ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN TRƯƠNG CÔNG THẮNG

KHẢO SÁT ĐỘ CỨNG CƠ HỆ CỦA CƠ CẤU
TRUYỀN ĐỘNG TRỤC VÍT ME – ĐAI ỐC BI

Chuyên ngành: Cơ Kỹ Thuật
Mã số: 8520101

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023


i

Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Phạm Bảo Toàn........................................

Cán bộ chấm nhận xét 1: Tiến sĩ Mai Đức Đãi ...................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2: Tiến sĩ Nguyễn Tường Long ......................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày..12.. tháng..7.. năm..2023..
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. Chủ tịch Hội đồng: GS.TS. Ngô Kiều Nhi
2. Ủy viên phản biện 1: TS. Mai Đức Đãi

3. Ủy viên phản biện 2: TS. Nguyễn Tường Long
4. Ủy viên Hội đồng: TS. Nguyễn Ngọc Minh
5. Thư ký Hội đồng: TS. Nguyễn Duy Khương
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

GS. TS. Ngô Kiều Nhi

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

PGS. TS. Trương Tích Thiện


ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Trương Công Thắng ........................ MSHV: 2170029 .......
Ngày, tháng, năm sinh: 30/12/1995 .......................................... Nơi sinh: Kiên Giang
Chuyên ngành: Cơ Kỹ Thuật .................................................... Mã số:8520101 ..........
I. TÊN ĐỀ TÀI: Khảo sát độ cứng cơ hệ của cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc
bi ( Stiffness identification of ball screw feed drive system ) ....................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu các nghiên cứu liên quan để từ đó lựa
chọn mơ hình trục vít me đai ốc bi phù hợp. Khảo sát độ cứng của trục vít me bằng
phương pháp tính tốn. Thiết lập và tiến hành đo thực nghiệm. Xử lý tín hiệu đo và

kiểm chứng với phương pháp tính tốn. Đưa ra kết luận và hướng phát triển.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023 ..................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/06/2023 .................................................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Phạm Bảo Toàn ........................................................
Tp. HCM, ngày.... tháng.... năm 20...
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. Vũ Cơng Hịa

TS. Phạm Bảo Toàn

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. Trương Tích Thiện
Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tập thuyết minh LV.


iii

LỜI CẢM ƠN
Luận Văn Tốt Nghiệp là cơng trình khoa học minh chứng cho nỗ lực trên con
đường chinh phục tri thức. Khơng một ai có thể tự bản thân họ xây dựng được một
cơng trình mà khơng có sự hướng dẫn, hỗ trợ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián
tiếp. Trải qua quá trình học tập và thực hiện Luận Văn tại Phịng Thí Nghiệm Cơ Học
Ứng Dụng, được sự hướng dẫn tận tâm tận tình từ GS.TS.NGND. Ngơ Kiều Nhi, TS.

Phạm Bảo Tồn, ThS. Nguyễn Quốc Hưng đã giúp tơi hồn thành Luận Văn Tốt
Nghiệp. Tơi xin gửi lời cám ơn sâu sắc các quý Thầy tại Bộ Môn Cơ Kỹ Thuật, và
các cộng sự đã hết lịng tạo mọi điều kiện tốt nhất để tơi đạt được những thành quả
ngày hôm nay.
Nghiên cứu được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQGHCM) trong khuôn khổ Đề tài mã số: C2023-20-02.
Học viên thực hiện

Nguyễn Trương Công Thắng


iv

Tóm Tắt Luận Văn
Cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi (hệ VMĐB) là một cơ cấu truyền động
thường được sử dụng trong nhiều loại máy từ các máy gia công đến các ngành nghề
khác trong xã hội, vì nó đáp ứng linh hoạt với các điều kiện vận hành yêu cầu độ
chính xác cao, bền bỉ trong môi trường làm việc dưới tải nặng liên tục. Trong quá
trình vận hành tốc độ cao, độ rung của cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi gây
ảnh hưởng đến độ ổn định của cơ cấu điều khiển và độ chính xác khi vận hành. Từ
đó học viên nhận ra việc nghiên cứu sâu hơn về các đặc tính động lực học và phương
pháp kiểm sốt rung động của cơ cấu truyền động có tầm quan trọng rất lớn trong
việc cải thiện hiệu suất vận hành. Các dạng rung chính bao gồm dạng dọc trục, dạng
xoắn, bị ảnh hưởng bởi các thơng số vật lý (kích thước tiết diện, chiều dài, bước vít…)
và độ cứng của vít me bi. Rung động của vít me đai ốc bi cũng được xác định bởi giá
trị tải trước, giá trị này ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng dọc trục vít me đai ốc bi.
Trong Luận Văn này, học viên trước tiên trình bày một phương pháp mơ hình hóa là
phương pháp Lumped Parameters sử dụng các tham số động lực học lực học của vít
me bi để dự đốn tần số dao động dọc trục. Sau đó học viên sử dụng phương pháp
phương thức khảo sát và tính tốn để đưa ra kết quả về các tham số liên quan. Cuối
cùng, học viên xây dựng một mơ hình thực nghiệm đo rung động tự do của hệ VMĐB

và phân tích tín hiệu rung động. Các kết quả tính tốn và tín hiệu đo rung được so
sánh và nhận xét để diễn giải các dạng rung của hệ VMĐB.
Nội dung Luận văn được chia thành 5 chương như sau:
-

Chương 1: Tổng quan

-

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

-

Chương 3: Mơ hình hóa và xác định các tham số cơ cấu truyền động trục
vít me đai ốc bi

