BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

BÁO CÁO TÓM TẮT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỚP MỀM VÀ
CƠ CẤU ĐỊNH HƢỚNG SỬ DỤNG BỘ
RĂNG CẦU CHO CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

Mã số: B2013-TN02-01
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS HOÀNG VỊ

Thái Nguyên, 12/2017


i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

BÁO CÁO TÓM TẮT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO KHỚP MỀM VÀ CƠ
CẤU ĐỊNH HƢỚNG SỬ DỤNG BỘ RĂNG
CẦU CHO CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

Mã số: B2013-TN02-01
Xác nhận của tổ chức chủ trì
(ký tên, đóng dấu)

Chủ nhiệm đề tài

PGS.TS Hoàng Vị

Thái Nguyên, 12/2017


ii

MỤC LỤC

1.
Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu .................................................................. 1
2.
Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................. 1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 1
3.1. Đối tượng nghiên cứu: ..................................................................................................................... 1
3.2. Phạm vi nghiên cứu: ........................................................................................................................ 1

4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................. 1
4.1 Cách tiếp cận: ................................................................................................................................... 1
4.2. Phương pháp nghiên cứu: ................................................................................................................ 1

Chƣơng 1 Nghiên cứu một số vấn đề cơ bản về cơ cấu bánh răng cầu .................... 1
1.1 Giới thiệu về cơ cấu bánh răng cầu [2, 6, 14] ......................................................... 1
1.2 Sự hình thành cơ cấu răng cầu ................................................................................ 2
1.2.1 Sự hình thành bề mặt vành răng cầu thân khai [1, 12] .................................................................. 2
1.2.2 Sự hình thành bánh răng cầu vành răng thân khai [11, 13]. ......................................................... 2


1.3 Đặc điểm của cơ cấu bánh răng cầu [9, 10] ............................................................ 2
1.3.1 Đặc điểm về kết cấu và lắp ráp của cơ cấu bánh răng cầu. ........................................................... 2
1.3.2 Đặc điểm truyền động của cơ cấu bánh răng cầu. ......................................................................... 3
1.3.3 Điều kiện ăn khớp đúng của cơ cấu bánh răng cầu. ...................................................................... 3
1.3.4 Điều kiện truyền động liên tục của cơ cấu bánh răng cầu. ............................................................ 3

1.4 Phân tích động học của bánh răng cầu. .................................................................. 3
1.4.1 Phương trình tham số biên dạng răng của bánh răng thứ nhất. .................................................... 3
1.4.2 Mô hình toán học chuyển động của cơ cấu bánh răng cầu. ........................................................... 3
1.4.3 Phân tích động học của bánh răng cầu. ......................................................................................... 3
1.4.4 Phân tích động học của cơ cấu đĩa răng – bánh răng cầu. ............................................................ 3

Chƣơng 2. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cơ cấu khớp mềm sử dụng cơ cấu răng cầu
.......................................................................................................................................... 4
2.1 Tổng quan về các loại khớp nối đẳng tốc................................................................ 4
2.1.1 hớp đ ng tốc [5] .......................................................................................................................... 4
2.1.2 Một số khớp đ ng tốc và ứng dụng trong thực tế ........................................................................... 4

2.2 Nghiên cứu thiết kế khớp nối sử dụng bộ truyền bánh răng cầu ......................... 4
2.2.1 Truyền động hành tinh của cơ cấu răng cầu và tính toán động học của nó ................................... 4
2.2.2 hớp mềm sử dụng Cơ cấu răng cầu ............................................................................................. 5
2.2.3.

Thiết kế các thành phần khớp nối ........................................................................................... 6

2.3.2. Phân tích lựa chọn phương pháp .................................................................................................. 7

2.4. Thiết kế, chế tạo dao tiện răng cầu......................................................................... 7
2.4.1. Những vấn đề cơ bản về tiện chép hình......................................................................................... 7
2.4.2 Thiết kế dao tiện chép hình cắt răng môđuyn m = 3, Z tđ = 20  ..................................................... 8

2.4.3. Chế tạo dao tiện răng cầu ............................................................................................................. 8

2.5. Chế tạo thực nghiệm ................................................................................................ 8
2.5.1. Gá dao ........................................................................................................................................... 8
2.5.2. Phôi ............................................................................................................................................... 8
2.5.3. Chế độ cắt khi tiện trên máy CNC ................................................................................................. 8

