Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG CƠ CẤU BÁNH RĂNG CẦU
CHO ĐỒ GÁ N CHIỀU
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG CƠ CẤU BÁNH RĂNG CẦU
CHO ĐỒ GÁ N CHIỀU Ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số:
Học viên: LÃ ĐỖ KHÁNH LINH
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. HOÀNG VỊ
Lớp: K11 - CNCTM
Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
Ngƣời HD khoa học: TS. Hoàng Vị
Ngày giao đề tài: 01/11/2009
Ngày hoàn thành: 30/08/2010
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. HOÀNG VỊ
HỌC VIÊN LÃ ĐỖ KHÁNH LINH

DUYỆT BGH

Bằng tất cả sự kính trọng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Hoàng
Vị- người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành
luận văn.
Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp, Khoa Đào tạo sau đại học, Ban giám hiệu trường Cao đẳng
Kinh tế - Kỹ thuật đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập,
nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này.
Xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và người thân đã động viên giúp đỡ tôi
trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả Lã Đỗ Khánh Linh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ VÀ KẸP CHẶT
15
1.1.
Đồ gá gia công cơ.
15

1.1.1. Giới thiệu về đồ gá gia công cơ.
15

1.1.2. Các dạng đồ gá phân độ.
15

1.1.2.1. Đồ gá phân độ trụ.
15

1.1.2.2. Đồ gá phân độ không gian.
16
1.2.
Mô hình và nguyên lý hoạt động của đồ gá N chiều.
20
1.3.
Kết luận.
21
CHƢƠNG 2. CƠ CẤU BÁNH RĂNG CẦU VÀNH RĂNG THÂN KHAI
22
2.1.
Sự hình thành cơ cấu bánh răng cầu.
23

2.1.1. Sự hình thành bề mặt vành răng cầu thân khai.

2.7.2. Phân tích động học của bánh răng cầu.
34

2.7.3. Phân tích động học của cơ cấu đĩa răng - bánh răng cầu.
38
2.8.
Kết luận.
39
CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐĨA RĂNG - BÁNH
RĂNG CẦU
41
3.1.
Tính toán thông số bộ truyền.
41

3.1.1. Tính toán thông số biên dạng bánh răng cầu.
42

3.1.2. Tính toán thông số biên dạng đĩa răng.
43
3.2.
Thiết kế bộ truyền đĩa răng – bánh răng cầu.
45

3.2.1. Giới thiệu phần mềm Pro/Engineer Wildfile 3.0.
45

3.2.2. Thiết kế bánh răng cầu.
46


3.4.
Kết luận.
58
CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN PHÂN ĐỘ CHO ĐỒ GÁ
N CHIỀU
59
4.1.
Tính toán phân độ cho chi tiết có đƣờng tâm lỗ gia công hoặc pháp
tuyến của mặt phẳng gia công giao nhau với trục Z của hệ thống.
59

4.1.1. Tính toán điều chỉnh đồ gá để đƣa đƣờng tâm lỗ gia công về vị
trí thẳng đứng.
61

4.1.2. Tính toán điều chỉnh để đƣa đƣờng tâm lỗ gia công về trùng vị
trí tâm dụng cụ cắt.
62
4.2.
Tính toán phân độ cho chi tiết có đƣờng tâm lỗ gia công chéo nhau
với trục Z của hệ thống và song song với mặt phẳng Y
1
O
1
Z
1.

64

4.2.1. Tính toán điều chỉnh đồ gá để đƣa đƣờng tâm lỗ gia công về vị

1.

