GIỚI THIỆU TRỤC VÍT ME
Trục vít me (Lead Screw) là cơ cấu gồm một thanh ren được quay tròn để đẩy một đai ốc di chuyển tịnh tiến. Hầu hết các trục vít sử dụng loại ren ACME (loại ren có hình dạng đặc biệt, vuông hoặc hình thang, giúp chịu tải tốt hơn ren ốc thông thường).
Lưu ý quan trọng:
Về mặt kỹ thuật, bạn vẫn có thể dùng một chiếc bu-lông tiêu chuẩn để làm trục vít, nhưng hiệu suất sẽ rất thấp (bị kẹt hoặc mất năng lượng do ma sát). Trục vít ACME được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng truyền động tuyến tính.
ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ TRỤC VÍT ME
1. Tỷ số truyền cực lớn
Những trục vít có mật độ ren dày (nhiều vòng ren trên mỗi inch) sẽ mặc định tạo ra một hệ thống giảm tốc rất lớn. Điều này giúp bạn có lực đẩy cực mạnh nhưng tốc độ di chuyển lại chậm.
2. Ren nhiều đầu mối (Multi-start Threads)
Đây là loại trục vít có nhiều đường ren độc lập chạy song song trên cùng một thân trục.
Lợi ích của ren nhiều đầu mối:
- Giúp đai ốc di chuyển quãng đường dài hơn trong khi trục quay chậm hơn
- Kiểm soát cơ cấu tốt hơn và giảm thiểu hiện tượng vung trục
- Giảm rung lắc mạnh khi trục quay quá nhanh
3. Hệ thống hỗ trợ
Trục vít thường phải kết hợp với vòng bi tuyến tính hoặc thanh trượt để giữ cho cơ cấu di chuyển thẳng hàng và ổn định.
THÔNG SỐ KỸ THUẬT VÀ ĐỊNH DANH
Định danh trục vít me
Trục vít được phân loại dựa trên đường kính và bước ren (pitch) - khoảng cách từ đỉnh một ren đến đỉnh ren tiếp theo, đo dọc theo trục.
| Kích thước phổ biến | Thông số | Đặc điểm | Ứng dụng trong FTC |
|---|---|---|---|
|
1/4-16
|
|
|
Cơ cấu nâng hạ
Hệ thống kẹp
Điều chỉnh góc bắn
|
|
8mm
|
|
|
Cơ cấu chính xác cao
Robot competition cao cấp
Hệ thống định vị
|
Vật liệu đai ốc:
Đai ốc thường được làm bằng đồng thau hoặc nhựa kỹ thuật. Vì cơ chế này hoạt động dựa trên ma sát trượt giữa trục và đai ốc, nên vật liệu làm đai ốc sẽ quyết định hiệu suất vận hành của hệ thống.
- Đồng thau: Độ bền cao, chịu tải tốt, cần bôi trơn
- Nhựa kỹ thuật (Delrin, Nylon): Vận hành êm, tự bôi trơn, chịu mài mòn tốt
TỐC ĐỘ TỚI HẠN (CRITICAL SPEED)
Định nghĩa:
Tốc độ tới hạn là tốc độ mà tại đó một hệ thống cơ học (như trục quay) bắt đầu cộng hưởng mạnh mẽ, gây rung động lớn.
Trục vít có một mức tốc độ tới hạn (critical speed). Nếu bạn quay nhanh hơn mức này, trục sẽ đạt đến tần số dao động riêng và bắt đầu rung lắc dữ dội (giống như sợi dây nhảy bị vung mạnh).
