Nghiên cứu lý thuyết tạo hình và xây dựng phần mềm tự động thiết kế bánh răng Hypoit

Nội dung text: Nghiên cứu lý thuyết tạo hình và xây dựng phần mềm tự động thiết kế bánh răng Hypoit

1. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TẠO HÌNH VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG THIẾT KẾ BÁNH RĂNG HYPOIT Phan Bình Nguyên1 Tóm tắt: Hiện nay nhu cầu thiết kế và chế tạo mới các bộ truyền bánh răng hypoit để thay thế trong ngành máy xây dựng, vận tải ngày càng lớn. Việc ứng dụng máy tính vào hỗ trợ thiết kế và gia công còn hạn chế dẫn đến hiệu quả và chất lượng chưa cao. Trong phạm vi bài báo này, tác giả giới thiệu về lý thuyết tạo hình của bánh răng hypoit, cùng với các bước xây dựng phần mềm tự động tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng hypoit. Phần mềm này là cơ sở quan trọng để nâng cao năng suất, chất lượng thiết kế cũng như để đưa ra các thông số cho phép điều khiển máy máy công cụ CNC gia công bánh răng. Từ khóa: bánh răng hypoit, lý thuyết tạo hình của bánh răng hypoit, VBA. I. Đặt vấn đề bao hình Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền Sự tạo hình bề mặt răng bánh răng bởi bề mặt kinh tế thì các thiết bị vận tải và máy xây dựng dụng cụ cắt dựa trên thuyết bao hình của họ bề được sử dụng ngày càng nhiều. Hệ thống truyền mặt (hoặc bao hình của họ đường với không động của các loại ôtô, máy xây dựng đa phần gian 2 chiều trong trường hợp bánh răng phẳng). đều sử dụng bánh răng côn răng cong hypoit hệ Chúng ta sử dụng kí hiệu 1 và 2 lần lượt cho Gleason ở cụm cầu sau. bề mặt tạo hình (bề mặt dụng cụ) và bề mặt Trải qua quá trình sử dụng thì nhu cầu thay được tạo hình (bề mặt bánh răng). Hệ tọa độ S1, thế đối với bộ truyền này là rất lớn, vì vậy thiết S2, Sf lần lượt được gắn cứng với 1, 2 và máy kế và chế tạo các bộ truyền mới là hết sức cần gia công (trên máy có trục quay của 1 và 2 – thiết. Việc đi sâu nghiên cứu lý thuyết ăn khớp trục mang dụng cụ, trục mang phôi bánh răng). của bánh răng hypoit, xây dựng phần mềm hỗ  được biểu diễn bởi: 1   trợ thiết kế sẽ giúp nâng cao hiệu quả, chất  1 r1  r 1 lượng trong thiết kế và chế tạo bộ truyền. r1 u, C , 0, u ,  E (2.1) (2.1) u   II. Cơ sở lý thuyết và các nguyên lý tạo 1 Trong đó C thể hiện r1 có đạo hàm riêng hình bề mặt răng     2.1. Nguyên lý gia công bánh răng côn răng liên tục ít nhất là theo u. r1 r 1 0 thể hiện cong hypoit hệ Gleason u  Nguyên lý gia công bánh răng côn răng cong 1 là một bề mặt chính qui. hypoit hệ Gleason dựa theo nguyên lý ăn khớp cưỡng bức giữa bánh dẹt sinh tưởng tượng và phôi bánh răng. Phôi bánh răng được định vị trên máy sao cho khi nó lăn trên bề mặt của bánh dẹt sinh thì bề mặt của răng sẽ được bao bởi bề mặt của bánh dẹt sinh. Hình 2.1 minh họa bánh dẹt sinh. Hình 2.2 chỉ ra các bộ phận chính của máy gia công bánh răng côn răng cong hypoit. 2.2. Lý thuyết tạo hình bề mặt biên dạng răng bánh răng 2.2.1. Tạo hình bề mặt răng theo nguyên lý Hình 2.1 Bánh dẹt sinh KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 71