68

4.2.1 Tính toán điều chỉnh đồ gá để đƣa đƣờng tâm lỗ gia công về vị
trí thẳng đứng.
70

4.2.2. Tính toán điều chỉnh để đƣa đƣờng tâm lỗ gia công về trùng vị
trí tâm dụng cụ cắt.
70
4.5.
Thiết kế mô hình đồ gá.
72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
4.6.
Kết luận.
73
CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN
75
5.1. Kết quả nghiên cứu.
75
5.2. Hƣớng phát triển của đề tài.
75
TÀI LIỆU THAM KHẢO
76



10
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ - ẢNH CHỤP
TT
Hình
Nội dung
Trang
1
Hình 1.1.
Mâm xoay
16
2
Hình 1.2.
Đầu phân độ vạn năng
16
3
Hình 1.3.
Chi tiết nút giàn composite
17
4
Hình 1.4.
Chi tiết nút giàn mạ điện phân
17
5
Hình 1.5.
Mâm xoay vạn năng
18
6
Hình 1.6.
Cơ cấu Hexapod

Hình 2.6.
Hình côn ăn khớp của cơ cấu bánh răng cầu
26
15
Hình 2.7.
Hệ trục tọa độ của bánh răng cầu vành răng thân
khai
29
16
Hình 2.8.
Hệ trục tọa độ của bánh răng cầu
31
17
Hình 2.9.
Phép quay của hai hệ trục tọa độ quanh trục
34
18
Hình 2.10.
Mối quan hệ của góc quay và tọa độ trong truyền
động của bánh răng cầu
35
19
Hình 2.11.
Hệ trục tọa độ của cơ cấu đĩa răng – bánh răng cầu
38
20
Hình 3.1.
Cơ cấu đĩa răng – bánh răng cầu
41
21

45
28
Hình 3.7.
Các modul của phần mềm Pro/E 3.0
46
29
Hình 3.8.
Khai báo tham số
47
30
Hình 3.9.
Khai báo Relations
47
31
Hình 3.10.
Phƣơng trình đƣờng than khai
48
32
Hình 3.11.
Biên dạng đoạn răng thân khai
48
33
Hình 3.12.
Chi tiết bánh răng cầu
49
34
Hình 3.13.
Khai báo tham số và quan hệ cho đĩa răng
50
35

Sơ đồ phay bao hình bánh răng cầu
55
43
Hình 3.21a.
Mô hình phay bao hình bánh răng cầu (dạng wide
frame)
56
44
Hình 3.21b.
Mô hình phay bao hình bánh răng cầu (dạng solid)
57
45
Hình 3.22.
Mô hình máy mài bánh răng cầu
58
46
Hình 4.1.
Mô hình tính toán phân độ chi tiết có đƣờng tâm lỗ
gia công giao nhau với trục Z của hệ thống
60

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
47
Hình 4.2.
Mô hình tính toán điều chỉnh đồ gá để đƣa đƣờng
tâm lỗ gia công về trùng vị trí tâm dụng cụ cắt.
63
48

1
Z
1
.
68
51
Hình 4.6.
Tính toán điều chỉnh đồ gá để đƣa đƣờng tâm lỗ
gia công về trùng vị trí tâm dụng cụ cắt.
71
52
Hình 4.7.
Mô hình phía trƣớc đồ gá N chiều
72
53
Hình 4.8.
Mô hình phía sau đồ gá N chiều
73
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Đồ gá gia công cơ là một loại trang bị công nghệ nhằm xác định vị trí chính

