TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC MÔĐUN QUAY TRONG ROBOT
Hộp giảm tốc bánh răng con lăn (RL) là loại hộp gi ảm tốc hành tinh ki ểu mới, rất thích h ợp cho các môđun quay trong robot.
Hộp giảm tốc RL gồm có 4 bộ phận chính:
Nguyễn Thiện Phúc, Nguyễn Tiến Đức,
Lê Hoàng Giang, Trung tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN
1) Tr ục đầu vào có đường tâm nằm lệch so với tâm ổ bi, t ạo nên bánh lệch tâm; 2) Đĩa răng có vành răng dạng sóng lượn; 3) Vành răng vòng ngoài cố định gồm các r ăng ch ốt con l ăn; 4) Tr ục đầu ra cùng với các vành các chốt con lăn. Tóm tắt:
Đĩa răng lắp tr ên ổ bi l ệch tâm sẽ lăn vòng quanh bên trong vành r ăng chốt con lăn. Do các răng của nó vào khớp với các ch ốt con lăn của vành răng vòng ngoài c ố định cho n ên đĩa răng quay ng ược chiều với chi ều quay tr ục đầu vào. Sự quay c ủa đĩa răng được truyền cho tr ục đầu ra b ằng các ch ốt con lăn xuyên qua các lỗ trên đĩa răng.
Con lăn vòng ngoài
Môđun quay bao g ồm động cơ, bộ ph ận gi ảm tốc và bộ phận phản hồi tín hi ệu. Môđun quay, trong robot nói riêng và trong các thi ết bị hi ện đại nói chung, đòi hỏi nhiều tiêu chí nh ư hiệu suất cao và đạt được tỷ số giảm tốc lớn, chạy êm và tri ệt tiêu khe hở, chịu được tải năng và cấu trúc nh ỏ gọn. Môđun quay được đề xu ất trong b ài này v ới hộp gi ảm tốc bánh răng con l ăn mới, đáp ứng xu ất sắc các ti êu chí nói trên Đĩa răng
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Bánh lệch tâm
ộ ph ận Môđun quay (rotation module) là b quan trọng cấu thành robot. Môđun quay có chức năng tạo ra sự quay của khớp động và quản lý được sự quay đó. Thông th ường môđun quay gồm có: động cơ điện có th ể kèm theo bi ến tần, hộp gi ảm tốc và cảm bi ến tốc độ quay. Trong đó hộp gi ảm tốc ảnh hưởng lớn đến kích cỡ và chất lượng của mođun quay.
2. CÁC YÊU C ẦU KỸ THU ẬT ĐỐI VỚI MÔ ĐUN QUAY
Trục ra Chốt con lăn Ổ bi Trục vào
Hình 1
Môđun quay th ường ph ải gắn tr ực ti ếp với khớp quay của robot. V ì thế yêu cầu đầu tiên đối với môđun quay là có kích th ước nh ỏ gọn, tr ọng lượng nhẹ, quay r ất ch ậm. Nh ư đã bi ết tr ọng lượng và kích cỡ của môđun quay ph ụ thuộc vào hộp giảm tốc, nhất là khi thực hiện với tỷ số truyền rất cao. 4. NGUYÊN LÝ T ẠO HÌNH DẠNG RĂNG LƯỢN SÓNG CỦA ĐĨA RĂNG
ủa đĩa răng được xác định từ đặc Biên hình c điểm ăn khớp sau đây:
Một yêu cầu quan tr ọng của mô đun quay dùng cho robot là không b ị trễ để đảm bẩo điều khiển được trong th ời gian th ực. Như đã biết hiện tượng trễ này ch ủ yếu là do t ồn tại khe h ở cạnh răng không tránh khỏi đối với bộ truyền bánh răng trong hộp giảm tốc thông thường. Điều ki ện để điểm N là điểm tiếp xúc gi ữa con lăn và biên h ình răng nếu pháp tuy ến của nó đi qua tâm con l ăn M và tâm ăn khớp P trong quá trình ăn khớp máy (ăn khớp khi chế tạo đĩa răng).
