Разработка конструкций суппорта и привода продольной подачи токарного станка с ЧПУ наклонной станиной

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Аннотация

Заданием данного проекта является разработка конструкций суппорта и привода продольной подачи токарного станка с ЧПУ наклонной станиной.

В курсовом проекте описывается ккинематическая схема приводов подач рабочего органа токарного станка с ЧПУ. Расчетная схема привода подач и крутящих моментов для рабочего и холостого хода. Патентные конструкции передач винт-гайка качения, направляющих качения, предохранительных муфт беззазорных передач. Разработка конструкций передач ходового винта и его опор, передачи винт-гайка и направляющих. Эскизная компоновка привода подач. Расчёт динамического момента привода и проверка электродвигателя. Регулирование натяга в передаче винт-гайка качения. Расчёт передач винт-гайка качения на долговечность. Расчёт ходового винта на продольную и динамическую устойчивость. Расчёт направляющих качения

привод станок суппорт холостой



Введение

Изготовление большинства деталей машин, работающих в любой отрасли промышленности невозможно без применения металлообрабатывающих станков.

Современные металлорежущие станки обеспечивают исключительно высокую точность обработанных деталей. Ответственные поверхности наиболее важных деталей машин и приборов обрабатывают на станках с ЧПУ с погрешностью в доли микрометров.

Особое развитие в последние годы получило числовое программное управление. ЧПУ превращают станок в станочный модуль, сочетающий гибкость и универсальность с высоким уровнем автоматизации. Станочный модуль способен обеспечить обработку заготовок широкой номенклатуры в автономном режиме на основе малолюдной технологии.

Опыт использования станков с ЧПУ показал, что эффективность их применения возрастает при повышении точности, усложнении условий обработки, при многоинструментальной многооперационной обработке заготовок за 1 установ.

Современное серийное производство немыслимо без оборудования с ЧПУ. Выпуск станков с ЧПУ непрерывно растет, быстрыми темпами развивается и видоизменяется само числовое программное управление, что позволяет расширить технологические возможности оснащенного им оборудования, повысить точность обработки, сократить время отработки управляющих программ.

Применение ЧПУ не только изменило характер организации производства в металлообрабатывающих цехах, но и коренным образом повлияло на конструкцию самих станков. Изменился принцип построения кинематических схем и компоновок станков с ЧПУ. Разветвленные кинематические связи уступили место элементарно простым связям с автономными приводами по каждой координат перемещения.

Совершенствование современных станков должно обеспечивать повышение скоростей рабочих и вспомогательных движений при соответствующем повышении мощности привода главного движения. Исключительное значение приобретает повышение надежности станков за счет насыщения их средствами контроля и измерения, а также введения в станки систем диагностирования.

Повышение скоростей рабочих и вспомогательных движений связано с дальнейшим совершенствованием привода станков, шпиндельных узлов, тяговых устройств и направляющих прямолинейного движения. Дальнейшее повышение скоростей потребует поиска новых конструкций, использующих иные физические принципы. Примерами таких конструкций могут послужить широко применяемые за рубежом и внедряемые в отечественном станкостроении «мотор-шпиндели» и линейные двигатели.

Современный станок органически соединил технологическую машину для размерной обработки с управляющей вычислительной машиной на основе микропроцессора. Поэтому специалист-станкостроитель должен хорошо понимать принципы числового программного управления станками владеть навыками подготовки и контроля управляющих программ. Он должен знать устройство и возможности микропроцессорных средств управления, основные их характеристики и возможности применительно к станочному оборудованию.

Автоматической линией (АЛ) называется система станков, технологических агрегатов и вспомогательных устройств, автоматически осуществляющих определенную последовательность ряда технологических операций без участия операторов. Наладчики автоматических линий лишь периодически контролируют работу оборудования и подналаживают его, а также загружают заготовки в начале АЛ и снимают в конце (для загрузки-разгрузки и укладки заготовок могут использоваться ПР).

Автоматические линии предназначены для обработки заготовок резанием, давлением, для металлопокрытий, для получения отливок, термической обработки, сборочных операций; имеются и комплексные автоматические линий.

Автоматические станочные линии по типу оборудования делятся на следующие группы:

а) из агрегатных станков, применяемых в основном для обработки корпусных деталей;

б) из модернизированных универсальных станков, автоматов и полуавтоматов общего назначения, используемых для обработки валов, дисков, зубчатых колее и т. д.;

в) из специальных и специализированных станков, построенных только для этой линии;

г) из станков с ЧПУ и транспортной системы с ПУ, которыми управляет единая программа.

Бурное развитие информатики и микропроцессорной техники подняло на принципиально новый уровень решение многих задач управления технологическими и производственными процессами. Тенденция перехода к автоматизированному производству затронула многие сферы хозяйства, в том числе и машиностроение. В основе автоматизации процессов лежит частичное или полное отстранение человека от непосредственного участия в производственном процессе. В современных условиях прогрессивным может быть только такое производство, которое способно учитывать изменение спроса заказчиков и может быстро переходить на выпуск новой продукции. В результате удается избежать выпуска не находящей спроса продукции бесполезного расходования ресурсов. Развитие автоматизации на ранних этапах характеризовалось отсутствием мобильности, динамичности - создание жестких автоматических линий, предназначенных для массового производства (срок окупаемости таких линий составляет не менее 8 - 10 лет). Однако единичное и мелкосерийное производство оставались практически неавтоматизированными. Именно поэтому возникла принципиально новая концепция автоматизированного производства - гибкие производственные системы (ГПС). Начальным этапом формирования направления автоматизации этих типов производств можно считать 60-е годы, когда впервые было сформулировано понятие "гибкое производство". Под гибкостью станочной системы понимают ее способность быстро перестраиваться на обработку новых деталей в пределах, определяемых техническими возможностями оборудования и технологией обработки группы деталей. Высокая степень гибкости обеспечивает более полное удовлетворение требований заказчика, оперативный переход к выпуску новой продукции, сохранение оправданного характера мелкосерийного производства, автоматизацию технологической подготовке производства на базе вычислительной техники, снижение затрат на незавершенное производство.

