổ biến cũng như sử dụng, thao tác, chỉnh sửa dể dàng nhanh chóng, được trang bị thư viện khá phong phú, đa dạng, hỗ trợ cả thiết kế và lập trình

- Là phần mềm chuyên 3D với hệ thống đối tượng API rộng trong part, sheetmetal, assembly, quản lí khá tốt các đối tượng cũng như thuộc tính của đối tượng trong bản vẽ, có thể xuất sang AutoCad với chất lượng cao bằng việc thực hiện các hiệu chỉnh rộng khi xuất, đáp ứng khá đầy đủ nhu cầu lập trình một đối tượng phức tạp với hệ thống mã lập trình ngày càng được bổ sung, hoàn thiện

- Xuất các mô hình số hoàn chỉnh Các mô hình này được Inventor cung cấp đầy đủ các thông số như vật liệu, khối lượng, thể tích, mô men quán tính, tính ứng suất khi đặt tải,… Điêu này hổ trợ khá nhiều cho thiết kế

- Mô hình số có thể xuất sang nhiều dạng file như AutoCad (*.dwg), Catia (CATPart), Pro/E (*.g, *.neu), Sat (*.sat), Step Files (*.stp, *step), …Nên có thể được gia công được trên các phần mềm CAD/CAM khác

Do đó, việc chọn thực hiện đề tài trên Inventor VBA là phù hợp

Hình 1.12 Phần mềm Inventor2013 của Autodesk

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết bánh răng thân khai

Hình 2.1 Bánh răng thân khai, thanh răng sinh, cặp bánh răng

Bánh răng như là một hình ảnh đại diện của ngành cơ khí Bộ truyền bánh răng mang nhiều ưu điểm rất cơ bản nên được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các cơ cấu truyền động, máy móc thiết bị… Các kĩ sư vẫn tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hơn nữa khả năng làm việc và tính kinh tế của nó thế nhưng về mặt hình học gần như đã tối ưu với sự ra đời của lý thuyết đường thân khai Trong khuôn khổ nội dung đề tài, tác giả chỉ khái quát một phần lý thuyết về bộ truyền bánh răng liên quan đến đề tài

2.1.1 Các thông số bánh răng và cặp bánh răng ăn khớp

Hình 2.2 Minh họa các thuật ngữ cơ bản của bánh răng [3]

Hình 2.3 Cặp bánh răng ăn khớp [9]

Hình 2.4 Cặp bánh răng trụ răng nghiêng [9]

Trong đó: - Hệ số chiều cao đỉnh răng h

a*

, hệ số này quyết định răng cao hay thấp.Chiều cao của răng thường lấy h = 2,25.h

a*

.m (2.1) Các bánh răng tiêu chuẩn lấy h

a*

= 1

- Góc nghiêng β, là góc làm bởi phương răng và mặt trụ Phương răng có thể nghiêng trái hay nghiêng phải, 0 ≤ β ≤ 45

0

- Đường kính vòng chia d

f1 và d

f2, mm - Đường kính vòng tròn đỉnh răng d

a1 và d

a2, mm - Hệ số khe hở răng C* ,thường lấy C* = 0,25 - Chiều cao răng h, mm Có quan hệ h = (2.h

a*

w, là khoảng cách giữa tâm bánh răng dẫn và bánh răng bị dẫn; mm Có a

a1, S

a ≥ 0,2.m - Chiều dày chân răng S

Đường tiếp tuyến chung của hai vòng tròn cơ sở cắt đường nối tâm của chúng tại điểm chia P, điểm này xác định vòng chia, hay cách gọi thông thường là đường kính vòng chia Từ tỉ số đường kính vòng chia ta xác định được tỉ số truyền

Tỉ số truyền từ bánh răng 2 sang bánh răng 1

2.1.1.2 Bước và mô đun

Bước răng là khoảng cách đo trên vòng tròn chia của hai bánh răng cùng phia gần nhau nhất, là thông số đặc trưng cho kích thước của răng trên bánh răng Bước răng trên bánh răng trụ răng nghiêng được đo trên phương vuông góc với phương răng p Bước răng được đo trên phương tiếp tuyến của bánh răng p

p = p cosβ (2.10) p được tính bằng công thức:

πdZ (2.11) Z là số răng được đếm trên mặt bên của bánh răng

Hình 2.6 Góc nghiêng β

Mô đun được đưa ra để việc tính toán bánh răng được dễ dàng hơn khi biết đường kính thay vì bước răng khi tính thông qua chu vi

Mô đun tiếp tuyến ( ) được tính theo công thức:

= (2.13)

đun chuẩn, khi thiết kế phải chọn giá trị theo bảng mô đun chuẩn trong bảng dưới đây Dãy 1 được ưu tiên khi chọn thiết kế