2.6. Kết quả và thảo luận ................................................................................................ 8
Chƣơng 3. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bàn máy CNC định hƣớng không gian sử
dụng cơ cấu bánh răng cầu – đĩa răng cầu ................................................................... 9


iii

3.1 Đặt vấn đề .................................................................................................................. 9
3.2 Thiết kế, chế tạo bộ truyền bánh răng cầu – đĩa răng cầu. ................................. 10
3.2.1. Cơ cấu bánh răng cầu – vành răng thân khai. ............................................................................ 10
3.2.2 Tính toán thông số bộ truyền. ...................................................................................................... 10
3.2.3. Thiết kế bộ truyền đĩa răng – bánh răng cầu. ............................................................................. 11
3.2.4. Phương pháp chế tạo bộ truyền. ................................................................................................. 12

3.3. Bàn máy 2D dùng vít me – đai ốc bi. .................................................................... 12
3.4. Bàn máy CNC định hƣớng không gian. ............................................................... 12
3.5. Tính toán điều khiển cơ cấu. ................................................................................. 12
3.6. Thử nghiệm: ........................................................................................................... 13
1. ết luận ............................................................................................................................................. 14
2. iến nghị ........................................................................................................................................... 14


iv


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Đơn vị: Đại học Thái Nguyên
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo khớp mềm và cơ cấu định hướng sử dụng bộ
răng cầu cho các hệ điều khiển.
- Mã số: B2013-TN02-01
- Chủ nhiệm đề tài: Hoàng Vị
- Tel.: 0913072622; E-mail:
- Tổ chức chủ trì: Đại học Thái Nguyên
- Thời gian thực hiện: Tháng 1/2013 –1/2015
2. Mục tiêu:
Xác định được phương pháp tính toán thiết kế bộ răng cầu, ứng dụng thiết
kế chế tạo khớp mềm và cơ cấu định hướng đảm bảo điều khiển chính xác, linh
hoạt và làm việc tin cậy.
3. Tính mới và sáng tạo:
- Thiết kế và chế tạo thành công bộ truyền bánh răng cầu và bộ truyền bánh
răng cầu – đĩa răng cầu.
- Ứng dụng bộ truyền bánh răng cầu vào thiết kế chế tạo khớp nối mềm
truyền chuyển động giữa hai trục chéo nhau.
- Thiết kế chế tạo thành công cơ cấu định hướng sử dụng răng cầu.
Đây là những hướng nghiên cứu ứng dụng lần đầu ở Việt Nam.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Cách thức thiết kế và chế tạo cơ cấu bánh răng cầu và đĩa răng cầu, phù
hợp với điều kiện trong nước;
- Ứng dụng cơ cấu bánh răng cầu trong thiết kế khớp nối mềm linh hoạt và
cơ cấu định hướng sử dụng răng cầu.
- Đào tạo cao học, nghiên cứu sinh và công bố khoa học.
5. Sản phẩm:

5.1. Sản phẩm khoa học: 02 bài báo khoa học quốc gia, 01 bài báo khoa học quốc
tế, 02 tài liệu thiết kế. Cụ thể là:
(1) Hoàng Vị (2013), “Giải pháp chế tạo cơ cấu răng cầu vành răng thân
khai”, ỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ


v

III, tháng 4/2013, NXB hoa học và ỹ thuật, ISBN: 9786046700616, tr.
257-62.
(2) Hoàng Vị (2013), “ Tính toán thiết kế cơ cấu bánh răng cầu ứng dụng
làm vơ cấu phân độ, định hướng”, ỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn
quốc về cơ khí lần thứ III, tháng 4/2013, NXB hoa học và ỹ thuật,
ISBN: 9786046700616, tr. 292-295.
(3) Hoàng Vị, Ngô Minh Tuấn, Nguyễn Thuấn (2018), “Research
applying spherical gear and ring – rack mechanism to rotary work table ”,
International Journal of Advanced Engineering Research and Applications
(IJA ERA), ISSN: 2454-2377, vol 3 – 11, pp304 – 309.
- Tài liệu thiết kế: + Thiết kế bộ khớp nối mềm truyền động giữa hai trục chéo
nhau sử dụng cơ cấu răng cầu.
+ Thiết kế bộ định hướng sử dụng cơ cấu răng cầu.
5.2. Sản phẩm đào tạo: 02 luận văn cao học, hướng dẫn 01 NCS
- Lê Quang Vinh (2014), Thiết kế, chế tạo khớp nối mềm truyền động giữa
hai trục chéo nhau sử dụng cơ cấu răng cầu, Luận văn thạc sĩ Trường Đại học
Kỹ thuật Công nghiệp - ĐHTN.
-Nguyễn Thuấn (2016), Thiết kế, chế tạo bàn máy CNC vạn năng, Luận
văn thạc sĩ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN.
- 01 NCS tại trường đại học Bách khoa Hà Nội.
5.3. Sản phẩm ứng dụng
- Phương pháp tính toán thiết kế cơ cấu răng cầu.

