Bánh răng với vai trò là chi tiết máy hình thành các xích động học để truyền chuyển động, công suất và mô men không thể thiếu ở các máy động lực, máy công cụ là chi tiết phổ biến nhất củ
Trang 1PHẦN MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Rất khó tra cứu bộ truyền bánh răng thực sự đầu tiên đã ra đời như thế nào nhưng
có giả thiết cho rằng đó là sự hoạt động liên tục của các đòn bẩy xung quanh một trục quay cố định Cho đến ngày nay khi mà có rất nhiều các hệ dẫn động tiên tiến ra đời thì các hình thức truyền động bằng các cặp ăn khớp có răng vẫn giữ vai trò quan trọng trong công nghiệp và dân dụng
Bánh răng với vai trò là chi tiết máy hình thành các xích động học để truyền chuyển động, công suất và mô men không thể thiếu ở các máy động lực, máy công cụ là chi tiết phổ biến nhất của ngành cơ khí, nó thường có mặt như một biểu tượng của cơ khí chính xác một phần cũng do tính phổ biến và các yêu cầu kỹ thuật khi gia công
Dù ở trình độ sản xuất nào bánh răng cũng đóng vai trò quan trọng, tuy nhiên các nước phát triển thì ngành sản xuất răng mang tính chuyên môn hóa cao hơn, trong khi các nước đang phát triển do thiếu chủ động về máy công cụ nên nền sản xuất răng thường không thể hiện được điều này
Việc đồng bộ và nhất quán giữa các khâu trong sản xuất từ thiết kế, chế tạo và kiểm tra sản phẩm đòi hỏi một khối lượng lớn máy móc thiết bị chuyên,việc gia công răng ở nước ta tại các đơn vị sản xuất nhỏ hoặc các nhà xưởng tư nhân thường phục vụ công tác sửa chữa là chính, các đơn vị chuyên sản xuất bánh răng dưới dạng các hộp giảm tốc hoàn chỉnh cũng chưa được trang bị các máy đo kiểm chuyên dùng phục vụ sản xuất
Trong điều kiện chưa thể đồng bộ thiết bị ngay thì việc sáng tạo để khắc phục các khó khăn trước mắt là vô cùng cần thiết, một chi tiết phức tạo như bánh răng có rất nhiều các thông số cần đo kiểm khi thiết kế lại hoặc kiểm tra sau khi gia công xong tuy nhiên có nhiều thông số có thể được đo kiểm bằng các dụng cụ thông thường như thước kẹp (đường kính, mô đun, hệ số dịch dao, chiều dài pháp tuyến chung…) thì cũng có những tham số không thể thực hiện đo bằng các thiết bị vạn năng chẳng hạn góc xoắn đường chuẩn ở bánh răng trụ răng nghiêng Với sự tham dự của một vài cảm biến thông thường thông số này có thể được đo với nguyên lý đúng đắn hơn mà không cần đến máy móc chuyên dụng, hiệu quả về mặt kinh tế và kỹ thuật là lý do để nghiên cứu sâu vấn đề này
Trang 22 Mục đích và phương pháp nghiên cứu
2.1 Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu và tìm ra một loại máy đo góc nghiêng bánh răng chuyên dùng kiểu
cơ điện tử, kết quả đo hiển thị số
2.2 Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó chủ yếu là nghiên cứu thực nghiệm để chế tạo ra máy đo góc nghiêng bánh răng trụ răng nghiêng
3 Đối tượng nghiên cứu
Đo bước xoắn (góc nghiêng) bánh răng trụ răng nghiêng để đo kiểm hoặc chế tạo phục hồi một bánh răng
4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Trên cơ sở phân tích động học đầu với hai chuyển động: xoay bánh răng và tịnh tiến chyển sang xoay trục vít me mang đầu đo, luận văn đã giới thiệu nguyên lý làm việc của thiết bị đo cũng như cơ sở lý thuyết khi tính toán thiết kế thiết bị cơ điện tử Chế tạo ra một máy đo bươc xoắn (góc nghiêng) bánh răng trụ răng nghiêng Máy đo thuận tiện trong việc sử dụng, giá thành hợp lý cho cơ sở sản xuất trong nước, là ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
5 Nội dung của luận văn
Kết cấu của luận văn bao gồm ba chương và phần kết luận chung:
Chương 1: Tổng quan về thiết bị đo góc nghiêng bánh răng
Chương 2: Thiết kế máy đo góc nghiêng bánh răng trụ kiểu cơ điện tử
Chương 3: Thử nghiệm và đánh giá máy
Kết luận chung và thảo luận kết quả
Trang 3tự cặp răng phía trước ra khớp bao nhiêu thì đôi răng phía sau vào khớp bấy nhiêu.