-

Chương 4 : Nghiên cứu thực nghiệm

-

Chương 5: Kết quả và thảo luận

-

Chương 6: Kết luận


v


Abstract
The ball screw feed drive system (BSFD) is a transmission mechanism commonly used
in a variety of machines, from machining machines to other industries, because it is flexible
with operating conditions requiring high accuracy and durable in a working environment
under continuous heavy load. During high-speed operation, the vibration of the ball-nut lead
screw drive system affects the stability of the control system and the accuracy of operation.
As a result, students realize that further research into the dynamic properties and vibration
control methods of actuator is of great importance in improving operational efficiency. The
main vibration patterns include axial and torsional, which are affected by physical
parameters (size, length, pitch, etc.) and ball screw stiffness. The vibration of the ball nut
lead screw is also determined by the Tải trước value, which directly affects the axial and
torsional stiffness of the ball nut lead screw. In this thesis, students first present a pooled
parametric modeling method that uses the dynamic parameters of a ball screw to predict
vibration frequency in two main vibration modes. Students then use survey and calculation
methods to get results about relevant parameters. Finally, trainees build a free vibration test
model of BSFD to analyze the vibration signal. The results of the calculation and
measurement of the vibration frequency are compared and commented on to interpret the
vibration modes of the BSFD, especially the vibration mode of the ball screw.

The content of the thesis is divided into 5 chapters as follows:
-

Chapter 1 : Introduction

-

Chapter 2 : Theoretical rationale

-


Chapter 3 : Modeling and determining the dynamic parameters of the ball
screw feed drive system

-

Chapter 4 : Methodology

-

Chapter 5 : Results and discussions

-

Chapter 6 : Conclution


vi

Lời Cam Đoan
Tôi xin cam đoan Luận Văn này là do chính tơi thực hiện, các số liệu, thơng
tin, tài liệu trích dẫn được sử dụng trong Luận Văn đều trung thực, có trích dẫn rõ
ràng và Luận Văn chỉ được nộp tại Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia
Thành Phố Hồ Chí Minh.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng

năm

Học viên thực hiện


Nguyễn Trương Công Thắng


vii

Mục lục
Lời nói đầu ................................................................................................................ iii
Tóm tắt Luận Văn ......................................................................................................iv
Lời cam đoan ..............................................................................................................vi
Danh mục hình ảnh ....................................................................................................ix
Danh mục bảng biểu...................................................................................................xi
Chương 1. TỔNG QUAN .......................................................................................... 1
1.1.

Tổng quan về bộ truyền động ..................................................................1

1.2.

Giới thiệu cơ cấu truyền động vít me đai ốc bi .......................................4

1.3.

Rung động, nguyên nhân gây ra rung động và rung động đối với trục vít

me – đai ốc bi: .........................................................................................................8
1.3.1. Rung động và nguyên nhân gây ra rung động ..........................................8
1.3.2. Rung động đối với hệ trục vít me đai ốc bi: ..............................................9
1.4.

Các cơng trình nghiên cứu về mơ hình hóa hệ truyền động trục vít me đai


ốc bi:

...............................................................................................................10

1.4.1. Giới thiệu về phương pháp Lumped Parameters: ...................................10
1.4.2. Giới thiệu về phương pháp hệ liên tục, và giải bài toán bằng phương pháp
phần tử hữu hạn .................................................................................................11
1.4.3. Giới thiệu về phương pháp mơ hình lai ..................................................12
1.5.

Lựa chọn phương án tiếp cận.................................................................12

Chương 2. Cơ sở lý thuyết ....................................................................................... 14
2.1.

Cơ hệ nhiều bậc tự do ............................................................................14

2.2.

Bài tốn trị riêng ....................................................................................19

2.3.

Lý thuyết phân tích dao động: ...............................................................21


viii
2.3.1. Biến đổi Fourier ......................................................................................22
2.3.2. Hàm đáp ứng tần số.................................................................................22

Chương 3. Mơ hình hóa và xác định các thơng số cơ hệ truyền động trục vít me đai
ốc bi

............................................................................................................... 25

3.1.

Mơ hình hóa cơ hệ truyền động trục vít me đai ốc bi ............................25

3.2.

Xác định các tham số của cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi .....29

Chương 4. Phương pháp thực hiện .......................................................................... 32
4.1.

Thiết lập bộ thông số của cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi ......32

4.1.1. Bộ thông số (I) ........................................................................................32
4.1.2. Bộ thông số (II) .......................................................................................33
4.2.

Phương pháp tính tốn bằng cơng thức kinh nghiệm ............................35

4.2.1. Bộ thông số (I) ........................................................................................36
4.2.2. Bộ thông số (II): ......................................................................................37
4.3.

Phương pháp bài tốn trị riêng ..............................................................39


4.3.1. Bộ thơng số (I): .......................................................................................39
4.3.2. Bộ thơng số (II) .......................................................................................40
4.4.

Thiết lập mơ hình thực nghiệm đo rung động tự do của cơ cấu truyền

động trục vít me đai ốc bi (hệ VMĐB) .................................................................41
Chương 5. Kết quả và thảo luận .............................................................................. 43
5.1.

So sánh kết quả tính tốn bằng cơng thức kinh nghiệm ........................43

5.2.

So sánh kết quả tính tốn từ bài tốn trị riêng .......................................45

5.3.

Số liệu thu được sau khi thực nghiệm ...................................................48

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển ................................................................. 53
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................... 54
Lý lịch trích ngang .................................................................................................... 57


ix

Danh mục hình ảnh
Hình


1.1.

