Báo cáo khoa học: "thiết kế cơ cấu theo chỉ tiêu độ chính xác trong các thiết bị điều khiển cơ điện tử" potx

thiết kế cơ cấu theo chỉ tiêu độ chính xác
trong các thiết bị điều khiển cơ điện tử

PGS. TS. An Hiệp
ThS. trơng hồng quang

Bộ môn Thiết kế máy
Khoa Cơ khí - Trờng ĐHGTVT

Tóm tắt: Chế tạo các sản phẩm cơ khí có giá trị công nghệ cao l một hớng phát triển
của nền công nghiệp hiện đại, khi thiết kế các sản phẩm ny thì chỉ tiêu độ chính xác l chủ
yếu. Trên cơ sở phân tích các sai số v các biện pháp giảm thiểu chúng. Bi báo trình by nội
dung của quá trình tổng hợp cơ cấu theo độ chính xác, cụ thể l hai bi toán: Tổng hợp động
học v tổng hợp hình học cơ cấu.
Summary: Hi-tech mechanical product manufacturing is one trend of the developing
modern industry. Accuracy is essential in designing these products. Based on analysis of errors
and solutions to lessen them, the article provides synthesizing process as per accuracy,
particularly; Dynamics synthesyzing and structural geometry synthesizing.
i. đặt vấn đề
Máy móc nói chung, tuỳ theo chức năng
làm việc có thể đợc chia làm hai dạng:
Dạng truyền và biến đổi năng lợng nh:
máy gia công, máy vận chuyển, nâng hạ,
động cơ, máy phát Loại này làm việc ở chế
độ tải trọng và vận tốc lớn, chỉ tiêu thiết kế
chủ yếu là độ bền, độ cứng và ổn định khi làm
việc.
Dạng truyền và biến đổi tín hiệu nh:
Thiết bị đo, các thiết bị điều khiển cơ điện tử
thì chỉ tiêu thiết kế là bảo toàn quy luật chuyển

đổi giữa đại lợng vào và đại lợng ra. Mức độ
bảo toàn thể hiện độ chính xác của máy.
Trong bài báo này chúng tôi trình bày tóm tắt
cơ sở tổng hợp cơ cấu theo chỉ tiêu độ chính
xác.
ii. nội dung
Bản chất của tổng hợp cơ cấu theo độ
chính xác là xắp xếp, bố trí hoặc phối hợp các
khâu các khớp. các cơ cấu cơ bản thành một
xích động học có khả năng thực hiện mối
quan hệ biến đổi hoặc truyền chuyển động với
độ chính xác nào đó. Quá trình tổng hợp đợc
chia thành hai bài toán: Tổng hợp động học
và tổng hợp hình học.
1. Tổng hợp cơ cấu
Là lựa chọn, sáng tạo hoặc bố trí các sơ
đồ động của các cơ cấu cơ bản có sẵn thành
một sơ đồ động có quy luật gần đúng với yêu
cầu chuyển động cho trớc sao cho sai số
tổng hợp của cơ cấu thiết kế F

[]. ở đây
sai số tổng hợp gồm 3 thành phần:
y

= y
0
+
CN
+

SD
- y
0
là sai số lý thuyết. Là hiệu số giữa
hàm vị trí của cơ cấu lý thuyết y và hàm số
yêu cầu y
0
.
Ta có:
y
0
= y - y
0
Ví dụ: Ta có hàm yêu cầu y
0
= k. Trong
đó y
0
chuyển vị thẳng, chuyển vị góc, k hệ
số chuyển đổi.


y

Hình a
Để đảm bảo biến đổi chuyển động tịnh
tiến thành chuyển động quay (góc ). Ta có
thể dùng cơ cấu bánh răng - thanh răng có
quan hệ hàm vị trí y = r
0

.. Nếu r
0
= k thì sai
số lý thuyết y
0
= 0.
Nếu sử dụng cơ cấu sin (hình a) thì kết
cấu đơn giản và ít tham số chế tạo hơn nhng
lại tồn tại sai số lý thuyết.
Cụ thể là nếu ta gọi y = rsin là hàm vị trí
của cơ cấu sin.
Khai triển Taylo:
6
sin
3

=
và sai số
lý thuyết của cơ cấu sin là
6
ry
3
0

=
.
-
CN
là các sai số xuất hiện trong
quá trình gia công và lắp ghép gọi là sai

số công nghệ. Đây là một đại lợng
ngẫu nhiên bao gồm các sai số về kích
thớc, hình dáng, vị trí bề mặt và độ
nhám.
-
SD
là sai số sử dụng xuất hiện
trong quá trình làm việc của cơ cấu.
Ví dụ: Độ mòn, biến dạng do nhiệt
độ, do lực, khe hở lắp ghép
Mục đích của bài toán là hạn chế sai số
của cơ cấu, vì vậy cần phải lựa chọn cơ cấu
có sai số lý thuyết nhỏ nhất tức là cơ cấu có
hàm vị trí gần đúng với phơng trình cho trớc
và có nhiều điểm trùng với phơng trình cho
trớc; Phối hợp các cơ cấu cơ bản trong xích
động học để sai số lý thuyết của chúng triệt
tiêu nhau. Ngoài ra để đơn giản và dễ chế tạo
thì phải lựa chọn cơ cấu có số khâu và khớp ít
nhất nhằm hạn chế sai số công nghệ.
Dới đây là vài ví dụ về các biện pháp
giảm thiểu sai số lý thuyết của cơ cấu.
a. Chọn cơ cấu có hm vị trí gần đúng với
phơng trình cho trớc
Nh đã phân tích ở trên để biến đổi
chuyển động tịnh tiến thành chuyển động
quay ta có phơng trình yêu cầu: y
0
= k. Nếu
chọn cơ cấu bánh răng - thanh răng thì

y
0
= 0 nhng lại mắc phải một loạt các sai số
công nghệ vì cơ cấu này có nhiều sai số chế
tạo vì vậy có thể thay thế bằng 2 cơ cấu sin
(hình b) hoặc tang (hình c).
Cơ cấu sin có sai số lý thuyết:
6
r
y
3
0
sin

