Проектирование современного привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ

ПЗ.doc

Министерство образования и науки Украины
Севастопольский национальный технический университет
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
по дисциплине: Конструирование и расчет МРС и СК
на тему: “Проект привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ”
Анализ и разработка конструкции привода6
Расчет параметров основных элементов привода8
1. Расчет параметров электродвигателя8
2. Расчет параметров тиристорного преобразователя9
3. Расчет параметров датчика обратной связи10
5 Расчет шарико-винтовой пары12
Библиографический список23
Токарный станок с ЧПУ предназначен для обработки разнообразных фасонных поверхностей деталей типа тел вращения. Точность и производительность станков с ЧПУ в значительной мере зависит от точности и быстродействия приводов подач формообразующих движений. Для повышения точности обработки применяют замкнутые системы автоматического управления приводами таких движений. Привод (рис. 1) состоит из высокомоментного двигателя 1 постоянного тока связанного муфтой с ходовым винтом 2 шариково-винтовой пары перемещения поперечного суппорта 3 станка. На вале двигателя 1 размещен измерительный прибор 4 угла поворота Двигатель питается от тиристорного или транзисторного преобразователя 5 который управляется и составляет вместе с ним комплексный электропривод. Деталь 6 установлена в патрон 7 станка и обтачивается резцом 8 закрепленным в револьверной головке 9 поперечного суппорта 3 станка.
Рисунок 1 – Схема привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ
Привод функционирует следующим образом. Сигнал который вырабатывается системой ЧПУ через цифро-аналоговый преобразователь (на рисунке. 1. не показанный) в виде напряжения U поступает на вход сравнительного приспособления ПП. На второй вход ПП поступает сигнал Uo измерительного прибора 4 угла поворота. Напряжение U ошибки воздействует на преобразователь 5 изменяя сигнал управления в результате чего двигатель 1 поворачивается в направлении уменьшения ошибки. Поперечный суппорт 3 вместе с резцом 8 перемещается формируя на детали заданный профиль в соответствии с программой ЧПУ
Темпы развития станкостроения количественный и качественный состав станочного парка во многом определяют промышленный потенциал любой страны и характеризуют уровень ее машиностроения.
Станки занимают особое место среди таких машин как текстильные транспортные машины легкой промышленности полиграфические и другие потому что они предназначены для изготовления деталей машин т.е. для производства средств производства.
Современные металлорежущие станки – это весьма развитые машины включающие большое число механизмов и использующие механические электрические гидравлические и другие методы осуществления движения и управления циклом.
По конструкции и назначению трудно найти более разнообразные машины чем металлорежущие станки. На них обрабатывают всевозможные детали – от мельчайших осей шестеренок и рычажков для приборов до громадных деталей размеры которых достигают многих метров. Т. О. станки которые называют металлорежущими включают более широкую группу машин-орудий обрабатывающих не только металлы но и другие материалы различными методами.
Для выполнения таких разнообразных технологических задач с высокими требованиями к качеству продукции и производительности труда в станках необходимо использовать новейшие достижения инженерной мысли.
Целью курсового проекта заключается в проектировании современного привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ который бы обеспечивал заданную точность обработки при простоте конструкции.
Анализ и разработка конструкции привода
Применив декомпозиционный подход к схеме привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ (рис. 1) выделим основные элементы и обозначим требования к ним для дальнейшего проектирования и расчетов.
Таблица 1. Основные элементы привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ
Наименование основного элемента привода
Требования к элементам привода
Двигатель постоянного тока (ДПТ)
Необходимая мощность число и точность передачи вращение.
Тиристорный преобразователь
Преобразование сигнала об ошибке U0 в сигнал управления U
Соединение вала двигателя с валом ШВП с необходимой жесткостью
Шарико-винтовая пара (ШВП)
Преобразование вращательного в поступательное движения и обеспечение точного перемещения исполнительного узла
Измерительное устройство (ИУ)
Фиксирование ошибки перемещения исполнительного узла и формирования сигнала ошибки
Исходя из аннотационного описания привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ (пункт 1). Определим входные управляющие выходные и возмущающие воздействия.
Таблица 2. Входные управляющие выходные воздействия привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ
Двигатель постоянного тока
w- угловая скорость (с-1)
Шарико-винтовая пара
Измерительное устройство
Возмущающим воздействием является отклонение перемещения исполнительного узла.
