Модернизация главного привода токарно-винторезного станка мод. КА280 (16К20) с целью повышения производительности

Устройство числового программного обеспечения NC-110.cdw

Устройство числового
программного обеспечения
F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8

Робототехнический комплекс. Вид сбоку.cdw

Робототехнический комплекс. Спецификация.cdw

Робототехнический комплекс.
Верстак с ЧПК мод. КA280
Электро- и гидрокомуникации
Захватное устройство

Описание.docx

Модернизация главного привода токарно-винторезного станка мод. КА280 (16К20) с целью повышения производительности
Список чертежей: кинематическая схема привода главного движения главный вид робототехнического комплекса робототехнический комплекс вид сбоку шпиндельный узел устройство числового программного обеспечения NC-110 спецификация.
За базовый станок принимаем универсальный токарно-винторезный станок КА280 который является аналогом станков 1К62 16К20 МК6056 16Р25П.
Станок КА-280 нормального класса точности предназначен для механической обработки различных деталей из стали чугуна цветных металлов а также закаленных деталей требующих применения тяжелых режимов резания (например из жаропрочных и инструментальных сталей)
На станке выполняются токарные резьбонарезные (нарезки метрической дюймовой модульной резьбы) и сверлильные работы.
Основные технические характеристики станка
Класс точности по ГОСТ 8.401-80 (Н П В А С)Н
Расстояние между центрами мм500
Наибольший диаметр заготовки мм:
– над вырезом в станине630
Наибольший диаметр обрабатываемого прутка проходящей через отверстие шпинделя мм52
– резьбометричных мм05 112
– модульных модуль05 112
– дюймовых нитокдюйм56 025
Пределы частот вращения шпинделя обмин125 1600
– поперечных 0025 14
– верхней каретки 0015 08
Количество частот вращения шпинделя22
Конус Морзе шпинделя№ 6
Наибольшая масса устанавливаемой заготовки с учетом массы закрепляемых элементов кг:
Мощность двигателя привода главного движения кВт75
Габаритные размеры станка мм:
Станок мод. К280 имеет основные движения:
– главное движение – вращение шпинделя с заготовкой выполняется основным электродвигателем через клиноременной передачи и коробку скоростей;
– продольная подача – перемещение продольного суппорта по направляющим станины от ходового вала или ходового винта обеспечивается за счет отбора мощности от шпинделя;
– поперечная подача – перемещение поперечного суппорта по направляющим на продольном суппорте;
– вспомогательные движения – быстрые перемещения суппортов от вспомогательного электродвигателя через клиноременной передачи.
Главный привод станка КА280 использует автоматическую коробку скоростей (АКШ). Она находится между двигателем который закреплен на подмоторный плите и шпинделем. Двигатель имеет ступенчатое регулирование.
Конструкция модернизированного привода использует широко-регулируемый двигатель. Такая конструкция является наиболее совершенной так как имеет минимальное количество кинематических элементов а именно: двигатель два шкива и поликлиновой пасс. Двигатель установленный на подмоторный плите позволяет с помощью винтовой пары регулировать натяжение ремня. Плита к станине закрепляется винтами.
Датчик обратной связи по скорости оборотов шпинделя закреплен на кронштейне на шпиндельной бабке. Шкивами и зубчатым ремнем датчик связан со шпинделем Скоростные возможности привода предоставляют эксплуатации станка некоторые особенности. Если технологический процесс обработки детали включает работу на максимальных частотах вращения то чтобы предотвратить перегрузку привода рекомендуется в управляющую программу заложить «поэтапный» набор скорости от состояния покоя. Кроме того после длительной остановки станка (при включении после многочасового простоя после выходных дней) рекомендуется перед началом работы прогревать шпиндельный узел последовательным включением по 5 минут ступенчато увеличивающийся частоты вращения так чтобы общее время составлял 15 25 мин.
