Cơ cấu 4 khâu bản lề không gian

Author
Cơ cấu thuộc loại này có 3 khâu động, các khớp đều là trụ quay.
Để chúng chạy được, đường tâm của tất cả các khớp quay phải đồng quy ở 1 điểm.
Mọi điểm thuộc các khâu động đều chuyển động trên các mặt cầu đồng tâm.
Vì vậy chúng được xếp vào loại cơ cấu cầu, chỉ có chuyển động quay, không có chuyển động tịnh tiến. Công thức tính bậc tự do W có dạng như đối với cơ cấu phẳng:
W = 3.n - 2.p5
n là số khâu động = 3.
p5 là số khớp loại 5 = 4.
Hình và video dưới đây cho thấy rõ các đường tâm khớp cắt nhau ở 1 điểm.
Nếu điểm đồng quy ở xa vô tận thì chúng trở thành cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng.

Hình 1 thể hiện các dạng cơ bản của cơ cấu.
1a: biến chuyển động quay thành lắc.
Xem mô phỏng:
http://www.youtube.com/watch?v=_fO4-0GOmS0

1b: cơ cấu bình hành cầu
Xem mô phỏng:
http://www.youtube.com/watch?v=XQCVg_iXV7U

1c: cơ cấu phản bình hành cầu
Xem mô phỏng:
http://www.youtube.com/watch?v=q0erDDuPO7w

Cơ cấu 1b, 1c truyền chuyển động quay sang quay. Cần có biện pháp vượt qua điểm chết.

Hình 2 thể hiện các dạng ứng dụng của cơ cấu.

2a: biến chuyển động quay liên tục thành chuyển động lắc
Xem mô phỏng:
http://www.youtube.com/watch?v=OE_BTQP3mE8

2b: biến chuyển động quay liên tục thành chuyển động lắc
Xem mô phỏng:
http://www.youtube.com/watch?v=M7r-6CFFuK8

2c: Truyền chuyển động lắc. Tay quay chỉ quay trong phạm vi nhỏ hơn ± 45 độ từ vị trí trên hình.
Xem mô phỏng:
http://www.youtube.com/watch?v=E8WxHclAyMw

Cơ cấu đĩa đảo hình 3a cũng là một dạng của cơ cấu 4 khâu bản lề không gian.
(xem bài: http://www.meslab.org/mes/threads/23196-Co-cau-
?p=127485#post127485)


Khớp Cardan (hình 3b) là ứng dụng hiệu quả nhất của cơ cấu 4 khâu bản lề không gian. Cơ cấu đơn giản hóa của khớp Cardan là cơ cấu hình 3c.
Xem mô phỏng:
http://www.youtube.com/watch?v=Y3QtVdXIKbc

► Mở rộng:

A. Cơ cấu cầu nhiều khâu bản lề (đường tâm của tất cả các khớp đồng quy):

A1. Cơ cấu 6 khâu bản lề không gian, 5 khâu động, 7 khớp quay, hình 3d.

Xem mô phỏng:
http://www.youtube.com/watch?v=lF2btFdXEOA

A2. Khớp trục Thompson (hình 4) có 11 khâu động, 16 khớp trụ quay là sáng chế mới đây, được xem là cuộc cách mạng khớp trục, cũng thuộc loại này.
(xem bài: http://meslab.org/mes/showthread.php?p=89592)

Hình 4

B. Cơ cấu 4 khâu không gian có các khớp khác ngoài khớp bản lề cho phép tạo cơ cấu đa dạng hơn (không cần điều kiện đồng quy).

B1. Dùng khớp cầu ở hai đầu thanh truyền.
Hình 5a: truyền chuyển động quay sang lắc giữa hai trục có vị trí bất kỳ.
Xem mô phỏng:
http://www.youtube.com/watch?v=-KYomnT8xSc

Khi bán kính ổ lớn hơn bán kính tay quay thì tay quay và khớp cầu thành tay quay cầu lệch tâm:

Hình 5b: truyền chuyển động quay sang quay giữa hai trục có vị trí bất kỳ.
Xem mô phỏng:
http://www.youtube.com/watch?v=hXsG7eLSQbQ

