Thiết kế, mô phỏng và chế tạo thử nghiệm bộ khớp nối mềm dùng cơ cấu răng cầu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ KHỚP NỐI MỀM DÙNG CƠ CẤU RĂNG CẦU NGUYỄN THỊ HẢI THÁI NGUYÊN, NĂM 2012 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ KHỚP NỐI MỀM DÙNG CƠ CẤU RĂNG CẦU Ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số: Học viên: NGUYỄN THỊ HẢI Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS HOÀNG VỊ THÁI NGUYÊN, NĂM 2012 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tồn luận văn thân tổng hợp nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn khoa học TS Hoàng Vị chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khoa học khác Nếu sai tơi xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Người thực Nguyễn Thị Hải Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Bằng tất kính trọng chân thành tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS Hoàng Vị- ngƣời tận tình hƣớng dẫn tơi suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Đồng thời tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Ban chủ nhiệm Khoa Đào tạo sau đại học, Ban lãnh đạo Trung tâm dạy nghề thị xã Sông Công tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Tôi xin cảm ơn gia đình, ngƣời thân đồng nghiệp động viên giúp đỡ suốt thời gian học tập nghiên cứu hoàn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả Nguyễn Thị Hải Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Nội dung Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục hình vẽ, ảnh chụp Phần mở đầu 1 Tính cấp thiết đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu kết dự kiến đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU RĂNG CẦU 1.1 Sự hình thành cấu bánh cầu 1.1.1 Sự hình thành bề mặt vành cầu thân khai 1.1.2 Sự hình thành bánh cầu vành cầu thân khai 1.2 Đặc điểm kết cấu lắp ghép cấu bánh cầu 1.3 Đặc điểm truyền động cấu bánh cầu 1.4 Điều kiện ăn khớp cấu bánh cầu 1.5 Điều kiện truyền động liên tục cấu bánh cầu 1.6 Phƣơng trình tham số biên dạng ∑1 bánh thứ 1.7 Phân tích động học bánh cầu 14 1.7.1 Mơ hình tốn học chuyển động cấu bánh cầu 14 1.7.2 Phân tích động học bánh cầu 15 1.8 Kết luận 18 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ KHỚP NỐI MỀM DÙNG CƠ CẤU RĂNG CẦU 2.1 Hƣớng dẫn vẽ biên dạng thân khai theo tham số Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 20 20 2.2 Thiết kế bánh rƣng cầu theo biên dạng thân khai vẽ 38 2.2.1 Thiết kế bánh cầu số 38 2.2.2 Thiết kế bánh cầu số 39 CHƢƠNG CHẾ TẠO KHỚP NỐI MỀM DÙNG CƠ CẤU RĂNG CẦU 42 3.1 Tính tốn, thiết kế cấu 42 3.1.1 Tính tốn thơng số cấu 42 3.1.2 Hình học cấu 43 3.2 Các giải pháp chế tạo cầu 44 3.2.1 Phƣơng pháp chép hình 44 3.2.2 Phƣơng pháp bao hình 46 3.2.3 Phân tích lựa chọn phƣơng pháp 50 3.3 Thiết kế, chế tạo dao tiện 51 3.3.1 Những vấn đề tiện chép hình 51 3.3.2 Thiết kế dao tiện chép hình mơ đun m = 3, Ztđ = 25 52 3.3.3 Chế tạo dao tiện 61 3.4 Chế tạo thực nghiệm 61 3.4.1 Gá dao 61 3.4.2 Phôi 62 3.4.3 Chế độ cắt tiện máy CNC 63 3.5 Nhận định kết 66 3.5.1 Thuận lợi 66 3.5.2 Khó khăn 66 CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 68 4.1 Kết nghiên cứu 68 4.2 Hƣớng phát triển đề tài 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69 http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT Hình vẽ số Tên hì nh Trang 1.1 Cơ cấu cầu 1.2 Cơ cấu cầu vành thân khai 1.3 Sự hình thành bề mặt thân khai 4 1.4 Sự hình thành cấu cầu vành thân khai 1.5 Sơ đồ lắp ghép cấu cầu 1.6 Mặt nón ăn khớp cấu cầu 7 1.7 1.8 Hệ trục toạ độ cấu cầu 12 1.9 Phép quay hai hệ trục toạ độ quanh trục 15 10 1.10 Mối quan hệ góc quay toạ độ 16 11 2.1 Bản vẽ lắp khớp nối mềm dùng cấu cầu 41 12 3.1 Biên dạng bánh thân khai 42 13 3.2a Cơ cấu cầu lồi 43 14 3.2b Cơ cấu cầu lõm 43 15 3.3 Sơ đồ tiện chép hình cấu cầu 44 16 3.4 Sơ đồ phay chép hình cấu cầu 45 17 3.5 Sơ đồ tiện bao hình cấu cầu 46 18 3.6a 19 3.6b Mơ hình tiện bao hình cấu cầu (dạng solid) 47 20 3.7 Sơ đồ phay bao hình cấu cầu 48 21 3.8a 22 3.8b Hệ trục tọa độ bánh cầu vành thân khai Mơ hình tiện bao hình cấu cầu (dạng wide frame) Mơ hình phay bao hình cấu cầu (dạng wide frame) Mơ hình phay bao hình cấu cầu (dạng solid) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 47 49 49 23 3.9 Mơ hình máy mài cấu cầu 50 24 3.10 Xác định tọa độ phần thân khai prôfin 54 25 3.11 26 3.12 27 3.13 28 3.14 29 3.15 Phiến tì định vị góc dùng q trình gá dao 62 30 3.16 Phơi sau tiện cầu 63 31 3.17 32 3.18 Vị trí vịng sở so với vòng tròn chân phần hiệu dụng prôfin Thiết kế prôfin hiệu dụng dụng cụ cắt bánh làm việc theo phƣơng pháp chép hình Mảnh dao tiện chép hình 59 60 Quá trình cắt dây tạo biên dạng phần cắt dao tiện định hình Sự biến thiên đƣờng kính gia cơng tốc độ trục theo thời gian Mơ hình khớp nối mềm dùng cấu cầu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 http://www.lrc-tnu.edu.vn 61 65 66 PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cơ cấu bánh cấu phổ biến truyền động khí Các cấu bánh truyền thống (bánh trụ, bánh cơn, trục vít bánh vít, bánh răng) nghiên cứu hoàn chỉnh mặt lý thuyết phương pháp chế tạo Tuy nhiên với cấu bánh truyền thống có độ cứng vững cao, chế tạo đơn giản có bậc tự nên khả linh hoạt Cơ cấu cầu phát minh Pan Cunyun Shang Jianzhong vào năm 1990 cấu có nhiều bậc tự do, khả linh hoạt cao truyền chuyển động truyền lực khơng gian.Về ngun lí, cấu hoạt động khớp cầu không gian với khả truyền động ăn khớp Trên giới cấu cầu ứng dụng cấu địi hỏi tính linh hoạt độ xác cao truyền động khớp cổ tay, cánh tay rôbốt, máy dẫn đường cho tên lửa, hệ thống điều khiển ăngten vệ tinh, cấu phun sơn… Theo tài liệu công bố gần [1]… [7], cấu cầu nghiên cứu hồn thiện mơ hình truyền động, mơ hình tốn học, cấu trúc động lực học Việc thiết kế chế tạo hoàn chỉnh cấu cầu chưa công bố Trong tài liệu nghiên cứu công bố cấu cầu: tác giả S.-C Yang đưa mơ hình toán học cầu loại vành liên tục bậc tự [1]; tác giả Li Ting Pan Cunyun nghiên cứu máy mài ứng suất tiếp xúc cấu cầu [2]; đặc tính tiếp xúc cặp bánh cầu kết nghiên cứu hai tác giả Li-Chi Chao Chung-Biau Tsay[3] Các nghiên cứu đưa mô hình đặc điểm động học cấu cầu mà chưa đưa thiết kế cụ thể để chế tạo cặp truyền động cầu Từ lý nêu trên, tác giả chọn đề tài nghiên cứu “Thiết kế, mô chế tạo thử nghiệm khớp nối mềm dùng cấu cầu” Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 2.1.Ý nghĩa khoa học Sự khác biệt cấu cầu bánh truyền thống đường thân khai cầu Sự hình thành đường thân khai sở để hình thành Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn yếu tố hình học cấu cầu Tuy vậy, phương trình biên dạng vành cầu thân khai có quan hệ với bánh trụ trịn Qua đó, ta xác định phương trình biên dạng cầu Nhận thấy bề mặt vành cầu bề mặt không gian có cấu tạo hình học phức tạp, profile đường thân khai phẳng, dựa sở để chế tạo cấu cầu Các nghiên cứu cầu chưa hoàn thiện, việc thiết kế chế tạo cầu cần thiết Chế tạo cầu đạt độ xác cao vấn đề lớn mà nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Vì mục tiêu chủ yếu đề tài thiết kế chế tạo cặp cầu đảm bảo độ xác yêu cầu 2.2.