Thiết kế, chế tạo máy đo bước xoắn bánh răng trụ răng nghiêng

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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẦN MỞ ĐẦU

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

Chương 1: Tổng quan về thiết bị đo góc nghiêng bánh răng

1.1 Đặc điểm truyền dẫn bánh răng trụ răng nghiêng

Truyền động bánh răng thực hiện truyền chuyển động và tải trọng nhờ sự ăn khớp của các răng trên bánh răng hoặc thanh răng

Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng dùng để truyền động giữa hai trục song song Bánh răng răng nghiêng có hướng răng hợp với đường sinh của mặt trụ một góc β Đối với bộ truyền bánh răng thẳng khi vào ăn khớp các cặp răng tiếp xúc đường, còn với bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng thì quá trình vào ăn khớp là tiếp xúc điểm sau đó chạy dọc theo toàn bộ chiều dài răng Các cặp răng lần lượt vào, ra khớp theo thứ tự 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

Hỡnh 1.1: Sơ đồ gia cụng bỏnh răng trụ răng nghiờng bằng dao phay đĩa mụ đun

Để tạo đ-ợc răng nghiêng cần thực hiện đồng bộ chạy dao của bàn máy và chuyển

động quay của đầu phân độ bằng cách nối trục vitme bàn máy thông qua bộ bánh răng thay thế với trục truyền động của đầu phân độ

Khi quay bàn máy cần chú ý chiều nghiêng của răng trên chi tiết: đối với răng nghiêng trái thì bàn máy quay theo chiều đồng hồ khi nhìn từ trên xuống và khi răng nghiêng phải thì quay bàn máy ng-ợc chiều đồng hồ

1.2.2 Phay lăn răng

Phay lăn răng là ph-ơng pháp phay bánh răng theo nguyên lý bao hình

Bánh răng nghiêng phay bằng ph-ơng pháp phay lăn để đảm bảo cho đoạn xoắn vít của dao ở vùng cắt trùng với ph-ơng răng chi tiết gia công phải gá trục dao làm với mặt đầu chi tiết một góc sao cho:

.Hỡnh 1.2: Sơ đồ gỏ dao khi phay lăn răng bỏnh răng trụ răng nghiờng

a) Bỏnh răng nghiờng phải, dao xoắn phải

b) Bỏnh răng nghiờng trỏi, dao xoắn trỏi

H-ớng chạy dao S

d song song với trục của chi tiết nên khi phay lăn bánh răng nghiêng, phôi phải có chuyển động quay bổ sung để h-ớng của răng dao lăn trùng với h-ớng răng gia công Chuyển động này đ-ợc thực hiện nhờ bộ truyền dẫn vi sai

đã đ-ợc thiết kế trong xích truyền động của máy

Hỡnh 1.3a: Chuyển động dao khi phay lăn răng thẳng

Khi phay lăn bánh răng thẳng, dao tịnh tiến một đoạn S

i sẽ gia công đ-ợc đoạn răng thẳng từ 1 → 2 Do đó, gia công bánh răng nghiêng thì ta phải cho phôi thêm một chuyển động quay sao cho với S

i đó dao sẽ cắt từ 1 → 2’

Hỡnh 1.3b: Chuyển động dao khi phay lăn răng nghiờng

Nh- vậy, nếu dao chạy thẳng đứng đ-ợc một đoạn L bằng b-ớc xoắn của răng nghiêng thì chuyển động quay bàn máy mang chi tiết gia công phải quay nhanh

thêm (nếu răng dao và h-ớng bánh răng gia công cùng chiều) hoặc chậm đi (nếu

răng dao và h-ớng bánh răng gia công ng-ợc chiều) vừa đúng một vòng (t-ơng ứng với tổng số răng Z

c cần gia công) Nếu nh- chuyển động của bàn máy đ-ợc nhanh thêm (hay chậm đi) chỉ bằng một b-ớc răng thì dao phay phải dịch đi một quãng

L π 0.cot β

=

Sau khi bàn máy quay một vòng thì dao phay dịch chuyển đ-ợc một đoạn S

ht; trong khi đó, sự quay của bàn máy đ-ợc nhanh thêm (hay chậm đi) một góc t-ơng ứng với

số răng ΔZ:

ΔZ =

β cot π

.