Hình 5c: truyền chuyển động quay sang lắc giữa hai trục có vị trí bất kỳ.
Xem mô phỏng:
http://www.youtube.com/watch?v=n44LvAEzovk

B2. Dùng khớp cầu một đầu thanh truyền, đầu kia là khớp trụ trượt loại 4.
Hình 5d: truyền chuyển động quay sang lắc giữa hai trục có vị trí bất kỳ.
Xem mô phỏng:
http://www.youtube.com/watch?v=ZWgupzGoUP8
 


Last edited by a moderator:
Author
Ðề: Cơ cấu 4 khâu bản lề không gian

Bổ sung bài trên:

Khảo sát cơ cấu 4 khâu bản lề không gian cầu

Cơ cấu 4 khâu, 4 khớp quay (bản lề) có tên là cơ cấu 4R (R: Revolute joint).
Nếu đường tâm 4 khâu đồng quy thì gọi là cơ cấu 4 khâu bản lề không gian cầu. Mọi điểm thuộc các khâu động đều chuyển động trên các mặt cầu đồng tâm.
Các thông số hình học quan trọng là (hình 1):

Góc giữa hai đường tâm khớp quay của tay quay (khâu dẫn) màu cam là γ.
Góc giữa hai đường tâm khớp quay của tay quay (khâu bị dẫn) màu xanh ngọc là β.
Góc giữa hai đường tâm khớp quay của thanh truyền màu xanh là α.
Góc giữa hai đường tâm khớp quay của giá là δ.

Khớp Cardan là trường hợp riêng của cơ cấu 4 khâu bản lề không gian cầu, khi α = 90 độ, γ = 90 độ, β = 90 độ.
1 bộ giá trị bất kỳ của 4 góc sẽ cho 1 kiểu chuyển động của trục bị dẫn.
Khoảng 100 trường hợp đã được khảo sát bằng mô phỏng trong Inventor. Một số kết quả điển hình:

a. Với α = 90 độ, γ = 20 độ, β = 90 độ, δ từ trên 20 đến dưới 160 độ. Kết quả:
Trục bị dẫn lắc.
1 chu kỳ hoạt động của cơ cấu ứng với 1 vòng quay của trục dẫn màu cam
Xem mô phỏng:
http://youtu.be/mUB5VDFCZ44

b. Với α = 90 độ, γ = 20 độ, β = 90 độ, δ từ trên 0 đến dưới 20 và từ trên 160 đến dưới 180 độ. Kết quả:
Trục bị dẫn quay toàn vòng, vận tốc không đều.
1 chu kỳ hoạt động của cơ cấu ứng với 1 vòng quay của trục dẫn màu cam
Xem mô phỏng:
http://youtu.be/[MEDIA=youtube]PMh7...m mô phỏng: [URL]http://youtu.be/lTA8tdocU2o

d. Với α = 70 độ, γ = 20 độ, β = 60 độ, δ = 30 độ. Kết quả:
Trục bị dẫn lắc.
1 chu kỳ hoạt động của cơ cấu ứng với 2 vòng quay của trục dẫn.
Xem mô phỏng:
http://youtu.be/NnWwkSXiCBw

e. Với γ = β = 20 độ, α = δ = 60 độ: bộ thông số này có đặc điểm là góc của hai khâu đối diện bằng nhau (như kiểu cơ cấu bình hành phẳng: chiều dài hai khâu đối diện bằng nhau). Kết quả:
Trục bị dẫn quay toàn vòng, vận tốc không đều, dao động vận tốc góc khoảng +/-20% quanh trị số trung bình.
1 chu kỳ hoạt động của cơ cấu ứng với 1 vòng quay của trục dẫn màu cam
Có hiện tượng không ổn định như cơ cấu bình hành phẳng: dễ chuyển thành cơ cấu phản bình hành.
Xem mô phỏng:
http://www.youtube.com/watch?v=XQCVg_iXV7U

► Cách khảo sát nhờ mô phỏng như trên mang tính thực nghiệm, không cơ bản (mò!).
Muốn có kết quả toàn diện nên khảo sát bằng toán học (khó!).