Содержание расчетно-пояснительной записки:
Базовый станок и его главный привод
Модернизированный повод
Кинематический расчет модернизированного привода
Прочностной расчет шпинделя
1 Расчет геометрических параметров шпинделя
2 Проверка прочности и расчет радиальной жесткости шпиндельного узла
3 Расчет осевой жесткости шпиндельного узла
Характеристика робототехнического комплекса
Список используемой литературы

Пояснительная записка.doc

Базовый станок и его главный привод5
Модернизированный повод8
Кинематический расчет модернизированного привода9
Прочностной расчет шпинделя16
1 Расчет геометрических параметров шпинделя16
2 Проверка прочности и расчет радиальной жесткости шпиндельного узла17
3 Расчет осевой жесткости шпиндельного узла25
Характеристика робототехнического комплекса29
Список используемой литературы34
Модернизация главного привода базового станка КА280 с целью повышения производительности.
Токарные автоматизированные станки с ЧПУ предназначены для наружной и внутренней отделки любых сложных заготовок типа тел вращения. Они составляют наиболее значительную группу по номенклатуре в парке станков с ЧПУ хотя токарные станки начали оснащать устройствами с ЧПУ позже чем сверлильные и фрезерные.
Современный автоматизированный токарный станок – сложнейшая технологическая машина. Здесь вынуждены сочетать большие динамические нагрузки (от вращения с большими скоростями часто тяжелых заготовок) с микронной точностью отсчета перемещений инструмента. Режим работы токарных станков жесткий. Его усложняет стружка (иногда витая) разбрызгивание под давлением значительных объемов смазочно-охлаждающей жидкости тепловые деформации рабочих узлов и тому подобное.
Проектирование или модернизация металлорежущего станка или отдельного его узла – это кропотливый творческий поиск который обязательно сопровождается необходимыми проектными и проверочными расчетами связанными с достижением заданных показателей точности и надежности производительности и металлоемкости и так далее.
Только инженер обладающий хорошей общей конструкторской и технологической подготовкой может создать современную машину или систему воспроизводя известные ему прототипы но на более высоком научно-техническом уровне.
Базовый станок и его главный привод
За базовый станок принимаем универсальный токарно-винторезный станок КА280 который является аналогом станков 1К62 16К20 МК6056 16Р25П.
Станок КА-280 нормального класса точности предназначен для механической обработки различных деталей из стали чугуна цветных металлов а также закаленных деталей требующих применения тяжелых режимов резания (например из жаропрочных и инструментальных сталей)
На станке выполняются токарные резьбонарезные (нарезки метрической дюймовой модульной резьбы) и сверлильные работы.
Основные технические характеристики станка
Класс точности по ГОСТ 8.401-80 (Н П В А С)
Расстояние между центрами мм
Наибольший диаметр заготовки мм:
– над вырезом в станине
Наибольший диаметр обрабатываемого прутка проходящей через отверстие шпинделя мм
– резьбометричных мм
– дюймовых нитокдюйм
Пределы частот вращения шпинделя обмин
Количество частот вращения шпинделя
Конус Морзе шпинделя
Наибольшая масса устанавливаемой заготовки с учетом массы закрепляемых элементов кг:
Мощность двигателя привода главного движения кВт
Габаритные размеры станка мм:
Рис. 1 – Кинематическая схема токарно-винторезного станка мод. КА-280
Станок мод. К280 имеет основные движения:
– главное движение – вращение шпинделя с заготовкой выполняется основным электродвигателем через клиноременной передачи и коробку скоростей;
– продольная подача – перемещение продольного суппорта по направляющим станины от ходового вала или ходового винта обеспечивается за счет отбора мощности от шпинделя;
– поперечная подача – перемещение поперечного суппорта по направляющим на продольном суппорте;
– вспомогательные движения – быстрые перемещения суппортов от вспомогательного электродвигателя через клиноременной передачи.
Главный привод станка КА280 использует автоматическую коробку скоростей (АКШ). Она находится между двигателем который закреплен на подмоторный плите и шпинделем. Двигатель имеет ступенчатое регулирование.
Модернизированный повод
Конструкция модернизированного привода использует широко-регулируемый двигатель. Такая конструкция является наиболее совершенной так как имеет минимальное количество кинематических элементов а именно: двигатель два шкива и поликлиновой пасс. Двигатель установленный на подмоторный плите позволяет с помощью винтовой пары регулировать натяжение ремня. Плита к станине закрепляется винтами.