- Quy trình công nghệ chế tạo cơ cấu răng cầu.
- Bộ khớp nối mềm sử dụng cơ cấu răng cầu.
- Bộ định hướng sử dụng cơ cấu răng cầu.

Ngày
Tổ chức chủ trì

tháng
năm
Chủ nhiệm đề tài

PGS.TS Hoàng Vị


vi

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1. General information
- Project title: Design, manufacture the soft joints and directional
structures using the spherical gear for control systems.
- Code number: B2013-TN02-01
- Coordinator: Hoang Vi
- Implementing institution: Thai Nguyen University
- Duration: from 2013 to 2015
- Tel.: 0913072622; E-mail:
2. Objectives
Determining the method of calculating the spherical gear mechanism,
application of designing the soft joint and directional mechanism to control
accurately, flexibly and reliably.

3. Creatives and innovativeness
- Designed and produced the spherical gear mechanism.
- Applying the spherical gear to design the soft joint that transfers the
motion between two axes.
- Design and manufacture of the determining direction structure using the
spherical gear.
The above issues are the first time application study implemented in Viet
Nam.
4. Research results
Method of design and production for the spherical gear án the Ring –
Rack, satisfied with available conditions of manufacturing.
Practical application of the spherical gear in designing and manufacturing
the soft joint and determining direction structure.
Master and PhD student training, scientific paper pubtications.
5. Products
5.1. Scientific: 02 national papers, 01 international paper and 02 the design
document, as below:


vii

(1) Hoang Vi (2013), "Solution for manufacturing of sphere gears with
ring – involute teeth", Proceeding of the 3rd National Conference on Mechanical
Science & Technology, ISBN 9786046700616, 4/2013, pp. 57-62.
(2) Hoang Vi (2013), "Design and calculation processes of sphere gears in
the applications of directional devices and index systems", Proceeding of the 3rd
National Conference on Mechanical Science & Technology, ISBN
9786046700616, 4/2013, pp. 57-62.
(3) Vi Hoang, MinhTuan Ngo, Thuan Nguyen (2018), “Research applying
spherical gear and ring – rack mechanism to rotary work table ”, International

Journal of Advanced Engineering Research and Applications (IJA ERA),
ISSN: 2454-2377, vol 3 – 11, pp304 – 309.
- The design document: Design the soft joint using the spherical gears that
transfers the motion between two axes; Design the CNC table using the spherical
gear and the Ring – Rack.
5.2. Training products
- Le Quang Vinh (2014), Design and manufacture of the soft coupling
between two axes using the spherical gear, Master thesis, Thai Nguyen
University of Technology.
- Nguyen Thuan (2016), Design and manufacture of the multifunctional
CNC table, Master thesis, Thai Nguyen University of Technology.
- 01 Phd student in Ha Noi university of science and technology.
5.3. Applied products
- The design method of the spherical gear.
- The manufacturing process of the spherical gear.
- The soft coupling using the spherical gear.
- The determining direction structure using the spherical gear.


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Cơ cấu răng cầu có cấu tạo, hình dáng hình học phức tạp, đặc biệt là hình học bề mặt răng thân
khai không gian đòi hỏi phải có độ chính xác chế tạo cao. Trong điều kiện kỹ thuật hiện nay,
chưa có máy chuyên dùng để chế tạo cơ cấu răng cầu như các máy gia công răng khác. Việc
nghiên cứu đầy đủ về công nghệ thiết kế, chế tạo cơ cấu sẽ mở ra triển vọng ứng dụng cơ cấu
mới trong ngành chế tạo máy và các ngành kỹ thuật. Đặc biệt trong điều kiện Việt Nam để phát
triển công nghệ, kỹ thuật cần khảo sát các mô hình cơ cấu đã được ứng dụng và tiếp tục phát
triển cũng như xây dựng các bài toán tính toán thiết kế cơ cấu, xây dựng qui trình chế tạo cơ cấu