S Z S

=

S

ht: l-ợng chạy dao h-ớng trục

Do đó, bánh chia phải đ-ợc điều chỉnh thành:

Z’ = ZC ± ΔZ = ZC ±

β cot π

i = d ' C .

Z

Z Z

Z n

)

1.2.3 Xọc bao hỡnh

Xọc bao hình bản chất dụng cụ cắt là một bánh răng mà mặt đầu đ-ợc tạo thành mặt tr-ớc còn các mặt bên tạo thành các mặt sau của l-ỡi cắt Trong quá trình gia công, dụng cụ cắt chuyển động cắt theo h-ớng dọc trục của bánh răng và cùng với chi tiết

c Z

Z n

d là số răng của chi tiết gia công và dụng cụ cắt

Xọc răng bằng dao xọc dạng bánh răng là dựa trên nguyên tắc chuyển động t-ơng

hỗ giữa dao và chi tiết Dao xọc và chi tiết gia công đ-ợc quay c-ỡng bức xung quanh trục của chúng theo h-ớng ng-ợc nhau khi gia công bánh răng ăn khớp ngoài

và cùng h-ớng khi gia công bánh răng ăn khớp trong

Dao thực hiện chuyển động lên xuống V và chuyển động xoắn để cắt gọt khi gia công răng nghiêng Khi dao đi xuống là thực hiện tách phoi và khi chuyển động trở lại là hành trình chạy không Chi tiết có chuyển động ra vào để dao không cà vào mặt đã gia công trong khi chạy không

Hỡnh 1.4: Sơ đồ xọc răng nghiờng

Tuy nhiên, cũng có thể xọc đ-ợc bánh răng nghiêng khi dao có răng nghiêng cùng với bạc dẫn nghiêng t-ơng ứng H-ớng nghiêng của răng dao xọc có thể là phải hay trái, dao nghiêng phải đ-ợc dùng để gia công răng nghiêng trái và ng-ợc lại

Khi xọc răng nghiêng, ngoài các chuyển động nh- xọc răng thẳng, phôi còn có thêm chuyển động quay t-ơng ứng với góc nghiêng của răng

1.3 Ảnh hưởng của sai số gúc nghiờng đến chất lượng làm việc của bộ truyền

Bộ truyền bánh răng nghiêng, các răng không h-ớng theo đ-ờng sinh mà làm với

đ-ờng sinh một góc β

Hỡnh 1.5: Cỏc tham số của bộ truyền bỏnh răng trụ răng nghiờng

Khác với răng thẳng, răng bánh răng nghiêng không vào tiếp xúc nhau trên toàn bộ chiều dài răng mà vào khớp dần dần, đ-ờng tiếp xúc lan dần trên chiều dài răng, đôi răng phía tr-ớc ra khớp bao nhiêu thì đôi răng phía sau vào khớp bấy nhiêu

Bánh răng ngiêng luôn có ít nhất hai đôi răng ăn khớp kể cả khi hệ số trùng khớp

w x

w

m

b tg p

b p

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

Khi kiểm tra bỏnh răng ta thường dựng hai phương phỏp:

- Đo, kiểm tra từng thụng số cơ bản về kớch thước và hỡnh dạng răng nhằm phỏt hiện nguyờn nhõn gõy nờn sai số và từ đú cú thể điều chỉnh một cỏch thớch hợp để đạt độ chớnh xỏc trong quỏ trỡnh gia cụng Cỏc thụng số này cũng gúp phần cho quỏ trỡnh chế tạo lại bỏnh răng khi bỏnh răng bị hỏng

- Đo, kiểm tra tổng hợp nhằm đỏnh giỏ chất lượng và khả năng sử dụng của bỏnh răng sau khi gia cụng xong và bỏnh răng sau khi làm việc trong thời gian lõu dài