Датчик обратной связи по скорости оборотов шпинделя закреплен на кронштейне на шпиндельной бабке. Шкивами и зубчатым ремнем датчик связан со шпинделем Скоростные возможности привода предоставляют эксплуатации станка некоторые особенности. Если технологический процесс обработки детали включает работу на максимальных частотах вращения то чтобы предотвратить перегрузку привода рекомендуется в управляющую программу заложить «поэтапный» набор скорости от состояния покоя. Кроме того после длительной остановки станка (при включении после многочасового простоя после выходных дней) рекомендуется перед началом работы прогревать шпиндельный узел последовательным включением по 5 минут ступенчато увеличивающийся частоты вращения так чтобы общее время составлял 15 25 мин.
Кинематический расчет модернизированного привода
– максимальная частота вращения шпинделя мин-1
– мощность двигателя Nдв кВт
Привод шпинделя с плавным (бесступенчатым) регулированием скорости в современных металлорежущих станках содержит многоскоростной двигатель постоянного тока серии 4П.
По заданной мощностью выбираем электродвигатель по [2 табл. 3.1 с.48] 4ПФ112SBT.
Технические характеристики двигателя 4ПФ112SВТ
Мощность двигателя кВт
Максимальные обороты двигателя nдв.max мин-1
Номинальные обороты nн
Диапазон регулирования:
По заданным данным производим расчет ременной передачи.
Передаточное отношение ременной передачи:
где nшп – число оборотов шпинделя обмин-1;
nдв – число оборотов двигателя обмин-1.
Согласно [1 гл.3] и [2 гл.4] в приводе модернизированного станка используем поликлиновую ременную передачу.
Расчет будем вести согласно [1 п. 3.4.1]
Мощность двигателя Nдв кВт
Число оборотов двигателя n1 обмин-1
Передаточное отношение двигателя
Угловая скорость ведущего шкива:
Момент на быстроходном валу:
Согласно [1 табл. 3.5] выбираем пас с сечением L.
Диаметр малого шкива:
Округляем найденное значение к стандартному примем Dм = 160 мм [ГОСТ 1284-88].
Диаметр ведущего шкива:
Dб = 160 · 1143 = 1824 мм
Принимаем по [ГОСТ 1284-88] Dб = 180 мм.
Уточняем передаточное отношение:
– коэффициент скольжения = 001.
Погрешность передаточного отношения составлять:
Такая погрешность невелика а потому приемлемой (допустимое отклонение до 4%).
Скорость ремня рассчитывается по следующей формуле:
Межосевые расстояния находятся по формулам (3.8) и (3.9):
Аmin = 055 · (Dм + Dб)
Аmin = 055 · (160 + 180) = 187 мм
Аmax = 160 + 180 = 340 мм
Выберем для дальнейшего расчета среднего значения А = 2635 мм.
Расчетная длина ремня:
Принимаем ближайшее стандартное значение длины ремня по [ГОСТ 1284-88] L = 1180 мм.
Уточняем междуосевое расстояние:
Угол охвата ремнем малого шкива:
Круговая сила находится так:
Коэффициент учитывающий влияние угла охвата малого шкива рассчитывается по следующей формуле:
Сα = 1 – 0003 · (180° – α1)
Сα = 1 – 0003 · (180° – 1765°) = 09895
Коэффициент учитывающий влияние длины ремня находим так:
где L0 = 1500 мм по [1 табл. 3.6])
Подбираем коэффициент динамичности нагрузки и режима работы по [1 табл. 3.6] Ср = 10.
[Р10] = (Р10 · Сα · СL + ΔPi) · Ср
где P10 – допустимая окружная сила для передачи с поликлиновым ремнем с 10 ребрами при передаточном отношении углу охвата малого шкива α1 = 180° и эталонной длиной L0: L10 = 1120 H.
[Р10] = (1120 · 09895 · 0979 + 00625) · 1 = 1085 Н
Число ребер поликлинового ремня рассчитывается по формуле:
Примем окончательно ближайшее больше четное число ребер Z = 2.
Сила действующая на вал (ее учитывают при расчетах валов и опор) рассчитывается следующим образом:
Прочностной расчет шпинделя
Расчет шпинделя на прочность будем вести опираясь на методику изложенную в [2 гл. 9] и [1 гл. 4].
1 Расчет геометрических параметров шпинделя
Определение основных конструктивных размеров шпиндельного узла – это самый ответственный этап создания станка.