trên máy công cụ CNC là cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định được phương pháp tính toán thiết kế cơ cấu răng cầu, ứng dụng thiết kế chế tạo khớp
mềm và cơ cấu định hướng đảm bảo điều khiển chính xác, linh hoạt và làm việc tin cậy.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu:
Đề tài tập trung nghiên cứu cơ cấu bộ răng cầu và các ứng dụng cơ cấu.
3.2. Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết, xác định phương pháp tính toán ứng dụng mô phỏng, thiết kế chế
tạo cơ cấu bộ răng cầu
- Nghiên cứu thiết kế, tạo hình
- Nghiên cứu các phụ kiện trong bộ khớp nối và cơ cấu định hướng linh hoạt
- Nghiên cứu công nghệ chế tạo;
- Nghiên cứu qui trình công nghệ chế tạo;
- Nghiên cứu đánh giá đảm bảo điều khiển chính xác và làm việc tin cậy.
4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
4.1 Cách tiếp cận:
Dựa vào nguyên lí hoạt động của cơ cấu răng cầu, lí thuyết tính toán và thiết kế cơ cấu, phát
triển mô hình để thiết kế, chế tạo bộ khớp nối mềm và bộ định hướng điều khiển chính xác, linh
hoạt.
4.2. Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết xác định phương pháp tính toán phục vụ thiết kế;
Nghiên cứu mô phỏng thiết kế;
Nghiên cứu thực chế tạo thử nghiệm;
Nghiên cứu ứng dụng chạy thử.
Chƣơng 1 Nghiên cứu một số vấn đề cơ bản về cơ cấu bánh răng cầu
1.1 Giới thiệu về cơ cấu bánh răng cầu [2, 6, 14]
Cơ cấu bánh răng cầu vành răng thân khai được ứng dụng vào các lĩnh vực như: cổ tay và cánh
tay rôbôt, hàng không vũ trụ, cơ cấu dẫn hướng 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.



2

Hình 1. 1 Cơ cấu bánh răng cầu vành răng thân khai
1.2 Sự hình thành cơ cấu răng cầu
1.2.1 Sự hình thành bề mặt vành răng cầu thân khai [1, 12]
1.2.2 Sự hình thành bánh răng cầu vành răng thân khai [11, 13].

Hình 1. 2 Sự hình thành bánh răng cầu vành răng thân khai
1.3 Đặc điểm của cơ cấu bánh răng cầu [9, 10]
1.3.1 Đặc điểm về kết cấu và lắp ráp của cơ cấu bánh răng cầu.

Hình 1. 3 Sơ đồ lắp cơ cấu bánh răng cầu


3

1.3.2 Đặc điểm truyền động của cơ cấu bánh răng cầu.
1.3.3 Điều kiện ăn khớp đúng của cơ cấu bánh răng cầu.
1.3.4 Điều kiện truyền động liên tục của cơ cấu bánh răng cầu.
1.4 Phân tích động học của bánh răng cầu.
1.4.1 Phương trình tham số biên dạng răng của bánh răng thứ nhất.
1.4.2 Mô hình toán học chuyển động của cơ cấu bánh răng cầu.
1.4.3 Phân tích động học của bánh răng cầu.
Trong hình trên, hai bán cầu là hai bước ren cầu của hai bánh răng cầu và chuyển động

của hai bước ren cầu quay thuần tuý. Các vị trí ban đầu của hệ trục cực là x10 y10 z10  và toạ độ

x20 y20 z20  của vị trí ban đầu của trục đầu ra là (0,1,0). Bất kỳ độ lệch (hành trình) nào của một

bánh răng cầu có thể được mô tả như sự quay của bánh răng cầu xung quanh một trục cố định.
(góc quay là  ), và chuyển động của cơ cấu bánh răng cầu có thể được mô tả là sự kết hợp của
các phép quay bánh răng xung quanh đường thẳng N1N1 và N2N2 lặp lại. Đối với sự quay xung
quanh một trục cố định, hệ (tỉ) số truyền của một bánh răng cầu là tương đương tỉ số truyền của
bánh răng thẳng. Vì vậy mối quan hệ của hai góc quay 1 và  2 là như sau:

 2  r1 / r2 .1  i121  i1

(1.28)

Trong đó i là tỉ số truyền của hai bánh răng, r1 và r2 là bán kính vòng chia của hai bánh
răng.
Đối với bánh răng 1: 1  900 , 1   1  900
Đối với bánh răng 2:  2  900 ,  2   2  900
Giải bài toán động học ngược dựa trên góc định hướng  và góc lệch  2 của bánh răng bị động
và tìm 1z và 1x như sau:

1z  arcsin  cos  cos  2 / i  




sin  2 / i 

1x  arccos 
 1  cos 2  c sin 2  2 / i  


(1.38)