Гибкое автоматизированное производство должно обладать следующими признаками:

гибкость состояния системы, то есть способность хорошо функционировать при различных внешних (появление нового ассортимента изделий, изменение технологии и др.) и внутренних (сбои в системе управления станками, отклонения во времени и качестве обработки и т.д.) изменениях;

гибкость действия, то есть обеспечение возможности легко включать в систему новые станки и инструменты для увеличения ее мощности в связи с увеличением объема производства;

гибкость системы группирования, то есть возможность расширения семейства обрабатываемых деталей;

гибкость технологии, определяющая способность системы учитывать изменения в составе выполнения технологических операций;

гибкость оборудования, которая характеризуется способностью системы справиться с переналадками в станках;

гибкость транспортной системы, выражающаяся в бесперебойной и оптимальной загрузке металлорежущего оборудования по определенной, наперед заданной стратегии управления;

гибкость системы обеспечения инструментом;

гибкость системы управления, обеспечивающая наиболее рациональное построение маршрутов обработки и транспортных потоков с точки зрения различных критериев;

организационная гибкость производства, заключающаяся в возможности простого и незамедлительного перехода на обработку любой из освоенных системой деталей.

В настоящее время наиболее перспективными являются так называемые микропроцессорные УЧПУ типа CNC, основной элемент которых -- микрокомпьютер, состоящий из микропроцессора, блока памяти, логических схемных устройств управления и согласования с каналом связи.

Задающим устройством в системе является микропроцессорное УЧПУ, которое в соответствии с введенной УП управляет скоростями приводов подачи (ПП) рабочих органов и привода главного движения (ПГД), т. е. осуществляет управление объектом по жесткой программе. Отличительное свойство таких устройств заключается в том, что формируемый ими управляющий сигнал представляет собой рассогласование запрограммированных и измеряемых датчиками перемещений (ДП) положений рабочих органов станка в данный момент времени.

Текущая информация от датчиков режима (ДР) обработки используется для оптимизации запрограммированного функционирования по принятому для данного случая критерию. Датчики режима реагируют на изменения значения регулируемого параметра, характеризующего объект управления (ОУ). Информацию от ДР можно также представить в виде рассогласования между сигналом, характеризующим расчетный режим обработки, и некоторой величиной, характеризующей текущее значение параметра ОУ.

В УП задаются требуемые перемещения по каждой из / координат станка и контурная скорость, определяющая закон формирования поверхности обрабатываемой детали во времени.

Во всех современных микропроцессорных УЧПУ легко осуществляется операция интерполяции для контурного управления при сложном формообразовании. Запрограммированные данные о значениях перемещений и контурной скорости при этом вводятся в интерполятор УЧПУ. На выходе интерполятора в соответствии с технологическими требованиями и алгоритмом обработки формируются задающие сигналы управления скоростями перемещения рабочих органов станка по координатным осям. При таком управлении задается координата перемещения по соответствующей оси и формируется величина скорости или закон ее изменения, по которому вырабатываются сигналы, подаваемые на приводы подачи станка. УП при этом является технологическим документом о законах перемещения рабочих органов станка. Устройство ввода данных с программоносителя в УЧПУ всегда выполняется таким образом, чтобы не оказывать влияния на текущий процесс обработки.

В зависимости от назначения УЧПУ в его составе используют от одного до четырех, чаще однотипных, микропроцессоров. Для обрабатывающих центров и других сложных станков наиболее рационально строить схему управления так, чтобы каждый микропроцессор специализировался на выполнении определенных функций в составе всего УЧПУ.

Применение микропроцессоров дало возможность коренным образом изменить структуру УЧПУ. Микропроцессоры совместно с другими элементами управления (блоком памяти, устройствами ввода-вывода, синхронизации, управления циклами прерывания и др.) образуют специализированные микроЭВМ, являющиеся ядром современных УЧПУ.



1. Кинематическая схема привода подач рабочего органа токарного станка с ЧПУ

1.1 Принцип работы привода подачи

Момент от электродвигателя 1, через зубчато - ременную передачу (z1=15 и z2=20) 2, передаётся на ходовой винт 3, который вращается и перемещает гайку 4, закреплённую в салазках 5, через которую осуществляется движение продольной подачи салазок 5.

Опорами ходового винта являются: передняя опора - комбинированный радиально-упорный роликовый подшипник 6 ; задняя опора - однорядный радиальный шариковый подшипник 7.

Для контроля положения салазок суппорта установлен датчик обратной связи Д 8, который передаёт информацию к системе УЧПУ. Датчик Д 8 соединяется через присоединительную муфту 9 с ходовым винтом 3.

Защита ходового винта осуществляется с помощью гармоникообразной защиты 10. В качестве защитного средства от стружки, пыли, грязи используется телескопическая защита 11.

Рис.1.1.Описание кинематической схемы привода продольной подачи токарного станка с ЧПУ с наклонной станиной

Рис.1.2.Описание кинематической схемы приводапоперечной подачи токарного станка с ЧПУ с наклонной станиной

1.2 Особенности привода

В приводе продольной подачи используется механизм винт-гайка качения - основной вид тягового устройства для станков с ЧПУ.

Основными преимуществами механизма винт-гайка качения являются: возможность передачи больших усилий, низкие потери на трение ( КПД=0.85), малый крутящий момент на ходовом винте, и др.

На конце ходового винта расположен датчик обратной связи для фиксации положения суппорта в пространстве , что даёт возможность точного позиционирования.

Цепь продольной подачи салазок

КЗ: электродвигатель М3 - салазки

Движение передаётся от электродвигателя М 1 (nн=500 мин-1) через постоянную зубчато-ременную передачу (z1=15 и z2=20) на ходовой винт 3, который вращается и перемещает гайку 4, закреплённую в салазках 5, и сообщает им продольную подачу.