Một số phương pháp kiểm tra các chỉ tiêu cơ bản của bánh răng trụ

* Kiểm tra độ đảo vòng chia

Hình 1.7: Sơ đồ kiểm tra độ đảo vòng chia

* Kiểm tra bước vòng

Hình 1.8: Sơ đồ kiểm tra bước vòng

* Kiểm tra sai lệch prôfin

Hình 1.9: Sơ đồ kiểm tra sai lệch prôfin

* Kiểm tra sai lệch khoảng pháp tuyến chung

Hình 1.10: Sơ đồ kiểm tra sai lệch khoảng pháp tuyến chung

* Kiểm tra tổng hợp ăn khớp hai bên

Hình 1.11: Sơ đồ kiểm tra tổng hợp ăn khớp hai bên

* Kiểm tra sai số tích lũy bước vòng

* Kiểm tra góc nghiêng của bánh răng β

Góc nghiêng của bánh răng nghiêng được xác định theo lý thuyết thì trong việc thiết

kế lại hoặc kiểm tra bánh răng đã gia công, việc xác định chính xác góc nghiêng từ một nguyên mẫu có sẵn gặp nhiều khó khăn về thiết bị đo Kiểm tra góc nghiêng trên thực tế có hai cách như sau:

- Đo kiểm tương đối với các dụng cụ thủ công:

+ Sử dụng thước kẹp với các bánh răng có góc nghiêng dưới 150.

+ Lăn vết lên giấy với các bánh răng có góc nghiêng trên 150 sau đó hiệu chỉnh kết quả đo theo tiêu chuẩn

- Đo bằng các máy đo tọa độ thông qua một chương trình xử lý kết quả không chính hãng

Các phương pháp này đều có điểm khó chấp nhận ở góc độ kinh tế hoặc kỹ thuật vì hàm chứa sai số phương pháp đo (chẳng hạn khi đo chiều dài đường chuẩn xoắn vít trụ bằng thước kẹp đã lấy dây thay cho cung)

1.4.2 Các thiết bị chuyên dùng khác

* Máy đo tọa độ CMM và các trung tâm đo răng chuyên dụng

Hình 1.13: Máy đo tọa độ CMM của hãng Mitutoyo (trái) và trung tâm kiểm tra

răng CNC của Klingelnberg (phải)

Hình 1.14: 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,

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

Để 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 trên 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

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

Chương 2: Thiết kế máy đo góc nghiêng 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

Tức 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

M7

Hình 2.2: Kết cấu các đầu đo

Đầu đo thiết kế là khối cầu và trượt trên 2 mặt răng như hình vẽ, vì vậy đầu đo ta làm bằng vật liệu giảm ma sát và có độ cứng vững cao, tầm với của đầu đo tính theo bán kính vòng chia của vật đo

Hình 2.3: Kiểu tiếp xúc đầu đo với bánh răng

Hình 2.4: 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 phôi 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)

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

400

435,67 150

2.2.2 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

bị dẫn

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

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

Không giống như máy cắt kim loại khi tạo hình bề mặt, tốc độ dịch chuyển tương đối giữa dụng cụ cắt và phôi gia công quyết định chất lượng bề mặt, ở máy đo này tốc độ di chuyển đầu đo và sự ổn định của tốc độ di chuyển không ảnh hưởng đến kết quả đo mà chỉ ảnh hưởng đến năng suất đo, vì vậy việc di chuyển đầu đo bằng tay không làm ảnh hưởng đến kết quả đo của máy

2.3 Tính chọn các cơ cấu chấp hành cơ khí của máy đo

Các cơ cấu cơ khí có chức năng thực hiện các chuyển động của vật đo và đầu đo, các mô đun tiêu chuẩn được ưu tiên lựa chọn vì đảm bảo tính tổ hợp nhanh và kế thừa được nhiều yếu tố về trình độ thiết kế và chế tạo mang tính chuyên môn hóa của các hãng nổi tiếng Các phần tử cơ khí dưới đây được xác định theo thiết kế trên hình 2.5 hình ảnh thực tế từ các hãng cung cấp thiết bị và tham số thực tế của thiết

