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) . 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. 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. 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