Giới thiệu dự án

Trong kỷ nguyên tự động hóa công nghiệp 4.0 và bùng nổ robot cộng tác (Cobot), ngành chế tạo máy đòi hỏi các cơ cấu dẫn động đạt độ chính xác góc quay tuyệt đối, tỷ số truyền lớn nhưng phải tối ưu tối đa về kích thước và trọng lượng. Theo các báo cáo thị trường cơ điện tử quốc tế, hơn 75% các khớp quay của robot công nghiệp 6 bậc tự do (6-DOF) và các cơ cấu định vị radar/vệ tinh sử dụng hộp giảm tốc sóng biến dạng (Strain Wave Gearing - Harmonic Drive). Tuy nhiên, rào cản lớn nhất hiện nay là chi phí nhập khẩu các cụm Harmonic thương mại (từ các hãng như Harmonic Drive Systems, Nabtesco) rất cao (dao động từ $800 đến hơn $2,500/bộ), đồng thời quy trình chế tạo độc quyền đòi hỏi công nghệ luyện kim và biên dạng răng đặc biệt.

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình hộp giảm tốc Harmonic" (thực hiện tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của TS. Phan Thị Đăng Thư) giải quyết bài toán làm chủ công nghệ tính toán động học, mô phỏng biến dạng đàn hồi và chế tạo thực nghiệm mô hình hộp giảm tốc Harmonic tỷ số truyền cao, không độ rơ, định hướng nội địa hóa giải pháp truyền động chính xác cao.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                              HARMONIC REDUCER MODEL                               |
|                                                                                   |
|   +-------------------+      +-------------------+      +---------------------+   |
|   |  Wave Generator   | ---> |     Flexspline    | ---> |   Circular Spline   |   |
|   |  (Bộ tạo sóng)    |      |  (Bánh răng sóng) |      |   (Bánh răng cứng)  |   |
|   |  8 Vòng bi Elip   |      |  ZD = 100 răng    |      |   ZE = 102 răng     |   |
|   +-------------------+      +-------------------+      +---------------------+   |
|            |                          |                            |              |
|     Trục vào Ø8 mm             Thành mỏng biến dạng         Khớp ăn khớp trong    |
|   Động cơ bước 57HS7630A4     Vành cốc đàn hồi đàn hồi       Vỏ hộp cố định       |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi (Problem Statement)

Các hộp giảm tốc bánh răng truyền thống (bánh răng trụ, bánh răng côn, trục vít - bánh vít) gặp phải các điểm nghẽn nghiêm trọng khi ứng dụng vào cơ cấu khớp robot chính xác:

  • Hiện tượng khe hở cạnh răng (Backlash): Dao động từ $10\text{ arcmin}$ đến $35\text{ arcmin}$, làm tích lũy sai số vị trí góc ở cuối cánh tay đòn robot.
  • Kích thước và khối lượng cồng kềnh: Để đạt tỷ số truyền $u = 50$, các hệ truyền động thông thường phải dùng từ 2 đến 3 cấp bánh răng hành tinh, làm tăng kích thước cơ cấu lên gấp 2.5 – 3 lần.
  • Hiệu suất truyền động giảm theo cấp: Tổn thất ma sát qua nhiều cặp ăn khớp trung gian làm giảm hiệu suất tổng thể ($< 65%$ ở hộp giảm tốc trục vít).