Từ điều ki ện đó, có th ể xác định được to ạ độ của điểm N theo to ạ độ của điểm M v à điểm P, như sau [4]:
N
M
=
(
)
x
x
x
x
N
M
M
p
y y
y y
M
p
)
y
( yr c
M
N
=
y
y
N
M
2
2
+
(
)
(
)
x
x
y
y
M
p
M
p
Các yêu c ầu kỹ thuật tiếp theo đối với môđun quay là quán tính th ấp, chạy êm, hiệu suất cao và đòi hỏi bôi trơn không thường xuyên. Hầu hết các yêu cầu kỹ thu ật này lại ph ụ thu ộc vào bộ truy ền bánh r ăng của hộp giảm tốc. - - - (1) - 3. NGUYÊN LÝ HO ẠT ĐỘNG CỦA HỘP GI ẢM TỐC BÁNH RĂNG CON LĂN. - - (2) - -
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
A
r d
4
r e
3
r c
1
2
Hình 2 Hình 3
=
ến đổi, từ (1) v à (2) ta nh ận Sau các phép bi được phương trình đường biên hình răng ở dạng sau:
x
sin
A
cos(
Z
)
j
j
N
r d
1
- -
sin
sin(A
Z
)
j
j
1
r c b
r d Z
1
=
(3) ø Ø - - œ Œ ß º
cos
cos(
)
y
A
Z
j
j
1
N
r d
cos
n
A
cos(
Z
)
j
j
1
r d Z
1
r c b
+
=
- - (4) ø Ø - - œ Œ ß º
2 ZA
2
cos(
)
b
2 r d
AZr d
2 1
1
jZ , 1
1 Z
1
- (5)
Hình 4 Hầu hết các ký hi ệu dùng trong (1) ‚ (5) đã được mô tả trên hình 2.
5. PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH CỦA HỘP GIẢM TỐC RL THOẢ MÃN CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI MÔĐUN QUAY Ngoài ra:
j - góc quay của đĩa răng Z2
Z2 - số răng của đĩa răng
Z1 - số con lăn cố định, Z2 = Z1 - 1
Z
2
Trên hình 3 là ví d ụ một đĩa răng với đường biên hình răng được chương trình máy tính vẽ ra theo nguyên lý ăn khớp nói tr ên và hình 4 là ảnh chụp một số đĩa răng đã được ch ế tạo tại Trung tâm NCKT t ự động hoá, ĐHBK - HN dùng cho các môđun quay. 1. H ộp gi ảm tốc RL đạt được tỷ số truy ền rất cao. Do đĩa răng có số răng (Z2) ít hơn 1 so với số răng con l ăn (Z 1) nên khi tr ục đầu vào quay được 1 vòng thì đĩa răng mới quay quanh tr ục tâm c ủa nó được 1 b ước răng. Đĩa răng lại truy ền tr ực ti ếp chuyển động quay sang trục đầu ra nh ờ các ch ốt con lăn gắn li ền với tr ục đầu ra. Nh ư vậy, truy ền động bánh răng con l ăn có th ể đạt tỷ số truy ền (i) b ằng chính số răng của đĩa răng. Suy từ công th ức tính tỷ số truy ền bánh r ăng hành tinh ki ểu lệch tâm, ta có công thức sau:
=
=
i
Z
Z
1
2
1
1
1 Z Z
2
(6) - -
1 = Z2 + 1 ta có i = -Z2 (7)
Vì Z
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Dấu tr ừ ch ứng tỏ đĩa răng này quay ng ược (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) - chiều với trục đầu vào: (10)
-= 1
f
h
p
12
(cid:247) (cid:231)
e 2
1 Z
1 Z
1
2
ł Ł
với: e - hệ số trùng khớp
f - h ệ số ma sát
3,0
15,0
13,0
24,0
Dựa vào công th ức xác định hệ số ma sát giữa cặp mặt răng có màng dầu bôi trơn [3] - - - -
=
(cid:229) (11)
f
,1
489
V
V
v
R
trong đó:
- Vận tốc tương đối và vận tốc
S Tỷ số truy ền th ường dùng từ 11 đến 87 đối với cấp đơn, 10.000 đối với loại kép 2 cấp và cao hơn đối với lo ại kép 3 cấp. Nh ư thấy trên hình 5, kích c ỡ của hộp giảm tốc dùng bánh răng con lăn rút xuống rất nhiều so v ới hộp gi ảm tốc dùng các bánh r ăng thông thường khi th ực hi ện cùng một tỷ số truyền giảm tốc như nhau. Kích th ước gi ảm đi cũng còn do kh ả năng tải của dạng răng mới này cao h ơn nhi ều nh ư phân tích ở ph ần sau. Theo tính toán s ơ bộ th ì trung bình kích th ước gi ảm đi hơn một nửa, do đó tr ọng lượng cũng giảm theo. Các đặc tính đó là rất phù hợp với các đòi hỏi của mođun quay trong robot. V v à V tổng, cm/s
ương đương nhỏ nhất, R - bán kính cong t cm
v - độ nhớt của dầu bôi trơn, cct.
3. H ộp gi ảm tốc RL đảm bảo cho mô đun quay không bị trễ khi quay đảo chiều bằng biện pháp dùng 2 đĩa răng lắp lệch nhau 180 0 trên cùng 1 tr ục đầu vào để triệt tiêu khe hở cạnh răng.