Bộ

truyền

thanh

răng

bánh

răng

[Nguồn:

/>Hình 1.2. Bộ truyền đai răng [Nguồn: ........................................................................3
Hình 1.3. Cơ cấu truyền động Vít me đai ốc bi [Nguồn: ....................3
Hình 1.4. Các thành phần cơ bản của cụm Vít me đai ốc bi [Nguồn:
.............4
Hình 1.5. Phương pháp mơ hình tham số gộp [2]. ....................................................10
Hình 1.6. Mơ hình phần tử hữu hạn của cơ cấu truyền động trục vít me bi [2]........11
Hình 1.7. Ví dụ sơ đồ của mơ hình Hybrid [2]. ........................................................12
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát của hệ nhiều bậc tự do [11].............................................15
Hình 3.1. Sơ đồ cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi.[Nguồn: THK Ball Screw
General Catalog, B15-69, p.429] ..............................................................................25
Hình 3.2. Mơ hình hóa cơ hệ trục vít me đai ốc bi [13]. ...........................................26
Hình 4.1. Cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi do học viên tự thiết lập. ...........33
Hình 4.2. Minh họa về bốn tần số kết quả từ bài tồn trị riêng cho bộ thơng số (I). 40
Hình 4.3. Minh họa về bốn tần số kết quả từ bài tồn trị riêng cho bộ thơng số (II).

...................................................................................................................................41
Hình 4.4. Thiết lập mơ hình đo thực nghiệm cho cơ cấu truyền động trục vít me đai
ốc bi (hệ VMĐB). .....................................................................................................42
Hình 5.1. Đồ thị tần số dọc trục f ax  Hz  với các mức tải trước khác nhau ở các vị
trí bàn khác nhau tính theo cơng thức kinh nghiệm: a. Bộ thơng số (I) trích dẫn từ
[13]; b. Bộ thông số (I) do học viên thực hiện; c. Bộ thơng số (II). .........................44
Hình 5.2. Đồ thị tần số theo các mức tải trước và vị trí bàn khác nhau của bộ thông
số (I): a. Biểu đồ tần số dọc trục tính theo cơng thức kinh nghiệm; b. Biểu đồ tần số
f1 tính theo bài tốn trị riêng .....................................................................................46
Hình 5.3. Tín hiệu thu được ở lần đo thứ nhất. .........................................................49


x
Hình 5.4. Tín hiệu thu được ở lần đo thứ hai. ...........................................................49
Hình 5.5. Tín hiệu thu được ở lần đo thứ ba. ............................................................49
Hình 5.6. Tín hiệu thu được ở lần đo thứ tư. ............................................................49
Hình 5.7. Kết quả xử lý tín hiệu thu được ở lần đo thứ nhất. ...................................50
Hình 5.8. Kết quả xử lý tín hiệu thu được ở lần đo thứ hai. .....................................50
Hình 5.9. Kết quả xử lý tín hiệu thu được ở lần đo thứ ba. ......................................51
Hình 5.10 Kết quả xử lý tín hiệu thu được ở lần đo thứ tư. ......................................51


xi

Danh mục bảng biểu
Bảng 4.1. Các giá trị bộ thông số (I) [14]. ................................................................32
Bảng 4.2. Các giá trị bộ thông số (II)........................................................................35
 
Bảng 4.3. Giá trị độ cứng đai ốc bi k nut
theo giá trị Tải trước ..................................36

I

I 
Bảng 4.4. Bảng giá trị độ cứng dọc trục của trục vít me kshaft
 N m ....................37
ax

 
Bảng 4.5. Bảng giá trị độ cứng đai ốc bi k nut
theo mức tải trước. ............................38
II

 II 
Bảng 4.6. Bảng giá trị độ cứng dọc trục của trục vít me kshaft
 N m ....................38
ax
(I )
 
Bảng 5.1. Bảng giá trị độ cứng dọc trục kax  N m  và tần số dọc trục f ax  Hz  theo
I

mức tải trước và vị trí bàn xtable  m  ..........................................................................43
 II 

( II )
Bảng 5.2. Bảng giá trị độ cứng dọc trục kax  N m  và tần số dọc trục f ax

 Hz  theo

các mức tải trước tải trước và vị trí bàn xtable  m ....................................................43

Bảng 5.3. Kết quả bài tốn trị riêng của bộ thơng số (I) tại vị trí bàn 0.3m. ............45
Bảng 5.4. Kết quả bài tốn trị riêng của bộ thơng số (I) tại vị trí bàn 0.4m. ............45
Bảng 5.5. Kết quả bài toán trị riêng của bộ thơng số (I) tại vị trí bàn 0.5m. ............45
Bảng 5.6. Kết quả bài tốn trị riêng của bộ thơng số (II) tại vị trí bàn 1/4L. ...........47
Bảng 5.7. Kết quả bài tốn trị riêng của bộ thơng số (II) tại vị trí bàn 1/2L. ...........47
Bảng 5.8. Kết quả bài tốn trị riêng của bộ thơng số (II) tại vị trí bàn 3/4L. ...........48


1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về bộ truyền động
Thiết bị truyền động - Actuator là một thiết bị yêu cầu đầu vào nguồn năng lượng
thường là năng lượng điện, đầu vào tín hiệu bên ngồi dưới một số hình thức để cho
thiết bị truyền động biết phải làm gì và sau đó thiết bị hoạt động. Đầu ra ở dạng
chuyển động, có thể quay hoặc tuyến tính và được sử dụng để đạt được kết quả mong
muốn trong một cơ cấu. Thuật ngữ Actuator xuất phát từ hành động Actizing một cái
gì đó, hay nói cách khác Actuator là vận hành một cái gì đó.
Các cơ cấu truyền động cơ khí chuyển động tịnh tiến thơng thường hoạt động
bằng cách chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Việc chuyển
đổi này thường được thực hiện thông qua một vài loại cơ cấu đơn giản :
 Trục vít: tất cả các cơ cấu chấp hành vít me, kích vít, vít me đai ốc bi và trục
vít con lăn đều hoạt động trên nguyên tắc máy cơ đơn giản được gọi là trục
vít. Bằng cách xoay ốc vít của thiết bị truyền động này, trục vít sẽ di chuyển
theo một đường thẳng.
 Bánh xe và trục: các cơ cấu chấp hành Palăng, tời, thanh răng và bánh răng,
truyền động bằng xích, xích đứng và dây cua-roa đứng hoạt động dựa trên
nguyên lý của bánh xe và trục. Một bánh xe quay làm cáp, thanh răng, xích
chuyển động theo, tạo ra chuyển động tịnh tiến.
 Cam: các cơ cấu chấp hành Cam hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tự như

cái nêm, nhưng hỗ trợ cho hành trình tương đối bị hạn chế. Khi một cam hình
giống bánh xe quay, hình dạng khác thường của nó dùng để sinh ra lực đỡ tại
đáy của trục.
Trong các máy công cụ hiện nay chủ yếu sử dụng duy nhất hoặc đồng thời các
loại cơ cấu chuyển động sau đây:
-