УКБ: nэ*i6*p=(Sпрmin - Sпрmax) мм/мин ;

(nэМ3min - nэМ3max)*(z1\z2)*p= (Sпрmin - Sпрmax); где nэ - частота вращения электродвигателя, мин-1; (nэМ3min - nэМ3max) - диапазон изменения частот вращения двигателя М3 мин-1;

nэmin=0,083 мин-1, nэmax=1000 мин-1;

I передаточное отношение ременной передачи

z1 и z2 числа зубьев шкивоф z1=15, z2=20;

где p - шаг ходового винта; p=16 мм;

( 0,083-1000)*(15/20)*16=(1 - 12000)

1.3 Кинематический расчет приводов подач

1.3.1 Расчет частоты вращения ходового винта при рабочей подаче и быстрых перемещениях электродвигателя привода подачи

Частоты вращения ходового винта определяются по формулам:

и

Где -максимальная подача, мм/мин

мм/мин

-максимальная скорость перемещения, м/мин

м/мин



p-шаг ходового винта, мм; p=16 мм

Рис.1.3.Схема привода подачи токарного станка с ЧПУ с наклонной станиной

1.3.2 Определение передаточного отношения редуктора

Передаточного отношения редуктора определяется из условия

Где и -номинальная и максимальная частоты вращения электродвигателя,

и

1.3.3 Определение фактического передаточного отношения редуктора

Так как: , соответственоо передаточное отношение редуктора будет равно =0,75.

1.3.4 Определение фактических требуемых частот вращения электродвигателя при максимальной подаче и при быстром перемещении.

Эти частоты определяются по формулам:

где i передаточное отношение редуктора

1.3.5 Подбор чисел зубьев ременной передачи

Числа зубьев принимаются из условия

Принимаем и

2. Расчетная схема привода подач и крутящих моментов для рабочего и холостого хода

2.1 Расчетная схема привода подач

Рx - осевая сила резания, Н;

Рy - радиальная сила резания, Н;

Рz - тангенциальная сила резания, Н;

n - частота вращения заготовки, мин-1.

Ra, Rb - нормальные реакции в опорах, Н;

Fтр - сила трения, Н;

Fа - тяговое усилие, Н;

Fи - сила инерции, Н;

Тэ - момент электродвигателя, Н*м;

То - момент сил трения в подшипниках, Н*м;

Твг - момент сил трения на гайке ходового винта, Н*м;

mgz - проекция силы тяжести, Н.

Рис.2.1.Расчетная схема привода продольной подачи токарного станка с ЧПУ с наклонной станиной с приложением всех действующих сил



2.2 Определение крутящих моментов для рабочего и холостого хода

Определение приведенных моментов нагрузок при рабочем ходе.

При рабочем ходе привода в процессе резания равен сумме приведенных моментов, обеспечивающих преодоления составляющих сил резания по направлению подачи, сил трения в подвижных звеньях и неуравновешенных сил тяжести перемещаемых узлов.

.

Приведенный момент вала электродвигателя, составляющих сил резания по направлению подачи определяется по формуле:

где - коэффициент запаса ,

- составляющая силы резания по направлению подачи, Н,

p- шаг ходового винта, p=16 мм,

i- передаточное отношение механического редуктора i=0,75,

- КПД привода подач (КПД передачи винт-гайка качения и ременной передачи .

Расчет приведенного момента вала электродвигателя от составляющих сил резания в направлении подачи

Момент от сил трения в направляющих, приведенный на валу двигателя, определяется для приводов подач с передачей винт-гайка по формуле

Для рабочего хода:

Сила трения от перемещаемых масс узлов привода подач станка и установленной на нем массы детали и от составляющих сил резания, перпендикулярных направлению подачи, в общем случае определяется по формуле:

где f - приведённый коэффициент трения; для направляющих скольжения со смазкой при смешанном трении f=0,02,

- касательная сила резания,

,

- тангенсальная сила резания,

- масса узла привода подач станка, .

Для холостого хода:

.

Момент от сил трения в направляющих, приведенный на валу двигателя:

Для холостого хода:

Момент от сил трения, приведенный к валу двигателю в шариковой передаче винт-гайка при наличии предварительного натяга:

Где - составляющая силы резания по направлению подачи, Н,

p- шаг ходового винта, p=16 мм,

i- передаточное отношение механического редуктора i=0,75,

- КПД привода подач (КПД передачи винт-гайка качения и ременной передачи .

Для холостого хода:

Для рабочего хода:



Момент от сил трения в подшипниках опор ходового винта

где - составляющая силы резания по направлению подачи, Н,

p - шаг ходового винта, p=16 мм,

- диаметр шеек подшипников ходового винта, мм,

- количество подшипников в опорах ходового винта,

i- передаточное отношение механического редуктора i=0,75,

- КПД привода подач (КПД передачи винт-гайка качения и ременной передачи .

Для рабочего хода:

Для холостого хода:

Приведенный момент к валу двигателя от сил трения

Для рабочего хода:

Для холостого хода:



Приведенный момент от неуравновешенных перемещаемых масс привода подач

Для рабочего хода:

где m - масса узла привода подач станка, ,

- угол наклона привода подачи,

p - шаг ходового винта, p=16 мм,

i- передаточное отношение механического редуктора i=0,75,

- КПД привода подач (КПД передачи винт-гайка качения и ременной передачи .

При рабочем ходе привода в процессе резания с подачей s требуемый статический момент развиваемый двигателем

Для рабочего хода:

Момент развиваемый двигателем, при соответствующей скорости быстрого хода

Для холостого хода:

Предварительный выбор электродвигателя привода подач

По рассчитанным приведенным статическим моментам рабочего и быстрого хода и и по расчетным частотам вращения электродвигателя при рабочих подачах

и максимальной частоте вращения при быстром ходе

производится предварительный выбор высокомоментного или вентильного синхронного электродвигателя из условий

Выбираем двигатель ПБВ112:

Номинальный момент:

Номинальная частота вращения:

Длительный момент при пуске : Tп=4700 Нм

Момент при максимальной частоте вращения: Tэnmax=21 Н*м

Максимальная частота вращения в длительном режиме: nэmax=2000

Момент инерции якоря: I=0.238



3. Патентные конструкции передач винт-гайка качения , направляющих качения, предохранительных муфт беззазорных передач

3.1 Информационный поиск конструкций элементов приводов подач

3.1.1 Информационный поиск передач винт гайка качения

Передачи винт-гайка, является исполнительныммеханизмом привода подач. Винт-гайку скольжения почти не используют из-за наличия зазоров в резьбе, большого коэффициента трения и низкого КПД.

Винт-гайка качения обеспечивает высокую осевую жесткость благодаря возможности полного устранения зазора, длительно сохраняет первоначальную точность, имеет высокий КПД (больше 0,9) при полной нагрузке на передачу. Передача винт-гайка качения (рис. 18) состоит из винта 1, гаек 3 и 5, шариков 4. Канал 6 возврата шариков выполненяется в виде трубки, соединяющей первый и последний витки гайки.

