tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật TỔNG QUAN về TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG và cơ cấu RĂNG cầu

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cơ cấu bánh dùng phổ biến truyền động khí Các cấu bánh truyền thống nghiên cứu hoàn chỉnh mặt lý thuyết phương pháp chế tạo Tuy nhiên với cấu bánh truyền thống (bánh trụ, bánh cơn, trục vít bánh vít, bánh răng) có độ cứng vững cao có bậc tự nên khả linh hoạt Cơ cấu cầu truyền có nhiều bậc tự do, khả linh hoạt cao truyền chuyển động truyền lực không gian Trên giới truyền bánh cầu dùng khớp cổ tay, cánh tay rôbốt, máy dẫn đường cho tên lửa, hệ thống điều khiển ăngten vệ tinh, cấu phun sơn… Đặc điểm cấu cầu làm khớp truyền động có nhiều bậc tự Theo tài liệu công bố gần cấu cầu phát triển hoàn thiện mơ hình truyền động Việc chế tạo cấu chưa có cơng nghệ hồn chỉnh cơng bố Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a.Ý nghĩa khoa học Sự khác biệt cầu bánh đường Vì phương pháp tạo hình cơng nghệ chế tạo cầu khác với bánh Các nghiên cứu cầu chưa hoàn thiện, giới chưa có cấu chuyên dùng để tiện bao hình cầu 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 cấu tiện bao hình cầu đồng thời đưa giải pháp để chế tạo dao tiện bao hình cầu đạt độ xác yêu cầu b.Ý nghĩa thực tiễn Thiết kế, chế tạo cấu tiện bao hình cầu làm sở cho việc hình thành cơng chế tạo cầu có ý nghĩa thực tiễn Kết nghiên cứu đưa giải pháp công nghệ ứng dụng điều kiện sản xuất chế tạo máy nước nhà 3 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG VÀ CƠ CẤU RĂNG CẦU 1.1 Truyền động bánh 1.1.1 Định nghĩa cấu bánh Cơ cấu bánh cấu có khớp cao dùng để truyền chuyển động quay hai trục với tỷ số truyền xác định nhờ ăn khớp trực tiếp hai khâu có Tỷ số truyền cấu: i12 = ω1 ω2 với ω1 ,ω2 vận tốc góc bánh 1.1.2 Phân loại cấu bánh 1.1.3 Biên dạng thân khai Bánh có biên dạng đường thân khai đường tròn sử dụng rộng rãi có nhiều ưu điểm nghiên cứu hồn chỉnh cơng nghệ chế tạo Hình 1.2 Đường thân khai đường trịn Định nghĩa: Khi cho đường thẳng ( ∆ ) lăn không trượt đường trịn Cb(O,rb) điểm M đường ( ∆ ) vạch nên đường cong (E) gọi đường thân khai đường tròn Đường tròn Cb(O,rb) gọi đường tròn sở đường thân khai Điểm Mb gọi gốc đường thân khai (E) đường tròn sở 1.2 Cơ cấu cầu Cơ cấu cầu cấu truyền động có nhiều bậc tự do, truyền moment lực khơng gian Đó điểm khác biệt cầu cấu bánh bậc tự biết trước Cơ cấu cầu phát minh A.H.Kulin người Liên Xô lần sử dụng khớp cổ tay robot phun sơn nhà máy Trallfa Norway gọi cấu cầu Trallfa Cơ cấu khớp cổ tay linh hoạt cặp vành cầu Trallfa 1.2.1 Cơ sở hình học cấu cầu Để đưa công nghệ tạo hình cầu ta cần phải nghiên cứu sở hình thành vành cầu thân khai 1.2.1.1 Sự hình thành bề mặt vành cầu thân khai 1.2.1.2 