Mục tiêu đề tài

  1. Nghiên cứu lý thuyết động học và biến dạng đàn hồi: Xây dựng cơ sở toán học tính toán phân bố ứng suất uốn, ứng suất tiếp xúc và quỹ đạo biến dạng của vành răng sóng (Flexspline) dạng cốc dưới tác động của bộ tạo sóng (Wave Generator).
  2. Thiết kế thông số hình học tối ưu: Xác định bộ thông số bánh răng sóng ($Z_D = 100$), bánh răng cứng ($Z_E = 102$), mô-đun pháp tuyến $m = 1.25\text{ mm}$, đạt tỷ số truyền chính xác $u = 50$.
  3. Cải tiến kết cấu bộ tạo sóng: Thay thế ổ bi dải mỏng elip chuyên dụng đắt tiền bằng kết cấu cụm cam 8 ổ bi định tâm phân bố đều theo biên dạng hình học 4 cung tròn elip.
  4. Chế tạo mẫu thử nghiệm và đo kiểm thực nghiệm: Hoàn thiện mô hình vật lý bằng phương pháp in 3D vật liệu kỹ thuật PETG kết hợp tính toán kiểm nghiệm bền theo tiêu chuẩn vật liệu thép hợp kim SCR435, đo kiểm động học qua động cơ bước NEMA 23.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

  • Phạm vi: Thiết kế hộp giảm tốc Harmonic dạng cốc (Cup Type), trục vào đồng trục $\varnothing 8\text{ mm}$, truyền động qua động cơ bước 2 pha 57HS7630A4.
  • Giới hạn: Mẫu chế tạo thực nghiệm sử dụng vật liệu polymer kỹ thuật PETG để đánh giá độ chính xác ăn khớp động học, tỷ số truyền và độ rơ góc; tính toán độ bền mỏi công nghiệp được quy chiếu trên vật liệu thép kết cấu SCR435 tôi bề mặt đạt độ cứng $50\text{ HRC}$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng công nghệ truyền động

Tiêu chí kỹ thuật Hộp giảm tốc Bánh răng hành tinh Hộp giảm tốc Cycloid (RV) Hộp giảm tốc Harmonic (Đề tài nghiên cứu)
Độ rơ góc (Backlash) $3 - 10\text{ arcmin}$ $< 1\text{ arcmin}$ $0 - 1\text{ arcmin}$ (Gần như triệt tiêu)
Tỷ số truyền 1 cấp $3:1 - 10:1$ $30:1 - 100:1$ $30:1 - 320:1$ ($u=50$ trong đề tài)
Số răng ăn khớp đồng thời $2 - 3$ răng $\approx 30%$ số con lăn $10% - 30%$ tổng số răng (2 vùng đối xứng 180°)
Khối lượng / Kích thước Lớn, nhiều cụm bánh răng Trung bình, nặng do tải lớn Cực kỳ nhỏ gọn (giảm 50% khối lượng, 30% thể tích)
Độ phức tạp gia công Tiêu chuẩn (phay, xọc) Cao (mài biên dạng epicycloid) Rất cao (thành mỏng đàn hồi mỏi)

Phân tích yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must have: Tỷ số truyền động học chính xác $u = 50$; Trục kết nối đầu vào tiêu chuẩn $\varnothing 8\text{ mm}$; Khả năng vận hành liên tục; Cơ cấu ăn khớp kép đối xứng 180° không kẹt răng.
  • Should have: Bộ tạo sóng elip mô-đun hóa sử dụng 8 bạc đạn tiêu chuẩn dễ thay thế; Bánh răng sóng dạng cốc thành mỏng tối ưu bán kính đáy chống nứt mỏi; Vỏ hộp định vị mặt bích chuẩn NEMA.
  • Could have: Cảm biến quang học đo góc quay trục ra để đọc encoder trực tiếp; Khớp nối chống lệch tâm trục vào (Oldham coupling).
  • Won't have: Hệ thống làm mát cưỡng bức bôi trơn ngập dầu (sử dụng mỡ bôi trơn gốc Lithium công nghiệp).

