Luận văn Tính toán, thiết kế, chế tạo hộp giảm tốc bánh răng con lăn biên dạng epixyclôít ứng dụng trong các modul quay của robot công nghiệp (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Tính toán, thiết kế, chế tạo hộp giảm tốc bánh răng con lăn biên dạng epixyclôít ứng dụng trong các modul quay của robot công nghiệp (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ THẠCH DŨNG CHINH TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỘP GIẢM TỐC BÁNH RĂNG CON LĂN BIÊN DẠNG EPIXYCLÔÍT ỨNG DỤNG TRONG CÁC MODUL QUAY CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ- 605204 S KC 0 0 4 1 9 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ THẠCH DŨNG CHINH TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỘP GIẢM TỐC BÁNH RĂNG CON LĂN BIÊN DẠNG EPIXYCLÔÍT ỨNG DỤNG TRONG CÁC MODUL QUAY CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ THẠCH DŨNG CHINH TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỘP GIẢM TỐC BÁNH RĂNG CON LĂN BIÊN DẠNG EPIXYCLÔÍT ỨNG DỤNG TRONG CÁC MODUL QUAY CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 605204 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HỒNG THÁI Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: THẠCH DŨNG CHINH. Giới tính: Nam. Ngày, tháng, năm sinh: 24/05/1984. Nơi sinh: Bình Dương. Quê quán: Bến Cát, Bình Dương. Dân tộc: khơme. Địa chỉ liên lạc: Ấp 2, Xã Chánh Phú Hòa, Huyện Bến Cát, Tỉnh Bình Dương. Điện thoại: 0978104193. Email: thachdungchinhvsip@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: đại học chính quy. Thời gian đào tạo từ: 2003 đến 2008. Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Ngành học: Kỹ Thuật Công Nghiệp. Tên đồ án tốt nghiệp: Khảo sát phương pháp dạy thực hành nghề cơ khí tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Tuấn 2. Trình độ ngoại ngữ: Anh văn B1 III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2008 đến 9/2009 C.ty Scancom VN Nhân viên kỹ thuật Từ 10/2009 đến nay Trường CĐN Việt Nam - Singapore Giáo viên Xác nhận của cơ quan. Ngày tháng năm 2014 Người khai ký tên
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 (Ký tên và ghi rõ họ tên) THẠCH DŨNG CHINH
6. LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Hồng Thái, giảng viên Viện cơ khí Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn. Và tôi cũng xin cảm ơn: Quí thầy cô, giảng viên trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Quí thầy cô, giáo viên Trường CĐN Việt Nam - Singapore. Cơ sở cơ khí hqm, Hiệp An, TP. Thủ Dầu Một, tỉnh Bình Dương. Các anh chị cùng các bạn lớp cao học 2012 – 2014 (lớp A), ngành Kỹ Thuật Cơ Khí. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014
7. TÓM TẮT Tên đề tài: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỘP GIẢM TỐC BÁNH RĂNG CON LĂN BIÊN DẠNG EPIXYCLÔÍT ỨNG DỤNG TRONG CÁC MODUL QUAY CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP. Thời gian: Từ 01/09/2013 đến 28/02/2014. Địa điểm: Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM  Kết quả chủ yếu đạt được: . Nghiên cứu nguyên lý hình thành và thành lập phương trình biên dạng đĩa Epixyclôít bằng phương pháp biến đổi ma trận thuần nhất. . Phân tích lực. . Viết phần mềm thiết kế, tính toán bánh răng con lăn trên Matlab. . Thiết kế và chế tạo thực nghiệm hộp giảm tốc bánh răng con lăn biên dạng Epixyclôít ứng dụng trong robot công nghiệp.  The primary outcomes achieved: . Research and principles form the equation established by cycloid disc contour method homogenous matrix transformation . Power analysis . Writing software design, calculation roller gear on Matlab. . Design and fabrication of experimental gear reducer roller profile cycloidal in industrial robot application.