1.4.4 Phân tích động học của cơ cấu đĩa răng – bánh răng cầu.

Hình 1. 4 Truyền động đĩa răng- bánh răng cầu
Trong cơ cấu đĩa răng cầu, chuyển động giữa các bước răng cầu của bánh răng cầu và bước răng
phẳng của đĩa răng là quay không trượt (thuần tuý). Vị trí ban đầu của điểm E trên trục là


4

 x10 , y10 , z10 

và vị trí ban đầu của trục ra là (0, 1, 0). Mối quan hệ giữa góc lệch (chuyển vị)

 của bánh răng cầu và khoảng cách của chuyển động xuyên qua của đĩa răng là:
s=r2  hoặc  =s/r2
(1.39)
Khi đĩa răng được xem như một cơ cấu dẫn động, gán cho tham số là (x 1, z1) và giá trị
đầu ra là (xe, ye, ze). Khoảng cách của chuyển động vượt qua của đĩa răng và góc định hướng có
thể mô tả như sau:

 s  x2  z 2
1
1


z1
  arctan x
1



(1.40)

Toạ độ của điểm đầu của trục ra là:

 xe 
 x20    sin  sin 
 y   C    y    cos 
 e   220   20  
 ze 
 x20   cos  sin 
Ở đây






(1.41)

  s / r2  x12  z12 / r2 khi bánh răng cầu được xem như là một cơ cấu dẫn

động các thông số đầu vào là

 2 x , 2 z  và đầu ra là (x1, z1).

   arccos  cos 2 x cos 2 z 


 sin  2 z





arcsin

 1  cos 2  2 x cos  2 z






(1.42)

Từ (39) và (40), chúng ta có:

 x1  S .cos   r2 .cos 

 z1  S .sin   r2 sin 

(1.43)

Chƣơng 2. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cơ cấu khớp mềm sử dụng cơ cấu răng cầu
2.1 Tổng quan về các loại khớp nối đẳng tốc
2.1.1 hớp đ ng tốc [5]
2.1.2 Một số khớp đ ng tốc và ứng dụng trong thực tế
2.2 Nghiên cứu thiết kế khớp nối sử dụng bộ truyền bánh răng cầu
Mỗi loại khớp đẳng tốc đều có các ưu nhược điểm riêng. Việc nghiên cứu phát triển khớp
đẳng tốc để đưa ra cơ cấu mới có nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Cơ cấu răng cầu vành
răng thân khai được ứng dụng vào các lĩnh vực như: cổ tay và cánh tay rôbôt, hàng không vũ

trụ, cơ cấu dẫn hướng 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.
2.2.1 Truyền động hành tinh của cơ cấu răng cầu và tính toán động học của nó
Hình 2.7 biểu diễn một kiểu truyền động hành tinh không gian của cơ cấu răng cầu, kiểu
truyền động bao gồm: Chi tiết răng cầu số 1 có tâm O1 là bánh cố định, chi tiết răng cầu số 2 có
tâm O2 là bánh hành tinh, ống trụ C hai đầu lỗ là mặt cầu để cố định tâm O 1 và O2 của hai chi
tiết răng cầu.


5

Hình 2. 1 iểu truyền động hành tinh của cơ cấu răng cầu
2.2.2 hớp mềm sử dụng Cơ cấu răng cầu
a. hớp đ ng tốc dùng cơ cấu răng cầu
Trên cơ sở kiểu truyền động hành tinh của cơ cấu răng cầu tác giả đưa ra cơ cấu mới,
đây là một loại khớp đẳng tốc dùng để truyền động giữa hai trục chéo nhau. Mô hình khớp được
biểu diễn trên hình vẽ dưới đây:

Hình 2. 2 hớp đ ng tốc dùng cơ cấu răng cầu
b. Phân tích động học khớp
Xác định vận tốc:

Hình 2. 3 Vận tốc tại các điểm trên khớp


6

Hình 2. 4 Bản vẽ lắp khớp đ ng tốc
2.2.3. Thiết kế các thành phần khớp nối
Ứng dụng phần mềm thiết kế CATIA thiết kế biên dạng đường thân khai với thông số m = 3, Z

= 20, α = 20º và xây dựng được bản vẽ trục răng cầu lồi, trục răng cầu lõm và vỏ răng cầu. Sau
khi đã thiết xong các chi tiết răng cầu, vỏ cầu ta tiến hành thiết kế tiếp các chi tiết như then, bi,
ổ, khớp nối, vít chặn bi, chốt định vị, bu-lông, bản lề, gối đỡ và giá đỡ của khớp nối ta có bản vẽ
lắp như hình vẽ:

Hình 2. 5 Bản vẽ lắp khớp đ ng tốc
Quá trình ăn khớp chỉ diễn ra giữa một bánh răng cầu lồi và một bánh răng cầu lõm.