Bộ truyền thanh răng – bánh răng (Hình 1.1): Mơ-men chuyển động quay
do động cơ tạo ra được truyền qua hộp giảm tốc và sau đó được truyền
đến thanh răng thơng qua bánh răng nhằm mục đích biến chuyển động


2
quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến. Cơ cấu ray trượt được gắn
cố định, chuyển động trượt trên ray trượt của con trượt kết hợp với
chuyển động tịnh tiến của bộ truyền thanh răng – bánh răng tạo thành
một cơ cấu truyền động cho máy công cụ. Cơ cấu này phù hợp cho máy
có hành trình chuyển động lớn và độ chính xác khơng q cao.

Hình 1.1. Bộ truyền thanh răng bánh răng [Nguồn:
/>-

Bộ truyền động đai răng (Hình 1.2): Cơ cấu truyền động được thực hiện
bởi vành đai răng. Các tính năng quan trọng của nó bao gồm khả năng
đạt được tốc độ và gia tốc cao, khơng có phản ứng dữ dội và độ chính
xác cao. Những tính năng này cực kỳ quan trọng trong quá trình khắc.
Ngồi ra, loại cơ cấu truyền động này có đặc điểm là cấu tạo đơn giản và
giá thành rẻ. Các nhược điểm của bộ truyền động đai răng bao gồm: độ
bền tương đối ngắn liên quan đến việc kéo dài dần dần của đai và các khó
khăn trong vận hành liên quan đến việc cần đảm bảo độ căng đai thích

hợp. Bộ truyền động đai răng khơng có khả năng mang tải nặng.


3

Hình 1.2. Bộ truyền đai răng [Nguồn: /> Bộ truyền vitme – đai ốc (Hình 1.3): là cơ cấu truyền động được sử dụng rộng
rãi nhất trong máy công cụ tốc độ cao. Cơ cấu truyền động vitme đai ốc được
áp dụng để chuyển đổi chuyển động quay từ động cơ sang chuyển động tịnh
tiến thẳng bằng việc kết hợp với cơ cấu thanh trượt và con trượt. Bởi vì độ
cứng, hiệu quả và độ chính xác cao của nó, vitme đai ốc được sử dụng nhằm
mục đích đảm bảo độ chính xác vị trí và độ chính xác gia cơng trong máy cơng
cụ. Cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi được đặc trưng bởi các ưu điểm
như hiệu suất cao (95%) do đó nhiệt độ phát sinh bởi ma sát thấp, độ mài mòn
thấp và tuổi thọ cao. Với tốc độ di chuyển lớn có thể đạt đến 30m/phút, cơ cấu
truyền động vít me đai ốc bi có thể được xem xét là phù hợp nhất cho các hoạt
động gia công của máy công cụ hiện đại ngày nay.

Hình 1.3. Cơ cấu truyền động Vít me đai ốc bi [Nguồn: />Trong lĩnh vực chế tạo và gia cơng cơ khí chính xác, máy cơng cụ là lựa chọn
ưu tiên hàng đầu hiện nay. Khơng chỉ có ưu thế về độ chính xác do máy cơng cụ được
trang bị cơ cấu đo kiểm, phản hồi và điều chỉnh tác động ngay trong q trình gia
cơng sản phẩm, mà gia cơng bằng máy cơng cụ cịn đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt do


4
giảm thiểu thời gian gia cơng nhờ tự động hóa cao các chuyển động phụ (cấp phôi,
thay dao, bù dao,...), hoặc thực hiện đồng thời nhiều nguyên công khác nhau.
Các chuyển động tịnh tiến dao hoặc phôi trong máy công cụ cần có các cơ cấu
truyền động từ động cơ đến cơ cấu chấp hành như: Vít me – đai ốc, bánh răng – thanh
răng hoặc tay quay – thanh truyền... Do hệ trục vít me đai ốc bi (hệ VMĐB) có kết
cấu khử độ rơ dọc trục, ma sát nhỏ nên độ chinh xác truyền động và hiệu suất cao

hơn. Vì vậy, hệ VMĐB ngày càng được sử dụng rộng rãi trong máy công cụ, đặc biệt
là máy công cụ và đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt.
Do độ chính xác của VMĐB quyết định độ chính xác chi tiết được gia cơng nên
trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu được thực hiện để khảo sát các vấn đề liên quan
tới cụm chi tiết VMĐB. Hiện nay, tuổi thọ của bộ truyền này được ước lượng qua
thời gian làm việc hoặc quãng đường ma sát với độ tin cậy 90%. Tuổi thọ và độ tin
cậy của VMĐB phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tải, tốc độ, môi trường,...