8. MỤC LỤC TRANG Trang tựa Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh mục các chữ viết tắt viii Danh mục các ký hiệu ix Danh sách các hình xii Danh sách các bảng xiiii PHẦN I : Mở đầu 15 I. Đặt vấn đề 15 II. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 15 III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 16 IV. Phương pháp nghiên cứu đề tài 16 V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 16 PHẦN II : NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 18 Chương I : Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 18 1.1 Lịch sử phát triển 18 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 21 1.3 Phân loại hộp giảm tốc xyclôít 22 1.4 Cấu tạo 23 1.5 Nguyên lý làm việc 25 1.6 Các ứng dụng của dụng hộp giảm tốc xyclôít 26 Chương II : Xây dựng biên dạng đĩa cố định xyclôít kiểu epixyclôít 29 2.1 Xây dựng biên dạng epixyclôít 29
9. 2.2 Phương trình đường epixyclôít kéo dài 31 2.3 Sự hình thành biên dạng bánh răng 33 Chương III : Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn kiểu epixyclôít 35 3.1 Lực tác dụng trong bộ truyền bánh răng con lăn 35 3.1.1 Tính lực FCi (lực tác dụng từ con lăn lên đĩa epixyclôít) 36 3.1.2 Tính lực FKj (lực tác dụng từ chốt đầu ra lên đĩa epixyclôít) 38 3.1.3 Biểu đồ lực tính cho một số trường hợp 39 3.2 Tính toán độ bền tiếp xúc răng đĩa xyclôít 44 3.2.1 Hằng số đàn hồi của vật liệu các vật thể tiếp xúc zM 44 3.2.2 Tải trọng riêng tính toán về độ bền tiếp xúc qH 45 3.2.3 Các công thức kiểm nghiệm và thiết kế cho đĩa xyclôít 49 3.2.4 Xác định ứng suất tiếp xúc cho phép  H  50 3.2.5 Tính kiểm nghiệm độ bền bánh răng khi quá tải 54 3.3 Tính toán độ bền con lăn và chốt trụ ra 54 3.3.1 Tính con lăn chốt trụ ra về độ bền tiếp xúc 54 3.3.2 Tính chốt trục ra về độ bền cắt và độ bền uốn 55 3.4 Tính toán trục và chọn ổ lăn 58 3.4.1 Tính trục 58 3.4.2 Tính chọn ổ lăn 62 3.5 Trình tự tính toán và thiết kế bộ truyền 64 1. Chọn vật liệu 64 2. Chọn các thông số cơ bản 64 3. Kiểm nghiệm bánh răng về độ bền tiếp xúc 65 4. Tính trục vào, bạc lệch tâm và chọn ổ lăn lắp đĩa xyclôít 66 5. Tính chốt trục ra, con lăn đầu vào và trục ra 66 6. Tính chọn ổ lăn lắp giữa trục ra, trục vào với vỏ hộp giảm tốc 67 Chương IV : Phần mềm thiết kế tính toán 70 4.1 Mục đích 70
10. 4.2 Cấu trúc chương trình 70 4.3 Hướng dẫn sử dụng chương trình 72 4.4 Tính toán thiết kế bộ truyền hộp giảm tốc con lăn Epixyclôít 76 Chương V : Kết luận 79 5.1 Kết luận 79 5.2 Nhận xét 79 5.3 Hướng phát triển để hoàn thiện 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 84
11. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BMPT : Bề mặt phức tạp. CAM : Computer Aided Manufacturing. CAD : Computer Aided Design.
12. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Nội dung ý nghĩa  1 ( 01 , r1 ) : Đường tròn tâm tích tâm 01 , bán kính r1 ( , ) : Đường tròn tâm tích tâm , bán kính  1 ( 01xy 1 1 ) :Hệ trục tọa độ cố định gắn cứng với đường tròn ( , )  2 ( 02xy 2 2 ) :Hệ trục tọa độ gắn cứng với đường tròn ( , 02 )  (02xy 3 3 ) :Hệ trục tọa độ gắn cứng với đường tròn tâm tích sinh ( 02 , r2 ) : Góc quay của trục đầu vào  : Góc quay giữa ( ) và ( )  : Góc quay của trục đầu ra E :Độ lệch tâm của trục đầu vào z1 : Số răng của bánh răng Epixycloit z2 : Số chốt con lăn trên răng hành tinh z3 : Số chốt trục ra Z :Số đĩa con lăn R2 : Bán kính đường tròn qua chốt các con lăn  F :Lực tác động từ con lăn lên bánh răng epixycloit ci  F : Lực tác động từ đĩa lên con chốt đầu ra k j F1 : Lực vòng tác động lên đĩa con lăn M1 : Momen xoắn trục vào P1 : Công suất trục động cơ
13. n1 : Số vòng quay của động cơ  b : Cánh tay đòn từ lực F tới tâm 0 j k j 1  j :Góc vị trí của các chốt trục ra so với phương ngang 011x i :Tỷ số truyền r : Bán kính chốt con lăn c Rt : Bán kính vòng tròn qua tâm chốt đầu ra rp : Bán kính con lăn răng chốt n : Số con lăn chịu lực Z 1 n= 2 Nếu Z chẵn 2 2 Z n= 2 Nếu lẻ 2 m : Số chốt trục ra Z3 1 m= 2 Nếu m lẻ Z m= 3 Nếu m chẵn 2 12 : Hiệu suất truyền động bánh răng [ H ] : Ứng suất tiếp xúc cho phép (Mpa)  H : Ứng suất tiếp xúc xuất hiện trên bề mặt răng đĩa xycloit ZM : Hằng số đàn hồi của vật liệu các vật thể tiếp xúc qH : Tải trọng riêng tính toán về độ bền tiếp xúc : Bán kính cong tương đương của 2 bề mặt tiếp xúc EE12, : Mô đun đàn hồi của vật liệu làm bánh răng và con lăn 1, 2 :Hệ số poatxong của vật liệu làm bánh răng và con lăn da : Đường kính vòng đỉnh răng đĩa xycloit
14. d f : Đường kính vòng đáy răng đĩa xyloit d : Đường kính vòng chia đĩa xycloit rch : Bán kính chốt trục ra M : Momen xoắn trên trục (Mmm)
15. DANH SÁCH CÁC BẢNG STT NỘI DUNG TRANG Bảng 3.1 Trị số hệ số KH  cho bộ truyền bánh răng con lăn 48 0 Bảng 3.2 Giới hạn bền mỏi tiếp xúc σ H lim của mặt răng ứng với số chu kỳ cơ sở 50 Bảng 3.3 Hệ số quy đổi KHE 52 Bảng 3.4 Ứng suất cắt cho phép 56 Bảng 3.5 Ứng suất dập cho phép [ d ] đối với vật liệu ghép then 59 Bảng 3.6 Hệ số tải 64
16. DANH SÁCH CÁC HÌNH STT NỘI DUNG TRANG Hình 1.1 Bản vẽ mặt cắt hộp giảm tốc xyclôít 17 Hình 1.2 Động cơ-hộp giảm tốc bánh răng con lăn 18 Hình 1.3 So sánh kích thước bao của động cơ - hộp giảm tốc xyclôít và 19 hộp giảm tốc bánh răng trụ thông thường Hình 1.4 Một số loại động cơ - Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của 20 hãng Hap Dong Hình 1.5 Một số loại động cơ – Hộp giảm tốc bánh răng con lăn của 21 hãng sumimoto Hình 1.6 Bánh răng Epixyclôít 22 Hình 1.7 Bánh răng HypôXyclôít 22 Hình 1.8 Cấu tạo hộp giảm tốc bánh răng con lăn 23 Hình 1.9 Khai triển hộp giảm tốc bánh răng con lăn 23 Hình 1.10 Mô tả nguyên lý làm việc của bộ truyền bánh răng con lăn 25 Hình 1.11 Ứng dụng hộp giảm tốc xyclôít kiểu hypôxyclôít trong robot 26 Hình 1.12 Robot Kuka sử dụng hộp giảm tốc Xyclôít của hãng Nabtesco 26 Hình 1.13 Ứng dụng hộp giảm tốc xyclôít trong công nghiệp 27 Hình 2.1 Xây dựng đường Epixyclôít 29 Hình 2.2 Đường Epicycloit kéo dài đầy đủ 31 Hình 2.3 Đường bao trong đầy đủ của họ vòng tròn bán kính rc 33 Hình 3.1 Lực tác dụng trong bộ truyền bánh răng con lăn 34 Hình 3.2 Sơ đồ tính góc i 36 Hình 3.3 Sơ đồ tính bj 37 0 Hình 3.4 Sơ đồ lực ( FC ) và ( FK ) khi  0 39 0 Hình 3.5 Biểu đồ lực (F C ) khi θ= 0 40