Рис.3.1. Винт гайка-качения

Устранение зазора и создание натяга в передаче создается разными способами. При полукруглом профиле резьбы натяг регулируют поворотом гайки 3 относительно гайки 5 при их неизменном осевом положении. Обе гайки имеют наружные зубчатые венцы с разницей числа зубьев на единицу. Корпус 2 имеет соответственно венцы внутреннего зацепления. Поворот обеих гаек в одну сторону на один зуб вызывает их относительный поворот на доли окружности, Натяг можно регулировать, смещая одну из гаек в осевом направлении с помощью прокладок при отсутствии поворота одной гайки относительно другой.

Передачи винт-гайка применяют в приводах подач при перемещениях до 3 м. Для перемещений большей величины используют зубчато-реечные передачи с автоматической выборкой зазоров с помощью двух параллельных кинематических цепей или других способов. Находят применение и червячно-реечные передачи , обеспечивающие большую жесткость и плавность перемещения.

3.1.2 Информационный поиск направляющих качения

В современных станках с ЧПУ в основном исрользуются профильные рельсовые линейные направляющие качения с циркуляцией тел качения.

Направляющие данного типа представляют собой рельс (шину) с профилем сложной формы с двумя или четырьмя канавками, исполняющих роль дорожек качения, и установленные на нем один или несколько кареток.

Как правило, рельсы изготавливаются из качественных сортов хромистой или нержавеющей стали и подвергаются высокоточному шлифованию с четырех сторон. Твердость увеличивается до 58 - 64 HRC путем индукционной закалки. Крепеж к станине осуществляется посредством гладкостенных или резьбовых отверстий в рельсе.

Каретки имеет достаточно сложную конструкцию, в которую входят такие детали как корпус, механизм циркуляции элементов качения (шариков или роликов), систему удержания элементов качения для предотвращения их выпадения из каретки при снятии ее с рельса, пылезащитные уплотнения, смазочный ниппель. Новые, улучшенные конструкции также предусматривают наличие сепаратора между элементами качения и дополнительные прокладки для смазки.

Рис3.2.Направляющие качения

Для дополнительной защиты от коррозии вся система может быть покрыта специальным напыляемым составом или изготовлена целиком из нержавеющей стали. Также предусмотрена возможность установки гофрированных рукавов и дополнительных уплотнений со скребками для предотвращения повреждения кареток крупной металлической или деревянной стружкой, а также прикипевшими брызгами сварки.

Кроме габаритных и присоединительных размеров линейные направляющие характеризуются такими параметрами как грузоподъемность, класс точностии преднатяг.

Показатель грузоподъемности каждого конкретного типоразмера линейного подшипника позволяет оценить его эксплуатационный ресурс при заданных условиях.

Класс точности отражает величину допусков на размеры, с которыми изготовлены рельсы и подшипники, а также допуски всей системы "каретка - линейная направляющая" в сборе.

Преднатяг - это дополнительные напряжения, приложенные к линейному подшипнику в процессе его изготовления. Это осуществляется установкой шариков большего диаметра. В зависимости от класса преднатяга будет изменяться максимальная величина упругой деформации линейного подшипника при приложении к нему нагрузки. Чем больше преднатяг, тем меньшая деформация возникнет от заданной силы. Иными словами, преднатяг позволяет увеличить жесткость системы за счет приложения строго заданной постоянной дополнительной нагрузки.

3.1.3Информационный поиск телескопических защит

Телескопическая защита -- это оборудование для сохранения целостности и работоспособности направляющих поверхностей различных станков. Материал, из которого изготавливается телескопическая защита -- лист стали особого качества (микролегирования мелкозернистая конструкционная сталь). Он изготовлен методом холодной протяжки,при этом его толщина составляет1,5-3 мм. Если предполагается использовать телескопическую защиту в агрессивных средах, то для ее изготовления используются особо стойкие к коррозии материалы. Телескопическая защита обладает высокой степенью надежности и долговечности при эксплуатации. Она оснащена синхронизаторами движения, или ремнями безопасности, позволяющимиравномерно раздвигать или сжимать коробы защитного покрытия. При этом синхронизаторы выступают в качестве дополнительных направляющих, вот почему при высоких скоростях перемещения это приспособление является крайне важным.

Рис3.3.Телескопическая защита

3.1.4 Информационный поиск предохранительных шариковых муфт

Предохранительная муфта используется в устройствах защиты от перегрузок, работающих на невысоких скоростях в переменных направлениях. Она состоит из ведомой полумуфты 1, установленной на валу 2 с возможностью свободного вращения и подпружиненной относительно нее ведущей полумуфты 3. Шарики 4 расположены между торцами полумуфт. Узел регулировки выполнен в виде пружины 5 и контргаек 6. На торце полумуфты 1 выполнена круговая канавка 7 полукруглого профиля, а на торце полумуфты 3 выполнены прямолинейные пазы 8, имеющие такой же профиль, своей средней частью находящиеся напротив оси канавки 7 и заканчивающиеся за ее пределами по обе стороны. Причем глубина пазов больше глубины канавок 7. При вращении вала по часовой стрелке поворачивается полумуфта 3. Поверхность паза 8 набегает на шарики 4 и прижимает их к поверхности канавки 7, шарик закатывается в клин и передают окружное усилие от полумуфты 3 к полумуфте 1. В случае превышения момента сопротивления шарик выдавливается из канавки 7 на торец ведомой полумуфты 1, передача окружного усилия прекращается. Для возвращения муфты в исходное состояние необходимо вал повернуть в обратную сторону, при этом наклонная поверхность паза вытолкнет шарик в канавку. При реверсировании работа муфты аналогична.

Рис.3.4.Предохранительная шариковая муфта

3.2 Патентный поиск конструкций элементов приводов подач

3.2.1 Патентный поиск передач винт-гайка качения

Номер патента US8418573

Как правило, в гайках качения такого рода канал циркуляции тел качения делают один. И проходит он через всю каретку, замыкая первый и последний витки. В этоже гайке сделано два циркуляционных каналов .