Определив основные элементы и обозначив требования к ним построим функциональную схему привода с учетом управляющих выходных и возмущающих воздействий.
Функциональная схема есть графическое изображение системы в виде функционально связанных между собою конструктивно отдельных элементов с обозначением их функций и связей между ними. При этом элементы изображаются в виде прямоугольников как правило с одним входом и одним выходом а сравнительное приспособление- в виде круга с перекрестием.
Рисунок 2- Функциональная схема привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ
Проведя анализ структуры привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ обозначим основные мероприятия по проектированию.
Таблица 3. План мероприятий по проектированию привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ.
Наименование мероприятия
Описание мероприятия
Разработка расчет. программы для расчета узла и проведение каталог-поиска необходимого узла привода с подробным описанием тех. характеристик согласно с разработанными требованиями к элементу.
Выбор соединительной муфты
Формирование общей расчет. программы для привода в целом. Расчет и корректировка привода.
Расчет параметров основных элементов привода
1. Расчет параметров электродвигателя
Проведя каталог-поиск был выбран интегрированный сервопривод СПШ10-23017 на базе электродвигателя марки СЛ-661.
Рисунок 3 – Серводвигатель в разрезе
ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ДВИГАТЕЛЯ СЛ-661
Номинальное напряжение Uн=360В.
Полезная мощность P=23кВт.
Скорость вращения ротора n=2400обмин.
Ток обмотки возбуждения Iв=02А.
Момент на валу M=915Нм.
Сопротивление якоря Rя=173Ом.
Индуктивность якоря Lя=08Гн.
Момент инерции Jg=1210-3кгм2.
Рисунок 4 - Зависимость номинальной скорости от напряжения питания привода СПШ10-23017
Расчёт электромагнитной постоянной.
Расчёт постоянной двигателя по моменту.
Постоянная двигателя по скорости
Коэффициент усиления двигателя
Электромеханическая постоянная времени привода
Коэффициент редуктора
i – передаточное число редуктора.
2. Расчет параметров тиристорного преобразователя
Тиристорный преобразователь частоты (ТПЧ) с достаточной степенью точности можно считать апериодическим. Питание электропривода осуществляется от сети трёхфазного тока с частотой 50 Гц.
Рисунок 5 - Общий вид тиристорного преобразователя модели FR-A540
Постоянная времени ТПЧ
m=3 – количество фаз напряжения питания
f=50Гц – частота источника питания (промышленная).
U=5В – максимальное напряжение на входе системы управления.
3. Расчет параметров датчика обратной связи
В качестве датчика скорости используется тахогенератор АТ-231 с максимальной скоростью вращения
и крутизной выходной характеристики
Перевод крутизны выходной характеристики тахогенератора в единицах
Перевод заданной амплитуды скорости движения объекта по синусоидальному закону в единицах
Коэффициент датчика обратной связи по скорости должен быть выражен в единицах
Коэффициент датчика обратной связи (ДОС) по положению выходного вала
В качестве соединительного элемента используем зубчатую муфту ГОСТ Р 50895-96
Рисунок 6 – Зубчатая муфта
Вращающий момент нагружающий муфту
К – коэффициент режима работы;
ТН – номинальный действующий момент.
5 Расчет шарико-винтовой пары
Критерии работоспособности и расчет ШВП.
Шариковинтовая передача должна удовлетворять следующим критериям работоспособности:
контактной статической прочности рабочих поверхностей винта гайки и шариков;
сопротивлению контактной уста юс г и рабочих поверхностей;
статической устойчивости:
динамической устойчивости;
прочности стержня винта.
Расчет передачи. В соответствии с основными критериями работоспособности шариковинтовых передач расчет ведут по динамической грузоподъемности для предупреждения усталостного разрушения (выкрашивания рабочих поверхностей) и по статической грузоподъемности для предупреждения пластического деформирования тел и поверхностей качения.