► Kết quả khảo sát ở mục c có thể có ý nghĩa thực tế.
Từ đó đề xuất cơ cấu giảm tốc hình 2a, có α = 90 độ, γ = 10 độ, β = 90 độ. Trục dẫn và trục bị dẫn cắt nhau theo góc δ = γ = 10 độ. Tỷ số truyền là 2, vận tốc trục bị dẫn khá đều, dao động khoảng +/- 1,3% quanh trị số trung bình. Xem đồ thị vận tốc của trục dẫn (màu xanh) và trục bị dẫn (màu đỏ). δ (= γ) càng bé thì dao động vận tốc trục bị dẫn càng bé. Là cơ cấu toàn khớp quay nên dễ chế tạo, truyền động khỏe và êm hơn bánh răng, đai truyền hay xích. Xem mô phỏng:
[MEDIA=youtube]jdZ5ltPg9qw[/MEDIA]&...teokkzau31y5j0&google_view_type#gpluscomments

Hình 2b là bộ giảm tốc tỷ số truyền 4, trục dẫn và trục bị dẫn song song. Hai bộ giảm tốc hình 2a nối tiếp nhau. Dao động vận tốc trục bị dẫn khoảng +/- 2,5% quanh giá trị trung bình. Xem đồ thị vận tốc của trục dẫn (màu xanh) và trục bị dẫn (màu đỏ). Xem mô phỏng:
http://youtu.be/wF-Tm9YCQLI

Hai cơ cấu này được tạo ra trên máy tính, không rõ đã có trong thực tế chưa. Cần thử nghiệm trước khi dùng.

► Chú ý là vẫn có cơ cấu 4R không cần điều kiện đường tâm 4 khâu đồng quy (không phải cơ cấu cầu) mà vẫn chạy được. Ví dụ cơ cấu Bennett, sẽ có dịp bàn đến sau.
 


Last edited:
Author
Ðề: Cơ cấu 4 khâu bản lề không gian

Thêm vài ứng dụng của cơ cấu 4 khâu bản lề không gian cầu:


Hình 2a: Máy nhào bột

γ = 20 độ, β = 90 độ nhưng chuyển động làm việc lại là chuyển động lắc đảo của thanh truyền, quanh giao điểm của 4 khớp quay, nhào bột trong thùng quay. Xem mô phỏng:
http://youtu.be/gYksowpfhFY

Hình 2b: Khớp trục góc

Truyền động giữa hai trục cắt nhau, ở đây là hai trục vuông góc A = 90 độ. Hai cơ cấu 4R cầu nối lưng nhau trong đó góc giữa đường tâm khớp quay của khâu màu cam với tâm trụ nối của nó là 60 độ. Nếu là 90 độ thì sẽ là khớp Cardan kép quen biết. Để trục vào và trục ra đồng tốc, góc giữa trụ nối của khâu màu cam phải bằng A/2 = 45 độ. Khâu màu cam quay tại chỗ mà không cần ổ đỡ cố định. Xem mô phỏng:
http://youtu.be/JgLKdfQHUSg

Hình 2c: Khớp trục góc

Truyền động giữa hai trục cắt nhau, ở đây là hai trục vuông góc A = 90 độ. Chính là khớp Cardan kép quen biết nhưng trục trung gian, khâu màu cam, có hình chữ S, không phải dạng trục. Thực chất có một trục ảo đi qua tâm chữ S và vuông góc với tâm hai khớp quay của khâu chữ S.
Để trục vào và trục ra đồng tốc, góc giữa trục ảo của khâu chữ S màu cam phải bằng A/2 = 45 độ. Khâu màu cam quay tại chỗ mà không cần ổ đỡ cố định. Xem mô phỏng:
http://youtu.be/LI996IZQUoU
 


Last edited:
Author
Ðề: Cơ cấu 4 khâu bản lề không gian

Bạn minhquangclc06m trong bài Persian joint:
http://www.meslab.org/mes/threads/36766-Persian-joint.html
muốn mô phỏng kiểu khớp trục đồng tốc mới, nêu trong bài báo năm 2010:
http://www.sciencepub.net/report/report0205/07_2882_report0205_41_44.pdf
của một giảng viên trường đại học Tehran, Iran. Chắc từ đây có tên gọi Persian joint, khớp trục Ba tư (theo bản nhạc Phiên chợ Ba tư).
Sau đây là nguyên lý làm việc và vài lưu ý về mô phỏng trong Inventor.