Номер патента US 20130139628

Как правило, в гайках качения такого рода канал циркуляции тел качения делают один. И проходит он через всю каретку, замыкая первый и последний виток. В этоже гайке сделано несколько каналов возврата, и соединяют они соседние витки. Т.е. сколько витков имеет гайка, столько и будет каналов возврата.

Номер патента RU 2017039

Особенность данной передачи состоит в том, что натяг в гайке обеспечивается упругой перемычкой

3.2.2 Патентный поиск направляющих качения

Номер патента 57 - 27631

Особеностью является увеличенная нагрузочная способность направляющих, это достигается тем, что пазы направляющих расположены под углом и следовательно направляющие и шарики контактируют под углом, что увеличивает нагрузочную способность направляющих.

Номер патента 57 - 189746

Особеностью является увеличенная нагрузочная способность направляющих, это достигается тем, что пазы направляющих расположены под углом и следовательно направляющие и шарики контактируют под углом, что увеличивает нагрузочную способность направляющих.

3.2.3 Патентный поиск телескопических защит

Номер патента EP 0 832 715 B1

Особенность этой телескопической защиты в том, что она имеет своеобразные упоры, в виде скоб, которые не дают разрушится защите. Щитки телескопической защиты имеют загнутые грая. При достижении крайнего положения щитки своими краями упираютя в упоры, котрые расположены на предыдущих щитках.

Номер патента 904989

Эта телескопическая защита, по сравнению с анологичными, имеет П-образные кронштейны, с помощью которых происходит уменьшение размеров устройства в сжатом состоянии.

3.2.4 Патентный поиск предохранительных шариковых муфт

Номер патента 182981

Особенностью этой муфты является то что гнёзда, в которых расположены шарики , подпружиненной полумуфты выполнены сквозными. За счёт этого повышается надёжность и возможность плавного включения при вращении ведущего вала.

Номер патента 924443

Для уменьшения динамических нагрузок на привод во время перегрузки, ведущий вал полумуфты выполнен ступенчатым. Так же для снижения вибраций и увеличения жёсткости между полумуфтами установлены демпфирующие элементы.

Номер патента SU 1557384 A1

Осбенность этой муфты в том, что ведущая полумуфта поджата пружинами к ведоиой полумуфте. Деформацию пружины контралируют с помощью гайки.

3.2.5 Патентный поиск беззазорных передач

Номер патента SU 1700322 A1

Особенность этой передачи в том, что в соосно расположенных дисках передачи сделаны отверстия в которых расположены упругие стержни со сферическими головками. Эти головки играют роль шарниров обеспечивая минимальный износ передачи.

Номер патента SU 1567837

В этой передаче присутствуют люфтовыбирающийся устройства, с помощью которых повышается эффективность передачи

Номер патента SU 1201598 A

Особеностью передачи является то, что зацепления между колёсами происходит за счёт точечного контакта. Из-за такого зацепления передача имеет повышенную долговечность.

3.3 Выбор передачи винт-гайка и направляющих качения, опор ходового винта, присоединительных муфт

В качестве передачи винт-гайка качения выбираем передачу из патентного поиска. Данный выбор можно объяснить тем, что данная передача не имеет зазора между телами качения, гайками и винтом, что увеличивает ее долговечность и улучшает работу привода. Она была выбрана из патентного поиска, это патентRU 2017039.

Рис.3.5.Выбранная передача винт гайка

Выбираем направляющие качения из патентного поиска. Они были выбраны из патента 57 - 27631. Хорошо сбалансированный преднатяг повышает жесткость передачи, сохраняя низкий коэффициент трения. Дополнительным преимуществами является низкопрофильная конструкция линейной направляющей и высокая жесткость каретки.

Рис.3.6.Выбранная направляющая качения

Телескопическая защита направляющих взята из патентного поиска, это патент EP 0 832 715 B1. Характерные преимущества данной защиты: простота и надёжность конструкции.

Рис.3.7.Выбранная телескопическая защита

Выбираем предохранительную шариковую муфту из патентного поиска. Она была выбрана из патента 182981. Из-за своей конструкции эта муфта имеет повышенную надёжность, а также возможность плавного включения при вращении ведущего вала.

Рис.3.8.Выбранная предохранительная шариковая муфта



4. Разработка конструкций передач ходового винта и его опор , передачи винт-гайка и направляющих

В данном курсовом проекте была разработана конструкция ходового винта для токарного станка с ЧПУ с наклонной станиной. Конструкция ходового винта показана на рис 4.1.

Рис. 4.1. Конструкция ходового вала

Так же были разработаны передняя и задняя опоры ходового винта.

Передняя опора фиксирующая, задняя плавающая.

Передняя опора представляет собой комбинированный радиально-упорный роликовый подшипник, который запрессован в стакан. Стакан, в свою очередь, кропится к корпусу привода. Для устранения осевого зазора в подшипнике используются втулки и шлицевая гайка. С двух сторон от подшипника находятся мазеудерживающие прокладки, которые защищают подшипник от грязи.

Передняя опора показана на рис 4.2.

Рис 4.2. Передняя опора ходового винта

Задняя опора представляет собой шариковый радиальный подшипник, который запрессован в корпус привода. С двух сторон от подшипниканаходятся мазеудерживающие прокладки, которые защищают подшипник от грязи.

Задняя опора показана на рис 4.3.

Рис 4.3. Задняя опора ходового винта

Основой разработки конструкции передачи винт-гайка качения послужил патентRU 2017039. Гайка состоит из: тел качения 1,каналов возврата 2, корпуса 3, уплотнения 5. Устанавливается гайка на ходовой винт 4. Особенностью конструкции гайки в том, что натяг регулируется с помощью упругого элемента, который расположен на корпусе 3.

Передача винт-гайка качения показана на рис.4.4.

Рис. 4.4. Передача винт-гайка

Основой разработки конструкции направляющих послужил патент57 - 27631. Из-за своей конструкции данная направляющая имеет высокуюжёскость каретки.Направляющая показана на рис.4.5.

Рис 4.5. Направляющие качения



5. Эскизная компоновка привода подач

Эскизная компоновка приводов подач токарного станка с наклонной станиной представлена на рисунках Рис.5.1. и Рис.5.2.