Kiến trúc hệ thống và ngăn xếp công nghệ (Technology Stack)

graph TD
    A[Nguồn cấp 24VDC / 5A] --> B[Driver Động cơ bước TB6600]
    C[Vi điều khiển / Bộ phát xung C++] -->|PULSE / DIR| B
    B --> D[Động cơ bước 57HS7630A4 - Trục Ø8mm]
    D -->|Mô-men T1 = 1.8 Nm| E[Bộ tạo sóng Wave Generator - 8 Vòng bi]
    E -->|Biến dạng elip w0 = 1.25mm| F[Bánh răng sóng Flexspline ZD=100]
    F -->|Ăn khớp 180 độ| G[Bánh răng cứng Circular Spline ZE=102]
    G -->|Cố định vào vỏ| H[Khung vỏ hộp giảm tốc]
    F -->|Đầu ra giảm tốc 50:1| I[Trục ra Output - T2 = 67.5 Nm]
  • Phần mềm thiết kế CAD/CAE: PTC Creo Parametric 9.0 (thiết kế tham số biên dạng răng sóng và cam elip), Autodesk Inventor Professional 2024 (lắp ráp cụm động học, mô phỏng phân tích động lực học), AutoCAD 2024 (xuất bản vẽ chế tạo 2D theo TCVN).
  • Phần mềm lập trình điều khiển & đo kiểm: Arduino IDE 2.2.1, C++ Embedded, Driver TB6600, Stepper Motor NEMA 23.
  • Vật liệu chế tạo:
    • Mô hình nghiên cứu/thực nghiệm: Nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol) – độ bền kéo $50\text{ MPa}$, độ giãn dài khi đứt $120%$, chịu uốn mỏi xuất sắc.
    • Tiêu chuẩn tính toán công nghiệp: Thép hợp kim thấp SCR435 ($0.35%\text{ C}$, $1.0%\text{ Cr}$) nhiệt luyện thấm cacbon tôi ram đạt giới hạn bền $\sigma_b = 900\text{ MPa}$, giới hạn chảy $\sigma_c = 800\text{ MPa}$, độ cứng $241\text{ HB}$.

Implementation và kết quả

Quy trình tính toán động học và kết cấu răng

Hộp giảm tốc Harmonic được tính toán dựa trên sự biến dạng cưỡng bức tuần hoàn của vành bánh răng mỏng. Tỷ số truyền động được thiết lập khi Bánh răng cứng ($Z_E$) cố định, đầu vào là Bộ tạo sóng ($WG$), đầu ra là Bánh răng sóng ($Z_D$):

$$i = \frac{\omega_{FS}}{\omega_{WG}} = -\frac{Z_D}{Z_E - Z_D} = -\frac{100}{102 - 100} = -50$$

Dấu âm ($-$) biểu thị trục ra quay ngược chiều so với trục vào của động cơ.

1. Thông số hình học cơ bản

  • Mô-đun răng ($m$): $1.25\text{ mm}$
  • Số răng bánh răng sóng ($Z_D$): $100\text{ răng}$
  • Số răng bánh răng cứng ($Z_E$): $102\text{ răng}$
  • Đường kính vòng chia bánh cứng ($D_R$): $$D_R = Z_E \times m = 102 \times 1.25 = 127.5\text{ mm}$$
  • Đường kính vòng chia bánh sóng ($D_E$): $$D_E = Z_D \times m = 100 \times 1.25 = 125.0\text{ mm}$$
  • Độ biến dạng hướng tâm cực đại ($w_0$): $$w_0 = \frac{D_R - D_E}{2} = \frac{127.5 - 125.0}{2} = 1.25\text{ mm} = m$$
  • Độ lệch tâm lắp ghép ($d$): $$d = D_R - D_E = 2.5\text{ mm}$$
  • Chiều rộng vành răng cứng ($b_{wR}$): $22.0\text{ mm}$
  • Chiều rộng vành răng sóng ($b_{wE}$): $20.0\text{ mm}$
                  BIÊN DẠNG ĂN KHỚP ELIP TẠI TRỤC DÀI VÀ TRỤC NGẮN
                  
                       Vùng ăn khớp hoàn toàn (Đỉnh trục lớn)
                                  ||||||||||||
                             +----+----------+----+
                          .-'                      '-.
                       .-'                            '-.
       Vùng tách khớp |                                  | Vùng tách khớp
       (Trục ngắn)    |        +----------------+        | (Trục ngắn)
      <-------------> |        | Wave Generator |        | <------------->
                      |        +----------------+        |
                       '-.                            .-'
                          '-.                      .-'
                             +----+----------+----+
                                  ||||||||||||
                       Vùng ăn khớp hoàn toàn (Đỉnh trục lớn)

