CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU - Phần mềm thiết kế Inventor Professional, Creo - Phần mềm xuất bản vẽ Creo, AutoCAD 1.5 Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành đề tài nghiên cứu của mình, nhóm chúng tôi đã sử dụng những phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp nghiên cứu tài liệu: dựa trên các bài báo, tài liệu chuyên ngành về cơ khí, các đề tài tốt nghiệp của người đi trước, kiến thức trên internet, từ đó có thế xác định nguyên lí hoạt động của hộp giảm tốc Harmonic. - Phương pháp thực nghiệm: tiến hành chạy thử nghiệm, thu thập số liệu, kiểm tra những vấn đề đã dự đoán có thể phát sinh như độ chính xác khi gia công, độ êm của sản phẩm khi hoạt động từ đó đưa ra phương pháp khắc phục để đạt được những mục tiêu đề ra ban đầu. - Phương án tính toán, thiết kế: tính toán, thiết kế, chọn vật liệu, kiểm tra độ ăn khớp của trục máy và các bánh răng.6 Nội dung đề tài Đề tài thực hiện gồm những nội dung sau: - Tìm hiểu về hộp giảm tốc Harmonic cũng như công dụng thực tế của sản phẩm trong đời sống hàng ngày. - Nghiên cứu, thiết kế các chi tiết, bộ phận trên phần mềm Inventor, Creo.
- Tiến hành ra bản vẽ gia công và lắp ráp các chi tiết của sản phẩm. - Lắp ráp sản phẩm hoàn chỉnh. - Chạy thử nghiệm và khắc phục các vấn đề phát sinh.7 Ý nghĩa đề tài Đề tài tạo cho người thực hiện có cơ hội để vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế từ đó nhận ra những thiếu sót của bản thân, đồng thời tạo điều kiện để học hỏi, nâng cao khả năng sáng tạo hơn trong quá trình làm việc. Đề tài cũng tạo điều kiện để nghiên cứu, tính toán để chọn lựa sản phẩm phù hợp với yêu cầu của khách hàng.
3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Lịch sử phát triển của hộp giảm tốc Harmonic Trong những năm 50 của thế kỷ trước, yêu cầu về hiệu suất về lĩnh vực vũ trụ ngày một tăng lên. Điều này không thể thực hiện được nếu không có sự cải tiến về bộ truyền động. Các bộ truyền động cũng như các bánh răng phải hoạt động chính xác, theo đó là một loạt các yêu cầu phức tạp khác như khả năng ăn khớp cao, công suất mômen xoắn lớn, độ cứng cao, thiết kế nhẹ, nhỏ gọn và giá thành cạnh tranh. Với những yêu cầu kỹ thuật như vậy, khái niệm bộ truyền động Harmonic (Harmonic Drive - HD) hay truyền động sóng biến dạng (Strain Wave Gearing - SWG) được xuất hiện đầu tiên vào năm 1955 do C.Walton Musser phát minh và được giới thiệu trong bằng sáng chế của ông, sau đó nó được ông và các nhà khoa học khác nghiên cứu và phát triển thêm.
Trước khi Musser phát minh ra bánh răng điều hòa Harmonic, các khuynh hướng nỗ lực nhằm cải thiện trong các cơ cấu bánh răng để đạt được tốc độ cũng như là độ chính xác cao hơn để truyền lực truyền động và chuyển động thì các nhà nghiên cứu chỉ tập trung vào việc làm cho cơ cấu bánh răng trở nên cứng hơn. Trong khi đó, nguyên lí của bánh răng điều hòa Harmonic là tận dụng tính linh hoạt của kim loại và áp dụng động lực đàn hồi. Vì phương pháp truyền động lực này đã thay đổi quan niệm thông thường nên nó đột nhiên trở thành đối tượng được cả thế giới quan tâm. Nhờ vào cấu trúc đơn giản cùng với tỷ số truyền lớn, hiệu suất truyền cao nên bộ truyền động Harmonic được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghệ vũ trụ, robot, ô tô, máy móc thiết bị và các lĩnh vực khác.