Hình 2. 6 (a) Chi tiết răng cầu lồi
; (b) Chi tiết răng cầu lõm
Như vậy ta thấy biên dạng răng cong của bánh răng cầu trên trục quay trong bất kỳ mặt
cắt nào đều là biên dạng thân khai, và tất cả các đường thân khai tạo thành một vành răng cong.
Khi một bánh răng cầu có bán kính bằng vô cùng thì được gọi là thanh răng cầu với các
vành răng đồng tâm trong mặt phẳng ăn khớp. Mặt cắt đi qua tâm của các vành răng là thanh
răng sinh của bánh răng trụ tương ứng. Đây là cơ sở để thiết kế các dụng cụ cắt bằng phương
pháp bao hình.
2.3 Các giải pháp chế tạo răng cầu
2.3.1 Phương pháp chép hình


7

2.3.1.1 Phương pháp tiện chép hình

Hình 2. 7 Sơ đồ tiện chép hình cơ cấu răng cầu
2.3.1.2. Phƣơng pháp phay chép hình

Hình 2. 8 Sơ đồ phay chép hình cơ cấu răng cầu
2.3.2. Phân tích lựa chọn phương pháp
2.4. Thiết kế, chế tạo dao tiện răng cầu

2.4.1. Những vấn đề cơ bản về tiện chép hình
Dao tiện chép hình dùng để gia công những chi tiết có prôfin định hình. So với các loại
dao thường, nó có những ưu điểm sau:
- Đảm bảo sự đồng nhất về hình dạng và độ chính xác về kích thước của chi tiết, vì nó
không phụ thuộc vào trình độ tay nghề của công nhân, mà chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác
chế tạo dao.
- Năng suất cao do giảm được thời gian máy rất nhiều vì rút ngắn được hành trình cắt và
thời gian phụ để gá đặt và điều chỉnh khi thay dao.
- Tuổi bền của dao lớn do mài lại được nhiều lần.
- Số lượng phế phẩm ít.
- Mài sắc đơn giản.
Do phần lưỡi cắt tham gia cắt lớn nên dao hướng kính làm việc trong điều kiện khó
khăn, vì vậy phải hạ thấp chế độ cắt. Khi gia công phôi dài và có tiết diện nhỏ, lực cắt sẽ làm
cho chi tiết bị cong vênh. Đây là nhược điểm chính của loại dao này.


8

2.4.2 Thiết kế dao tiện chép hình cắt răng môđuyn m = 3, Ztđ = 20 
2.4.3. Chế tạo dao tiện răng cầu

Hình 2. 9 Quá trình cắt dây tạo biên dạng phần cắt của dao tiện định hình
2.5. Chế tạo thực nghiệm
2.5.1. Gá dao
2.5.2. Phôi
2.5.3. Chế độ cắt khi tiện trên máy CNC
2.5.3.1. Chiều sâu cắt khi tiện
2.5.3.2. Lượng chạy dao (bước tiến) S, mm/vòng
2.5.3.3. Tốc độ cắt
2.6. Kết quả và thảo luận

Tác giả đã chọn giải pháp gia công răng bằng phương pháp định hình (tiện chép hình), đã chế
tạo thành công bộ truyền bánh răng cầu và lắp ráp thành khớp mềm như hình 2.35. So với các
phương pháp bao hình và định hình khác thì phương pháp tiện chép hình có một số ưu điểm sau:
- Nguyên lý gia công tương đối đơn giản.
- Thiết kế, chế tạo dụng cụ cắt dễ dàng, chính xác nhờ ứng dụng các phần mềm trợ giúp thiết kế
và phương pháp cắt dây.
- Chi tiết sau khi gia công bằng phương pháp tiện định hình đảm bảo độ chính xác về biên dạng
thân khai cũng như đảm bảo độ chính xác ăn khớp.
- Chi phí gia công thấp.
Tuy vậy, tiện chép hình cũng chỉ được dùng trong việc gia công thô do còn tồn tại
những hạn chế như sau:
- Trong quá trình cắt, do biên dạng dao phức tạp và bề rộng cắt lớn, góc độ dao thay đổi liên tục,
lực cắt, nhiệt cắt lớn, do vậy chất lượng bề mặt chi tiết gia công chưa cao và không đồng đều
trên bề mặt của một răng cũng như giữa các bề mặt răng.
- Độ chính xác ăn khớp còn thấp do việc định tâm quay của cơ cấu răng cầu chưa chính xác, gây
lực ép lên bề mặt răng làm trầy xước mặt răng.
- Góc sau của dao thay đổi liên tục trong quá trình gia công, đó là nguyên nhân làm giảm chính
xác biên dạng thân khai của răng. Tuy nhiên, lượng sai số nằm trong phạm vi cho phép.
- Ảnh hưởng sai số gá đặt và định vị đến độ chính xác hình học lớn.
Để khắc phục tình trạng trên, trong quá trình cắt trên máy tiện CNC, điều chỉnh chế độ
cắt với vận tốc không đổi trong suốt quá trình gia công để đảm bảo chất lượng đồng đều trên
toàn bộ bề mặt răng, đồng thời sử dụng dung dịch tưới nguội để giảm nhiệt cắt.
Với ưu điểm và những hạn chế như trên, tiện chép hình cơ cấu răng cầu trên máy CNC
nên dùng cho nguyên công gia công bán tinh, để nâng cao hơn nữa chất lượng bề mặt cơ cấu
răng cầu, cơ thể dùng phương pháp mài nghiền.