Sự hình thành cầu vành thân khai Cơ cấu cầu vành thân khai hình thành nhờ đoạn biên dạng bánh trụ thân khai quay 3600 xung quanh đường thẳng qua tâm trung điểm đỉnh chân biên dạng Trên hình đường thẳng O1O2 đường tâm quay hình thành nên hai bánh cầu số số 2, qua trung điểm chân biên dạng hình thành nên bánh cầu số qua trung điểm đỉnh biên dạng hình thành nên bánh cầu số Đoạn O 1O2 có giá trị a, khoảng cách tâm hai cầu Khi quay hai biên dạng thân khai xung quanh trục quay hình 1.6 tất điểm đỉnh chân trở thành vòng tròn đỉnh chân răng cầu vòng tròn đỉnh răng, chân vòng chia lúc trở thành mặt cầu đỉnh, chân mặt cầu chia cầu 1.2.2 Đặc điểm kết cấu lắp ráp cấu cầu Quan sát cầu từ đầu trục, nhận thấy bề mặt cầu phân bố thành nhóm vành đồng tâm Trục cầu đường thẳng qua tâm hai nó, khối cầu, hình dạng vành lõm mà đường tâm trục Biên dạng đường thân khai Trục chi tiết cầu khác qua tâm đỉnh 1.2.3 Đặc điểm truyền động cấu cầu Khi cặp cầu ăn khớp, hai biên dạng tiếp xúc từ đầu đến cuối trình ăn khớp Chỉ hai trục vành chỉnh cho đường tiếp xúc thực tế tạo thành vành để bề bề mặt vành chúng song song Bởi hình dạng mặt cắt dọc trục giống biên dạng bề mặt trụ, trục đường tâm, cấu cầu ăn khớp dọc theo hướng Điều có nghĩa hai điểm nút hình cầu thực chuyển động quay tuý dọc theo hướng, hai trục chúng lắc tương đối tất hướng 1.2.4 Điều kiện ăn khớp cấu cầu Một chi tiết cầu hình thành sở bánh trụ thẳng Hình dạng bánh trụ thẳng giống hình dạng tiết diện pháp tuyến cấu cầu Vì vậy, xác định bánh trụ thẳng bánh tương đương cấu cầu 1.2.5 Điều kiện truyền động liên tục cấu cầu Đối với cấu cầu, điểm ăn khớp nằm đường cong giao đỉnh cầu, chi tiết cầu bị động mặt côn ăn khớp Dễ dàng biết đường cong giao đường tròn Điểm khớp đường cong giao đường tròn Khi cấu cầu không đối xứng theo hướng nào, mặt nghiêng dịch chuyển, điểm ăn khớp di chuyển dọc theo đường sinh mặt côn ăn khớp Độ dài đường tiếp xúc thực tế gấp đơi đường sinh hình ăn khớp 1.2.6 Phương trình tham số biên dạng ∑1 chi tiết cầu dẫn động(1) 1.2.7 Phân tích động học cấu cầu 1.2.7.1 Mơ hình tốn học chuyển động cấu cầu 1.2.7.2 Phân tích động học cấu cầu 1.2.7.3 Phân tích động học cấu đĩa cầu – bánh cầu Trong cấu bánh cầu đĩa cầu, bánh cầu xem cấu dẫn động , hai chiều quay bánh cầu kết hợp tạo thành chuyển động tịnh tiến cầu Ngược lại, đĩa cầu xem cấu dẫn động, chuyển động tịnh tiến đĩa cầu dọc theo trục X Z tạo hai chuyển động quay bánh cầu Do thay đổi hai chiều chuyển động quay chuyển động tịnh tiến thực cấu đĩa cầu - bánh cầu Điều áp dụng để điều khiển cấu chấp hành không gian 1.2.8 Kiểu truyền động hành tinh cấu bánh cầu phân tích động học nó: 1.2 Kết luận: Nội dung chương giải vấn đề sau: - Về mặt lý thuyết cấu cầu cấu có nhiều bậc tự Cơ cấu cầu có khả truyền động