17. 0 Hình 3.6 Biểu đồ lực (F K ) khi θ= 0 40 0 Hình 3.7 Biểu đồ lực (F C ) khi θ=12 40 Hình 3.8 Biểu đồ lực (F ) khi θ=120 40 Hình 3.9 Biểu đồ lực (F ) khi θ= 240 41 Hình 3.10 Biểu đồ lực (F ) khi θ= 240 41 Hình 3.11 Biểu đồ lực (F ) khi θ= 360 41 Hình 3.12 Biểu đồ lực (F ) khi θ=360 41 Hình 3.13 Biểu đồ lực (F ) khi θ= 480 42 Hình 3.14 Biểu đồ lực (F ) khi θ= 480 42 Hình 3.15 Biểu đồ lực (F ) khi θ= 600 42 Hình 3.16 Biểu đồ lực (F ) khi θ= 600 42 Hình 3.17 Đường Biểu diễn đường răng đĩa Epixycloit 45 Hình 3.18 Xác định góc 46 Hình 3.19 Vị trí các đĩa xyclôít 55 Hình 3.20 Biểu đồ lực 55 Hình 3.21 Kết cấu lắp đoạn trục 58 Hình 3.22 Các kích thước của then bằng 59 Hình 4.1 Lưu đồ tính thiết kế bộ truyền bánh răng con lăn 71 Hình 4.2 Giao diện bắt đầu của chương trình 71 Hình 4.3 Cửa sổ chọn vật liệu 72 Hình 4.4 Cửa sổ chọn các thông số cơ bản 73 Hình 4.5 Cửa sổ chọn các thông số trục vào 74 Hình 4.6 Cửa sổ chọn các thông số trục ra 75 Hình 4.7 Cửa sổ xem trước hình dạng bộ truyền 75
18. PHẦN I: MỞ ĐẦU I. ĐẶT VẤN ĐỀ Hộp bánh răng hành tinh kiểu con lăn chủ yếu được chia làm hai loại chính đó là hộp giảm tốc kiểu Epixyclôít và hộp giảm tốc kiểu Hypôxyclôít. Việc nghiên cứu chế tạo các loại hộp giảm tốc này có nhiều công trình trong và ngoài nước nhưng chủ yếu là các công trình của nước ngoài. Bộ truyền hộp giảm tốc bánh răng hành tinh con lăn xyclôít thường được ứng dụng trong các truyền động cơ khí chính xác, so với các hộp giảm tốc thông thường hộp giảm tốc xyclôít có độ chính xác, độ bền và tỷ số truyền cao, kích thước nhỏ gọn, không ồn trong quá trình làm việc. Do đó, loại hộp giảm tốc này có xu hướng thay thế các hộp giảm tốc thông thường với những ưu điểm trên loại hộp giảm tốc này thích hợp cho các thiết bị chính xác như: robot, máy CNC, thiết bị định vị cũng như các thiết bị tự động hiện đại. Nghiên cứu về họ hộp giảm tốc loại này đã có rất nhiều công trình công bố trong những năm qua nhằm tối ưu kích thước động học, tăng hiệu suất cũng như mômen, trong đó chủ yếu nghiên cứu về sự hình thành biên dạng xyclôít với nhiều phương pháp khác nhau như xây dựng phương trình tham số tổng quát cho họ bánh răng xyclôít, ngoài ra còn một số phương pháp khác như phương pháp véc tơ đối tiếp, tâm vận tốc tức thời hay phương pháp bao hình Do đó, nghiên cứu vấn đề này là cần thiết và được tiếp tục phát triển nhằm tiến đến chế tạo các loại hộp giảm tốc có độ chính xác cao khử được khe hở cạnh răng nhằm ứng dụng cho các máy điều khiển số CNC và robot công nghiệp cũng như các thiết bị có độ chính xác cao. II. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Đề tài nhằm nghiên cứu hình dạng, thông số hình học, phương pháp tính toán thiết kế. Từ đó dựa trên cơ sở lý thuyết đã xây dựng tiến hành viết chương trình tính toán trên phần mềm matlab “BanhrangdiaEpixyclôít” được lập ra để tính toán các thông số của bộ truyền một cách nhanh chóng. Sau khi tính toán thu được các thông số kích thước của bộ truyền bánh răng con lăn chương trình sẽ cho bản vẽ biên dạng 15