Bảng 2.1 Bảng mô đun chuẩn theo chuẩn Nhật- JIS B 1701-1973

Giá trị được chọn khi thiết kế, thường lấy = 20 Theo công thức (2.6) càng lớn thì càng nhỏ vì vậy đường ăn khớp cũng dài hơn và ăn sâu hơn vào tâm bánh răng, dể xảy ra hiện tượng cắt chân răng

(2.17) - Hệ số trung khớp dọc được tính theo công thức

Trong bộ truyền bánh răng nghiêng nếu ԑ> 1 thì ngay cả khi ԑ∝ < 1 bộ truyền vẫn làm việc bình thường, vì luôn có ít nhất 1 đôi răng tiếp xúc trong vùng ăn khớp

Hình 2.9 Cặp bánh răng ăn khớp

Hình 2.10 Ăn khớp đúng

Biên dạng 1, biên dạng 2 thôi ăn khớp sau khi đã tiếp xúc tại N và bắt đầu ăn khớp tại N

• Mô tả: Xét biện dạng 1, biên dạng 2 đang tiếp xúc nhau tại điểm ra khớp lý thuyết N , cặp biên dạng kế tiếp:

+ Nếu biên dạng 1, biên dạng 2 chưa tiếp xúc: sự truyền động không liên tục

+ Nếu biên dạng 1, biên dạng 2 vừa tiếp xúc nhau tại điểm vào khớp lý thuyết N hay đã tiếp xúc trên đoạn ăn khớp lý thuyết N N : sự truyền động sẽ được bảo đảm liên tục – Ăn khớp đúng

Ăn khớp đúng chỉ phụ thuộc việc chế tạo

2.1.2 Phương trình đường thân khai [14]

Hình 2.11 minh họa đường thân khai cùng các tham số Đường thân khai được định nghĩa là đường cong tạo bởi vết của một điểm trên một đường thẳng và đường thẳng này lăn không trượt trên đường tròn Đường tròn này được gọi là vòng cơ sở của đường thân khai Hai đường thân khai đối diện nhau giao với vòng đỉnh tạo thành biên dạng răng Chúng ta có thể thấy, từ hình 2.11, chiều dài của cung trên vòng cơ sở ac bằng chiều dài của đoạn thẳng bc

Trong đó

Hình 2.11 Đương thân khai

2.1.3 Tính toán bánh răng thân khai răng trụ răng nghiêng

Hình 2.12 minh họa cặp bánh răng thân khai tiêu chuẩn ăn khớp Sự ăn khớp của cặp bánh răng tiêu chuẩn đồng nghĩa với việc vòng chia của 2 bánh răng tiếp xúc và chuyển động tương đối với nhau Các công thức tính toán được trình bày trong bảng 2.2

Hình 2.12 Ăn khớp của cặp bánh răng tiêu chuẩn [14]

2.1.4 Hệ số dịch chỉnh và hiện tượng cắt chân răng

2.1.4.1 Hiện tượng cắt chân răng

Từ hình 2.13 có thể thấy rằng chiều dài tối đa của đường ăn khớp chính là đường tiếp tuyến chung Một khi đỉnh răng vượt quá một trong hai tiếp điểm (T và T’) sẽ giao với khu vực góc lượn của bánh răng mà nó ăn khớp Điều này sẽ dẫn tới hiện tượng cắt chân răng, thể hiện trong hình 2.14 Hiện tượng cắt chân răng không chỉ giảm độ bền răng mà còn lấy đi một đoạn thân khai hữu ích gần với vòng tròn cơ sở

Hình 2.13 Ăn khớp cắt chân răng

WZ là chiều dài ăn khớp là đường ăn khớp Từ hình 2.14 ta dễ dàng nhận thấy rằng hiện tượng cắt chân răng bắt đầu bằng việc đỉnh răng này cắt vào thân của bánh răng kia Với việc chiều cao đầu răng được tiêu chuẩn hóa bởi một giá trị cố định (ℎ =m), khả năng xảy ra giao nhau

giảm đi khi số răng tăng lên và đạt tới giới hạn khi bánh răng trở thành thanh răng Điều này đồng nghĩa với việc, bánh răng tiêu chuẩn có số răng dưới một giá trị xác định nào đó, sẽ tự động xảy ra hiện tượng cắt chân răng trong quá trình gia công

Hình 2.14 Điều kiện không cắt chân răng

Điều kiện để hiện tượng cắt chân răng không xảy ra:

Từ 2.15 ta thấy rằng số răng tối thiểu để không xảy ra hiện tượng cắt chân răng tỉ lệ nghịch với góc áp lực và góc nghiêng β Ví dụ với α=20 và β =0 số răng

= 13 Vì vậy với = 20 số răng tối thiểu bằng 18 khá phù hợp, ngoài ra góc nghiêng β có khả năng điều chỉnh giảm số răng tối thiểu của bánh răng cùng với dịch chỉnh biên dạng răng

2.1.4.2 Dịch biên dạng răng

Hình 2.16 thể hiện, một bánh răng với các thông số α=20° và Z=12, sẽ bị cắt chân răng với thể tích tương đối lớn Để ngăn điều này xảy ra, cần tiến hành dịch chỉnh dương

hình 2.17 Khi có dịch chỉnh, công thức xác định điều kiện không cắt chân răng của bánh răng thân khai:

Dịch chỉnh không chỉ để giải quyết vấn đề cắt chân răng, mà còn dùng khi cần đảm bảo khoảng cách trục cho trước Tuy nhiên dịch chỉnh dương có thể gây ra hiện tượng nhọn đỉnh răng

Hình 2.16 Bánh răng dịch chỉnh dương (α=20°, β=0, Z=12, X=+0.4)

Hình 2.17 Bánh răng dịch chỉnh âm (α=20°, β=0, Z=12, X=-0.4)

2.2 Xây dựng đường cong thân khai 2.2.1 Phương pháp dựng hình [14]

Hình 2.18 Dựng hình đường cong thân khai trên mặt pháp tuyến

OA0, OA1, OA2 bắt đầu tại A1, dựng các đường vuông góc A1B1, A2B2, A3B3 trên A1B1 xác định i1, với i1A1=A0A1, trên A2B2 xác định i2, với i2A2=2.A0A1 Tương tự xác định i3, i4 trên A3B3, A4B4; với i3A3=3.A0A3, i4A4=4.A0A4 tập hợp các điểm I xác định đường cong thân khai Minh họa việc vẽ bánh răng thân khai trên autoCad, với các thông số:

Bảng 2.3 Các thông số đầu vào vẽ đường thân khai

Kết quả tính toán các thông số cơ bản:

Bảng 2.4 Các thông số tính toán vẽ đường thân khai

Trình tự vẽ như sau: - Vẽ 2 đường tâm để xác định tâm O bánh răng - Từ tâm O vẽ các đường tròn: đỉnh răng, chân răng, vòng chia, vòng cơ sở, với các giá trị đã tính toán ở trên

- Từ O vẽ đường thẳng tạo với đường thẳng đứng góc 5° (Hình 2.19) cắt vòng tròn cơ sở tại S, tương tự vẽ các đường thẳng cách đều nhau 5°, cắt vòng cơ sở lần lượt tại 1,2,3,4,5,6,7,8

- Vẽ các đường tiếp tuyến với vòng cơ sở tại các điểm giao trên, chiều dài lần lượt là: 11’=S1, 22’=2.S1, 33’=3.S1, 44’=4.S1, 55’=5.S1, 66’=6.S1, 77’=7.S1, 88’=8.S1

- Vẽ đường Spline qua các điểm 1’, 2’, 3’, 4’, 5’, 6’, 7’, 8’ Tạo góc bo R=3.5 giữa OS và đường chân răng

- Trim các phần không cần thiết, dùng Array để tạo 18 biên dạng thân khai cách đều trên vòng chân răng Sử dụng tính chất độ dày răng, bằng độ dày rãnh đo trên vòng chia để xác định nửa còn lại của biên dạng răng Dùng Array nửa biên dạng này như trên để thu được bánh răng hoàn chỉnh

Hình 2.19 Dựng đường thân khai theo phương pháp tuyến bánh răng nghiêng

Hình 2.20 đường cong đi qua các điểm 1’,2’,…,8’là đường thân khai

Hình 2.21 Xác định nữa thân khai còn lại của răng

Hình 2.22 Bánh răng hoàn chỉnh

Như đã trình bày ở trên, việc dựng đường cong thân khai không quá phức tạp Tuy nhiên để dựng bánh răng thân khai hoàn chỉnh là vấn đề không đơn giăn Khó khăn ở chỗ không xử lí được đường cong không phải đường thân khai không đúng như thực tế việc dựng bánh răng dịch chỉnh, hiện tượng cắt chân răng tương đối phức tạp

2.2.2 Tạo hình biên dạng thân khai nhờ thanh răng sinh

tương tự như quá trình gia công thực tế Do vậy, mô hình thu được có độ chính xác

cao hơn phương pháp dựng hình ở trên Ngoài ra còn thể hiện được các trường hợp đặc biệt như: bánh răng dịch chỉnh, hiện tượng cắt chân răng một cách chính xác

2.2.2.1 Cơ sở lý thuyết

Hình 2.23 Tạo hình thân khai dùng thanh răng sinh [14]

Biên dạng răng thân khai bánh răng tạo bởi hình bao của họ các biên dạng thanh răng sinh

Việc tạo hình biên dạng thân khai được thực hiện nhờ ba chuyển động chính Tuy nhiên ở đây ta chỉ tìm hiểm hai chuyển động: phôi bánh răng được xoay tròn đều với vận tốc góc w quanh tâm của nó, thanh răng sinh tịnh tiến với vận tốc v theo phương pháp tuyến của răng Quá trình cắt diễn ra liên tục, thanh răng sinh tạo hình bao là biên dạng thân khai lên phôi Vận tốc v và vận tốc góc w trong bánh răng thẳng quan hệ theo phương trình:

=2 (2.31)