Диаметр передней опоры находится по формуле:
где dn – скоростной коэффициент выбирается по [2 табл. 9.1] dn = 3 · 105.
nmax – проектная частота вращения шпинделя nmax = 4200 1мин.
Примем ближайшее больше стандартное значение диаметра: d1 = 80 мм.
Диаметр задней опоры находится так:
d2 = 075 · 80 = 60 мм
Расстояние между опорами находится следующим образом:
l0 = 3.75 · 80 = 300 мм
Длина передней консоли:
Диаметр шпинделя между опорами определяется по данной формуле:
Внутренний диаметр равен диаметру отверстия базового станка dотв = 52 мм.
Исходя из значения скоростного коэффициента и руководствуясь рекомендациями [2 табл. 9.3] и [4 глава 8 п. 3] выбираем схему опор которая имеет вид представленный на рис. 4.1.
Рис. 4.1 – Схема опор
Тип подшипников передней опоры: двухрядный роликовый радиальный 3182116К в количестве 1и упорно-радиальный сдвоенный 178816 в количестве 1а задней опоры – двухрядный роликовый радиальный 3182112К в количестве 1 шт.
2 Проверка прочности и расчет радиальной жесткости шпиндельного узла
В процессе работы металлорежущего станка геометрическая ось шпинделя меняет свое положение вследствие податливости опор от действия сил резания изгибающих моментов и смещения от поперечных сил. Фактическое положение геометрической оси шпинделя будет зависеть от жесткости шпиндельного узла которая может быть определена по принципу суперпозиции.
Главная составляющая силы резания по [2]: Рz = 5578 Н.
Рис. 4.2 – Расчетная схема
Определим реакции в опорах:
Р · (a + l) – RA · L = 0
RА – Рz – RБ = 70655 – 5578 – 14875 = 0
Крутящий момент на шпинделе рассчитывается по формуле:
Проверочный расчет шпиндельного узла на прочность.
Приведенный момент находим следующим образом:
Наименьший диаметр пустотелого вала:
dшп(30) d2(60) – прочность обеспечена
Определяем упругое сближение тел качения и колец подшипника в опорах:
где kп – коэффициент деформации согласно [2 п. 9.4 с. 158]:
где dвн1 – внутренний диаметр подшипника. Его определяют по [2 табл. 2] dвн1 = 80 мм.
где dвн2 – внутренний диаметр подшипника. Его определяют по [2 табл. 2] dвн = 60 мм.
92 · 10-3 мм = 0992 мкм
Определяем контактную деформацию поверхностей опор:
где kд = 0001 – коэффициент деформации по [2 п. 9.4];
d1 – внутренний диаметр подшипника мм;
D1 – наружный диаметр подшипника мм;
B1 – ширина подшипника по [2 табл. 4] мм.
где d1 – внутренний диаметр подшипника мм;
b1 – ширина подшипника по [2 табл. 4] мм.
Проверяем жесткость опор:
Так как в обоих опорах установлены двухрядные подшипники соответственно полученную жесткость для каждой из опор следует увеличить вдвое:
jI = 2 · j1 = 2 · 794 = 1588 Н·мкм-1
jII = 2 · j2 = 2 · 496 = 992 Н·мкм-1
Проверяем податливость опор:
Проверяем перемещение переднего конца шпинделя от податливости опор:
где – коэффициент защемления согласно [2 п. 9.4] = 045.
Проверяем перемещение переднего конца шпинделя от изгибающего нагрузки:
где Е – модуль упругости Е = 21 · 105 Нмм;
I1 и I2 – соответственно моменты инерции сечения шпинделя между опорами и консоли:
8 · 10-3 мм = 148 мкм
Проверяем перемещение переднего конца шпинделя от сдвига за счет поперечных сил:
где Sк – площадь сечения консоли шпинделя:
Sм – площадь сечения шпинделя между опорами:
G – модуль сдвига G = 085 · 105 Нмм2.
5 · 10-3 мм = 225 мкм
Проверяем радиальную жесткость шпиндельного узла при воздействии на консоль силы Pz по принципу суперпозиции:
Поскольку в передней опоре двухрядные подшипники то по принципу суперпозиции окончательная радиальная жесткость узла:
j = 2 · 2553 = 5106 Нмкм
Проверим выполнение следующего условия:
где [j] = 300 500 Нмкм
06 Нмкм > 300 500 Нмкм
Жесткости шпинделя достаточно.