Исходные данные для расчета. Основными исходными параметрами при проектном расчете шариковинтовой передачи являются:
- исполнение – корпусная;
- тип передачи – с предварительным натягом;
- число заходов резьбы ;
- число рабочих витков каждой гайки - ;
- минимально необходимая жесткость: R= 213 Нмкм;
- требуемый ресурс: ч;
- вероятность безотказной работы: = 98 %;
- класс точности 3 по ОСТ 2 РЗ1-4-88;
- твердость рабочих поверхностей – HRC=40-45;
- ведущий элемент – винт;
- схема закрепления винта – оба конца опорные;
- длина неопорной части винта
- коэффициент запаса по частоте вращения = мм;
- коэффициент трения качения := мм;
- качество материала деталей передачи (характеристика плавки);
- циклограмма нагружения задаваемая значениями осевой силы (H) частоты - вращения (мин-1) и времени работы (%)на каждом уровне;
Переменный режим может быть представлен общим числом уровней нагружения. Из них - число уровней нагружения с осевыми силами одного положительного направления и с осевыми силами противоположного (отрицательного) направления. Условно за положительное можно принять направление действия осевой силы на передачу со стороны левой гайки за отрицательное - со стороны правой гайки.
Выявление максимальных параметров.
Из числа заданных в циклограмме нагружения выявляют наибольшую:
силу (по абсолютной величине) Н:
– частоту вращения мин-1:
Определение корректирующих коэффициентов.
Влияние точности изготовления передачи учитывают введением в расчетные формулы коэффициентов . При выполнении расчетов для вероятности безотказной работы более 90 % вводят коэффициент . Обычно применяют одноконтурную z = 1 трехвитковую гайку: .
Такие параметры передачи как грузоподъемность и жесткость указаны в стандарте для ШВП с трехвитковыми гайками. При числе витков 1 значения динамической грузоподъемности должны быть уменьшены в раз а значения статической грузоподъемности и осевой жесткости – в раз. Снижение динамической и статической грузоподъемности с уменьшением твердости поверхности качения ниже 61 HRC учитывают соответственно коэффициентами значения которых вычисляют по формулам:
Влияние качества материала деталей передачи на сопротивление контактной усталости учитывают введением коэффициента . Обычно . Таким образом корректирующие коэффициенты и для вычисления расчетных значений соответственно динамической и статической грузоподъемности :
Предварительный выбор типоразмера ШВП.
С целью ускорения выбора типоразмера ШВП из числа стандартных можно использовать следующие рекомендации.
Для передачи с натягом минимально необходимая базовая динамическая грузоподъемность из условия сохранения натяга и достижения требуемой жесткости:
По таблицам стандарта отыскивают типоразмер удовлетворяющий условию: для передач с натягом ;
Выбираем для выбранного типоразмера ШВП значения:
- номинальный диаметр мм;
- диаметр шарика мм;
- базовая динамическая грузоподъемность Н;
- базовая статическая грузоподъемность Н.
Вычисляют значения скорректированной динамической и скорректированной статической грузоподъемности:
Для передачи с натягом выполняют оценку выбранного типоразмера передачи по возможной силе предварительного натяга и максимально достижимой жесткости .
Чтобы в процессе работы не произошло полной разгрузки нерабочей гайки силу (H) предварительного натяга назначают равной:
Максимально достижимая жесткость выбранного типоразмера ШВП при силе предварительного натяга
где - коэффициент учитывающий неполноту рабочего витка вследствие наличия шариков в перепускном канале
Если жесткость меньше заданной в исходных данных то нужно перейти на следующий типоразмер передачи с большим значением динамической грузоподъемности.
Если по предварительной оценке получен положительный результат то вычисляют фактическую жесткость передачи Нмкм:
При этом изменяют силу предварительного натяга в рекомендуемых пределах до выполнения условия обеспечения требуемой жесткости:
Вычисление эквивалентной нагрузки.
При эксплуатации на ШВП воздействуют различные осевые силы отличающиеся значением направлением временем действия при различных частотах вращения.
Под эквивалентной динамической нагрузкой ШВП понимают такую постоянную осевую силу при действии которой долговечность передачи будет такой же как при реальных условиях нагружения. Методика определения эквивалентной нагрузки приведена в ОСТ 2 РЗ1-5-89.
В станках применяют ШВП с натягом.
Для передачи с натягом эквивалентную нагрузку находят с учетом силы предварительного натяга. ШВП с натягом состоит из двух гаек каждая из которых после сборки нагружена осевой силой натяга. Внешняя осевая сила изменяет силы действующие на гайки нагружая одну гайку (рабочую) и разгружая другую (нерабочую). Как показали исследования при достижении силой значений в 283 раза превышающих силы натяга происходит полная разгрузка нерабочей гайки и всю внешнюю осевую силу воспринимает рабочая гайка.
В зависимости от направления внешней осевой силы рабочей может быть как одна (левая) так и другая (правая) гайка.