Рис.5.1. Эскизная компоновка продольного привода подач токарного станка с ЧПУ

Рис.5.2. Эскизная компоновка поперечного привода подач токарного станка с ЧПУ

6. Расчёт динамического момента привода и проверка электродвигателя

6.1 Определение динамического момента сил инерции привода

При неустановившихся режимах привода при разгоне и электрическом торможении требуемый момент двигателя равен сумме приведённого динамического момента сил инерции , сообщающего инерционным массам заданное ускорение а, и моментов преодоления сил трения и нагрузок от неуравновешенных масс и должен быть не больше максимального момента , т.е.

Для определения приведённого динамического момента сил инерции рассчитывается суммарный момент инерции равный сумме приведённых моментов инерции подвижных инерционных масса привода подач, приведённых к валу электродвигателя , и момента инерции ротора двигателя

Приведённый динамический момент сил инерции определяется через суммарный приведённый момент инерции привода подач к валу электродвигателя, собственный момент инерции ротора электродвигателя и угловое ускорение разгона электродвигателя по формуле

где - угловое ускорение разгона электродвигателя привода подачи.



6.2 Расчёт приведённых моментов инерции движущихся масс

Приведённым моментом движущихся масс называется момент инерции массы, которая, будучи условно установленной на звене приведения, обладает кинетической энергией равной сумме кинетических энергий всех движущихся масс.

Приведённый момент инерции к валу электродвигателя поступательно перемещаемых элементов массой m привода подач с передачей винт-гайка определяется передаточным отношением редуктора i и шагом ходового винта p:

где m - масса подвижной части салазок со столом, кг; m=300 кг;

p - шаг ходового винта, мм; P=16 мм;

i - передаточное отношение редуктора; i=0,75;

Приведённый момент инерции ходового винта к валу двигателя

где - приведённый момент инерции винта, ;

- плотность материала ходового винта, кг/м3; кг/м3;

и l - средний диаметр и длина ходового винта, м;

i - передаточное отношение механического редуктора, i=0,75.



Момент инерции зубчатой передачи механического редуктора, приведённый к валу двигателя, определяется суммой

где - моменты инерции зубчатых колёс, соответственно имеющих скорость, равную скорости двигателя, и вращающихся с угловой скоростью, определяемой передаточным отношением редуктора i.

Приведённый момент инерции зубчатого колеса к валу электродвигателя в общем случае без учёта его конкретного расположения

где и - приведённый момент инерции и массы колеса, и кг;

- плотность материала зубчатого колеса, кг/м3;

и b -радиус, диаметр делительной окружности и ширина колеса, м;

i - передаточное отношение механического редуктора, i=l/u.

Тогда приведённый момент инерции механического редуктора

Приведённый момент инерции муфт к валу электродвигателя определяется по их моменту инерции в соответствии с технической характеристикой и по передаточному отношению редуктора i в зависимости от её конкретного расположения, т.е. до редуктора или после него:

или

Общий приведённый момент инерции движущихся масс привода подач к валу двигателя в общем случае определяется как сумма приведённых моментов инерции отдельных звеньев , а именно каретки, салазок, ходового винта, муфт, зубчатых колёс, валов, т.е.

где - собственно моменты инерции отдельных звеньев привода подач j;

- передаточное отношение привода от j звена до электродвигателя.

6.3 Определение углового ускорения вала электродвигателя

Угловое ускорение электродвигателя определяется временем изменения переходных процессов , заданным законом и диапазоном изменения скорости. При изменении скорости движения в неустановившемся режиме по линейному закону угловое ускорение может определяться по формулам

где - частота вращения электродвигателя при быстром ходе, мин-1;

t - время изменения переходных процессов, с;

- КПД привода подач;

v и a - скорость быстрого перемещения и линейное ускорение разгона рабочего органа, м/с и м/с2; для станков нормальной точности a=0,8-1,5 м/с2.

6.4 Окончательный выбор двигателя привода подач станков с ЧПУ

Выбор электродвигателя привода подач станков с ЧПУ осуществляется по рассчитанным крутящим моментам и частотам вращения

nэsmin, nэsmax, nэv, требуемых при различных режимах работы для данного привода. Эти моменты и частоты сопоставляются с развиваемыми вентельным синхронным или высокомоментным электродвигателем крутящими моментамии частотами вращения nэmin, nэmax, nэн.

Статический крутящий момент электродвигателя на холостом ходу, должен быть меньше или равен длительному номинальному моменту двигателя , т. е.

.

Статический крутящий момент электродвигателя на холостом ходу, требуемый для быстрого перемещения, должен быть не больше номинального момента двигателя , т. е.

.

Диномический момент электродвигателя при неустановившемся режиме разгонадо частоты вращения nэv,соответствующий скорости быстрого перемещения v, не должен быть больше максимального момента двигателя , т. е.

.

=7,077,07

Минимальная nэsmin и максимальнаяnэsmax частоты вращения электродвигателя (nэsmin<nэsj<nэsmax),требуемые для рабочего хода с подачами sminи smax, должны быть для данного привода соответсвенно не меньше минимальной частоты nэmin и не больше номинальной частоты вращения двигателя nэн, т. е.

nэsmin>nэmin, nэsmax<nэн, nэsmax<nэv<nэmax.

nэsmax=1000<nэн=1000, , nэsmax =1000<nэv =1000<nэmax =2000

Частота вращения электродвигателя nэv, соответсвующая скорости быстрого перемещения vдля данного привода пода, должна быть не больше максимальной частоты вращения электродвигателя nэmax, т. е.

nэv<nэmax

2000<2000.



7. Регулирование натяга в передаче винт-гайка качения

Для регулирования натяга в винтовых передачах может использоваться одна гайка 3 с упругой перемычкой между её двумя частями, установленная на ходовой винт 4 и имеющая каналы возврата 2 шариков 1 и уплотнения 5. Упругая перемычка обеспечивает осевое упругое смещение обеих частей гайки 3 в разные стороны относительно винта, мягкую выборку зазора и создание натяга в передаче в процессе её работы.

Рис.7.1.Передача винт-гайка качения с одной гайкой 3 с упругой перемычкой для регулирования натяга и с осевым упругим смещением обеих частей гайки



8. Расчёт передач винт-гайка качения на долговечность

Исходные данные:

F1=30кН,F2=40кН,F3=10кН, F4=5кН.

n1=50мин-1,n2=150мин-1, n3=300мин-1, n4=600мин-1.

t1=10%, t2=20%, t3=40%, t4=30%

?ti=100%, tпр=70%, tст=100%, Lhc=30000ч.