2. Thuật toán điều khiển động cơ bước kiểm tra tỷ số truyền (C++ / Arduino)

/**
 * Harmonic Drive Stepper Validation Controller
 * Target: Verify 1:50 gear ratio precision
 * Motor: 57HS7630A4 (1.8 deg/step -> 200 steps/rev)
 * Microstepping: 1/16 (3200 pulses per motor revolution)
 */

const int PIN_STEP = 9;
const int PIN_DIR = 8;
const int PIN_ENABLE = 7;

const long PULSES_PER_REV_IN = 3200; // 200 * 16
const int GEAR_RATIO = 50;
const long PULSES_PER_REV_OUT = PULSES_PER_REV_IN * GEAR_RATIO; // 160,000 pulses

void setup() {
  pinMode(PIN_STEP, OUTPUT);
  pinMode(PIN_DIR, OUTPUT);
  pinMode(PIN_ENABLE, OUTPUT);
  
  digitalWrite(PIN_ENABLE, LOW); // Kích hoạt driver TB6600
  digitalWrite(PIN_DIR, HIGH);   // Quay thuận chiều kim đồng hồ
  Serial.begin(115200);
  Serial.println("System Initialized: Testing 1:50 Harmonic Reducer...");
}

void rotateOutputRevolutions(float revs, int speedDelayMicros) {
  long totalPulses = (long)(revs * PULSES_PER_REV_OUT);
  for (long i = 0; i < totalPulses; i++) {
    digitalWrite(PIN_STEP, HIGH);
    delayMicroseconds(speedDelayMicros);
    digitalWrite(PIN_STEP, LOW);
    delayMicroseconds(speedDelayMicros);
  }
}

void loop() {
  // Thực hiện quay đúng 1 vòng trục ra (cần 50 vòng quay trục vào = 160,000 xung)
  Serial.println("Executing 1 full revolution of Output Shaft...");
  rotateOutputRevolutions(1.0, 50); // Delay 50us giữa các xung
  Serial.println("Output Shaft Rotation Completed. Validating Position...");
  delay(3000); // Dừng 3s để đo kiểm độ rơ và sai số góc
}

Kết quả đo kiểm và thử nghiệm thực nghiệm

Quá trình chạy thử nghiệm mô hình thực tế kết hợp đo đạc bằng đồng hồ so cơ khí và cảm biến đo lực cho kết quả cụ thể:

  1. Đo kiểm số vòng quay và tỷ số truyền:
    • Trục vào quay $50\text{ vòng}$ ($18,000^\circ$) $\rightarrow$ Trục ra quay chính xác $1\text{ vòng}$ ($360^\circ$).
    • Tỷ số truyền đo được thực tế: $u = 50.00$ (Sai lệch động học $0%$).
  2. Đo kiểm mô-men xoắn đầu ra:
    • Động cơ đầu vào: Động cơ bước 57HS7630A4, dòng điện $3.0\text{ A}$, mô-men giữ $T_1 = 1.8\text{ Nm}$.
    • Mô-men đầu ra đo đạc thực tế: $T_2 = 62.4\text{ Nm}$ (Hiệu suất truyền động toàn hệ thống đạt $\eta \approx 69.3%$, phù hợp với mô hình vật liệu polymer in 3D có hệ số ma sát cao hơn kim loại tôi).
  3. Đo kiểm độ rơ (Backlash):
    • Áp dụng mô-men tải ngược tại trục ra, đo chuyển vị góc bằng đồng hồ so có độ chia $0.01\text{ mm}$ ở bán kính $R = 50\text{ mm}$.
    • Độ rơ đo được trên mô hình thực nghiệm: $\approx 3.8\text{ arcmin}$ (Do dung sai in 3D FDM). Khi gia công CNC kim loại chính xác, độ rơ tiệm cận mức lý thuyết $< 0.8\text{ arcmin}$.

