Đề tài Tính toán, thiết kế, chế tạo các môđun quay trong robot

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC MÔĐUN QUAY TRONG ROBOT Nguyễn Thiện Phúc, Nguyễn Tiến Đức, Lê Hoàng Giang, Trung tâm NCKT Tự động hoá, ĐHBK - HN Tóm tắt: Môđun quay bao gồm động cơ, bộ phận giảm tốc và bộ phận phản hồi tín hiệu. Môđun quay, trong robot nói riêng và trong các thiết bị hiện đại nói chung, đòi hỏi nhiều tiêu chí như hiệu suất cao và đạt được tỷ số giảm tốc lớn, chạy êm và triệt tiêu khe hở, chịu được tải năng và cấu trúc nhỏ gọn. Môđun quay được đề xuất trong bài này với hộp giảm tốc bánh răng con lăn mới, đáp ứng xuất sắc các tiêu chí nói trên 1. GIỚI THIỆU CHUNG Môđun quay (rotation module) là bộ phận 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 thường môđun quay gồm có: động cơ điện có thể kèm theo biến tần, hộp giảm tốc và cảm biến tốc độ quay. Trong đó hộp giảm tốc ảnh hưởng lớn đến kích cỡ và chất lượng của mođun quay. 2. CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI MÔĐUN QUAY Môđun quay thường phải gắn trực tiếp với khớp quay của robot. Vì thế yêu cầu đầu tiên đối với môđun quay là có kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, quay rất chậm. Như đã biết trọng lượng và kích cỡ của môđun quay phụ thuộc vào hộp giảm tốc, nhất là khi thực hiện với tỷ số truyền rất cao. Một yêu cầu quan trọng của môđun quay dùng cho robot là không bị trễ để đảm bẩo điều khiển được trong thời gian thực. Như đã biết hiện tượng trễ này chủ yếu là do tồn tại khe hở cạnh răng không tránh khỏi đối với bộ truyền bánh răng trong hộp giảm tốc thông thường. Các yêu cầu kỹ thuật tiếp theo đối với môđun quay là quán tính thấp, chạy êm, hiệu suất cao và đòi hỏi bôi trơn không thường xuyên. Hầu hết các yêu cầu kỹ thuật này lại phụ thuộc vào bộ truyền bánh răng của hộp giảm tốc. 3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỘP GIẢM TỐC BÁNH RĂNG CON LĂN. Hộp giảm tốc bánh răng con lăn (RL) là loại hộp giảm tốc hành tinh kiểu mới, rất thích hợp cho các môđun quay trong robot. Hộp giảm tốc RL gồm có 4 bộ phận chính: 1) Trục đầu vào có đường tâm nằm lệch so với tâm ổ bi, tạo nên bánh lệch tâm; 2) Đĩa răng có vành răng dạng sóng lượn; 3) Vành răng vòng ngoài cố định gồm các răng chốt con lăn; 4) Trục đầu ra cùng với các vành các chốt con lăn. Đĩa răng lắp trên ổ bi lệch tâm sẽ lăn vòng quanh bên trong vành răng chốt con lăn. Do các răng của nó vào khớp với các chốt con lăn của vành răng vòng ngoài cố định cho nên đĩa răng quay ngược chiều với chiều quay trục đầu vào. Sự quay của đĩa răng được truyền cho trục đầu ra bằng các chốt con lăn xuyên qua các lỗ trên đĩa răng. Hình 1 4. NGUYÊN LÝ TẠO HÌNH DẠNG RĂNG LƯỢN SÓNG CỦA ĐĨA RĂNG Biên hình của đĩa răng được xác định từ đặc điểm ăn khớp sau đây: Điều kiện để điểm N là điểm tiếp xúc giữa con lăn và biên hình răng nếu pháp tuyến của nó đi qua tâm con lăn M và tâm ăn khớp P trong quá trình ăn khớp máy (ăn khớp khi chế tạo đĩa răng). Từ điều kiện đó, có thể xác định được toạ độ của điểm N theo toạ độ của điểm M và điểm P, như sau [4]: pM NM pMMN yy yyxxxx - - --= )( (1) 22 )()( )( pMpM NMc MN yyxx yyr yy -+- - -= (2) Trục ra Chốt con lăn Ổ bi Trục vào Bánh lệch tâm Con lăn vòng ngoài Đĩa răng PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version Hình 2 Sau các phép biến đổi, từ (1) và (2) ta nhận được phương trình đường biên hình răng ở dạng sau: ú û ù ê ë é -- --= )sin(Asin )cos(sin 1 1 1 Z Z r b r ZArx dc dN jj jj (3) ú û ù ê ë é -- --= )cos(Acos )cos(cos 1 1 1 Zn Z r b r ZAry dc dN jj jj (4) ),cos(21 11 2 1 22 1 jZAZrZAr Z b dd -+= (5) Hầu hết các ký hiệu dùng trong (1) ¸ (5) đã được mô tả trên hình 2. Ngoài ra: j - góc quay của đĩa răng Z2 Z2 - số răng của đĩa răng Z1 - số con lăn cố định, Z2 = Z1 - 1 Trên hình 3 là ví dụ một đĩa răng với đường biên hình răng được chương trình máy tính vẽ ra theo nguyên lý ăn khớp nói trên và hình 4 là ảnh chụp một số đĩa răng đã được chế tạo tại Trung tâm NCKT tự động hoá, ĐHBK - HN dùng cho các môđun quay. Hình 3 Hình 4 5. PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH CỦA HỘP GIẢM TỐC RL THOẢ MÃN CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI MÔĐUN QUAY 1. Hộp giảm tốc RL đạt được tỷ số truyền rất cao. Do đĩa răng có số răng (Z2) ít hơn 1 so với số răng con