2.3.1 Ụ động

Ụ động có chức năng cố định đường trục cho một mũi tâm quay, do đặc tính kích thước máy đã xác định ở trên chọn sử dụng ụ động số hiệu TS – 135 của vertex Taiwan với chiều cao 135 (mm) Hành trình tịnh tiến của nòng 55 (mm) lỗ côn mooc số 2 Khi tổ hợp lên máy ụ động được gắn cố định trên bệ máy chỉ chuyển động nòng khi kẹp vật đo, ụ chống tâm đối diện được chế tạo riêng có đường tâm điều chỉnh trùng với mũi tâm của ụ động và không tịnh tiến được tuy nhiên nó cũng

là mũi tâm quay để giảm ma sát

2.3.2 Vít me đai ốc bi

Để giảm ma sát và điều hòa chuyển động nhỏ trong thiết kế sử dụng vít me đai ốc bi

Hình 2.9: Bộ truyền vít me đai ốc bi t=4.5 (mm) sử dụng trên máy

Hình 2.10: Bảng tham số bộ truyền vít đai ốc bi dùng trong thiết kế

Bộ truyền vít đai ốc bi này được chọn trên cơ sở kết hợp các đặc tính chính xác, đặc tính động học và khả năng tải theo tính toán sơ bộ của tác giả trên cơ sở đã biết các tham số cần đạt của máy thiết kế Vị trí lắp vòng bi đỡ vít sau đó được tạo bằng cách tiện cứng phần ren cần lược bỏ xuống bằng kích thước lắp ổ lăn

2.3.3 Dẫn hướng trượt bi

Dẫn hướng trượt bi cho hiệu suất truyền dẫn và độ chính xác tốt để có chuyển động tịnh tiến hoàn hảo của đầu dò, nó cũng tương xứng với việc dẫn động từ một bộ truyền vít me đai ốc bi, hệ thống cho phép có độ nhạy chuyển động với tín hiệu phát động tốt nhất góp phần giảm tiêu hao nguồn khi sử dụng ắc quy dẫn động động cơ

Hình 2.11: Bảng tham số kích thước dòng thanh trượt TRS-F series

Hình 2.12: Bảng tham số khả năng tải dòng thanh trượt TRS-F series

2.3.4 Mũi tâm quay

Mũi tâm quay là lựa chọn để giảm ma sát giữa trục gá và lỗ tâm ở hai đầu, mũi tâm quay với lỗ côn mooc N02

Hình 2.13: Mũi tâm quay kiểu 3206 – CPA3 độ chính xác quay 0.003mm

2.3.5 Gối đỡ và ổ lăn

Trong thiết kế có sử dụng ba gối ổ bi gồm đỡ mũi tâm đối diện ụ động và cặp gối ổ

đỡ vít me bi, trong đó gối ổ đỡ vít me sử dụng ổ bi cầu tự lựa đường kính trong d10

Hình 2.14: Gối đỡ tự lựa dùng cho vít me bi trong thiết kế máy đo

Ngoài các chi tiết công dụng chung nói trên, máy đo có một số chi tiết phi tiêu chuẩn cần chế tạo riêng, các chi tiết này có bản vẽ chế tạo đầy đủ kèm theo trong phụ lục của luận văn bao gồm:

- Giá đỡ cảm biến;

- Thân máy;

- Chân gối ổ;

2.4 Tính chọn các trang bị điện – điện tử và điều khiển cho máy đo

Các trang bị điện-điện tử và điều khiển của máy đo bao gồm nguồn điện, động cơ sensor và vi xử lý, trong thiết kế này không có linh kiện nào phải chế tạo thủ công

Để chọn được một linh kiện cụ thể nào đó vấn đề cơ bản là phải nhận dạng đúng năng lực làm việc cần thiết của nó hay các yêu cầu đặt ra với nó, bài toán có thể đơn giản với các linh kiện như nguồn, bàn phím, màn hình hiển thị nhưng lại là phức tạp với các cảm biến hoặc vi điều khiển