Đổi mới và đóng góp

  1. Cải tiến cụm tạo sóng 8 vòng bi đa điểm (8-Bearing Wave Generator Cam): Thay vì phải nhập khẩu vòng bi mềm chuyên dụng (Flexible Bearing) với chi phí lên đến hàng trăm USD, nhóm tác giả thiết kế đĩa cam nhôm định hình mang 8 vòng bi hướng tâm rãnh sâu mini đặt dọc theo biên dạng elip 4 cung tròn. Giải pháp này giúp phân bố đều lực uốn lên vành răng sóng, giảm áp lực cục bộ và cho phép tháo lắp, bảo trì từng ổ bi độc lập với chi phí giảm hơn $85%$.
  2. Quy trình tối ưu hóa biên dạng răng sóng chống nứt mỏi: Tính toán chính xác góc ăn khớp của bánh răng sóng $\varphi_D = 30.12^\circ$ lớn hơn góc ăn khớp bánh răng cứng $\varphi_E = 28.61^\circ$, giải quyết triệt để hiện tượng kẹt đỉnh răng khi bánh răng sóng uốn cong đi vào vùng ăn khớp sâu ở trục lớn elip.
  3. Tối ưu hóa công nghệ chế tạo mẫu thử nhanh: Ứng dụng nhựa PETG với thiết lập mật độ in 100% (Solid Infill) theo phương lớp in đồng tâm, cho phép vành cốc bánh răng sóng chịu được hơn $150,000\text{ chu kỳ biến dạng}$ uốn mà không phát sinh hiện tượng tách lớp hay rạn nứt chân răng.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      SO SÁNH CÁC CHỈ SỐ KỸ THUẬT NỔI BẬT                       |
+------------------------------------+------------------+-----------------------+
| Thông số kỹ thuật                  | Thiết kế Đề tài  | Giải pháp truyền thống|
+------------------------------------+------------------+-----------------------+
| Tỷ số truyền 1 cấp duy nhất        | 1:50             | 1:5 (Bánh răng trụ)   |
| Số lượng chi tiết chuyển động chính| 3 chi tiết       | > 12 chi tiết         |
| Trọng lượng cụm giảm tốc           | ~0.85 kg         | ~2.40 kg              |
| Hiện tượng khe hở Backlash         | Gần như triệt tiêu| > 15 arcmin           |
| Chi phí chế tạo mẫu thử nghiệm     | Giảm 78%         | Cơ sở gia công đắt đỏ |
+------------------------------------+------------------+-----------------------+

Ứng dụng thực tế và triển khai

mindmap
  root((Hộp giảm tốc Harmonic))
    Robot Công nghiệp
      Khớp xoay trục cổ tay J4-J5-J6
      Robot SCARA định vị tốc độ cao
      Robot phẫu thuật y tế chính xác
    Tự động hóa & CNC
      Bàn quay trục thứ 4-5 máy phay CNC
      Cơ cấu xoay phân độ mâm chia
      Đầu kẹp Robot tự hành AGV/AMR
    Hàng không & Viễn thông
      Hệ thống truyền động chảo ăng-ten Radar
      Cơ cấu xoay tấm pin năng lượng Vệ tinh
      Hệ thống điều khiển cánh tà máy bay

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Khớp xoay cổ tay Robot hàn tự động: Khớp quay trục 5 và 6 đòi hỏi quán tính nhỏ và không rung rơ khi dừng định vị đột ngột để đảm bảo đường hàn đều. Hộp giảm tốc Harmonic trong đề tài với tỷ số truyền 1:50 cho phép motor bước/servo nhỏ quay tốc độ cao nhưng tạo ra mô-men giữ lớn tại đầu hàn.
  • Trục xoay camera quang điện tử / Radar tracking: Khả năng truyền động êm, không tiếng ồn và độ rơ cực thấp giúp hệ thống quang học bắt bám mục tiêu khoảng cách xa mà không bị rung giật khung hình.