2.       r2 r 2 r 2 1 . f u , ,  0, f C u      r1  r 1 (12) Hoặc .v f u , ,  0 u  2 2 fu f  0 fu f f   2        u, ,  r1 r1 r 1 r 1 (12) 0 g1 v u u   u    2  r1  r 1 r1  r 1 (12) Hình 2.2 Các thiết lập cơ bản của máy gia công v  u    Sử dụng phép chuyển hệ tọa độ từ S1 sang S2 Khi đó bao hình của họ tồn tại trong miền chúng ta có phương trình họ bề mặt 1 biểu diễn 1 trong S2 là: lân cận của điểm M và có thể biểu diễn bởi:   T (2.2) u, ,  , f u ,  ,  0 r2 u, ,  x2 u ,  ,  ,  y u ,  ,  , z 2 u ,  ,  (2.2) r 2 Trong đó  là tham số của chuyển động tạo Việc đi sâu vào nghiên cứu quá trình tạo hình hình. Khi  không đổi, phương trình trên là bề mặt biên dạng răng cho phép chúng ta hiểu phương trình của bề mặt 1 biểu diễn trong hệ rõ về các chuyển động tạo hình, cách điều chỉnh tọa độ S2. máy để đạt được các chuyển động đó. Nắm Bao hình 2 sẽ tiếp xúc với tất cả các mặt của vững được các thông số điều chỉnh máy, thông họ 1. Bề mặt 2 sẽ là nghiệm của hệ dưới đây số hình học của bánh răng côn răng cong là tiền (điều kiện cần đề tồn tại bao hình): đề để tạo ra một chương trình tự động tính toán  thiết kế bộ truyền này. r 2 u,,     III. Xây dựng phần mềm tự động thiết kế r  r  r (2.3) b ộ truyền bánh răng hypoit 2 2 . 2 f u , ,  0 Trên thế giới hiện cũng đã xuất hiện nhiều u    phần mềm cho phép thiết kế và điều khiển máy 2.2.2. Điều kiện đủ để tồn tại bao hình phục vụ cho việc chế tạo bánh răng côn răng Điều kiện đủ để tồn tại bao hình của một họ cong, nổi bật nhất phải kể đến là HyGears của bề mặt sẽ đảm bảo bao hình tồn tại thực sự, mặt hãng Gleason. Tuy nhiên những phần mềm này đó là mặt tiếp xúc với các bề mặt của họ  và là 1 thường đi kèm với máy và giá thành rất cao. bề mặt chính qui (không có điểm kì dị). Những Ở nước ta hiện nay khâu thiết kế bánh răng điều kiện đó được trình bày bởi Zalgaller (1975) côn răng cong vẫn phải thực hiện bằng và được bổ sung bởi Litvin (1968, 1994) để có phương pháp tính toán thủ công và chưa có thể ứng dụng vào lý thuyết ăn khớp [5]. một phần mềm chuyên dụng phục vụ cho công Cho bề mặt tạo hình chính qui 1 biểu diễn tác thiết kế và chế tạo. Để khắc phục tình trong hệ tọa độ S bởi: 1   trạng này, chúng ta ứng dụng máy vi tính vào  2 r1  r 1 thiết kế bánh răng côn cong hypoit (CAD). r1 u, C , 0, u ,  E u  Việc ứng dụng CAD sẽ mở ra hướng để chúng Họ bề mặt 1 trong S2 kí hiệu là  được ta có thể sử dụng gia công với sự hỗ trợ của  biểu diễn bởi: r 2 u,,,  a  b máy tính (CAM) để sản xuất bánh răng côn cong hypoit ở trong nước. Giả sử tại điểm M ,, thỏa mãn u0 0 0 Dưới đây là 3 bước chính để ứng dụng CAD những điều kiện sau: trong thiết kế bánh răng hypoit hệ Gleason. 72 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012)