Fi - действующие нагрузки при соответствующей длительности работы привода ti.

ni - частоты вращения ходового винта передачи винт-гайка качения при соответствующих действующих нагрузках Fi.

ti - длительность работы привода в %, при соответствующих действующих нагрузках Fi и частотах вращения ходового винта передачи винт-гайка качения ni.

tпр - длительность работы привода, % по циклу работы станка.

tст - длительность работы станка, % .

Lhc - ресурс работы станка, часы.

8.1 Расчет рабочей частоты вращения ходового винта nc передачи винт-гайка качения привода подач



8.2 Расчет средней осевой рабочей эксплуатационной нагрузки передачи винт-гайка качения Fc привода подач

8.3. Расчет ресурса передачи винт-гайка качения привода подач в часах Lh

8.4. Расчет эксплуатационного ресурса передачи винт-гайка качения в оборотах L

Расчет эксплуатационной допустимой динамической нагрузки на передачу винт-гайка качения производится по формуле:

Выбор типа передачи винт-гайка качения по каталогу и ее размеров исходя из условия, чтобы эксплуатационная допустимая динамическая нагрузка С была не больше минимальной допустимого значения нагрузки Ск из каталога, т.е С? Ск:

С=141250Н.

Выбираем: FEM-E-C

80x20Rx9-6

Допустимая динамическая нагрузка Ск=170900Н.

141250 Н < 170900 Н.

Номер изделия1502-7-7086.

8.5 Расчет фактического ресурса работы выбранной передачи винт-гайка качения LФ в оборотах

Расчет фактического ресурса выбранной передачи винт-гайка качения LhФ в часах и проверка правильности ее выбора из условия, чтобы фактический ресурс был не меньше расчетного, т.е. LhФ?Lh:

9. Расчёт ходового винта на продольную и динамическую устойчивость

9.1 Расчёт винта на продольную устойчивость

где - критическая допустимая сила, Н;

где - модуль упругости, Н; МПа;

- момент инерции сечения винта, Н;

- одна опора фиксированная, а другая плавующая;

- рабочая длина ходового винта;

- коэффициент запаса устойчивости; Принимаем



9.2 Расчёт винта по критической частоте вращения

В приводах с быстрым перемещением рабочего органа винт вращается с большой частотой и из-за этого могут появиться центробежные силы, которые вызывают потерю устойчивости, что приводит к появлению вибраций. Чтобы избежать появления вибраций, должно выполняться условие:

Определяем внутренний диаметр резьбы ходового винта:

где - диаметр окружности, проходящей через центры шариков, мм:

- диаметр шарика, мм;

Определяем критическую частоту вращения ходового винта:

где - расстояние между опорами ходового винта, мм;

- внутренний диаметр резьбы ходового винта, мм;

- коэффициент, учитывающий вид опор ходового винта. Для приводов, у которых одна опора фиксированная, вторая - плавающая,

Определяем предельную допустимую частоту вращения ходового винта:

где - критическая частота вращения ходового

- коэффициент несовпадения частот; принимаем

Т.к. ;

то условие отсутствия вибраций выполняется.



10. Расчёт направляющих качения

10.1 Расчёт эквивалентной средней скорости движения рабочего органа станка

;

где S - величина хода, S=0,5 м;

n - число двойных ходов, n=30;

м/с

Расчёт усреднённой эквивалентной нагрузки

;

где I - действующие нагрузки, F=20H, F=16H, F=10H, F=8H;

10.2 Расчёт ресурса направляющих качения привода Lh в часах

;

где - ресурс работы станка в часах, = 30000 ч

- длительность работы привода,

- длительность работы станка, =100%

часов

Требуемый ресурс определяется по формуле

;

где - расчёт ресурса направляющих качения привода;

- эквивалентная средняя скорость движения рабочего органа;

10.3 Расчёт допускаемой эквивалентной динамической нагрузки

;

где - усреднённая эквивалентная нагрузка;

- требуемый ресурс

С<

Выбираем по каталогу тип каретки направляющих качения и х размеры

Типоразмер 55; С динамическое 98200.

10.4 Расчёт фактического ресурса работы

10.5 Расчет фактического ресурса работы привода в часах

24794>12000 - условие выполняется



11. Технические требования

11.1 Требования, определяющие качество и точность изготовления

Нормы точности и жесткости приводов подач токарныхстанков устанавливает ГОСТ 30027-91. Для токарных станков должны обеспечиваться:

а) допуск радиального биения конического ходового винта 0,008 мм;

б) допуск осевого биения оси ходового винта 0,006 мм;

в) Допуск радиального биение ходового винта 0,008 мм.

11.2 Требования к точности монтажа изделия

1. Пятно контакта в зубчатых зацеплениях должно занимать по высоте зуба - не менее 45 %, а по длине зуба - не менее 60 % номинальной поверхности зуба.

2. Зубчатые передачи должны соответствовать 7-й степени точности.

3. Затяжку крепежных винтов направляющих начинать с середины, по очереди в стороны обеих концов.

4. Все часто отвинчиваемые при эксплуатации станка винты и гайки должны быть термически обработаны до твёрдости не менее 35HRC.

11.3 Требования к настройке и регулированию изделия

1. Регулирование зазоров и предварительного осевого натяга в Подшипниках обеспечивается затяжкой регулировочных гаек. Величина натяга регламентирована величиной предварительной подшлифовки компенсаторных полуколец и распорной втулки.

2. Тарельчатые пружины тарировать усилием не менее 8000 Н усилие при отжиме не более 14000 Н (такое усилие необходимо для надежного удержания и базирования инструмента с оправкой в шпинделе).

3. Дисбаланс устранять за счет вывинчивания винтов на перед, нем конце шпинделя.

4. При сборке гидроцилиндров резиновые уплотнения смазать маслом и предохранять от перекосов, попадания абразивных материалов и продуктов коррозии.

11.4 Прочие технические требования к качеству изделия

1. Средний уровень шума не должен превышать 75 дБ.

2. На поверхностях резьбы не допускаются вмятины и заусенцы.

3. Все наружные и внутренние необработанные поверхности деталей шпиндельной бабки должны быть защищены лакокрасочными покрытиями.