linh hoạt không gian với tỷ số truyền xác định - Khi chi tiết cầu có bán kính vơ gọi đĩa cầu với vành đồng tâm mặt phẳng ăn khớp Cắt đĩa mặt phẳng cắt qua tâm ta thu sinh Đây sở để nghiên cứu phương pháp tạo bao hình cầu 9 - Việc phân tích động học cấu cầu cần thiết cho việc thiết kế cấu cầu nghiên cứu lựa chọn giải pháp công nghệ chế tạo bánh cầu xác, hiệu theo yêu cầu kỹ thuật - Gia cơng cầu phương pháp bao hình nhắc lại ăn khớp cặp truyền động khảo sát tổng quan truyền động, đặc trưng động học đặc điểm ăn khớp cầu có ý nghĩa vơ quan trọng việc lựa chọn giải pháp hợp lý tạo hình cầu theo phương pháp bao hình CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO BÁNH RĂNG 2.1 Phương pháp chế tạo bánh Bánh thường dùng bánh có biên dạng đường thân khai đường tròn, dựa vào nguyên lý tạo thành đường thân khai bánh chế tạo phương pháp chủ yếu phương pháp chép hình phương pháp bao hình 2.1.1 Phương pháp chép hình 2.1.2 Phương pháp bao hình 2.2 Phương pháp chế tạo cầu Sự khác biệt cầu với bánh đường Cho nên phương pháp tạo hình cơng nghệ chế tạo cầu khác với bánh Hiện nay, 10 việc tạo hình cầu đạt độ xác theo yêu cầu chủ yếu phương pháp cắt gọt 2.2.1 Đặc điểm hình học truyền: Như trình bày chương hình thành cầu vành thân khai Răng cầu vành thân khai hình thành nhờ đoạn biên dạng răng trụ thân khai quay 3600 xung quanh đường thẳng qua tâm điểm đỉnh chân biên dạng Khi trục quay qua điểm biên dạng đỉnh ta có nhận vành cầu lồi, trục xoay qua điểm biên dạng chân răng nhận vành cầu lõm Truïc xoay Truïc xoay O O Quá trình ăn khớp diễn vành cầu lồi vành cầu lõm Như ta thấy biên dạng cong bánh cầu trục quay mặt cắt biên 11 dạng thân khai, tất đường thân khai tạo thành vành cong Khi vành cầu có bán kính vơ gọi đĩa cầu với vành đồng tâm mặt phẳng ăn khớp Mặt cắt qua tâm vành sinh bánh trụ tương ứng Đây sở để thiết kế dụng cụ cắt phương pháp bao hình Qua phân tích hình dáng hình học truyền cầu tuỳ theo yêu cầu sản xuất, độ xác ta thấy dùng phương pháp cắt sau đây: 2.2.2 Phương pháp chép hình Bản chất phương pháp chép hình profile cầu chép lại theo Profile lưỡi cắt dao Các phương pháp gồm có: - Tiện chép hình - Phay chép hình - Mài chép hình 2.2.3 Phương pháp bao hình Phương pháp bao hình nhắc lại ăn khớp cặp truyền động cầu – bánh cầu Profile răng cầu hình thành hình bao vị trí liên tiếp profile lưỡi cắt dao Quá trình cắt theo phương pháp bao hình có số đặc điểm sau: 12 - Tiết diện lớp cắt thay đổi theo chu kì thời gian gia công - Những đoạn khác lưỡi cắt chịu tải trọng khác nhau, kích thước lớp cắt ứng với đoạn lớp cắt khác Cũng lớp cắt lượng chạy dao thay đổi - Trị số góc trước góc sau thay đổi dọc theo lưỡi cắt dao, cần lưu ý tránh tượng ma sát đoạn có góc sau nhỏ Các phương pháp gồm có: - Tiện bao hình - Phay bao hình - Mài bao hình 2.3 Tiện chép hình Qua phân tích đặc điểm hình học truyền, dùng dao tiện để gia cơng cầu theo phương pháp chép hình, biên dạng lưỡi cắt dao trùng với biên dạng rãnh 2.3.1 Thiết kế dao tiện 2.3.2 Đặc điểm công nghệ Phương pháp gia công thực máy vạn có đồ gá phân độ, trung tâm tiện CNC nhiều trục để phân độ tự động Cắt theo phương pháp có ưu nhược điểm sau: 13 - Ưu điểm: + Chế tạo dao đơn giản, giá thành rẽ + Không yêu cầu máy chuyên dùng + Có thể thiết kế dao tiện chép hình chuyên dùng để tiện nhiều rãnh đồng thời nhằm đạt suất độ xác cao - Nhược điểm: Độ xác gia cơng khơng cao lắm, suất thấp 2.3.3 Nhận xét Muốn gia công xác bánh có mơđun m số Z, cần phải thiết kế dao tiện phù hợp Điều mặt kinh tế không cho phép.Vì gia cơng bánh phương pháp tiện chép hình sữ dụng dạng sản xuất đơn 2.4 Phay chép hình Dùng dao phay ngón để gia cơng bánh cầu theo phương pháp chép hình, biên dạng lưỡi cắt dao trùng với biên dạng rãnh 2.4.1 Thiết kế dao phay ngón 2.4.2 Đặc điểm công nghệ Phương pháp gia công thực máy phay vạn có đồ gá phân độ, trung tâm phay CNC nhiều trục để phân độ tự động 14 Cắt theo phương pháp có ưu nhược điểm sau: - Ưu điểm: + Chế tạo dao đơn giản, giá thành rẽ + Không yêu cầu máy chuyên dùng - Nhược điểm: + Dao phay ngón có số cắt thường từ 4-8 + Độ cứng vững dao làm việc thấp dao gá cơng xơn + Độ xác bánh khơng cao thay đổi profile dao sau mổi lần mài lại 2.4.3 Nhận xét Muốn gia cơng xác bánh có mơđun m số Z, cần phải thiết kế dao phay ngón phù hợp Điều mặt kinh tế khơng cho phép Ngồi việc phân độ làm q trình cắt xãy khơng liên tục làm giảm suất độ xác gia cơng Vì gia cơng bánh phương pháp phay chép hình sữ dụng dạng sãn xuất đơn 2.5 Mài chép hình 2.5.1 Thiết kế đá mài Profile đá mài tính profile lưỡi cắt dao tiện chép hình 15 2.5.2 Đặc điểm công nghệ Phương pháp gia công thực máy vạn có đồ gá phân độ, trung tâm CNC nhiều trục để phân độ tự động Mài theo phương pháp có ưu nhược điểm sau: - Ưu điểm: + Chế tạo đá đơn giản, giá thành rẽ + Không yêu cầu máy chun dùng - Nhược điểm: Độ xác gia cơng khơng cao 2.5.3 Nhận xét Muốn mài xác bánh có mơđun m số Z, cần phải thiết kế mãnh đá mài phù hợp Điều mặt kinh tế không cho phép Vì gia cơng bánh phương pháp mài chép hình sử dụng dạng sản xuất đơn 2.6 Tiện bao hình Cắt theo phương pháp tiện bao hình dựa nguyên lý ăn khớp – bánh cầu, cầu đóng vai trị dao tiện Khi cắt theo phương pháp thường có chuyển động sau: - Chuyển động quay chi tiết tạo tốc độ cắt 16 - Chuyển động tịnh tiến T dao tiện mặt phẳng chứa đường tâm bánh cầu tạo tốc độ bao hình - Chuyển động quay chi tiết xung quanh tâm cầu để nhắc lại ăn khớp với cầu hình thành chuyển động bao hình (phân độ) - Ngồi dao tiện chuyển động hướng tâm cầu để cắt hết chiều cao 