1.2. Giới thiệu cơ cấu truyền động vít me đai ốc bi

Hình 1.4. Các thành phần cơ bản của cụm Vít me đai ốc bi [Nguồn:
/>Vít me đai ốc bi hay vít me tuần hồn là một cơ cấu thực hiện trượt dẫn hướng, chức
năng chính là chuyển đổi chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến với lực ma
sát rất thấp gữa các bộ phận trượt tương đối lên nhau: vít me, bi, con trượt (Hình 1.4).
Các viên bi di chuyển tuần hồn bên trong đai ốc vít me và đai ốc trượt có rãnh dạng
xoắn ốc, hoạt động với độ chính xác cao.
Cơ cấu vít me có thể sử dụng trong trường hợp tải lớn. Việc chế tạo đảm bảo dung
sai rất thấp để có thể sử dụng cho các cơ cấu yêu cầu độ chính xác cao. Các viên bi
hoạt động khớp với đai ốc trượt và các rãnh xoắn ốc trên thanh vít me.


5
Nói một cách đơn giản, vít me đai ốc bi tuần hồn giống như tất cả các trục vít ren
chính xác, chỉ là một trục có rãnh xoắn ốc, hoặc các rãnh, để chuyển đổi chuyển động
quay thông qua đai ốc cầu kết nối cố định thành chuyển động tuyến tính. Ngược lại,
ví dụ trong trường hợp của một trục vít ren thơng thường – chẳng hạn như một vít
dẫn hướng – nửa đai ốc cố định sẽ trượt dọc theo các ren quay được đồng bộ hóa này
kéo theo các phần kết nối với nó (chẳng hạn như một thanh trượt chéo được gắn trên
một máy tiện trung tâm/máy tiện ren), tạo ra chuyển động tuyến tính chính xác và tin
cậy. Theo cách này, đó là cách một dạng trục vít ren - Acme điển hình hoạt động.

(Acme-screwthread) Trục vít ren-Acme: tương ứng các dạng ren hình thang này là
các Dạng riêng ren vít với các đường viền hình thang, đây là các dạng phổ biến nhất
được sử dụng cho trục vít dẫn hướng).
Vì lí do đó, chuyển động trượt của đai ốc này khá dễ để tạo ra, mặc dù không
quá hiệu quả, với ≈40% năng lượng đầu vào được chuyển đến phơi. Vì vậy, để cải
thiện hiệu quả của mối ren, tiếp điểm trượt này phải được thay thế bởi các phần tử
lăn. Trong trường hợp của vít me tuần hồn, chúng sử dụng vịng bi bi tròn trong cụm
lắp ráp đai ốc cầu cho phép chúng lăn dọc theo hình dạng vít ren đặc biệt.
Cơ cấu trục vít me đai ốc bi thơng thường bao gồm trục vít me, đai ốc và bi.
Các viên bi được làm từ chất liệu thép có độ cứng vững cao, lăn trong rãnh giữa trục
thanh vít me và đai ốc. Trong q trình chuyển động, vít me quay, các viên bi di
chuyển nhờ ống chuyển hướng đi vào trong cơ cấu hồi bi của đai ốc. Sau đó liên tục
dịch chuyển về phía cuối của đai ốc và ra khỏi cơ cấu hồi bi rồi tiếp tục lăn trong rãnh
giữa đai ốc và vít me. Q trình này được lặp lại liên tục, đảm bảo cho đai ốc bi của
cơ cấu truyền động chuyển động tịnh tiến trơn tru, nhẹ nhàng, êm ái, ít tổn thất do ma
sát.
Các thành phần chính cơ bản trong một cụm Vít me đai ốc bi bao gồm:
 Trục vít me: được gia cơng các rãnh ren ở dạng cầu, để chứa và dẫn chuyển
động của bi.
 Đai ốc bi: được chế tạo giống như chức năng của đai ốc, bên trong chữa các
rãnh tròn để chứa bi và dẫn chuyển động của bi.


6
 Bi: Bi được chế tạo dạng cầu, đường kính bi tùy thuộc vào từng loại vít me đai
ốc. Bi sẽ tiếp xúc với rãnh của trục vít và đai ốc, chuyển động lăn, để truyền
chuyển động giữa trục vít me và đai ốc.
 Vành nhựa chắn bi: thường được làm bằng nhựa để chặn các bụi bẩn trong quá
trình làm việc. Vành nhựa được chế tạo cùng bước ren với bước trên trục vít
và đai ốc bi.

 Đường hồi bi: Các viên bi di chuyển bên trong rãnh ren của ổ bi và được tuần
hồn thơng qua các loại cơ chế trả về khác nhau. Nếu bi khơng có cơ chế trả
lại (hồi bi) thì nó sẽ rơi ra khỏi đầu ổ bi khi chúng đến cuối ổ. Vì vậy có 2 kiểu
đường hồi bi: là đường hồi bi ngoài và hồi bi trong. Đường hồi bi ngoài là các
viên bi được hồi về bên đối diện nhờ ống hồi bi đặt bên ngoài thân của đai ốc
bi. Kiểu hồi bi này dễ sửa chữa hơn kiểu hồi bi trong. Đường hồi bi trong là
các viên bi được hồi liên tục qua rãnh hồi bi nằm phía trong thân đai ốc bi.
Loại này rất khó tháo lắp, khó sửa.
 Nguyên lí hoạt động
Vít bi hoạt động theo cách tương tự như vít me thơng thường, nhưng lợi thế
đáng kể của việc sử dụng vít bi là nó sử dụng các ổ bi chạy trong kênh xoắn ốc để
truyền tải. Trong các ứng dụng có độ chính xác cao, thường cần chuyển chuyển động
quay từ động cơ sang chuyển động tuyến tính cho tải trọng. Một cách để đạt được
điều này là sử dụng vít bi.
Các ổ bi trong vít bi lăn dọc theo đường ray theo cách tương tự như các ổ bi
trong một cuộc đua bi quay tiêu chuẩn, do đó loại bỏ ma sát trượt liên quan đến vít
me. Các ổ bi được tuần hồn liên tục qua đai ốc bi, phân phối tải trọng và lấy chất bôi
trơn trên đường đi. Do sử dụng ổ bi lăn trong vít bi, ma sát bên trong rất thấp, có
nghĩa là vít bi có thể mang lại hiệu quả cao và độ chính xác về vị trí ngay cả khi tải
mơ-men xoắn và lực cao. Vì vậy kéo dài tuổi thọ của cụm vít (đặc biệt là trong các
cơ cấu khơng phản ứng). Vít me đai ốc bi cho hiệu suất rất cao từ 90-95%.
 Phân loại Vít me đai ốc bi