Hình 5
4. H ộp gi ảm tốc RL có th ể tho ả mãn yêu cầu của môđun quay về chất lượng động lực học. Đó là do ti ếp xúc gi ữa răng và con l ăn là ti ếp xúc gi ữa cặp mặt lồi - lõm ch ứa màng dầu thu ỷ động. Tr ong truyền động bánh răng con l ăn thì các thông s ố như bán kính cong tương đương, góc giữa đường tiếp xúc với hướng di chuy ển đều rất thuận lợi cho vi ệc hình thành màng dầu thuỷ động. Vì thế không nh ững làm tăng khả năng tải lên rất cao mà còn làm gi ảm tiếng ồn do ti ếp xúc qua l ớp dầu. Đồng th ời vi ệc dùng 2 đĩa răng lắp đối xứng làm tăng gấp đôi số răng cùng vào khớp, phân bố ở 2 vùng đối xứng nhau qua tr ục quay. Đặc điểm này là tăng khả năng chịu tải của hộp giảm tốc lên một lần nữa và làm cân bằng ly tâm nên làm việc êm dịu. 2. H ộp giảm tốc RL duy tr ì được hiệu suất ở mức cao ngay c ả khi t ỷ số truy ền đạt được rất lớn. Điều này không th ể đạt được đối với hộp gi ảm tốc bánh răng hành tinh thông th ường. Đó là do trong truyền động bánh r ăng ki ểu mới này ma sát l ăn đã thay th ế cho ma sát t rượt tương tự nh ư trong truy ền động vítme bi. Ngo ài ra với những quan hệ hình động học hợp lý ở vùng tiếp xúc gi ữa răng và con l ăn còn tồn tại màng dầu thu ỷ động, nên không nh ững nâng cao đáng kể khả năng chịu tải mà còn cải thiện về hiệu suất tăng lên rõ rệt. 6. KẾT LUẬN
Trên cơ sở công th ức tính hi ệu su ất của hệ thống bánh r ăng hành tinh ki ểu lệch tâm, có th ể xây dựng bi ểu th ức tính hi ệu su ất của hộp gi ảm tốc RL như sau:
-
(
1
12
2
h = (8) -
Z Z
Z Z
1
) h h 2
12
vì Z1 = Z2 + 1, ta có:
h
h = (9)
Z -
12 Z
1
h 2
12
ng đó h 12 là hi ệu suất của cặp bánh r ăng Tro [1]
Truy ền động bánh răng con lăn có nhi ều ưu điểm nổi tr ội. Tỷ số truy ền đạt được rất cao. Trong đó ma sát l ăn đã thay th ế cho ma sát tr ượt, nên hiệu suất tăng lên rõ r ệt và duy trì ở mức cao, tr ên 90%. Con lăn tiếp xúc với răng đĩa răng luôn luôn có màng dầu thu ỷ động. Hai đĩa răng lắp lệch tâm đối xứng với nhau n ên tri ệt ti êu được khe h ở cạnh răng, cân bằng được lực ly tâm, t ăng số răng cùng vào kh ớp đến gần một nửa. Vì thế nâng cao đáng kể khả năng chịu tải, giảm kích th ước đi gần một nửa so với hộp giảm tốc thông th ường và tăng cao rõ rệt chất lượng động lực học khi làm việc. Tất cả những đặc điểm đó của hộp giảm tốc RL đã đảm bảo các yêu cầu cao của các môđun quay trong robot. Mô đun quay dùng bánh răng con l ăn là m ột sản phẩm kiểu mới và tỏ ra r ất phù hợp với kỹ thuật robot.
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Koltrin N.I. Cơ học máy, M.1972 (tiếng Nga)
2. Litvin F.L - Lý thuy ết ăn khớp bánh răng, M. 1968 (tiếng Nga)
3. Duxev I. I, Nguy ễn Thiện Phúc, Phân tích đặc tính tiếp xúc c ục bộ trên cơ sở lý thuy ết bôi tr ơn thu ỷ động. M, 1977 (tiếng Nga)
4. Nguyen Thien Phuc - Planetary cycloid roller gear ruducer - Vietnam Journal of Mechanics. N.2 - 2002.
CALCULATION, DESIGNING, MANUFACTURING OF ROTARY MEDULES FOR ROBOT Nguyen Thien Phuc, Nguyen Tien Duc, Le Hoang Giang, Research Centre of Automation, Hanoi University of Technology The rotary module consists of a motor, a
reducer and position feedback. The rotary modules for robots and for modenr equipment, in general, require many criteria such as high transmission efficiency and high reduction ratio, smooth run and dispose of backlash, compact structure and heavy loads. The rotary module with the new roller gear reducer, proposed in this paper, has satified the above mentioned criteria.