2.4.1 Cảm biến đo góc quay

Cảm biến đo góc quay có thông số nhận diện cơ bản là độ phân giải của nó, được thể hiện bằng số xung tạo ra sau một vòng quay Để có được giá trị này cần mô hình hóa được bài toán đáp ứng độ chính xác của máy đo và giải được bài toán ngược để tính độ phân giải của các cảm biến, giải bài toán thuận để nhận biết độ chính xác đạt được thực tế của phép đo có đạt yêu cầu hay không

Trong phần này trình bày hai quan điểm tính toán như sau:

- Trường hợp lý thuyết cần tính toán để đảm bảo độ chính xác phép đo góc nghiêng đạt dưới 10” và không hạn chế đầu tư;

- Trường hợp máy thí nghiệm với đầu tư hạn chế;

Mục đích của hai trường hợp này là làm chủ được vấn đề về mặt lý thuyết và thực tiễn, nắm bắt nguyên lý cơ bản của độ chính xác phép đo thành phần ảnh hưởng như thế nào tới phép đo gián tiếp có quan hệ với nhau bằng một hàm giải tích cho trước

2.4.1.1 Trường hợp cần đảm bảo độ chính xác kết quả dưới 10”

Trong trường hợp này kết quả đo góc nghiêng được xác định gián tiếp thông qua việc đo hai chuyển vị khác, tổng quát gọi đại cần đo là y và phụ thuộc vào các phép

đo trực tiếp x1, x2, xn , trong đó hàm giải tích biểu diễn mối quan hệ giữa đại lượng cần đo và các đại lượng đo trực tiếp có quan hệ đã biết:

y = f(x1,x2, xn) đạo hàm hai vế để được:

Trong đó sai số tuyệt đối của phép đo gián tiếp được đánh giá như sau:

Với Δx ilà sai số tuyệt đối của đại lượng đo trực tiếp xi

Sai số tương đối của phép đo gián tiếp được đánh giá bởi:

Với γx i là sai số tương đối của các phép đo đại lượng xi

Cũng cần chú ý đến quy tắc tính sai số tuyệt đối và tương đối của các quan hệ tính toán sơ cấp khi phối hợp kết quả đo trực tiếp theo các cách thức khác nhau:

Bảng: quan hệ giữa sai số tuyệt đối và tương đối của một số hàm thường gặp

Trong trường hợp cụ thể này sai số của hàm tg mà ta ứng dụng ở đây là quan hệ thương như dòng 3 trong bảng trên

Có thể nhận thấy góc nghiêng β theo sơ đồ trên hình 2.1 được tính theo công thức:

10

=

=

Δβ => tg β(Δ )=tg(0,00278)=0,00004848

)

(

EA

EB EA EA EA

α

= , trong đó d = 150 mm, α ở đây ta chọn bằng 600, vì thông thường góc nghiêng của bánh răng từ khoảng 200-400 Từ đó suy

ra

.5,78360

150.14,3

Từ công thức (*) ta thấy rằng độ chính xác nhỏ nhất của đoạn EA đạt được khi phép

đo cung EB có độ chính xác tuyệt đối ( không có sai số) tức là ΔEB =0

00889 , 0 5

, 78

120 00004848 ,

0 ).

(

.

) (

2 2

max

2 max 2

4 2

mm EB

EA tg

EA

EA EB EA tg

=

=

Δ

= Δ

Δ

= Δ

=>

β β

Ngược lại, độ chính xác nhỏ nhất của cung EB đạt được khi phép đo đoạn EA có sai

số bằng 0, tức là ΔEA =0

; 00582 , 0 Δ

120 00004848 ,

0 Δ

).

(

.

) (

max max max

2 max 2

4 2

mm EB

EB

EA tg

EB

EB EA EA tg

=>

Δ

= Δ

=>

β β

Dựa vào sơ đồ bên ta thấy EB là độ dài cung mà giá trị cảm biến 2 đo được là góc α

ta có:

d

EB EB

d

Δ.360Δ

360

max max

π

ΔMặt khác, đường kính lớn nhất có thể đo được là d=150mm Vậy độ chính xác nhỏ nhất của cảm biến thứ 2 cần đạt được là:

0

150.14,3

00582,0.360

=

=Δ

=> α