7
Trên thế giới hiện nay có nhiều hãng nổi tiếng sản xuất và cung cấp các loại vít
me chất lượng như NSK, SFK, GTEN,..... Các sản phẩm có tiêu chuẩn riêng, thơng
số trục Vít me riêng. Tuy nhiên, có thể phân loại trục Vít me theo tiêu chuẩn như sau:
 Phân loại theo đầu mối ren:
-


Loại ren có một đầu mối có cấu tạo đơn giản và bước vít nhỏ.

-

Loại ren có nhiều đầu mối có góc xoắn vít lớn và tỉ số truyền lớn.

 Phân loại theo cơng dụng:
-

Vít me đai ốc bi dùng trong các máy cần chuyển động chính xác cao: do
u cầu địi hỏi chính xác cao nên ngồi việc địi hỏi chính xác cao của
từng chi tiết trong vít me đai ốc, kích thước bộ truyền cũng phải lớn để
giảm lượng biến dạng đàn hồi làm sai lệch vị trí hoặc kết quả đo.

-

Vít me đai ốc dùng trong các máy không cần chuyển động chính xác cao:
loại này thường dùng trong các tay máy, robot, thiết bị cơng nghiệp
khơng q địi hỏi về độ chính xác cao về vị trí mà chủ yếu mang tải và
truyền chuyển động.

 Ưu điểm của cơ cấu truyền động vít me đai ốc bi
Sử dụng trục vít me có độ tin cậy cao, tỉ lệ xảy ra sự cố, hư hỏng ít, bảo trì đơn
giản, dễ dàng, nhờ đó mà giảm thời gian tạm dừng hoạt động của máy móc để bảo
dưỡng, sửa chữa và thay thế linh kiện, cho phép bù chi phí ban đầu khi mua vít me
đai ốc bi.
Khả năng đồng bộ hóa tốt nhờ những chuyển động linh hoạt, phản ứng nhanh,
không bị tắc nghẽn, không bị trượt, cho phép sử dụng để truyền chuyển động đồng
thời một số cơ cấu hoặc thiết bị giống nhau.

 Ứng dụng của cơ cấu truyền động Vít me đai ốc bi
Cơ cấu vít me đai ốc bi ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành
nghề, lĩnh vực khác nhau, tùy thuộc vào mức độ truyền chuyển động chính xác của
nó, người ta chia ứng dụng Vít me đai ốc bi máy cơng cụ như sau:


8
 Vít me đai ốc bi có độ chính xác cực cao, ứng dụng trong các loại máy công
cụ tốc độ cao, trung tâm gia cơng tích hợp tốc độ cao.
 Vít me có độ chính xác thường, trung bình: ứng dụng trong việc lắp ráp cánh
tay robot công nghiệp, các cơ cấu tay gắp sản phẩm và các loại máy móc thiết
bị cơng nghiệp nói chung.
 Vít me tốc độ cao: dùng cho các loại máy móc gia cơng CNC (Computer(ized)
Numerical(ly) Control(led) - điều khiển bằng máy tính), máy cơng cụ chính
xác, máy móc cơng nghiệp, máy móc ngành điện tử,những loại thiết bị, máy
móc địi hỏi tốc độ cao và chính xác.
 Vít me đai ốc bi máy chính xác cao: ứng dụng cho các máy cơng cụ, máy cơng
cụ chính xác, máy móc ngành cơng nghiệp hàng không vũ trụ, van chuyển đổi
thiết bị,...

1.3. Rung động, nguyên nhân gây ra rung động và rung động đối với trục
vít me đai ốc bi:
1.3.1. Rung động và nguyên nhân gây ra rung động
Trong các cơ cấu kỹ thuật, rung động là một trong những nguyên nhân có thể
gây hư hỏng hoặc khơng ổn định đối với máy móc, thiết bị v.v... Hơn nữa, nó cịn ảnh
hưởng trực tiếp đến con người sức khỏe cũng như hiệu quả làm việc và giảm sự thoải
mái khi con người phải làm việc trên các cơ cấu tồn tại các rung động không mong
muốn. Ví dụ, khi xe di chuyển trên mặt đất, khung xe rung do mặt đường gồ ghề và
rung động từ động cơ, mặc dù xe luôn được trang bị cơ cấu giảm xóc. Đặc biệt các
rung động có tần số thấp rất nguy hiểm cho cột sống con người. Sau đó, người ta đã

nghiên cứu để tìm ra mười hai đối tượng ước tính sự khó chịu do rung động tần số
thấp gây ra. Theo đó, để loại bỏ ảnh hưởng của rung động không mong muốn, cần
loại bỏ những nguồn rung này. Tuy nhiên, phương pháp này không phải lúc nào cũng
được thực hiện vì rung động có thể được tạo ra trong quá trình làm việc của máy móc,
thiết bị và phương tiện di chuyển trên đường gồ ghề. Rất dễ gây ảnh hưởng không
chỉ đến hiệu suất của người làm việc mà còn cả đến hiệu quả lẫn hiệu suất và tuổi thọ
của máy móc.