9

Hình 2. 10 Mơ hình bộ khớp nối mềm dùng cơ cấu răng cầu


Chƣơng 3. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bàn máy CNC định hƣớng
khơng gian sử dụng cơ cấu bánh răng cầu – đĩa răng cầu
3.1 Đặt vấn đề
Qua phân tích các kiểu bàn máy CNC có hiện nay, tác giả nhận thấy các bàn máy này đều
khơng thể phân độ được một góc bất kỳ trong khơng gian một cách nhanh chóng và thuận tiện

[Error! Reference source not found., Error! Reference source not found.,
Error! Reference source not found.]. Từ đó, tác giả đưa ra ý tưởng thiết kế một loại
bàn máy có khả năng làm được điều này. Q trình phân độ được điều khiển tự động. Bàn máy
sử dụng cơ cấu bánh răng cầu làm cơ cấu chủ đạo. Bàn máy được thiết kế nhằm mục đích mở
rộng khả năng cơng nghệ của máy phay vạn năng, tăng số trục của máy phay CNC và một số
loại máy cơng cụ khác. Bộ phận cơ bản của bàn máy là cơ cấu bánh răng cầu vành răng thân
khai ăn khớp với đĩa răng. Đĩa răng nằm trên một bàn máy 2D. Phía trên bánh răng cầu là bàn
gá kẹp chi tiết gia cơng.
Z

Mặt bàn gá

O0
Y

Bánh răng cầu
Đóa răng

X
Cơ cấu
dẫn hướng

O


Hình 3. 1. Bàn máy CNC vạn năng [2]

Động cơ


10

Để phân độ cho chi tiết gia công một góc bất kỳ trong không gian, đĩa răng sẽ được điều
khiển dịch chuyển theo hai trục OX và OY trên bàn máy 2D. Mỗi thành phần chuyển động được
truyền động và điều khiển bởi một động cơ bước thông qua cơ cấu vít me đai ốc bi. Khi đĩa răng
dịch chuyển theo 2 trục làm bánh răng cầu được gá trên giá có hai trục quay sẽ quay những góc
tương ứng quanh tâm O0 trên hai mặt phẳng XOZ và YOZ.
3.2 Thiết kế, chế tạo bộ truyền bánh răng cầu – đĩa răng cầu.
3.2.1. Cơ cấu bánh răng cầu – vành răng thân khai.

Hình 3. 2 Cơ cấu bánh răng cầu-đĩa răng cầu
3.2.2 Tính toán thông số bộ truyền.
3.2.2.1. Tính toán thông số biên dạng bánh răng cầu.
Như đã trình bày ở các chương trước về sự hình thành bánh răng cầu vành răng thân
khai ta đã biết bánh răng cầu vành răng thân khai được hình thành nhờ một đoạn biên dạng răng
của bánh răng trụ thân khai quay 3600 xung quanh đường thẳng đi qua tâm và trung điểm của
đỉnh hoặc chân răng trên biên dạng răng.
Để xây dựng được chính xác biên dạng khởi thủy bánh răng cầu cần xác định được đầy đủ
các thông số như đối với bánh răng trụ răng thẳng.
Đối với mô hình thiết kế trong phạm vi đề tài tác giả lựa chọn một số thông số đầu vào để
thiết kế bộ truyền như sau:
Modul m = 3, số răng Z = 25, góc ăn khớp α = 20o.
Ta xác định được các thông số cơ bản để xây dựng biên dạng răng cầu như sau:
Đường kính vòng chia:

dc = m*Z
Đường kính vòng đỉnh:
da= dc + 2*m
Đường kính vòng chân:
df = dc – 2,5*m
Chiều cao răng :
h = (2+2,5)* m/2
Biên dạng bánh răng thân khai trên hình 3.3 xây dựng cho bánh răng cầu lồi, trục xoay x-x
đi qua tâm bánh răng và trung điểm đỉnh răng.