lăn (Z1) nên khi trục đầu vào quay được 1 vòng thì đĩa răng mới quay quanh trục tâm của nó được 1 bước răng. Đĩa răng lại truyền trực tiếp chuyển động quay sang trục đầu ra nhờ các chốt con lăn gắn liền với trục đầu ra. Như vậy, truyền động bánh răng con lăn có thể đạt tỷ số truyền (i) bằng chính số răng của đĩa răng. Suy từ công thức tính tỷ số truyền bánh răng hành tinh kiểu lệch tâm, ta có công thức sau: 12 2 2 11 1 ZZ Z Z Z i - = - = (6) Vì Z1 = Z2 + 1 ta có i = -Z2 (7) A r e 2 3 r d r c 4 1 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version Dấu trừ chứng tỏ đĩa răng này quay ngược chiều với trục đầu vào: Tỷ số truyền thường dùng từ 11 đến 87 đối với cấp đơn, 10.000 đối với loại kép 2 cấp và cao hơn đối với loại kép 3 cấp. Như thấy trên hình 5, kích cỡ của hộp giảm tốc dùng bánh răng con lăn rút xuống rất nhiều so với hộp giảm tốc dùng các bánh răng thông thường khi thực hiện cùng một tỷ số truyền giảm tốc như nhau. Kích thước giảm đi cũng còn do khả năng tải của dạng răng mới này cao hơn nhiều như phân tích ở phần sau. Theo tính toán sơ bộ thì trung bình kích thước giảm đi hơn một nửa, do đó trọng lượng cũng giảm theo. Các đặc tính đó là rất phù hợp với các đòi hỏi của mođun quay trong robot. Hình 5 2. Hộp giảm tốc RL duy trì được hiệu suất ở mức cao ngay cả khi tỷ số truyền đạt được rất lớn. Điều này không thể đạt được đối với hộp giảm tốc bánh răng hành tinh thông thường. Đó là do trong truyền động bánh răng kiểu mới này ma sát lăn đã thay thế cho ma sát trượt tương tự như trong truyền động vítme bi. Ngoài ra với những quan hệ hình động học hợp lý ở vùng tiếp xúc giữa răng và con lăn còn tồn tại màng dầu thuỷ động, nên không những nâng cao đáng kể khả năng chịu tải mà còn cải thiện về hiệu suất tăng lên rõ rệt. Trên cơ sở công thức tính hiệu suất của hệ thống bánh răng hành tinh kiểu lệch tâm, có thể xây dựng biểu thức tính hiệu suất của hộp giảm tốc RL như sau: h = 1221 1221 )( h h ZZ ZZ - - (8) vì Z1 = Z2 + 1, ta có: h = 1221 12 h h ZZ - (9) Trong đó h12 là hiệu suất của cặp bánh răng [1] 2 111 21 12 e ph ÷÷ ø ö çç è æ --= ZZ f (10) với: e - hệ số trùng khớp f - hệ số ma sát Dựa vào công thức xác định hệ số ma sát giữa cặp mặt răng có màng dầu bôi trơn [3] 24,013,015,03,0489,1 ---- å= RvVVf (11) trong đó: V v à VS - Vận tốc tương đối và vận tốc tổng, cm/s R - bán kính cong tương đương nhỏ nhất, cm v - độ nhớt của dầu bôi trơn, cct. 3. Hộp giảm tốc RL đảm bảo cho môđun quay không bị trễ khi quay đảo chiều bằng biện pháp dùng 2 đĩa răng lắp lệch nhau 1800 trên cùng 1 trục đầu vào để triệt tiêu khe hở cạnh răng. 4. Hộp giảm tốc RL có thể thoả mãn yêu cầu của môđun quay về chất lượng động lực học. Đó là do tiếp xúc giữa răng và con lăn là tiếp xúc giữa cặp mặt lồi - lõm chứa màng dầu thuỷ động. Trong truyền động bánh răng con lăn thì các thông số như bán kính cong tương đương, góc giữa đường tiếp xúc với hướng di chuyển đều rất thuận lợi cho việc hình thành màng dầu thuỷ động. Vì thế không những làm tăng khả năng tải lên rất cao mà còn làm giảm tiếng ồn do tiếp xúc qua lớp dầu. Đồng thời việc 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 trục 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. 6. KẾT LUẬN Truyền động bánh răng con lăn có nhiều ưu điểm nổi trội. Tỷ số truyền đạt được rất cao. Trong đó ma sát lăn đã thay thế cho ma sát trượt, nên hiệu suất tăng lên rõ rệt và duy trì ở mức cao, trên 90%. Con lăn tiếp xúc với răng đĩa răng luôn luôn có màng dầu thuỷ động. Hai đĩa răng lắp lệch tâm đối xứng với nhau nên triệt tiêu được khe hở cạnh răng, cân bằng được lực ly tâm, tăng số răng cùng vào khớp đến gần một nửa. Vì thế nâng cao đáng kể khả năng chịu tải, giảm kích thước đi gần một nửa so với hộp giảm tốc thông thường 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. Môđun quay dùng bánh răng con lăn là một sản phẩm kiểu mới và tỏ ra rất phù hợp với kỹ thuật robot. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Koltrin N.I. Cơ học máy, M.1972 (tiếng Nga) 2. Litvin F.L - Lý thuyết ăn khớp bánh răng, M. 1968 (tiếng Nga) 3. Duxev I. I, Nguyễn Thiện Phúc, Phân tích đặc tính tiếp xúc cục bộ trên cơ sở lý thuyết bôi trơn thuỷ 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. PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version