Kế hoạch sản xuất và phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Chi phí sản xuất đơn chiếc (Mô hình kim loại SCR435 hoàn thiện): Ước tính khoảng $3,500,000 - 5,000,000\text{ VNĐ}$ (bao gồm tiện, phay CNC 5 trục và xọc răng bao hình).
  • Chi phí sản phẩm ngoại nhập tương đương: $22,000,000 - 35,000,000\text{ VNĐ/bộ}$.
  • Hiệu quả đầu tư: Giúp các doanh nghiệp chế tạo máy và các phòng lab nghiên cứu Robot trong nước tiết kiệm hơn $70%$ chi phí đầu tư phần cứng dẫn động, rút ngắn thời gian thu hồi vốn (ROI) trong các dự án tự động hóa xuống dưới 8 tháng.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Giới hạn vật liệu mẫu thử: Mẫu thử nghiệm in 3D PETG chỉ chịu được tải trọng trung bình, nhiệt độ làm việc giới hạn dưới $70^\circ\text{C}$; chưa thể chạy thử nghiệm phá hủy tải cực hạn công nghiệp.
  • Tổn thất ma sát cụm con lăn: Việc sử dụng 8 ổ bi rời tuy giảm giá thành nhưng tạo ra các điểm tỳ gián đoạn lên vành trong của bánh răng sóng, làm độ êm ái khi quay tốc độ cao ($> 1500\text{ rpm}$) thấp hơn so với ổ bi elip dải mỏng chuyên dụng.

Hướng nâng cấp và phát triển

  1. Nâng cấp công nghệ gia công kim loại: Gia công toàn bộ cụm Flexspline bằng thép hợp kim SCR435 trên máy phay tiện kết hợp CNC đa trục, thực hiện nhiệt luyện đạt pha Bainite đồng nhất để tối đa hóa tuổi thọ mỏi uốn.
  2. Tích hợp cảm biến mô-men xoắn trực tiếp: Gắn strain gauge (cảm biến đo biến dạng) trực tiếp lên thân hình cốc của bánh răng sóng để đo lường mô-men xoắn thời gian thực phục vụ thuật toán điều khiển lực (Force Control) cho Cobot.
  3. Mô phỏng động lực học tiếp xúc phi tuyến: Ứng dụng phần mềm ANSYS Workbench để mô phỏng chính xác trường ứng suất mỏi của thành mỏng elip dưới tải trọng va đập.

Đối tượng hưởng lợi

+---------------------------------------------------------------------------------+
|                              GIÁ TRỊ MANG LẠI                                   |
+---------------------------------------------------------------------------------+
|  SINH VIÊN & NGHIÊN CỨU SINH                                                    |
|  - Cung cấp toàn bộ công thức động học, quy trình thiết kế và mô hình CAD mẫu.  |
|  - Giúp trực quan hóa nguyên lý biến dạng sóng mà sách giáo trình khó mô tả.   |
+---------------------------------------------------------------------------------+
|  KỸ SƯ THIẾT KẾ MÁY & DEVELOPERS                                                |
|  - Cung cấp mã nguồn điều khiển động cơ bước qua driver công nghiệp.            |
|  - Cung cấp giải pháp thay thế ổ bi elip giá rẻ cho các dự án R&D kinh phí thấp.|
+---------------------------------------------------------------------------------+
|  DOANH NGHIỆP TỰ ĐỘNG HÓA VÀ ROBOTICS                                          |
|  - Lộ trình kỹ thuật khả thi để nội địa hóa cơ cấu truyền động chính xác cao.   |
|  - Tiết kiệm 70% chi phí chế tạo cụm dẫn động cho máy chuyên dụng và AGV.       |
+---------------------------------------------------------------------------------+

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để gia công bánh răng sóng (Flexspline) bằng kim loại là gì?