chiều và những nghiên cứu ứng dụng của cơ cấu này vào điều kiện thực tế tại Việt
Nam.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu.
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với xây dựng và mô phỏng mô
hình .
- Khảo sát mô hình toán học của cơ cấu bánh răng cầu, sự hình thành bề mặt
của bánh răng cầu, những đặc điểm về kết cấu và truyền động của cơ cấu bánh răng
cầu. Phân tích động học cơ cấu bánh răng cầu và đĩa răng.
- Tính toán thiết kế cơ cấu đĩa răng - bánh răng cầu.
- Thiết kế mô hình và tính toán phân độ cho đồ gá N chiều.
4. Nội dung nghiên cứu và kết quả dự kiến của đề tài.
- Nghiên cứu tổng quan về thiết bị định vị và kẹp chặt
- Khảo sát mô hình hình học bề mặt bánh răng cầu.
- Tính toán, thiết kế cơ cấu đĩa răng - bánh răng cầu.
- Thiết kế mô hình và tính toán phân độ cho đồ gá N chiều.
- Kết luận và đánh giá kết quả.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ VÀ KẸP CHẶT
1.1. Đồ gá gia công cơ.
1.1.1. Giới thiệu về đồ gá gia công cơ.
Chất lƣợng sản phẩm cơ khí, năng suất lao động và giá thành là những chỉ tiêu
kinh tế kỹ thuật quan trọng trong sản xuất cơ khí. Để đảm bảo các chỉ tiêu trên trong
quá trình chế tạo các sản phẩm cơ khí , ngoài máy công cụ và dụng cụ cắt trên máy
còn cần có các loại đồ gá phù hợp. Đồ gá gia công cơ có nhiệm vụ xác định vị trí
chính xác của chi tiết gia công so với dụng cụ cắt đồng thời giữ vị trí đó trong suốt
quá trình gia công. Dƣới đây là một số công dụng chủ yếu của đồ gá gia công cơ:
- Đảm bảo độ chính xác vị trí của bề mặt gia công. Nhờ đồ gá để gá đặt chi tiết,


Các loại đồ gá này đã đƣợc tiêu chuẩn hóa có thể gia công đƣợc các loại chi tiết
khác nhau. Có khả năng phân độ chi tiết thành các phần đều nhau hoặc không đều
nhau, đƣợc sử dụng rộng rãi trong sản xuất đơn chiếc loạt nhỏ.
1.1.2.2. Đồ gá phân độ không gian.
Ngoài những dạng chi tiết có các bề mặt gia công phân bố trên mặt trụ còn có rất
Hình 1.1. Mâm xoay.

Đĩa lỗ phân độ trực tiếp
Đầu phân độ
Hình 1.2. Đầu phân độ vạn năng.
Tay gạt chốt định vị phân độ trục tiếp


b. Phân độ sử dụng cơ cấu Hexapod.
Hexapod là một loại cơ cấu song song gồm sáu chân, có khả năng chuyển động
rất linh hoạt. Cơ cấu hexapod sử dụng để phân độ trong gia công cơ khí có cấu tạo
gồm hai tấm đế, một tấm cố định và một tấm dịch chuyển tự do, chúng ràng buộc
với nhau bởi 6 xilanh liên kết khớp cầu ở hai đầu. Quá trình phân độ đƣợc thực hiện
nhờ việc điều khiển các xi lanh mang tấm đế dịch chuyển tự do tạo cho chi tiết gá
trên đó các góc độ xác định để có thể tiến hành gia công. Loại đồ gá này có ƣu điểm
là rất linh hoạt, đồng thời có độ cứng vững cao. Tuy nhiên việc tính toán điều khiển
hết sức phức tạp.
Hình 1.5. Mâm xoay vạn năng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19

chiều có khả năng phân độ góc bất kỳ trong một phạm vi trong khơng gian. Q
trình phân độ phải đơn giản thuận tiện. Đồ gá sử dụng cơ cấu bánh răng cầu làm cơ
cấu chủ đạo. Đồ gá đƣợc thiết kế nhằm mục đích mở rộng khả năng cơng nghệ của
máy phay vạn năng đặc biệt là máy phay đứng vạn năng.
Bộ phận cơ bản của đồ gá là cơ cấu bánh răng cầu vành răng thân khai ăn khớp
với đĩa răng. Đĩa răng nằm trên hai cơ cấu dẫn hƣớng theo hai trục OX và OY lần
lƣợt song song với bàn dao dọc và bàn dao ngang của máy phay. Phía trên bánh
răng cầu là bàn gá kẹp chi tiết gia cơng.
Mặt bàn gá
Bánh răng cầu
Đóa răng
Động cơ
Y
Cơ cấu
dẫn hướng
Z
X
O
O0