=

Còn cơ cấu tang có sai số lý thuyết là:
3
r
y
3
0
gtan

=

ở đây ta thấy cơ cấu sin có hàm vị trí gần
yêu cầu hơn vì:
0
sin

0
gtan
yy >
(hình d).
Hình b Hình c
ysin
ytang
z
y

y
y

Hình d

b. Phối hợp cơ cấu để triệt tiêu sai số
Vì sai số lý thuyết có thể (-) hoặc (+)
hoặc bằng 0 tuỳ theo từng cơ cấu. Nếu phối
hợp hợp lý các cơ cấu cơ bản trong xích động
học có thể triệt tiêu đợc các sai số lý thuyết
làm sai số tổng cộng giảm. Ví dụ: Có thể sử
dụng các cơ cấu cùng tên có tác dụng ngợc
nhau nh cơ cấu sin và sin ngợc trong cơ
cấu chuyển hớng chuyển động có khuyếc
đại của thiết bị điều khiển (hình e). Giả sử ta
phải xác định quan hệ giữa chuyển vị y trong
cơ cấu sin và chuyển vị z trong cơ cấu sin
ngợc. Ta có: =
1
-

0
.

l

y
l
z
B
A
1
2

Hình e
Với sin
1
1
l
Az +
=
và
1
1
l
Az
arcsin
+
=
,

1
0
l
B
arcsin=
,
11
0
1
l
A
arcsin
l
Az
arcsin
l
Az
arcsin
+
=
+
=

Mặt khác:
22
l
B
arcsin
l
By

arcsin
+
=

Nếu đặt:
21
l
B
l
A
=
,
Ta có tơng quan
12
l
z
l
y
=
hay
Z
1
2
KZ
l
l
y == nên y
0
= 0.
c. Bố trí hợp lý các khớp động lm giảm

khe hở lắp ghép hay tăng độ ổn định khi lm
việc
Ví dụ: Dới đây là hai kiểu bố trí mũi dao
trong cơ cấu khuyếch đại đòn kiểu sin, nếu bố
trí dao quay cùng phía nh phơng án 1 thì
đòn dễ bị xô ngang làm thay đổi tỷ số truyền
a/b, phơng án 2 bố trí hợp lý hơn vì không
làm thay đổi chiều dài tay đòn (hình g).
Phơng dịch ngang
2. Tổng hợp hình học cơ cấu
Mục đích của bài toán là xác định giá trị
của các thông số hình học p
i
của các khâu
trong cơ cấu thoả mãn điều kiện y
0
[y
0
].
Từ cơ cấu đã đợc xây dựng ở bài toán động
học. Ta xây dựng hàm số sai số lý thuyết:
y
0
= y - y
0
= (z,p
i
) -
0
(z,k

i
) =
0
(z,p
i
)

0
(z,p
i
) là hàm sai số lý thuyết phụ
thuộc vào dạng của hàm vị trí lý thuyết so
với hàm số yêu cầu
0
và các thông số vị trí
của các khâu p
i
. Việc xác định các tham số p
i

từ
0
(z,p
i
) có thể dựa vào các phơng pháp
nh:
- Tối giản tuần tự
- Xấp xỉ hàm số, bao gồm: nội suy, xấp xỉ
điều hoà, xấp xỉ bình phơng nhỏ nhất, xấp xỉ
hàm số theo đa thức .

bb
a
Phơng án 1
a
Phơng án 2
Hình g

Do khuôn khổ bài báo chúng tôi chỉ trình
bầy tóm tắt các bớc thực hiện bài toán nh
sau:
1. Lập hàm vị trí lý thuyết của cơ cấu.
2. Tính sai số lý thuyết y
0
= y - y
0
3. Chọn bậc đa thức gần đúng cho hàm
sai số lý thuyết.
4. Chọn kiểu đa thức và
chuyển đổi biến số.
5. Lập và giải hệ phơng trình cân bằng
hệ số nếu chọn phơng pháp xấp xỉ và lập hệ
phơng trình nội suy xấp xỉ bằng phơng pháp
nội suy.
6. Kiểm tra kết quả xem có thoả mãn yêu
cầu độ chính xác hay không.
iii. kết luận
Hiện nay trong sản xuất, các thiết bị và
máy móc tự động đã trở thành phổ biến thay
thế các máy móc truyền thống; thiết kế theo
chỉ tiêu độ chính xác đóng vai trò quan trọng

để nâng cao chất lợng sản phẩm cũng nh
đạt giá trị kinh tế cao. Trớc yêu cầu thực tế
sản xuất, nội dung giảng dạy các môn kỹ
thuật cơ sở cho ngành Cơ khí nhất là các
chuyên ngành mới nh: Tự động hoá thiết kế
cơ khí, Cơ điện tử có lẽ cũng nên bổ xung
những kiến thức trên giúp cho ngời thiết kế
có quan điểm toàn diện hơn.
Tài liệu tham khảo
[1]. .. .
.
1981.
[2]. .. .
.
1976
[3]. Hamilton M. Mabie, Charles F. Reinholtz.
Mechanisms and dynamics of machinery. NXB
John wiley & sons. New York (1998 printed in
Singapore)