Công thức tính Tốc độ tới hạn
Trong đó:
- N_c: Tốc độ tới hạn (RPM)
- L: Khoảng cách giữa hai gối đỡ trục
- d: Đường kính chân ren (phần lõi nhỏ nhất của trục vít)
- C: Hằng số phụ thuộc vào kiểu gối đỡ ở hai đầu
- E: Mô đun đàn hồi của vật liệu
- ρ: Khối lượng riêng của vật liệu
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tới hạn:
- Đường kính trục: Đường kính càng lớn, tốc độ tới hạn càng cao
- Chiều dài trục: Chiều dài càng ngắn, tốc độ tới hạn càng cao
- Cách cố định hai đầu trục: Gối đỡ càng cứng vững, tốc độ tới hạn càng cao
- Vật liệu trục: Vật liệu có mô đun đàn hồi cao cho tốc độ tới hạn cao hơn
ỨNG DỤNG THỰC TẾ TRONG ROBOT FTC
| Ứng dụng | Cách thức hoạt động | Ưu điểm khi dùng trục vít me | Lưu ý thiết kế |
|---|---|---|---|
|
Điều chỉnh góc bắn
|
Trục vít quay đẩy đai ốc di chuyển, thay đổi góc của khẩu pháo |
Độ chính xác cao
Giữ vị trí mà không cần phanh
Lực giữ tốt
|
Cần hệ thống dẫn hướng
Chọn bước ren phù hợp
Tính toán tải trọng
|
|
Cơ cấu nâng hạ
|
Trục vít nâng toàn bộ cụm cơ cấu lên/xuống |
Tỷ số truyền lớn
Chịu tải trọng nặng
Tự khóa khi dừng
|
Kiểm tra tốc độ tới hạn
Thiết kế chống xoắn
Bôi trơn đầy đủ
|
|
Hệ thống kẹp
|
Trục vít điều khiển khoảng cách giữa hai hàm kẹp |
Lực kẹp mạnh
Điều chỉnh chính xác
Giữ lực mà không tốn điện
|
Tính toán lực kẹp cần thiết
Chọn vật liệu đai ốc phù hợp
Thiết kế bù khe hở
|
ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM
| ƯU ĐIỂM | NHƯỢC ĐIỂM |
|---|---|
Khả năng giảm tốc tự động:Thiết kế nhiều ren trên mỗi inch giúp tạo ra tỷ số truyền lớn, tăng lực đẩy đáng kể cho hệ thống. Tính linh hoạt về tốc độ:Với loại ren nhiều đầu mối, có thể đạt hành trình tịnh tiến lớn ở tốc độ quay thấp, giúp kiểm soát tốt hơn. Hạn chế vung trục:Việc sử dụng ren nhiều đầu mối giúp giảm tốc độ quay của trục, từ đó giảm thiểu hiện tượng rung lắc ở tốc độ cao. Cấu tạo đơn giản & đa dạng vật liệu:Có thể sử dụng đai ốc bằng đồng hoặc nhựa kỹ thuật tùy thuộc vào tải trọng và yêu cầu bôi trơn. Kích thước tiêu chuẩn dễ thay thế:Các kích thước như 1/4-16 và 8mm rất phổ biến, dễ dàng tìm kiếm phụ tùng thay thế trong robotics. |
Hiệu suất thấp:Hoạt động dựa trên ma sát trượt nên hiệu suất chuyển đổi từ momen xoắn sang lực đẩy thấp hơn so với vít me bi (dùng ma sát lăn). Ma sát và nhiệt độ cao:Hệ số ma sát điển hình khoảng 0.15 (cao gấp 30 lần so với vít me bi là 0.005), dẫn đến sinh nhiệt lớn khi vận hành. Tiếng ồn khi vận hành:Thường phát ra tiếng rít hoặc tiếng ồn khó chịu do sự tiếp xúc vật liệu, sự căn chỉnh không thẳng hàng hoặc rung động hệ thống. Giới hạn độ chính xác:Việc chế tạo đạt độ chính xác cực cao (như 1 μm/300mm) là không thực tế về chi phí và thời gian so với vít me bi được mài. Độ nhạy với tải trọng hướng tâm:Rất dễ hư hỏng nếu chịu tải trọng hướng tâm (lực tác động vuông góc (ngang) với trục quay). Khuyến cáo phải giảm tải này xuống dưới 5% tải trọng dọc trục. |
MẸO THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN
Tốc độ di chuyển, lực đẩy cần thiết, hành trình, độ chính xác, tải trọng hướng tâm.
Bước ren nhỏ → lực lớn, tốc độ chậm. Bước ren lớn → tốc độ nhanh, lực nhỏ.
Đồng thau cho tải nặng, nhựa kỹ thuật cho vận hành êm và không cần bôi trơn.
Luôn sử dụng thanh trượt hoặc vòng bi tuyến tính để chịu tải hướng tâm.
Đảm bảo tốc độ vận hành thấp hơn 80% tốc độ tới hạn để tránh rung động.
Sử dụng mỡ bôi trơn chuyên dụng cho trục vít me, đặc biệt với đai ốc đồng thau.
CẢNH BÁO AN TOÀN:
Tránh quá tải: Trục vít me có thể bị biến dạng vĩnh viễn nếu quá tải.
Bảo vệ khỏi bụi bẩn: Bụi và mảnh vụn có thể làm kẹt hệ thống.
Kiểm tra nhiệt độ: Theo dõi nhiệt độ khi vận hành liên tục ở tốc độ cao.
Sử dụng phanh hoặc tự khóa: Đảm bảo hệ thống không di chuyển khi mất điện.