4. Отливка корпуса станка должна подвергаться естественному или искусственному старению в соответствии с требованиями стандарта и ТУ.

5. Для изготовления гибких трубопроводов гидравлической системы должны применяться армированные резиновые бесшовные трубы по ГОСТ 8734-75 и ГОСТ 9567-75.

11.5 Условия и методы испытания

1. Привод обкатать в течение шести часов, при этом температура опор шпинделя на максимальной частоте вращения холостого хода не должна превышать 50°, уровень шума при обкатке не должен превышать 75 дБ.

2. Проверку точности зацепления зубчатых колес производить по краске.

3. Привод подвергнуть динамической балансировке, остаточная неуравновешенность не более 80 г-мм (требование регламентирует величину погрешности обработки, связанной с вибрациями тела шпинделя из-за динамической неуравновешенности).

11.6 Требования по смазыванию изделия

1. В систему смазки залить масло И-ЗОА ГОСТ 20977-84.

2. Щели лабиринтных уплотнений заполнить солидолом. Течи масла по стыкам и уплотнениям не допускаются.

11.7 Требования по эксплуатации изделия

Перемещение суппорта должно быть плавным, без рывков и заеданий.



12. Охрана труда

Общие требования безопасности

Требования безопасности регламентированы межгосударственным стандартом ГОСТ 12.2.009-99 «Станки металлообрабатывающие. Общие требования безопасности». Конструкция станков должна сводить к минимуму возникновения опасных ситуаций при их наладке, эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонте. В конструкции должно быть учтено и сведено до минимума влияние внешних факторов на безопасность работы станков.

Требования безопасности до начала работы на станке с ЧПУ:

1. Приведите в порядок рабочую одежду и обувь:

- застегни или перетяни резинкой обшлага рукавов, заправь одежду так, чтобы не было развевающихся концов;

- работай в головном уборе, плотно облегающем голову, волосы должны быть надежно укрыты;

- обувь должна надежно защищать ноги от попадания на них стружки, грязи и пыли.

(Работать на станках в легкой обуви - тапочках, сандалиях, сланцах, босоножках - не разрешается.)

2. Убедитесь в хорошем состоянии станка и рабочего места, убери с пути всё, что может вызвать падение.

3. Обеспечьте достаточную смазку станка, проверь уровень масла в предназначенных для него резервуарах.

4. Проверьте наличие, исправность и прочность крепления:

- ограждений зубчатых колес, приводных ремней, валиков, приводов, шпинделя и т.д., а также токоведущих частей электроаппаратуры (пускателей, рубильников, трансформаторов);

- предохранительных устройств защиты от стружки и устройств подачи охлаждающих масел и смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ).

5. При необходимости отрегулируйте местное освещение станка так, чтобы рабочая зона была достаточно освещена и свет не попадал прямо в глаза. (Пользоваться местным освещением с напряжением более 36 вольт запрещается.)

6. Проверьте наличие индивидуальных приданных станку подъемных устройств и чалочно-захватных приспособлений согласно специальной инструкции.

7. Проверьте исправность станка на холостом ходу, в ручном и автоматическом режимах, при этом убедись в исправном действии:

- органов управления - электрических кнопочных устройств тормозов, подъемных и подающих устройств;

- систем смазки и охлаждения, обеспечивающих нормальную и бесперебойную смазку и подачу СОЖ;

- фиксации рычагов включения и переключения, обеспечивающих невозможность самопроизвольного переключения с холостого хода на рабочий;

- зажимных пневмопатронов, механизированных зажимных приспособлений.

8. Убедитесь в отсутствии заеданий или излишней слабины в движущихся частях станка (в особенности в шпинделе, в передней бабке, при продольных, поперечных или вертикальных ходах суппорта или стола).

9. В случае неисправности станка и оборудования немедленно сообщи об этом ответственному лицу и, до устранения неисправности, к работе не приступай. (Работать на неисправных и на не имеющих необходимых защитных ограждений станках запрещается.)

10. Приготовьте крючок для удаления стружки, щетку-сметку, ключи и другой необходимый инструмент.

11. Уложите устойчиво на подкладках или стеллажах поданные на обработку детали, не загромождая рабочего места и проходов. Высота штабелей для мелких деталей не должна превышать 0,5 м., для средних - 1,0 м., а для крупных - 1,5 м.

12. Перед обработкой металлов с отлетающей стружкой, при отсутствии специальных защитных устройств надень очки или предохранительный щиток из прозрачного материала.

13. Деревянная решетка, находящаяся под ногами должна быть всегда исправна.

14. Проверьте надежность срабатывания блокировок концевых выключателей, предохраняющих узлы станка от ударов и поломок.

15. Перед каждым включением станка предварительно убедись, что пуск станка никому не угрожает опасностью.

Требования безопасности во время работы на станке с ЧПУ:

1. Постоянно наблюдайте за работой станка с ЧПУ в процессе работы:

- по сигнализации на панели управления электронного устройства;

- по контрольным точкам программ (возврат рабочих органов станка «в исходное состояние», «постоянство точки смены инструмента» в одной и той же позиции и др.);

- по характеру и величине линейных перемещений и вращательных движений рабочих органов станка и другого оборудования;

- по отклонениям характера и уровня шума различных механизмов;

- по четкости выполнения узлами оборудования с ЧПУ различных технологических команд.

2. Не допускайте работу на станке с ЧПУ по изношенным или деформированным программным носителям (перфолента, магнитная лента, ППЗУ и др.).

3. Следите за чистотой и исправностью лентопротяжных устройств ввода программных носителей.

4. При переналадке с обработки детали одного наименования на другое обрати внимание на правильную расстановку упоров, определяющих точки «исходного состояния» рабочих органов для начала работы по программе. Помни, что неправильно установленные упоры могут привести к ударам подвижных органов оборудования о неподвижные и вращающиеся.

5. Для предотвращения ударов инструмента и рабочих органов оборудования о другие органы в случае сбоев и отказа, ограничивай величину перемещения подвижных органов от возможных ударов установкой такого положения концевых выключателей, которое автоматически исключает аварийную ситуацию.

6. Внимательно следите за состоянием режущего инструмента. Постоянно помни, что несвоевременная остановка станка при поломках инструмента может привести к тяжелым последствиям.

...