Циклограмма нагружения представлена общим числом уровней нагружения. Из них j уровней нагружения с осевыми силами положительного направления за которое принято направление действия осевой силы на передачу со стороны левой гайки.
При этом сила нагружающая на каждом уровне (от i= 1 до j):
-левую (рабочую) гайку:
-правую (нерабочую) гайку:
Циклограмма нагружения представлена числом уровней нагружения с осевыми силами отрицательного направления за которое принято направление действия осевой силы на передачу со стороны правой гайки.
При этом сила нагружающая на каждом уровне :
- правую (рабочую) гайку:
-левую (нерабочую) гайку:
В приведенных формулах силы и подставляют со своими знаками:
силы - со знаком плюс; силы - со знаком минус.
Средняя частота вращения при задании времени работы на каждом уровне в %:
Эквивалентная нагрузка для расчета ресурса левой гайки
Эквивалентная нагрузка для расчета ресурса правой гайки:
При расчете на ресурс ШВП с натягом принимают в качестве эквивалентной нагрузки наибольшую из и :
При расчете на статическую грузоподъемность ШВП с натягом расчетной силой служит наибольшая из двух:
где (или ) наибольшая из общего числа уровней нагружения с учетом преднатяга сила действующая на левую (или правую) гайку передачи.
Расчет на статическую прочность.
Статическая прочность поверхности качения обеспечена если расчетная осевая сила не превосходит скорректированную статическую грузоподъемность :
Расчет передачи на заданный ресурс.
Фактический ресурс передачи ч:
где – скорректированная динамическая грузоподъемность Н; – эквивалентная нагрузка Н; – средняя частота вращения мин-1.
Передача пригодна если где – заданный ресурс. При невыполнений этого условия следует перейти на типоразмер передачи с большей динамической грузоподъемностью.
Проверка винта на статическую устойчивость.
Винты передачи подвержены воздействию значительной осевой силы. В зависимости от схемы осевой фиксации вращающиеся винты работают на растяжение или сжатие.
Способ закрепления винта
Один конец заделан жестко второй свободный
Один конец заделан жестко второй опорный
Оба конца заделаны жестко
Вычисляют значение критической силы Н по Эйлеру:
где – модуль упругости материала винта МПа (для стали МПа);
–диаметр резьбы винта по впадинам мм; для предварительных расчетов можно принимать ;– коэффициент запаса (обычно ); – коэффициент зависящий от способа закрепления винта;– длина нагруженного (неопорного) участка винта мм. Статическая устойчивость обеспечена если
где – наибольшая осевая сила Н нагружающая винт на длине .
В ОСТ 2 Н62-6-85 приведены номограммы для выбора типоразмера ШВП по допустимой величине осевой силы для различных схем монтажа.
Проверка на динамическую устойчивость.
В соответствии с ОСТ 2 РЗ1-5-89 предельную частоту вращения ШВП регламентируют двумя факторами: критической частотойвращения и линейной скоростью движения шарика последнюю в свою очередь ограничивают фактором:
В технически обоснованных случаях допускают:
Критическую частоту мин-1 вращения вычисляют из условия предотвращения резонанса:
где – коэффициент зависящий от способа закрепления винта; – коэффициент запаса по частоте вращения ; и мм.
В качестве предельной частоты мин-1 вращения принимают наименьшую из:
Частота вращения находится в допустимых пределах при выполнении условия:
где – наибольшая частота вращения мин-1 .
Коэффициент полезного действия шариковинтовой передачи преобразующей вращательное движение в поступательное:
где – угол подъема резьбы рад;
где– коэффициент учитывающий влияние натяга;
– приведенный угол трения в резьбе рад:
Здесь – коэффициент трения качения мм: ( мм); –- угол контакта рад.
Коэффициент для передач без натяга и для передачи с небольшим натягом при:
Силу устанавливают из расчета жесткости передачи Для передачи со значительным натягом когда:
Момент холостого хода для передачи с натягом Н м:
где – коэффициент учитывающий влияние точности изготовления;
Н; мм – наибольший момент завинчивания Нм:
где – шаг резьбы мм; z - число заходов резьбы; Н.
Наибольшая линейная скорость мс перемещения ведомого элемента вычисляют в зависимости от частоты вращения мин-1:
Расчет геометрии профиля резьбы.