Bánh răng nghiêng luôn có ít nhất hai đôi răng ăn khớp kể cả khi hệ số trùng khớp ngang nhỏ hơn 1
1.2 Một số phương pháp gia công bánh răng trụ răng nghiêng thông dụng
Về nguyên lý tạo răng, có thể chia thành hai phương pháp gia là phương pháp định hình và phương pháp bao hình
Phương pháp định hình: là phương pháp cắt răng mà dụng cụ căt có biên dạng lưỡi cắt là rãnh răng Quá trình cắt răng không liên tục khi cắt thì cắt từng rãnh răng một sau
đó phần độ để gia công tiếp rãnh răng khác
Phương pháp bao hình: là phương pháp cắt răng mà dụng cụ cắt không cần biên dạng lưỡi cắt là rãnh răng Quá trình cắt răng diễn ra liên tục, khi cắt dụng cắt sẽ lăn tương đối trên vành của bánh răng gia công và khi đó quỹ tích các đường bao của dụng
cụ cắt là prôfin thân khai của răng bánh răng gia công
Trang 4Trong quỏ trỡnh chế tạo yờu cầu gúc nghiờng β phải cú độ chớnh xỏc cao và giữa 2 bỏnh chủ động và bị động phải cú cựng gúc nghiờng β và nờn chế tạo cựng 1 dao Nếu bỏnh răng chế tạo khụng chớnh xỏc giữa 2 bỏnh răng ăn khớp thỡ 2 bỏnh răng đú sẽ rất nhanh chúng bị hỏng do ma sỏt lớn, thậm chớ cú thể làm hỏng hay gẫy răng trong quỏ trỡnh truyền động và bộ truyền sẽ khụng làm việc được hay làm việc khụng hiệu quả Vì vậy trong chế tạo bánh răng yêu cầu độ chính xác góc nghiêng β rất cao Khi lắp bộ truyền động bỏnh răng nghiờng chỳng ta cần phải đo đặc chớnh xỏc gúc nghiờng β trước khi đưa vào làm việc.
1.4 Kỹ thuật và thiết bị kiểm tra cỏc thụng số trờn bỏnh răng trụ
1.4.1 Đo bằng dụng cụ vạn năng
* Kiểm tra gúc nghiờng của bỏnh răng β
Gúc nghiờng của bỏnh răng nghiờng được xỏc định theo lý thuyết thỡ trong việc thiết kế lại hoặc kiểm tra bỏnh răng đó gia cụng, việc xỏc định chớnh xỏc gúc nghiờng từ một nguyờn mẫu cú sẵn gặp nhiều khú khăn về thiết bị đo Kiểm tra gúc nghiờng trờn thực tế
cú hai cỏch như sau:
- Đo kiểm tương đối với cỏc dụng cụ thủ cụng:
+ Sử dụng thước kẹp với cỏc bỏnh răng cú gúc nghiờng dưới 150.
+ Lăn vết lờn giấy với cỏc bỏnh răng cú gúc nghiờng trờn 150 sau đú hiệu chỉnh kết quả
đo theo tiờu chuẩn
- Đo bằng cỏc mỏy đo tọa độ thụng qua một chương trỡnh xử lý kết quả khụng chớnh hóng
Cỏc phương phỏp này đều cú điểm khú chấp nhận ở gúc độ kinh tế hoặc kỹ thuật vỡ hàm chứa sai số phương phỏp đo (chẳng hạn khi đo chiều dài đường chuẩn xoắn vớt trụ bằng thước kẹp đó lấy dõy thay cho cung)
1.4.2 Cỏc thiết bị chuyờn dựng khỏc
* Mỏy đo tọa độ CMM và cỏc trung tõm đo răng chuyờn dụng
Trang 5Hình : Sơ đồ cấu trúc một trung tâm kiểm tra bánh răng
Các loại máy CMM còn được gọi là máy quét hình vì chúng còn được dùng để quét hình dáng của vật thể Có hai loại máy đo toạ độ thông dụng là máy đo bằng tay (đầu đo được dẫn động bằng tay) và máy đo CNC (đầu đo được điều khiển tự động bằng chương trình số)
Máy đo toạ độ thường là các máy đo các 3 phương chuyển vị đo X, Y, Z Bàn đo được làm bằng đá granít Đầu đo được gắn trên giá đầu đo lắp trên thân trượt theo phương Z Khi đầu đo được điều chỉnh đến một điểm đo nào đó thì 3 đầu đọc sẽ cho ta biết 3 toạ độ X, Y, Z tương ứng với độ chính xác có thể lên đến 0,1 micromét
Loại máy đo này có chuyển vị rất êm, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt trên đệm khí nén Để kết quả đo tin cậy, áp suất khi nén cần phải được bảo đảm như điều kiện kỹ thuật của máy đã ghi nhằm đảm bảo đệm khí đủ áp suất và làm việc ổn định Các máy của hãng Mitutoyo thường có yêu cầu áp suất khi nén là 0,4MPa với lưu lượng 40 lít/phút ở trạng thái bình thường Máy phải được vận hành ở nhiệt độ thấp, thường từ 16