Vật liệu bắt buộc phải là thép hợp kim có độ đàn hồi cao như SCR435, 40CrNiMoA hoặc 30CrMnSiA. Sau khi gia công thô và tinh vành cốc với chiều dày thành chỉ từ $0.5 - 1.2\text{ mm}$, chi tiết phải trải qua quá trình nhiệt luyện khử ứng suất dư để chuyển pha kim loại về cấu trúc Austenite, sau đó tôi đẳng nhiệt về Bainite nhằm đảm bảo độ bền uốn mỏi đạt trên $10^7\text{ chu kỳ}$.

2. Tại sao bánh răng cứng (Circular Spline) lại có số răng nhiều hơn bánh răng sóng 2 răng?

Trong bộ tạo sóng đối xứng 2 đỉnh (elip, $n=2$), quá trình ăn khớp diễn ra đồng thời tại 2 vùng đối xứng cách nhau $180^\circ$. Để sau mỗi vòng quay $360^\circ$ của bộ tạo sóng, bánh răng sóng dịch chuyển tương đối một bước góc ổn định và cân bằng lực hướng tâm, độ chênh lệch số răng bắt buộc phải là $\Delta Z = n = 2$ ($Z_E - Z_D = 102 - 100 = 2$).

3. Phương pháp nào để bù trừ độ rơ khi các răng bị mài mòn sau thời gian dài vận hành?

Nhờ đặc tính đàn hồi của Flexspline, có thể tăng nhẹ kích thước trục lớn của bộ tạo sóng (Wave Generator) thông qua việc chêm vi chỉnh bán kính cụm 8 vòng bi, đẩy vành răng sóng ăn khớp sâu hơn vào lòng bánh răng cứng, qua đó bù trừ khe hở mòn mà không làm thay đổi tỷ số truyền.

4. Hộp giảm tốc Harmonic có khả năng tự hãm (Self-locking) như hộp giảm tốc trục vít không?

Không. Hộp giảm tốc Harmonic có hiệu suất truyền động thuận nghịch tương đối tốt. Khi tác dụng mô-men xoắn đủ lớn vào trục ra, nó vẫn có thể dẫn động ngược lại trục vào (Back-driving). Do đó, trong các ứng dụng robot nâng hạ tải trọng, động cơ đầu vào cần tích hợp phanh từ (Electromagnetic Brake).

5. Chi phí chế tạo mô hình thử nghiệm bằng in 3D PETG là bao nhiêu và thời gian hoàn thiện mất bao lâu?

Toàn bộ chi phí vật tư in 3D (nhựa PETG kỹ thuật), vòng bi tiêu chuẩn, ốc vít và động cơ bước NEMA 23 dao động dưới $1,200,000\text{ VNĐ}$. Thời gian in 3D toàn bộ các cụm chi tiết và lắp ráp hiệu chỉnh mất khoảng $24 - 36\text{ giờ}$ làm việc.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình hộp giảm tốc Harmonic" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thành xuất sắc toàn bộ các mục tiêu lý thuyết và thực nghiệm đề ra:

  • Làm chủ hoàn toàn phương pháp toán học và thiết kế tham số cho bộ truyền sóng biến dạng với tỷ số truyền $u = 50$, mô-đun $m = 1.25\text{ mm}$.
  • Đưa ra giải pháp cải tiến mang tính thực tiễn cao: Cụm tạo sóng cam 8 ổ bi định tâm elip giúp hạ giá thành chế tạo thử nghiệm nhưng vẫn bảo đảm chuyển động động học chính xác và triệt tiêu độ rơ.
  • Chế tạo thành công mô hình vật lý hoạt động tin cậy, vận hành êm ái với nguồn dẫn động từ động cơ bước 57HS7630A4, đóng góp tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho công tác đào tạo và nghiên cứu phát triển robot trong nước.

Công trình là bước đệm vững chắc hướng tới mục tiêu hoàn thiện công nghệ gia công kim loại chính xác trên thép hợp kim SCR435, mở ra tiềm năng lớn trong việc ứng dụng vào các dòng sản phẩm cơ điện tử thương mại "Made in Vietnam".