2.7 Phay mài bao hình 2.8 Kết luận - Trên khảo sát giải pháp tạo hình bề mặt dùng nghành chế tạo máy làm sở hình thành giải pháp tạo hình bề mặt cầu - Nội dung chương giải vấn đề động học tạo hình cầu theo phương pháp bao hình chép hình Mỗi phương pháp có ưu riêng tùy vào điều kiện kỹ thuật cụ thể CHƯƠNG THIẾT KẾ MÔ PHỎNG CƠ CẤU TIỆN BAO HÌNH RĂNG CẦU 3.1 Thiết kế chuyển động bao hình 3.1.1 Sơ đồ cấu trúc động học tiện bao hình: 3.1.1.1 Sơ đồ gia cơng T1 sk 17 n2 O nct 3.1.1.2 Thiết lập sơ đồ cấu trúc động học M2 tvm is T1 Sk n2 ntc ix 10 iv 11 M1 Zbv K a Xích tốc độ cắt nct b Xích chạy dao T1 c Xích bao hình 3.1.2 Các vấn đề dao tiện bao hình 3.1.3 Các vấn đề máy 3.2 Mô cấu tiện bao hình cầu 18 Các chuyển động xích bao hình trình bày phân mô chuyển động cắt dựa nguyên lý ăn khớp bánh cầu cầu 3.2.1 Giới thiệu phần mềm Pro/engineer wildfire 5.0 3.2.2 Mơ chuyển động tiện bao hình cầu phần mềm Pro/engineer wildfire 5.0 3.3 Kết luận CHƯƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO DAO TIỆN BAO HÌNH GIA CÔNG RĂNG CẦU 4.1 Cơ sở thiết kế dao tiện bao hình 4.1.1 Nguyên lý hình thành biên dạng dao 4.1.2 Thanh cầu vành cầu lõm 4.1.3 Thanh cầu vành cầu lồi 4.1.4 Các bán kính cung trịn cầu 4.1.5 Các chuyển động cắt dao tiện bao hình: 4.1.6 Profile dao: 4.2 Tạo hình dao tiện bao hình: 4.2.1.Phay thơ rãnh răng: 4.2.2 Phay hớt lưng rãnh dao tiện bao hình: 4.3.3 Phay hớt lưng đỉnh dao tiện bao hình: 4.2.4 Mài mặt trước máy mài phẳng 4.3 Chế tạo dao tiện bao hình cầu 19 Việc chế tạo dao tiện bao hình cầu đạt độ xác u cầu sở để chế tạo cầu theo yêu cầu kỹ thuật Trong phạm vi nghiên cứu dừng việc chế tạo thử nghiệm 4.3.1 Lựa chọn phương pháp vật liệu chế tạo Dao tiện bao hình có biên dạng phức tạp nên chế tạo máy CNC Ở dao tiện có cung trịn đơng tâm rãnh dạng nghiêng lõm nghiêng lồi nên để chế tạo tác giả lựa chọn " Chế tạo dao tiện bao hình bánh cầu máy phay CNC 3D" đạt hiệu độ xác cao Vật liệu chế tạo dụng cụ cắt thông dụng thép gió 4.3.2 Giới thiệu máy phay CNC DMU 50 DECKEL MAHO Đây máy phay CNC hãng DMG ( Cộng hịa Liên bang Đức) có trục điều khiển tự động, bậc tự quay trục X,Y phải quay tay 4.3.3 Chế tạo dao tiện bao hình cầu lồi 4.3.4 Chế tạo dao tiện bao hình cầu lõm 4.4 Kết luận: - Dao tiện bao hình cầu thiết kế theo nguyên lý tạo hình cầu nhắc lại ăn khớp cầu – bánh cầu - Dao dùng để gia cơng cầu có mơđun 20 KẾT LUẬN CHUNG Cơ cấu cầu nghiên cứu ứng dụng không lĩnh vực truyền động mà cịn có triển vọng lớn cấu điều khiển linh hoạt nhiều bậc tự hệ thống điều khiển kỹ thuật đặc điểm cấu tạo đặc trưng động học Bằng khảo sát, phân tích kết nghiên cứu gần giới Việt Nam, đến nhóm tác giả hồn thành mục tiêu đề tài nghiên cứu đạt kết sau: - Nghiên cứu, khảo sát đầy đủ mơ hình truyền động động học cấu