độ C đến 26 độ C
Máy đo 3 toạ độ có phạm vi sử dụng lớn Nó có thể đo kích thước chi tiết, đo profile, đo góc, đo sâu… Nó cũng có khả năng đo các thông số phối hợp trên một chi tiết như độ song song, độ vuông góc, độ phẳng …Đặc biệt máy có thể cho phép đo các chi tiết có biên dạng phức tạp, các bề mặt không gian, ví dụ như bề mặt khuôn mẫu, cánh chân vịt, mui xe ô tô… Đặc biệt là nó được ứng dụng trong kỹ thuật ngược
Trang 6Để dễ dàng cho việc tính toán kết quả đo, kèm theo máy là phần mềm thiết kế trước cho từng loại thông số cần đo Mỗi hãng chế tạo máy CMM đề có viết riêng cho các máy của mình những phần mềm khác nhau Mỗi phần mềm có thể có nhiều môđun riêng biệt ứng dụng cho từng loại thông số cần đo.
Như vậy khi sử dụng máy CMM đạt hiệu quả cao nhưng nếu chỉ sử dụng để kiểm tra các thông số bánh răng vì mỗi phần mềm có nhiều môđun riêng biệt ứng dụng cho từng loại thông số cần đo thì không đạt hiệu quả về kinh tế do đầu tư ban đầu hoặc chi phí thuê máy rất lớn
Hình 1.15: Máy soi profil quang học (nguồn: OKM-Jena)
Các lỗi về biên dạng răng thường được phát hiện trên máy soi profil quang học, với sự trợ giúp của hệ thống khuếch đại hình ảnh, máy soi dễ dàng cho phép phóng to
và xác định các lỗi về biên dạng của răng, đây cũng là một dạng máy chuyên dùng ít phổ biến và ít được biết đến
1.5 Hướng phát triển của đề tài
Xuất phát từ thực tế trên tác giả muốn nghiên cứu và tìm ra một loại máy đo góc nghiêng bánh răng chuyên dùng kiểu cơ điện tử, kết quả đo hiển thị số, đây là một phương án giải quyết được các yếu tố kinh tế và kỹ thuật của phép đo góc nghiêng Dựa
Trang 7trên sự kết hợp các cảm biến đo chuyển vị và dựa trên sự lặp lại quá trình động học hình thành góc nghiêng khi gia công bánh răng Máy đo chuyên dùng của tác giả có thể phục
vụ đo kiểm bánh răng khi sản xuất phục hồi từ phôi – ra bản vẽ hoặc kiểm tra bánh răng sau gia công
Kết luận chương 1
Thiết bị đo luôn song hành cùng các máy công cụ, nó là thiết bị cần hiện đại hóa và đồng bộ hóa cùng với sự phát triển của các máy công cụ CNC ngày nay Xu hướng Cơ điện tử của các thiết bị đo như các trung tâm đo CNC là cần thiết và tất yếu, trong điều kiện chưa có được các trung tâm đo CNC với nhiều tính năng kiểm tra tổng hợp, tác giả
đã đề xuất phương án kiểm tra bằng thiết bị đo dựa trên ứng dụng kỹ thuật cơ điện tử thông số góc nghiêng là một thông số khó đo kiểm bằng các phương pháp và công cụ truyền thống
Vì phần lớn các linh kiện cấu thành máy có thể tính chọn được dưới dạng các mô đun tiêu chuẩn của các lĩnh vực như Cơ khí, điện – điện tử - điều khiển nên việc thiết kế
và thi công máy có thể hoàn thành trong thời gian ngắn với chất lượng cao Máy sử dụng nguyên lý đo chính xác trên cơ sở khai thác các yếu tố tạo hình mặt răng kết hợp với các cảm biến có độ nhạy chuyển động cao và tốc độ xử lý dữ liệu cao nên cho độ chính xác đo lường rất tốt so với các phương pháp đo gần đúng truyền thống, vì vậy kết quả đề tài đã được ứng dụng trong sản xuất ngay sau khi hoàn thành
Trang 8Chương 2 THIẾT KẾ MÁY ĐO BƯỚC XOẮN BÁNH RĂNG TRỤ
KIỂU CƠ ĐIỆN TỬ