3. 3.1 Xây dựng hệ cơ sở dữ liệu (1) Nhập dữ liệu ban đầu – (2) Tính toán, xử lí Quá trình thiết kế bộ truyền bánh răng hypoit dữ liệu – (3) Thể hiện kết quả bằng hình vẽ. gồm những bước sau: (1) Tính toán các thông Với những nội dung chính nêu trên, lưu đồ thuật số hình học – (2) Kiểm nghiệm điều kiện bền – toán chương trình sẽ có dạng như trong hình 3.1. (3) Hiệu chỉnh để đạt yêu cầu và tiến hành vẽ 3.3 Lập chương trình cặp bánh răng. Chương trình sẽ gồm hai môđun chính là: 3.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán và giải thuật (1) Tự động hóa tính toán các thông số hình Để có thể tự động tính toán thiết kế một bộ học cũng như kiểm tra bền bộ truyền truyền bánh răng hypoit theo hệ Gleason cần Tự động hóa quá trình vẽ các bản vẽ bánh phải thực hiện theo những nội dung chính sau: răng côn răng cong hypoit hệ Gleason. Nhập số liệu đầu vào (n,N, rC, , D, , FG, , E, hướng xoắn) Kiểm tra số Sai liệu đầu vào Đúng Tính toán điều chỉnh các số liệu vào (mG, góc côn chia, góc dịch, chiều dài côn trung bình ) Tính toán các thông số hình học của bộ truyền Tính ứng suất tiếp xúc Sc và ứng suất uốn St Tính ứng suất cho phép Swc và Swt Sc < Swc Sai St < S wt Đúng Tạo tệp dữ liệu phục vụ Tạo tệp dữ liệu cho việc tạo bản vẽ thiết kế điều chỉnh máy gia công Dữ liệu vẽ Đúng Kiểm tra tính lôgic của Sai số liệu vẽ Mở mới một tệp AutoCAD Thiết lập các đối tượng vẽ cơ bản: lớp, màu và nét vẽ, kiểu chữ, kiểu ghi kích thước Vẽ bộ truyền bánh răng và ghi các thông số cơ bản Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán của chương trình KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 73
4. Công cụ thiết lập: Chúng ta chọn Microsoft CreateObject("AutoCAD.Application") Excel để hỗ trợ tính toán và làm nền để xây End If dựng phần mềm, chọn môi trường AutoCAD để AppActivate AcadApp.Caption, vbMaximizedFocus thể hiện bản vẽ thiết kế. Sử dụng Visual Basic AcadApp.Visible = True for Application (VBA) được tích hợp sẵn trong 'Tạo kiểu chữ trong Style "Standard" môi trường Excel và AutoCAD để lập trình. Set TxtStyleObj = Thiết lập phần tự động hóa tính toán: Các AcadApp.ActiveDocument.TextStyles.Item("Standard") phần số liệu đầu vào, tính toán và điều chỉnh, TxtStyleObj.SetFont ".VnArial", False, False, 0, 34 tính toán thông số hình học, kiểm tra bền được 'Tạo lớp có tên Duongtam để vẽ bố trí trong các sheet khác nhau. If Duongtam Is Nothing Then Thiết lập phần xuất bản vẽ tự động: Sử dụng Set Duongtam = VBA Automation để liên kết phần tính toán AcadApp.ActiveDocument.Layers.Add("Duongtam") trong Excel và phần vẽ trong AutoCAD. Hình End If 3.2 thể hiện mô hình tham chiếu từ VBA Duongtam.Color = acRed Automation đến hai ứng dụng Excel (ExcelApp) 'Vẽ đoạn thẳng và AutoCAD (AcadApp). Dưới đây trích dẫn Set DoanthangL(1) = một đoạn code của chương trình. AcadApp.ActiveDocument.ModelSpace.AddLine(Diem1 'Mở một tệp AutoCad P, Diem4P) On Error Resume Next Bảo mật: Bảo mật đóng vai trò quan trọng, Set AcadApp = GetObject(, "AutoCAD.Application") nhằm để tránh người dùng có thể sửa đổi hoặc If Err <> 0 Then sử dụng những dữ liệu quan trọng trong chương Err.Clear trình. Ở đây sử dụng đồng thời hai cách là: bảo Set AcadApp = mật bảng tính và bảo mật VBA. Hình 3.2 Mô hình tham chiếu từ VBA đến các đối tượng trong Excel và AutoCAD 3.4 Chạy thử, kiểm tra kết quả phần mềm Sau khi chạy thử ta có bảng so sánh một số thông