cầu vành thân khai - Nhóm nghiên cứu mơ q trình tạo hình vành cầu thân khai phương pháp tiện bao hình Với dao tiện bao hình phương pháp gia cơng cầu phương pháp tiện bao hình, cấu trúc máy khơng q phức tạp có tính khả thi chế tạo Tiến hành chế tạo thử dao tiện bao hình mơ q trình chế tạo máy phay CNC 3D Trên kết đạt đề tài Hướng đề xuất nghiên cứu chế tạo cấu tiện bao hình cầu gắn vào máy tiện vạn với đồ gá thích hợp để chế tạo cầu Tạo điều kiện ứng dụng rộng rãi cấu cầu nghành kỹ thuật đáp ứng yêu cầu phát triển ứng dụng cấu cho đất nước 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Ts Hồng Vị, Trần Phương Nam, Nghiên cứu cơng nghệ tạo hình bánh cầu thiết kế dao tiện bao hình bánh cầu, 11/2010 [2] Ts Hồng Vị, Lã Đỗ Khánh Linh, Thiết kế mô bánh cầu cho đồ gá N chiều, 11/2010 Tiếng Anh [1] L Hu ran (2008), “A new kind of spherical gear and its application in a robot’s wrist joint,” Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Vol 25, no.4 [2].Li Ting , Pan Cunyun (2009), “On grinding manufacture technique and tooth contact and stress analysis of ring-involute spherical gears”, Mechanism and Machine Theory 44, pp 1807–1825 [3] Zhang Kun, Liqun Feng (1994), “The research of the design of spherical gear transmissin used in the flexible wrist of robots,” Journal of Tsinghua University, Vol 34, no 2, pp 1–7 [4] S C Yang (2002), “Mathematical model of a ringinvolute teeth spherical gear with a double degree of freedom,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol 20, pp 865–870 [5] Pan Cunyun, Wen Xisen (2005), “Research on transmission principle and kinematic analysis for involute 22 spherical gear,” Journal of Mechanical Engineering, Vol 41, no 5, pp 1–9 [6] S C Yang et al.(2002), “A geometric model of a spherical gear with a double degree of freedom,” Journal of Materials Processing Technology, Vol 123, no 2, pp 219–224 [7] Qiang Li, Cunyun Pan and Xiang Zhang (2009), “Kinematics of a Wrist Based on Spherical Gear & Ringrack”, International Conference on Robotics and Biomimetics, pp 19 -23 [8] Li-Chi Chao, Chung-Biau Tsay.(2007), "Contact characteristics of spherical gears" ... CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG VÀ CƠ CẤU RĂNG CẦU 1.1 Truyền động bánh 1.1.1 Định nghĩa cấu bánh Cơ cấu bánh cấu có khớp cao dùng để truyền chuyển động quay hai trục với tỷ số truyền. .. tiết cầu dẫn động( 1) 1.2.7 Phân tích động học cấu cầu 1.2.7.1 Mơ hình tốn học chuyển động cấu cầu 1.2.7.2 Phân tích động học cấu cầu 1.2.7.3 Phân tích động học cấu đĩa cầu – bánh cầu Trong cấu bánh. .. khai (E) đường tròn sở 1.2 Cơ cấu cầu Cơ cấu cầu cấu truyền động có nhiều bậc tự do, truyền moment lực khơng gian Đó điểm khác biệt cầu cấu bánh bậc tự biết trước Cơ cấu cầu phát minh A.H.Kulin