9
Tất cả các thành phần của máy di chuyển qua lại hay dao động qua lại là đang
rung động. Rung động máy có thể có nhiều dạng khác nhau. Một thành phần máy có
thể dao động một khoảng cách lớn hoặc nhỏ, nhanh hoặc chậm. Rung động máy
thường có thể cố ý được tạo ra nhờ thiết kế của máy và tùy vào mục đích sử dụng của
máy như sàng rung, phễu nạp liệu, băng tải, máy đánh bóng, máy đầm đất v.v….
Nhưng hầu hết, rung động máy là không mong muốn và nó thường gây ra những hư
hỏng cho máy.

1.3.2. Rung động đối với hệ trục vít me đai ốc bi:
Truyền động vít bi ln thống trị các máy công cụ khác nhau kể từ khi động cơ
quay và vít bi lần đầu tiên được sử dụng trong truyền động nạp liệu của máy công cụ
của USA K&T Corporation vào năm 1958 [1]. Do đó, việc nghiên cứu các đặc tính
rung động của cơ cấu truyền động trục vít bi và các kỹ thuật điều khiển tương ứng là
rất quan trọng để nâng cao khả năng gia công của máy công cụ.
Các kết quả dựa trên việc khảo sát, điều tra của học viên được thực hiện trên các
máy công cụ đã qua sử dụng trong một thời gian dài cùng với sự suy giảm độ chính
xác (độ rơ cơ học). Độ rơ được coi là nguyên nhân ảnh hưởng đến cơ cấu truyền động
và máy công cụ. Các bộ phận quay trong máy Phay CNC thường được sử dụng, đặc
biệt là trong các hoạt động chuyển đổi chuyển động quay từ động cơ sang chuyển
động tịnh tiến thông qua cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi. Do hoạt động dưới

điều kiện tải trọng cao, cường độ cao liên tục nên cơ cấu truyền động trục vít me đai
ốc bi khơng tránh khỏi hiện tượng mịn, mỏi và hư hỏng phát sinh. Nếu khơng chẩn
đốn và phát hiện hư hỏng kịp thời có thể khiến máy bị hư hỏng, thậm chí là hư hỏng
nặng.
Sự rung động của cơ cấu bị ảnh hưởng bởi sự hư hỏng của các bộ phận cấu thành
bao gồm: khớp nối, ổ bi đỡ chặn, trục vitme, đai ốc vít me, thanh trượt, con trượt. Các
nguyên nhân hư hỏng ban đầu có thể được xác định như hiện tượng mòn và hiện
tượng hư hỏng như nứt, rỗ bề mặt.


10

1.4. Các cơng trình nghiên cứu về mơ hình hóa hệ truyền động trục vít me
đai ốc bi:
Hiện nay, nhiều vấn đề khoa học về cơ cấu truyền động vít me đai ốc bi đã được
các nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu, đa phần đều bắt đầu từ việc
phân tích - mơ hình hóa động lực học cho cơ cơ cấu truyền động. Cơ cấu truyền động
bao gồm các thành phần như động cơ, khớp nối, vít, đai ốc và bàn máy. Các thành
phần của cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi có thể được xem xét là những cơ
cấu đàn hồi phức tạp.
Về mặt lý thuyết, để xác định dạng dao động của cơ cấu cần lấy dịch chuyển
của từng điểm trong cơ cấu, thường rất khó xác định. Trong phân tích thực tế, cơ cấu
được xét là một cơ hệ liên tục với số bậc tự do vô hạn (degrees of freedom - DOFs)
thường được rời rạc hóa thành một cơ cấu rời rạc với các bậc tự do hữu hạn. Hiện
nay, các phương pháp thường được sử dụng bao gồm: phương pháp Lumped
Parameters, phương pháp phần tử hữu hạn (Finite element method – FEM) và phương
pháp mơ hình hóa lai (Hybrid modeling) giữa hai phương pháp trên. [2]

1.4.1. Giới thiệu về phương pháp Lumped Parameters:


Hình 1.5. Phương pháp mơ hình tham số gộp [2].
Trong phương pháp Lumped Parameters (Hình 1.5), các phần tử khối lượng của
cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi được thay thế bằng một số khối lượng hữu
hạn, các cơ cấu đàn hồi được biểu diễn bằng một số lị xo khơng khối lượng và các
phần tử giảm chấn của cơ cấu được biểu diễn bằng các phần tử giảm chấn tương
đương. Cơ cấu được mơ hình hóa động lực học một cách đơn giản và có thể phản ánh
các đặc tính động của cơ cấu ở dải tần thấp.
Dạng dao động (Mode) bậc thấp là yếu tố chính ảnh hưởng đến đặc tính động
lực học của cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi của máy công cụ. Thông thường,


11
các hàm dạng dao dộng (Mode Shape) của dạng rung động dọc trục và rung động
xoắn đầu tiên của trục vít me đai ốc bi thể hiện sự ảnh hưởng và chi phối động lực
học tương đương, trong khi mức độ phù hợp của các dạng bậc cao đối với hầu hết các
ứng dụng kỹ thuật là khá nhỏ.
Mơ hình tham số gộp có thể giảm một cách hợp lý số bậc tự do (degree of
freedom - DOF) của mô hình mơ phỏng trong khi vẫn bảo tồn các dạng bậc thấp của
cơ cấu để đơn giản hóa các tính tốn mơ tả mơ hình tham số gộp của cơ cấu truyền
động trục vít me đai ốc bi. Ảnh hưởng của trục đến dạng rung động xoắn và dạng
rung động dọc trục của cơ cấu truyền động được đưa vào mơ hình tham số gộp ở đây
một cách rõ ràng. Do đó, trục vít me được tách thành hai nhánh khác nhau, một nhánh
có các thành dọc trục và một nhánh có các thành phần quay, trong khi các khớp liên
kết được thực hiện bằng cách sử dụng các công thức ràng buộc.