19. đĩa và báo cáo. Vì vậy giúp cho việc thiết kế và chế tạo hộp giảm tốc được nhanh chóng và chính xác hơn. III. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU  Đối tượng nghiên cứu đề tài là: “Tính toán, thiết kế chế tạo hộp giảm tốc bánh răng con lăn biên dạng Epixyclôít ứng dụng trong các modul quay của robot công nghiệp”  Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu nguyên lý hình thành và thành lập phương trình biên dạng epixyclôít - Phân tích lực - Viết phần mềm thiết kế, tính toán bánh răng con lăn trên Matlab - Thiết kế và chế tạo thực nghiệm hộp giảm tốc bánh răng con lăn epixyclôít ứng dụng trong robot công nghiệp. IV. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI - Nghiên cứu, tổng hợp các tài liệu, các báo cáo trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài. - Ứng dụng phương pháp biến đổi ma trận thuần nhất thiết lập phương trình biên dạng bánh răng. - Sử dụng phần mềm Matlab làm công cụ tính toán hổ trợ cho đề tài. - Chế tạo hộp giảm tốc bánh răng con lăn epixyclôít. V. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Ý nghĩa khoa học: Đề tài góp phần xây dựng phương pháp, trình tự tính toán thiết kế và chế tạo hộp giảm tốc bánh răng con lăn epixyclôít ứng dụng trong các máy điều khiển số CNC và robot công nghiệp cũng như các thiết bị có độ chính xác cao. - Ý nghĩa thực tiễn: Với việc thay thế các hộp giảm tốc sử dụng bánh răng thông thường, khắc phục các nhược điểm của hộp giảm tốc sử dụng bánh răng thông thường. Về thực tiễn trong bối cảnh phát triển mạnh về robot công nghiệp, tự động hóa sản 16
20. xuất trong công nghiệp, robot công nghiệp là rất cần thiết khi sử dụng hộp giảm tốc bánh răng con lăn epixyclôít. 17
21. PHẦN II: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Lịch sử phát triển Bộ truyền bánh răng con lăn được phát triển dựa trên bộ truyền bánh răng chốt với bánh răng có biên dạng xyclôít hay gọi tắt là bộ truyền xyclôít. Biên dạng xyclôít đã được một kỹ sư người Đức, ông Lorenz Braren phát mình vào năm 1931 và được nghiên cứu phát triển cho đến tận ngày nay. Ở Nga đã tiến hành nghiên cứu bộ truyền này từ năm 1948. Đây là loại bộ truyền cho tỉ số truyền cao, có thể từ 6 đến 65 nhưng lại có kích thước nhỏ gọn. Tuy nhiên do vẫn còn nhiều hạn chế như việc xây dựng biên dạng xyclôít và hiệu suất chưa cao do chưa khắc phục được ma sát trượt hình thành trong bộ truyền khi làm việc. Đến những năm 80 với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xu hướng thay dần ma sát trượt bằng ma sát lăn nhờ bổ xung các con lăn trên các chốt (hình 1.1) và sự trợ giúp của máy tính thì các nghiên cứu về biên dạng xyclôít mới thực sự hoàn thiện và một loạt các hộp giảm tốc được ra đời và được áp dụng ngày càng nhiều trong thực tiễn. ổ đỡ trục Bánhra răng Epixyclôít Trục vào Vành răng chốt con lăn Vỏ hộp giảm tốc cycloit Trục ra Hình 1.1 Bản vẽ mặt cắt hộp giảm tốc xyclôít 18