Trông thì phức tạp (hình 1a) nhưng khớp trục này cũng thuộc loại cơ cấu 4 khâu bản lề không gian cầu đã nêu, có điều kiện đường tâm 4 khâu đồng quy. Theo tác giả thì khớp có khả năng truyền động đồng tốc giữa hai trục mà góc giao nhau lên tới 100 độ.

Lần lượt xem các cơ cấu dưới đây sẽ hiểu được khớp trục này.

Hình 1b: Cơ cấu 4 khâu bản lề không gian cầu. Nếu một trong hai trục quay đều thì trục kia quay không đều. Xem mô phỏng:
http://youtu.be/o9RZ3goLvWA

Hình 1c: Cơ cấu gồm hai cơ cấu hình 1b nối lưng nhau. Nếu một trong hai trục màu xanh lá quay đều thì trục kia cũng quay đều, khớp đồng tốc. Góc của đường tâm trục màu xám hợp với mỗi đường tâm của hai trục kia phải bằng nhau. Trục màu xám quay tại chỗ, không cần ổ đỡ. Xem mô phỏng:
http://youtu.be/4XJBJdCt8eY

Hình 1d: Biến thể của cơ cấu hình 1c. Khâu màu xám chuyển thành khâu màu xanh. Lưu ý khâu này có đường tâm ảo, bảo đảm điều kiện về góc của cơ cấu hình 1c. Xem mô phỏng:
http://youtu.be/pjVjGtRy6T4

Hình 2a: Một kiểu khớp Ba tư. Nó chính là cơ cấu hình 1d được thêm các khâu để có 3 nhánh truyền lực cho cân bằng. Góc nhọn giữa trục vào và trục ra là 60 độ. Xem mô phỏng:
http://youtu.be/mFoiSRWdW5E

Hình 2b: Một biến thể khác của cơ cấu hình 1c, góc giữa các khớp quay trong từng khâu có khác đi nhưng vẫn bảo đảm điều kiệu của cơ cấu 4 khâu bản lề không gian cầu: đường tâm 4 khâu đồng quy. Khâu màu xám chuyển thành khâu màu xanh. Lưu ý khâu này có đường tâm ảo, bảo đảm điều kiện về góc của cơ cấu hình 1c. Xem mô phỏng:
http://youtu.be/SqQ9FLh9ktM

Hình 2c: Một kiểu khớp Ba tư khác. Nó chính là cơ cấu hình 2b được thêm các khâu để có 3 nhánh truyền lực cho cân bằng. Góc nhọn giữa trục vào và trục ra là 60 độ. Xem mô phỏng:
http://youtu.be/vH8r3lC-Fm4

Hình 1a: Là cơ cấu hình 2c khi truyền động giữa hai trục tạo với nhau góc 90 độ. Xem mô phỏng:
http://youtu.be/M0whLy5hPzg

► Lưu ý về cách lắp và mô phỏng trong Inventor:

- Trên từng chi tiết nên tạo Working point là điểm sẽ là tâm đồng quy của các đường tâm quay của 4 khâu.
- Khi lắp dùng ràng buộc Mate để các Working point trùng nhau.
- Dùng ràng buộc Mate để tạo khớp quay, không dùng Insert.
- Dùng ràng buộc Angle để hai góc giữa đường tâm của khâu có đường tâm ảo với đường tâm của từng trục (vào và ra) bằng nhau và bằng ½ góc giữa đường tâm hai trục vào ra.
 


Last edited:
Ðề: Cơ cấu 4 khâu bản lề không gian

Cám ơn bác rất nhiều, cháu đã làm theo và đã mô phỏng được rồi ạ, Bác có tài liệu nào viết về phân tích động học, động lực học cơ cấu không gian không nói chung và các cơ cấu cầu không ạ, phần này cháu thấy không có nhiều cuốn viết lắm ạ,
 


Author
Ðề: Cơ cấu 4 khâu bản lề không gian

Trên Internet có nhiều lắm. Bạn tìm theo từ khóa:
Spatial mechanism
4R spherical mechanism
 


DUNGQ

New Member
Em đang cần làm cơ cấu. Thanh tuyền ở ngoài có sãn để mua hay khi làm phải tự chế tạo ạ?
 


Top