Hình 1.8. Mơ hình đồ gá N chiều.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21
Để phân độ cho chi tiết gia công một góc bất kỳ trong không gian đĩa răng sẽ
đƣợc điều khiển dịch chuyển theo hai trục OX và OY. Đĩa răng dịch chuyển theo
hai trục trên hai cơ cấu dẫn hƣớng. Mỗi thành phần chuyển động đƣợc truyền động
bởi một động cơ thông qua cơ cấu vít me. Khi đĩa răng dịch chuyển theo 2 trục làm
bánh răng cầu đƣợc gá trên giá có hai trục quay sẽ quay những góc độ tƣơng ứng

cấu bánh răng cầu đƣợc phát minh bởi A.H.Kulin ngƣời Liên Xô và lần đầu tiên
đƣợc sử dụng trong cổ tay của robot công nghiệp ở nhà máy Trallfa ở Norway và
đƣợc gọi là cơ cấu bánh răng cầu Trallfa (hình 2.1). Cơ cấu bánh răng cầu Trallfa
gồm một chiếc đƣợc cắt các hình côn lõm trên bề mặt cầu và cái còn lại có các hình
côn lồi phân bố trên mặt cầu, chúng ăn khớp và truyền chuyển động thông qua các
bề mặt côn côn đó. Bánh răng cầu Trallfa có hai nhƣợc điểm là tồn tại sai số tỉ số
truyền và khó chế tạo. Tuy nhiên các cơ cấu nhƣ cổ tay rôbốt phun sơn không yêu
cầu độ chính xác động học nên có thể sử dụng cơ cấu này để truyền động.
Đối với các cơ cấu yêu cầu độ chính xác động học thì cơ cấu này không đáp
ứng đƣợc và cơ cấu bánh răng cầu vành răng thân khai (hình 2.2) đã ra đời vào
những năm 90 của thế kỷ trƣớc. Cơ cấu bánh răng cầu vành răng thân khai [5] đƣợc
ứng dụng vào các lĩnh vực nhƣ: cổ tay và cánh tay rôbôt, hàng không vũ trụ, cơ cấu
dẫn hƣớng trong tên lửa, hệ thống điều khiển ăng ten vệ tinh …Bánh răng cầu vành
răng thân khai có vành răng phân bố liên tục trên bề mặt cầu.
Hình 2.1. Bánh răng cầu Trallfa.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


vậy, biên dạng răng cong là một vành cong thân khai.
Một số thuật ngữ dùng cho bộ truyền bánh răng cầu:
+ Trục cực: Là đường thẳng đi qua tâm hình cầu và vuông góc bề mặt vành
răng. Nó cũng là trục quay gia khi công bánh răng cầu.
+ Vành răng: Được hình thành bởi mặt cắt của bề mặt một răng quay 360
0

xung quanh trục cực.
+ Bánh răng lồi: Một bánh răng cầu ở phía cuối của trục cực răng là một răng
lồi tròn xoay.
+ Bánh răng lõm: Một bánh răng cầu ở phía cuối của trục cực răng là một
rãnh răng tròn xoay.
+ Đỉnh răng cầu: Là hình cầu tạo bởi vòng tròn đỉnh răng của bề mặt răng
quay 360
0
xung quanh trục cực.
+ Chân răng cầu : Là hình cầu tạo bởi vòng tròn chân răng của bề mặt răng
quay 360
0
quanh trục cực.
7. Cầu chia: Là hình cầu do vòng chia của bề mặt bánh răng quay 360
0
xung
quanh trục cực.
8. Cầu cơ sở: Là hình cầu đường do vòng tròn cơ sở của bề mặt răng quay
360
0
xung quanh trục cực.
9. Hình côn hoạt động: Là tập hợp điểm của bánh răng cầu hoạt động.
10. Chiều dày răng: là chiều dày răng của một bánh răng trụ có cùng biên