1.4.2. Giới thiệu về phương pháp hệ liên tục, và giải bài toán bằng phương
pháp phần tử hữu hạn

Hình 1.6. Mơ hình phần tử hữu hạn của cơ cấu truyền động trục vít me bi [2].
Đối với phương pháp hệ liên tục, trước hết cơ cấu truyền động trục vít me đai

ốc bi và các bộ phận được mơ hình hóa cơ hệ bằng phương pháp phần tử hữu hạn
(Hình 1.7). Tiếp theo là các ma trận độ cứng và ma trận độ cứng tương đương được
thiết lập, bằng cách áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để có thể thu được các
cơng thức phần tử hữu hạn của tồn bộ cấu trúc. Tốc độ tính tốn của phương pháp
này liên quan chặt chẽ đến kích thước của phần tử hữu hạn và độ phức tạp của phương
pháp tính gần đúng. Nói chung, phương pháp phần tử hữu hạn cần thời gian tính tốn
lâu nên sẽ bị hạn chế trong việc xử lý các vấn đề kỹ thuật tức thời.


12

1.4.3. Giới thiệu về phương pháp mơ hình lai

Hình 1.7. Ví dụ sơ đồ của mơ hình Hybrid [2].
Dựa trên những ưu điểm của phương pháp Lumped Parameters và phần tử hữu
hạn ( có thể mơ hình hóa chi tiết hoặc không chi tiết cho các bộ phận ), nhiều nhà
khoa học đã nghiên cứu phương pháp mơ hình hóa lai (Hybrid modeling) (Hình 1.8)
trong những năm gần đây. Mơ hình hóa lai của cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc
bi trong đó trục vít được coi là mơ hình dầm chịu tải dọc trục, xoắn và uốn. Các thành
phần tương đối cứng của bộ truyền động được mơ hình hóa dưới dạng khối lượng
gộp được nối với nhau bằng lị xo trong khi các thành phần có khối lượng và độ cứng
phân bố, như vít me bi, được mơ hình hóa bằng cách sử dụng cấu trúc phần tử hữu
hạn.

1.5. Lựa chọn phương án tiếp cận
Chất lượng và năng suất sản xuất máy công cụ phụ thuộc vào hiệu suất của
chúng; tốc độ và độ chính xác định vị của cơ cấu truyền động nguồn cấp dữ liệu. Mục
đích chính của chức năng của nó là di chuyển dụng cụ cắt và phơi đến vị trí mong
muốn [3]. So với các bộ truyền động tuyến tính truyền thống khác, cơ cấu truyền
động vít me đai ốc bi được sử dụng rộng rãi trong máy móc cơng nghiệp tiên tiến do

hiệu quả cao và độ chính xác định vị cao. Nó chuyển chuyển động quay từ động cơ
thành một chuyển động tuyến tính. Rung động của cơ cấu truyền động vít me đai ốc
bi tồn tại do ma sát và lực tương tác giữa bi, vít và đai ốc. Giá trị của các lực này thay
đổi theo các vị trí khác nhau của hệ quỹ đạo [4]. Hầu hết các nghiên cứu trước đây
đều quan tâm đến việc giảm các rung động hiện có và nghiên cứu các yếu tố ảnh
hưởng đến chúng[5,6]. Nhiều thông số như khối lượng bàn máy, độ cứng của đai ốc


13
bi, độ cứng dọc trục của trục vít bi và độ cứng xoắn của vít bi có ảnh hưởng lớn đến
đáp ứng tần số của cơ cấu[7]. Vì vậy, sử dụng một mơ hình tốn học cung cấp một
cách tốt hơn để nghiên cứu các tham số này [8, 9, 10].
Sự rung động của cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi có thể được đặc trưng
bởi nhiều dạng rung động [11, 12]. Dạng rung động xoắn và dạng rung động dọc trục
đầu tiên của vít me đai ốc bi thường có ảnh hưởng lớn đến tồn bộ động lực học. Hai
dạng rung động này chủ yếu được xác định bởi kích thước hình học, bước của trục
vít bi và vị trí bàn. Sự kích thích của các dạng rung động uốn là cực kỳ thấp trong
điều kiện vận hành và lắp đặt phù hợp; do đó, nó sẽ bị bỏ qua trong suốt quá trình của
nghiên cứu này. Tùy thuộc vào tỷ số truyền cũng như điều kiện hoạt động mà cơ cấu
có phản ứng định tính và định lượng khá khác nhau [10].
Bên cạnh đó, vít me đai ốc bi thường được nạp sẵn tải trước bằng các cách như:
sử dụng các viên bi lớn hơn cho đai ốc đơn, đai ốc đơn bước lệch hoặc đai ốc kép để
ngăn ứng xử tiêu cực của bản thân đai ốc bi từ đó ngăn những sai lệch của chuyển
động của bộ truyền động và tăng độ cứng của cơ cấu truyền động để đạt được độ
chính xác khi điều khiển chuyển động. Tuy nhiên, sau một thời gian dài hoạt động,
tải trọng đặt trước này sẽ dần suy giảm do các tác nhân làm mòn bi, đai ốc hoặc vít
me của cơ cấu truyền động. Do đó, mất tải trước có thể dẫn đến giảm độ cứng, mất
chính xác và thậm chí là hỏng máy cơng cụ. Mặt khác, quá nhiều tải trước làm tăng
ma sát và tạo ra nhiệt, điều này có tác động bất lợi đến tuổi thọ và hiệu quả. Vì vậy,
điều quan trọng là phải theo dõi tổn mức trước của vít bi. Luận văn này tập trung vào

việc xây dựng một phương pháp khảo sát dựa trên mơ hình vật lý đối với sự thay đổi
tải trước của trục vít me đai ốc bi bằng cách lựa chọn tiếp cận một mô hình tham số
gộp để nghiên cứu tác động của tải trước đối với các thơng số có thể đo kiểm được
như tần số tự nhiên và sau đó rút ra đặc trưng tải trước từ tín hiệu tần số tự nhiên đã
đo.