3 Расчет осевой жесткости шпиндельного узла
Осевая сила действующая на шпиндель рассчитывается по следующей формуле:
Fо = (025 05) · Рz = 04 · Рz
Fо = 04 · 5578 = 2231 Н
Упругое сближение тел качения и колец упорного подшипника 178816:
где kд – коэффициент деформации контактных поверхностей:
kд = 075 · 10-4 · (z2 · dш)-033
где dш – диаметр шариков подшипника dш = 10 мм;
Z – количество шариков Z = 44 шт.
kд = 075 · 10-4 · (442 · 10)-033 = 28 · 10-6
= 28 · 10-6 · 2231 = 000644 мм = 64 мкм
Контактная деформация колец подшипников и корпуса опоры в местах соприкосновения:
где Кд – коэффициент деформации соприкосновения Кд = 0125 · 10-4;
Sк – площадь контакта соприкосновения:
где D – диаметр корпуса в зоне соприкосновения (что примерно равный наружному диаметру подшипника) D = 125 мм;
d – внутренний диаметр подшипника d = 80 мм.
7 · 10-4 мм = 0327 мкм
Находим осевую жесткость по следующей формуле:
С учетом схемы установки подшипников получаем:
j0 = 2 · 3316 = 6632 Нмкм
В проектируемом модернизированном станке используется централизованная система смазки которая реализуется от насоса гидропривода станка. Данная система необходима для подачи жидкого масла на части шпинделя (вращающиеся и находящиеся внутри корпуса станка) с целью смазки и отвода повышенной температуры. Жидкое масло подается в систему проходит очистку с использованием фильтра что необходимо для того чтобы уберечь трущиеся части от быстрого износа поскольку вместе с неочищенным маслом могут попасть различные мелкодисперсные твердые частицы. Марка жидкого масла рекомендуется для использования на проектируемом станке: И-Г-С по ГОСТ 17479-87.
Также в станке одновременно с централизованной системой смазки применяется автономная система. Автономная система смазки используется в труднодоступных местах а также в местах где нерационально использовать централизованную систему. В качестве пластичной смазки на проектируемом станке рекомендуется использовать высококачественный пластичный материал длительного действия: ОКБ-122-7 ГОСТ 18179-72.
Станция смазки предназначена для смазки элементов коробки скоростей. Она представляет собой сваренный бак 28 л и расположенную на нем аппаратуру.
Смазка опор шпинделя осуществляется от системы гидропривода с использованием фильтра с тонкого войлока. Подача смазки регулируется винтами. Перед началом работы подачу масла необходимо отрегулировать.
Характеристика робототехнического комплекса
Согласно [7 гл. 4] на первом листе графической части курсового проекта показан общий вид РТК для токарной обработки деталей построенного на базе станка КА280 с ЧПУ (поз. 1) обслуживающего его автоматического манипулятора 2 мод. МА80Ц05.15 агрегатно-модульного типа и магазина 3 из тактовым столом для подачи в зону загрузки-разгрузки тары 4 с заготовками и деталями. Питание гидроприводов станка автоматического манипулятора и магазина-накопителя осуществляется от общей гидростанции 5.
Автоматический манипулятор работает в соответствии с циклограммой. Предусмотрена возможность обработки заготовки с двух сторон (с переустановкой в патроне за счет поворота на 180°). Начало цикла соответствует перемещению каретки манипулятора с позиции ожидания (задней бабкой) в зону загрузки стола. В конце цикла каретка вновь возвращается к исходной позиции в зоне задней бабки станка. Время выполнения отдельных этапов цикла указано в характеристике движения механизмов РТК.
Автоматический манипулятор обладает 7-ю степенями подвижности (с учетом наличия двух рук). Манипулятор построен из унифицированных узлов (модулей): каретки 2 с приводом 6; монорельса 7 с кронштейнами 8 и 9 установленными на передней бабке и станине станка; блока механических рук 10 и 11 каждая из которых оснащена головкой 12 и захватным устройством 13 с механизмом поворота относительно продольной оси; гидроблока 14; электрошкафы 15 управления; электро- и гидрокоммуникаций 16.