Bộ truyền động Harmonic đầu tiên được áp dụng trong lĩnh vực máy bay và quốc phòng. Vào năm 1960, bộ truyền động Harmonic được sử dụng thành công bởi tập đoàn USM (United Shoe Machinery) của Mỹ và sau đó là công ty Hasegawa Gear Works dưới sự quản lý của USM. Sau đó, vào năm 1970 công ty Hasegawa Gear Works trở thành công ty trách nhiệm hữu hạn Harmonic Drive Systems có trụ sở tại Nhật Bản. Ngày nay, các bánh răng Harmonic Drive có độ chính xác cao đều được sản xuất bởi các công ty lớn này.
Từ những năm 1970 đến 1980, phạm vi ứng dụng của Harmonic Drive đã được mở rộng sang lĩnh vực robot công nghiệp và các dụng cụ máy móc. Nhờ vào sự tăng trưởng nhanh về tính chính xác và hiệu suất truyền động của mình, từ những năm 1990 cho đến nay, bộ truyền động Harmonic đã được mở rộng sử dụng trong đa dạng lĩnh vực như robot phẫu thuật, các máy đo lường và các máy CNC. Từ nguồn gốc ban đầu chế tạo nhằm phục vụ trong lĩnh vực hàng 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI không vũ trụ mà giờ đây, bộ truyền động Harmonic đã khẳng định được vị thế của mình trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau với những mục đích sử dụng khác nhau.Walton Musser – cha đẻ của bộ giảm tốc Harmonic Drive 2.2 Cấu tạo cơ bản của hộp giảm tốc Harmonic Một hộp giảm tốc Harmonic cơ bản được cấu tạo từ ba thành phần chính: Bộ tạo sóng (Wave Generator – WG); vòng bánh răng sóng (Flexspline - FS); vòng bánh răng cứng (Circular Spline – CS). - Bộ tạo sóng: gồm một vòng ổ bi mỏng được lắp vào trục có đĩa hình elip.
Bộ tạo sóng cũng được nối với trục của động cơ có nhiệm vụ như một bộ chuyển đổi mômen xoắn từ trục động cơ sang hộp giảm tốc với hiệu suất cao.2 Bộ tạo sóng (Wave Generator) - Vòng harmonic: bộ phận này có hình dạng như một chiếc cốc trụ có thành mỏng, dẻo, có tính đàn hồi, các răng được gia công ở mặt ngoài tại mép cốc. 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Vòng bánh răng sóng có khả năng biến dạng linh hoạt theo biên dạng hình elip, được lắp bọc bên ngoài bộ tạo sóng với vai trò là đầu ra cho bộ tạo sóng.3 Vòng bánh răng sóng (Flexspline) - Vòng bánh răng cứng: bộ phận này là một vòng cứng hoặc cố định (không quay) được gia công với các răng bên trong ăn khớp với các răng ngoài của vòng bánh răng sóng. Vòng bánh răng cứng thường có nhiều hơn hai răng so với vòng bánh răng sóng và thường được gắn vào vỏ hộp giảm tốc.4 Vòng bánh răng cứng (Circular Spline) Bộ tạo sóng được quay bởi động cơ tạo ra chuyển động như sóng với vòng bánh răng sóng. Điều này dẫn tới sự ăn khớp dần dần giữa các răng bên ngoài của vòng bánh răng sóng với các răng của vòng bánh răng cứng tại các điểm đối xứng theo đường kính.