Ý nghĩa thực tiễn Thiết kế cấu cầu làm sở cho việc chế tạo cầu có ý nghĩa lớn Nếu thành cơng chế tạo cầu nước Đây điều kiện quan trọng để phát triển sản phẩm ứng dụng kỹ thuật Mục tiêu đề tài - Nghiên cứu lý thuyết khớp nối mềm dùng cấu cầu - Thiết kế khớp nối mềm dùng cấu cầu - Mô trình chế tạo khớp nối mềm dùng cấu cầu - Chế tạo thử nghiệm khớp nối mềm dùng cấu cầu - Kiểm tra độ xác Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Nội dung nghiên cứu kết dự kiến đề tài Chương 1: Tổng quan cấu cầu Chương 2: Thiết kế khớp nối mềm dùng cấu cầu Chương 3: Chế tạo thử nghiệm khớp nối mềm dùng cấu cầu Chương 4: Đánh giá kết thực nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 55 Vậy lấy điểm cao phần thân khai là: RM = 41,5 (mm) Cho Rn nhận giá trị khoảng 35,696 ÷ 41,5 (mm) Ta xây dựng prơfin dụng cụ cắt lưới tọa độ tương ứng với giá trị khác Rn Trên prôfin ta lấy 16 điểm tương ứng với giá trị Rn khoảng từ 35,696 đến 41,5 (mm) Với giá trị khác Rn, ta tính giá trị cosαn từ tính giá trị αn tương ứng Rn Cosαn αn 36,696 0,987183 9011’ 36,083 0,9765 12025’ 36,4699 0,96623 14056’ 36,8569 0,95609 1703’ 37,2437 0,946157 18053’ 37,6307 0,936428 20032’ 38,0176 0,926879 2203’ 38,4045 0,917539 23026’ 38,7915 0,908406 24043’ 39,1784 0,899435 25055’ 39,5653 0,890639 2703’ 39,9523 0,882013 2807’ 40,3392 0,873553 2908’ 40,7261 0,865253 3005’ 41,1131 0,85711 3100’ 41,5 0,849118 31053’ Tra bảng trị số invα =tgα – α để tìm giá trị invαә invαn tương ứng + invαә = inv 200 = 0,014904 + Bảng giá trị invn tương ứng với giá trị αn: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 56 αn invαn 9011’ 0,001387 12025’ 0,0034575 14056’ 0,006067 1703’ 0,009107 18053’ 0,012475 20032’ 0,016174 2203’ 0,020197 23026’ 0,024441 24043’ 0,028914 25055’ 0,033602 2703’ 0,038514 2807’ 0,043596 2908’ 0,048883 3005’ 0,054238 3100’ 0,059809 31053’ 0,065574 Khi xác định giá trị invαn, thay vào công thức ta tính giá trị  Tuy nhiên giá trị radian, muốn chuyển thành độ cần phải lấy giá trị radian nhân với 206264,8” Ta có bảng giá trị  sau: αn invαn  (radian)  (độ) 9011’ 0,001387 0,049338 2,82686 12025’ 0,0034575 0,051418 2,94601 14056’ 0,006067 0,054027 3,09552 1703’ 0,009107 0,057067 3,2697 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 57 18053’ 0,012475 0,060435 3,46267 20032’ 0,016174 0,064134 3,67461 2203’ 0,020197 0,068157 3,90511 23026’ 0,024441 0,072401 4,14827 24043’ 0,028914 0,076874 4,40456 25055’ 0,033602 0,81562 4,67316 2703’ 0,038514 0,08674 4,9546 2807’ 0,043596 0,091536 5,24577 2908’ 0,048883 0,096843 5,5487 3005’ 0,054238 0,102198 5,85551 3100’ 0,059809 0,07769 6,17471 31053’ 0,065574 0,0113534 6,50502 Thay giá trị  vào cơng thức tính xn yn ta giá trị tọa độ điểm bảng sau: Thƣ tự Rn  xn yn 36,696 0,049338 1,760453 35,65256 36,083 0,051418 1,85448 36,03531 36,4699 0,054027 1,969401 36,41669 36,8569 0,057067 2,102171 36,7969 37,2437 0,060435 2,249453 37,17571 37,6307 0,064134 2,411753 37,55334 38,0176 0,068157 2,58916 37,92933 38,4045 0,072401 2,778096 38,30389 38,7915 0,076874 2,979122 38,67694 10 39,1784 0,81562 3,191927 39,04816 11 39,5653 0,08674 3,417107 39,41746 điểm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 58 12 39,9523 0,091536 3,652765 39,78497 13 40,3392 0,096843 3,900466 40,15019 14 40,7261 0,102198 4,154885 40,5136 15 41,1131 0,07769 4,422146 40,87458 16 41,5 0,0113534 4,701545 41,23282 3.3.2.3 Thiết kế phần không làm việc dụng cụ cắt: - Tính bán kính vịng trịn chân: df = dc – 2,5m (đường kính vòng tròn chân) df = mz – 2,5m = (z-2,5)m df = (25-2,5).3 = 67,5  Ri  df  67,5  33,75 Ta có: Ri = 33,75, r0 = 35,24, RK’ = 35,696 Do đó: Ri