Характеристика движений механизмов РТК
Перемещение каретки в зону магазина
Перемещение каретки от магазина к задней бабке
Перемещение каретки от задней бабки к патрону
Ход блока руки II в руки I
Ход каретки при изменении рук в патрона
Поворот охвата горизонтальновертикально
Зажимание (разжимание) охвата руки
Ход толкателя (магазина)
Зажима (разжимание) патрона верстака
Прижимание рук в патроне
Открытие (закрытие) оградения
Полное время изменения заготовки
Устройство числового программного управления NC-110. Устройство отличается уникальным сочетанием многофункциональности надежности простоты изготовления.
Устройство ЧПУ построено по модульному принципу и позволяет удовлетворять растущие потребности потребителей путем встраивания дополнительных модулей. Устройство легко адаптируется для самых сложных объектов элементы которых могут потребовать одновременного и независимого управления в реальном времени.
Мощное программное обеспечение позволяет управлять станками всех основных типов: токарными фрезерными обрабатывая центрами копировальными шлифовальными кузнечно-прессовым оборудованием и др.
Основные характеристики ПЧПК NC-110:
– управляющих осей от 2 до 16 и такт управления приводами для 16-ти осей 1 мс;
– дискретные входвыход – 4832 384256;
– Данные организованы в файлах (таблицы инструментов коррекций инструментов);
– подготовка управляющих программ одновременно выполнением цикла обработки детали;
– различные сообщения (ошибки при подготовке кадров ошибки оператора ошибки диагностики системы и др.);
– компенсация погрешности ходового винта и компенсация люфтов;
– программные ограничения;
– защищенные области и определение рабочего поля из управляющей программы;
– управление скоростью на профиле;
– управление разгономторможением по линейному экспоненциальному закону;
– устанавливаемые при конфигурации начальные точки;
– электронный штурвал;
– датчики типа энкодер;
– диагностика при включении и во время работы;
– последовательный канал RS232 и параллельный порт;
– встроенный программируемый интерфейс логики станка;
– язык высокого уровня для программирования интерфейса логики станка;
Краткие характеристики программирования:
– программирования в абсолютных размерах и приростах в миллиметрах и дюймах;
– компенсация радиуса инструмента;
– определение величины припуска;
– конические и цилиндрические резьбонарезания с постоянным и переменным шагом;
– циклы черновой обработки и чистовой обработки;
– циклы обработки пазов и снятия стружки;
– циклы резьбонарезания;
– программирования полного круга;
– прямое программирование с помощью углов прямых и цепей;
– параметрическое программирование;
– повтор частей управляющих программ;
– подпрограммы с параметрами;
– условные и безусловные переходы;
– 9999 инструментов и коррекций инструментов;
– возможность включения нескольких функций G и М в кадре;
– непрерывные оси вращения;
– оси вращения с заданием более 360°;
– скоординированная ось шпинделя.
Список используемой литературы
Василюк Д.Н. Лоев В.Ю. Мельничук П.П. Конструирование расчет и эксплуатация токарных станков с ЧПУ. Пособие для начинающих. – Житомир: ЖИТИ 2001. – 400 с.
Кобзарь Е.П. Мельничук Л.Г. Громовой О.А. Расчеты и проектирование узлов и деталей станков и систем: Учебное пособие. – Житомир: ЖИТИ 2000. – 361 c.
Справочник технолога машиностроителя. В 2-х т. Т. 2 Под ред. А.И. Косиловой и Р.К. Мещерякова. – 4-е изд. Перераб. и доп. – М.: Машиностроение 1985. – 496 с.
Пуш В.Э. Конструирование металлорежущий станков. – М.: Машиностроение 1977. – 392 с.
Локтева С.Е. Станки с программным управлением и промышленные работы: Учебник для машиностроительных техникумов. – 2-е изд. Перераб. и доп. – М.: Машиностроение 1986. – 320 с.
Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных ВУЗов Под ред. В.Э. Пуша – М.: Машиностроение 1985. – 256 с.
Роботизированные технологические комплексы и гибкие производственные системы в машиностроении: Альбом схем и чертежей: Учеб. пособие для втузов Ю.М. Соломенцев К.П. Жуков Ю.С. Павлов и др. – М .: Машиностроение 1989. – 192 с.