11

x
Trục xoay
Vòng đỉnh

Đường thân khai

Vòng chia
Vòng cơ sở
Vòng chân


O
x

Hình 3. 3. Biên dạng bánh răng thân khai
3.2.2.2. Tính tốn thơng số biên dạng đĩa răng.
Trục xoay


x

Trục xoay

x

x

x

Hình 3. 4 (a) Đĩa răng lồi; (b) Đĩa răng lõm
3.2.3. Thiết kế bộ truyền đĩa răng – bánh răng cầu.
3.2.3.1. Giới thiệu phần mềm Pro/Engineer Wildfile 3.0.
3.2.3.3. Thiết kế đĩa răng.

Hình 3. 5. Chi tiết đĩa răng


12

3.2.4. Phương pháp chế tạo bộ truyền.
3.3. Bàn máy 2D dùng vít me – đai ốc bi.
3.4. Bàn máy CNC định hƣớng không gian.

Hình 3. 6 Bàn máy CNC hoàn chỉnh

3.5. Tính toán điều khiển cơ cấu.



13

3.6. Thử nghiệm:

- Bàn máy ở vị trí cân bằng.

Hình 3. 7 Bàn máy ở vị trí cân bằng
Bàn máy ở vị trí tương ứng với các thông số đầu vào:
Góc định hướng alpha = 45o
Góc ở đỉnh beta = 100

Hình 3. 8. Bàn máy ở vị trí đã nghiêng
Qua quá trình thử nghiệm, tác giả nhận thấy các chuyển động của bàn máy hoàn toàn đáp ứng
đúng với các thông số đầu vào được nhập từ bàn phím, chuyển động êm, không rung động.
Bước đầu khẳng định quá trình tính toán thiết kế và chế tạo đã thành công đúng như dự kiến.


14

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
- Đã tổng quan được những vấn đề cơ bản về nguyên lý tạo hình bề mặt và động học
của cơ cấu răng cầu và, làm cơ sở để tính toán thiết kế bộ truyền động bánh răng cầu – bánh
răng cầu và bánh răng cầu – đĩa răng cầu.
- Nghiên cứu phương pháp tạo hình và ứng dụng vào chế tạo thành công bộ truyền
bánh răng cầu – bánh răng cầu và bộ truyền bánh răng cầu – đĩa răng cầu.
- Nghiên cứu ứng dụng cơ cấu răng cầu vào tính toán thiết kế và chế tạo khớp nối
mềm truyền chuyển động giữa hai trục chéo nhau sử dụng bộ truyền bánh răng cầu – bánh răng
cầu.
- Nghiên cứu ứng dụng cơ cấu răng cầu vào tính toán thiết kế và chế tạo bàn máy

CNC vạn năng sử dụng bộ truyền bánh răng cầu – đĩa răng cầu.
- Đề tài đã hoàn thành các chỉ tiêu về sản phẩm thực, sản phẩm đào tạo; hoàn thành
chỉ tiêu về sản phẩm khoa học.
- Tài liệu tham khảo về thiết kế, chế tạo bộ khớp nối mềm, và cơ cấu định hướng sử
dụng răng cầu đã hoàn thành và đảm bảo chất lượng.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài đã được đăng trên 02 tạp chí khoa học chuyên nghành
trong nước và 01 tạp chí chuyền ngành quốc tế có phản biện độc lập.
- Đã hướng dẫn thành công 02 luận văn thạc sỹ gắn với nội dung của đề tài.
- Tham gia hướng dẫn chuyên đề nghiên cứu phục vụ kết quả của luận án tiến sĩ.
2. Kiến nghị


Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy điều khiển số gia công bánh răng cầu theo phương
pháp bao hình.



Chế tạo hoàn chỉnh bàn máy CNC có thể điều khiển đồng thời các chuyển động trong
quá trình gia công nhằm tăng số trục của máy điều khiển số khi sử dụng thêm bàn máy
này.



Tiến hành xây dựng bộ tiêu chí đánh giá độ chính xác của bánh răng cầu.