Máy đo theo ý đồ thiết kế của tác giả là một thiết bị đo cơ điện tử phục vụ cho ngành chế tạo máy, do vậy nó có các thành phần hợp thành gồm cơ khí chế tạo, điện – điện tử, công nghệ thông tin và lý thuyết điều khiển tự động Phương pháp và tiến trình thiết kế máy sẽ không giống với các quy trình thiết kế đơn ngành thông thường Các thiết kế đều hướng tới tính chọn hoặc nhận dạng yêu cầu làm việc cơ bản của thiết bị và linh kiện, việc chế tạo rất hạn chế chỉ tập trung vào các chi tiết phi tiêu chuẩn mang tính liên kết kết cấu giữa các mô đun như thân máy, bệ máy, các chân gối đỡ, đặc biệt trang
bị điện tử chỉ sử dụng các mô đun tiêu chuẩn, vì vậy máy có thời gian tổ hợp khá ngắn
từ khi hoàn thiện thiết kế
2.1 Thiết kế động học máy đo
Trong phần này chỉ ra các chuyển động cần thiết của máy đo và quan hệ giữa các chuyển động đó theo các quy luật định trước hoặc phát hiện các quy luật về sự liên hệ của các chuyển động do một mặt có sẵn quy định Trên cơ sở đó chỉ ra sự hình thành các nhóm và cấu trúc động học của máy
2.1.1 Sơ đồ gia công và sự hình thành góc xoắn
Ở bánh răng trụ răng nghiêng khi gia công, người ta quét đường sinh thân khai theo đường chuẩn là đường xoắn vít trụ để tạo hình mặt răng Đường xoắn vít này được hình thành dựa trên cơ sở phối hợp hai chuyển động là di chuyển dọc trục tương đối giữa dao và phôi bánh răng phù hợp với mỗi vòng quay của phôi trên máy gia công
Hình 2.1: Khai triển đường xoắn vít trụ
Trang 9Tức là một chất điểm thuộc dụng cụ cắt sẽ có hai bậc tự do tương đối so với phôi là quay quanh trục phôi và tịnh tiến dọc trục phôi, tuy nhiên có liên kết động học ràng buộc giữa hai chuyển động này
Trên hình 2.1, nếu dao di chuyển dọc trục một lượng AE thì phôi quay đi một cung
BE để hình thành đường chuẩn AB
Để đo được nhiều loại bánh răng khác nhau với độ rộng chân răng khác nhau có thể chế tạo nhiều đầu đo có kính thước khác nhau và có thể tháo lắp dể dàng, để có tiếp xúc trên vòng chia bánh răng với đầu đo, đường kính đầu đo cần xác định theo kích thước của con lăn kiểm theo sổ tay gia công răng, trước khi đo cần chọn đúng đầu đo thích hợp và gá lắp đúng chỉ dẫn sử dụng máy
Hình : Kết cấu đầu đo dùng cho bánh răng có mô đun m n =2.5
2.1.2 Các chuyển động cần thiết của đầu đo và liên kết nhóm trên máy đo
Nguyên tắc để thiết kế động học máy đo đề xuất ở đây là sử dụng một đầu đo tiếp xúc trong rãnh răng, di chuyển theo phương song song trục bánh răng được gá quay tự
do trên một giá đỡ để đo chuyển động quay của bánh răng do bị dẫn bởi chính góc nghiêng hình thành sẵn trên mặt răng
Khi gia công tỉ số truyền của xích vi sai sẽ quyết định góc nghiêng, thể hiện gián tiếp của tỉ số này chính là lượng di động tính toán của khâu đầu và khâu cuối (đầu dò – bánh răng), nếu đo được lượng di chuyển của từng khâu trong quan hệ tạo hình đường chuẩn chính là cơ sở chính xác để tái tạo góc nghiêng
Việc đo lường chuyển động dọc trục của đầu đo lượng AE (chủ động) và chuyển động quay của phôi BE (bị động) với độ chính xác cần thiết sẽ cung cấp góc nghiêng chính xác thông qua việc tính hàm toán học tang(BE/AE)
Do mặt răng đã gia công là bề mặt tinh, việc tiếp xúc với đầu dò di động dọc trục
sẽ chuyển một phần năng lượng của đầu dò qua mặt răng thành chuyển động quay của
Trang 10phôi với hiệu suất chấp nhận được, tuy nhiên trong sơ đồ đo còn cần xác định chính xác đường kính tiếp xúc giữa đầu dò và bánh răng, điều này được giải quyết bằng một cảm biến vị trí làm việc độc lập.