số chính: Bảng tóm tắt kết quả của phần mềm Kết quả của Kết quả của Số liệu đã được Thông số chương trình (hệ SI) chương trình (hệ Anh) kiểm chứng [2] Chiều rộng vành răng FP = 46,73579 FP =1,840 FP =1,840 FG = 40,64000 FG =1,600 FG = 1,600 Lượng dịch hypoit E = 38,10000 E =1,500 Góc ăn khớp  =200  =200 Mặt lõm bánh răng nhỏ 1=15,498500 1=15,4980 Mặt lồi bánh răng nhỏ 2=24,501500 2=24,5020 74 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012)
5. 106.6723 22.2192 30.4800 42.7390 27.8243° 16.6310 23.7180° 20.7578° 8.3392 192.0000 193.7435 93.7317 104.0524 60.8396° 65.0739° 11.4666 66.6641° 34.2464 Hình 3.3 Kết quả của phần mềm dưới dạng bản vẽ IV. Kết luận hiệu quả, chất lượng thiết kế bộ truyền. Đây Như vậy ta đã xây dựng được phần mềm tự cũng là cơ sở để ta có thể phát triển tích hợp các động tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn thông số điều chỉnh máy gia công bánh răng dẫn răng cong hypoit hệ Gleason với mức độ chính đến hoàn thiện qui trình từ thiết kế đến gia công xác đạt yêu cầu. Phần mềm sẽ giúp nâng cao bộ truyền. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alec Stokes(1992), SAE Manual Gearbox Design, Butterworth - Heinemann Ltd. [2] ANSI/AGMA 2005-D03, Design Manual for Bevel Gears, AGMA. [3] ANSI/AGMA 2003-B97, Rating The Pitting Resistance And Bending Strength Of Generated Straight Bevel, Zerol Bevel and Spiral Bevel Gear Teeth. AGMA. [4] Faydor L. Litvin, Alfonso Fuentes, Gear Geometry and Applied Theory, Cambridge University Press, New York. [5] Faydor L. Litvin, Development of Gear technology and Theory of Gearing, NASA RP 1406. [6] Nguyễn Ngọc Mai, Microsoft Visual Basic 6.0 & Lập trình CSDL, Nxb Giáo dục, Hà Nội [7] Phan Bình Nguyên (2011), Luận văn thạc sỹ khoa học, Nghiên cứu lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng hypoid, xây dựng phần mềm tự động tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng cong dạng hypoid, Đại học Bách khoa Hà Nội. [8] Nguyễn Hồng Thái, Cơ sở lập trình tự động hóa tính toán, thiết kế với VB&VBA trong môi trường AutoCAD, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. Abstract: RESEARCHING ON THEORY OF GENERATION AND BUILDING SOFTWARE TO DESIGN HYPOID GEAR Currently, in construction industry and transportation industry there is a great need for designing and machining new hypoid gear to replace gear sets which are out of order. Because computers are used very little in aided design and manufacturing, the performance and quality are not high. In this paper, the author introduces the theory of generation of hypoid gear, and the procedure of software building to design hypoid gear. This software is the important basic to improve efficiency and quality of design as well as to expose parameters which are used in set up gear CNC machine tools. Keyword: hypoid gear, the theory of generation of hypoid gear, VBA. Người phản biện: PGS.TS. Nguyễn Đăng Cường BBT nhận bài: 04/12/2012 Phản biện xong: 10/12/2012 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 39 (12/2012) 75