Nếu bộ tạo sóng quay theo chiều kim đồng hồ thì vòng bánh răng sóng sẽ quay bên trong vòng bánh răng cứng theo hướng ngược chiều kim đồng hồ. Vì vòng bánh răng sóng có ít hơn hai răng so với vòng bánh răng cứng và với biên dạng hình elip, quá trình tách răng diễn ra và mỗi vòng quay của bộ tạo sóng gây ra sự dịch chuyển hai răng của vòng bánh răng sóng so với vòng bánh răng cứng. Sự khác biệt về răng của vòng bánh răng sóng và vòng bánh răng cứng tạo ra tỷ số truyền giữa tốc độ đầu vào và tốc độ đầu ra. 6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.3 Ứng dụng và ưu nhược điểm 2.1 Ứng dụng Bộ giảm tốc Harmonic có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ các máy móc thiết bị lớn cho đến các thiết bị bộ phận máy nhỏ nhờ cấu trúc nhỏ gọn, độ chính xác đáng tin cậy của mình.
- Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ: Với sự phát triển nhanh chóng về công nghệ không gian và yêu cầu về ứng dụng, hiệu suất ngày một lớn trong khi yêu cầu thiết kế về trọng lượng nhẹ, nhỏ gọn nhưng vẫn đảm bảo được độ chính xác của sản phẩm thì bộ giảm tốc điều hòa Harmonic được ưu tiên sử dụng với đặc tính độ chính xác cao, mômen xoắn cao và độ rơ thấp và đáp ứng được các nhu cầu về thiết kế cũng như là trọng lượng của mình. Ví dụ: Đối với các sản phẩm vệ tinh, các cơ chế truyền động ăng ten, cơ chế định vị, cơ chế quét, cơ chế dẫn động bánh xe đều có thể áp dụng công nghệ truyền động điều hòa với độ chính xác cao của bộ giảm tốc Harmonic. Đối với máy bay, bộ giảm tốc điều hòa Harmonic có thể được sử dụng trong hệ thống phanh, hệ thống điều khiển cánh tà máy bay, hệ thống treo và thu vào của thiết bị hạ cánh, hệ thống truyền động giảm tốc của động cơ hàng không với hiệu suất cũng như độ chính xác cao của mình.5 HD áp dụng vào hàng không vũ trụ 7 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI - Trong lĩnh vực thiết bị công cụ máy móc: Bộ giảm tốc Harmonic được sử dụng trong rất nhiều máy công cụ như máy mài, máy tiện, máy phay. Chúng thường sử dụng cho bàn quay, bộ thay đổi công cụ, trục, .6 HD áp dụng trên máy CNC - Trong lĩnh vực robot công nghiệp: Bộ giảm tốc Harmonic thường được sử dụng trong các khớp nối quay, trục chính, trục vai, trục khuỷu tay, trục tay,.
nhằm đảm bảo không có độ rơ, công suất mômen lớn cũng như độ lặp lại vị trí tốt của sản phẩm.7 HD áp dụng trên robot sản xuất - Trong lĩnh vực sản xuất thiết bị điện tử: Với việc lắp ráp các bộ phận điện tử cực nhỏ, với độ chính xác về vị trí cao ở tốc độ trong dây truyền sản xuất có thể được kiểm soát thì bộ giảm tốc Harmonic là sự lựa chọn tốt nhất trong lĩnh vực này. 8 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Hình 2.8 HD áp dụng vào quy trình sản xuất thiết bị điện tử - Trong thiết bị y tế: Bộ giảm tốc Harmonic được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị y tế bao gồm những chiếc giường phẫu thuật có thể điều chỉnh một cách hoàn hảo để ca phẫu thuật được suôn sẻ, cũng như trong các robot phẫu thuật đòi hỏi độ chính xác và tin cậy cao.9 HD áp dụng vào thiết bị y tế - Trong lĩnh vực truyền thông: Ví dụ như ăng ten vệ tinh, radar đòi hỏi tốc độ, cũng như độ chính xác cao trong môi trường khắc nghiệt, vì vậy bộ giảm tốc Harmonic cũng được sử dụng một cách khéo léo nhằm đảm bảo được các yêu cầu cần thiết. 9 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Hình 2.10 HD áp dụng vào lĩnh vực truyền thông 2.