2.1.3 Sơ đồ nguyên lý máy đo
Sơ đồ nguyên tắc máy đo được đề xuất như hình vẽ:
B¸nh r¨ng trô r¨ng nghiªng
C¶m biÕn gãc quay b¸nh r¨ng
C¶m biÕn di chuyÓn tÞnh tiÕn
§Çu dß
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý máy đo góc nghiêng
Mặt răng với góc nghiêng có sẵn là nhân tố quy định chuyển động phối hợp giữa hai bậc tự do, các cảm biến mã hóa các tín hiệu di chuyển và phân kênh để truyền tới vi
xử lý trung tâm Các tín hiệu được giải mã để phối hợp với nhau theo một chương tình viết sẵn trong vi xử lý và sau đó xuất ra màn hình dưới dạng độ, phút, giây Liên kết các nhóm với nguồn chuyển động có thể thực hiện theo một trong hai phương án là chuyển động từ động cơ 24V hoặc một cơ cấu quay tay trong trường hợp sử dụng nguồn ắc quy
để tiết kiệm năng lượng
2.2 Xác định các đặc trưng thiết bị
2.2.1 Đặc trưng kích thước
Đặc trưng kích thước máy là chỉ dẫn các giới hạn về kích thước vật đo được lớn nhất và nhỏ nhất gá được lên máy để thực hiện đo Do vật được gá bằng hai mũi tâm tương tự như trên máy tiện, chiều cao tâm máy là khoảng cách từ đường tâm vật được
gá đúng đến mặt tấm thép dùng để làm thân máy, khoảng cách này là 150 mm, tức là vật gá lớn nhất có thể lắp được lên máy là 300 (mm)
Khoảng cách cực đại giữa hai mũi tâm trước và sau khi đã lùi nòng ụ động lại hết hành trình là 180 (mm)
Đầu đo có thể với vào tận đường tâm máy, có nghĩa là không hạn chế kích thước nhỏ nhất của bánh răng được đo
Trang 11435,67 150
Trang 122.2.2 Đặc trưng độ chính xác
Vì máy gồm nhiều mô đun linh kiện khác nhau như cơ, điện, điện tử và điều khiển,
độ chính xác của phép đo góc là tổng hợp độ chính xác của hoạt động phối hợp các mô đun này Tuy nhiên có ba yếu tố quyết định độ chính xác của phép đo cần được phân tích kỹ lưỡng là:
- Độ chính xác của các thiết bị cơ khí tiêu chuẩn như ổ bi, vít me bi, sống trượt bi, mũi tâm quay, độ song song của dẫn hướng đầu đo với tâm máy, độ chính xác của các thiết bị đã chế tạo thêm để kết nối hoàn thiện thân máy như gối đỡ, bích nối, bệ máy
- Độ chính xác của bản thân bánh răng đem đo, bánh răng đem đo có thể ở các tình trạng rất khác nhau như cắt thô, cắt tinh, chưa sử dụng, đã qua sử dụng, độ chính xác gia công tốt hoặc kém…
- Độ chính xác và độ phân giải của các encoder được chọn sử dụng trong máy.Trong luận văn này phần trang bị điện tử được tính theo hai phương án:
- Phương án nhằm đạt độ chính xác đo kiểm là 10”;
- Phương án thực tế đầu tư là thấp hơn do kinh phí giới hạn của đề tài
Chuyển động dẫn động vào vít me được xem là chủ động và có hai phương án hoặc sử dụng động cơ 24V nếu dùng nguồn từ lưới điện chung, hoặc dẫn động bằng tay quay trực tiếp nếu dùng nguồn acquy 12V Trong trường hợp dẫn động bằng động cơ, trục vít quay được hai chiều với tốc độ cố định bằng nhau Do kỹ thuật lập trình cho thiết bị không phân biệt chuyển động dẫn của encoder là tiến hay lùi nên khi đầu đo đảo chiều chuyển động, kết quả đếm xung không reset về zero mà cộng thêm vào số xung hiện có, do vậy việc đảo chiều nhiều lần trên một rãnh răng giống như đo một rãnh xoắn
có chiều dài vô tận, điều này góp phần nhận biết giá trị ổn định của kết quả đo tốt hơn