Радиус профиля резьбы мм (рис. 3):
Число шариков в одном витке гайки шт:
Число рабочих шариков в одном витке с вкладышем шт:
где – число шариков в канале возврата: .
Расчетное число шариков в витках шт:
Нормальная сила нагружающая один шарик Н:
где – расчетная сила Н.
Рисунок 7 – Геометрия профиля резьбы
Параметры площадки контакта между телом качения и дорожкой качения (здесь Е - модуль упругости МПа):
Радиус галтели винта мм:
Радиус галтели гайки мм: .
Наружный диаметр резьбы винта мм:
Смещение центра радиуса профиля мм:
Внутренний диаметр резьбы винта мм:
Наружный диаметр резьбы гайки мм:
Внутренний диаметр резьбы гайки мм:
Диаметр качения по винту мм:
Диаметр качения по гайке мм:
Расчет стержня винта на прочность.
Напряжения МПа растяжения-сжатия при нагружении силой Н.
Напряжения МПа кручения при нагружении наибольшим моментом Нм завинчивания:
Прочность винта проверяют по эквивалентному напряжению МПа:
Допускаемое напряжение где – предел текучести материала винта МПа.
Осевая жесткость Нмкм винта диаметром мм и длиной мм при закреплении:
по схеме: оба конца опорные:
где – модуль упругости материала винта МПа.
Смешение гаек для создания предварительного натяга мкм:
По полученным данным (Приложение 1) выбираем ШВП модели ОМВ 40
Рисунок 8 – Общий вид ШВП модели ОМВ 40
Данный привод по техническим и конструкционным характеристикам более современен чем его предшественники (громоздкие коробки подач с низким кпд и экономичностью). Привод имеет ряд достоинств которые при современной рыночной системой является отличным прорывом в оптимизации не только в металлорежущей промышленности но и в ряд других отраслей (намоточные устройства экструдеры машины для литья пластмасс под давлением оборудование для ЦБК печатное оборудование упаковочное оборудование пищевая промышленность и производство напитков текстильная промышленность прессовое штамповочное оборудование автомобильная промышленность). Представлены ряд расчетов в программе Excel которые необходимы для расчета основных кинематических составляющих привода. Определение оптимальных параметров двигателя является необходимы для подбора редуктора (диаметры валов габаритные размеры и др.).
Данный привод может быть использован как привод подач станка так как в нем присутствуют все важные достоинства компактной конструкции простота регулировки и надежность деталей и узлов.
Библиографический список
Анурьев В. И. «Справочник конструктора-машиностроителя» т.1 2. – 5-е издание – М.: «Машиностроение» 1980.
Проников А.С. «Расчет и конструирование металлорежущих станков» - 2-е издание – «Высшая школа» 1968.
Чернов Н. Н. «Металлорежущие станки» - М.: «Машиностроение» 1965.
«Обработка металлов резанием. Справочник технолога» - 3-е издание под ред. Г. А. Монахова – М.: «Машиностроение» 1974.
«Обработка металлов резанием: Справочник технолога» - А. А. Панов В. В. Аникин Н. Г. Бойм и др. – М.: «Машиностроение» 1988.
П. Ф. Дунаев «Конструирование узлов и деталей машин» - 2-е издание – М.: «Высшая школа» 1978.
В. Н. Кудрявцев «Детали машин» - Л.: «Машиностроение» 1980.
Чиликин М.Г. Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник. для вузов.- 6-е изд. доп. и перераб- М.: Энергоиздат 1981- 576 с.ил.

подача.cdw

3 спецификация.spw

Пояснительная записка
Крышка регулировочная
Кольцо дистанционное
Кольцо регулировочное
Подшипник 310 ГОСТ8338-75
Подшипник 8310 ГОСТ6874-75
Полумуфта ГОСТ21424-75
Шайба 12.65Г ГОСТ6402-70
Шайба 10.65Г ГОСТ6402-70
Шайба 865Г ГОСТ6402-70
Паронит ГОСТ15180-70

Узел шариковой пары (А-2).cdw

функцсхема.cdw

- высокомоментный двигатель
- шарико-винтовая пара
- измерительный прибор угла поворота
- транзисторный преобразователь
- револьверная головка
Разработка функциональной схемы приводов токарного станка
Расчетная схема привода
Функциональная схема привода
Графическое представление звена
Тиристорный преобразователь
Двигатель постоянного тока
Шарико-винтовая пара
Эквивалентная упругая система
Измеритальное устройство