Роботизированный технологический комплекс на базе двух станков 16К30Ф323

rrryiresryer.docx

Состав и принцип действия роботизированного технологического комплекса3
Анализ кинематической структуры привода главного движения для базового станка 16К30Ф3239
Расчёт кинематической структуры модернизируемого привода.16
Анализ недостатков базового привода и определение диапазона регулирования модернизируемого привода16
Определение коэффициента увеличения диапазона16
Выбор электродвигателя для модернизируемого привода17
Расчёт структуры модернизируемого ПГД19
Разработка кинематической схемы и графиков ЧВШ мощности и крутящих моментов модернизируемого ПГД23
Расчёт элементов модернизируемого привода на прочность.26
Список рекомендуемой литературы29
Состав и принцип действия роботизированного технологического комплекса
Роботизированный технологический комплекс (РТК) совокупность единицы технологического оборудования промышленного робота и средств оснащения автономного функционирующая и осуществляющая многократные циклы.
Типовой РТК содержит следующие элементы: станки магазины-накопители заготовок и деталей шкафы ЧПУ электрошкафы гидростанции станков вспомогательные устройства РТК. В основном РТК разрабатываются для производства деталей с небольшим временем обработки. Этот фактор накладывает определенные ограничения на применение ПР. При обслуживании одного станка время установки-снятия заготовок не существенно влияет на время цикла поэтому возможно применение одноруких роботов. При обслуживании двух станков время установки-снятия заготовки уже существенно влияет на время цикла поэтому экономичность применения одноруких или двуруких роботов будет зависеть как от цикла обработки так и от взаимного расположения магазинов-накопителей заготовок и деталей. Для напольных роботов так как магазины-накопители располагаются рядом эти потери времени незначительны поэтому допустимо применения одноруких роботов.
При разработке общего вида РТК необходимо: учесть размеры рабочей зоны станка размеры рабочей зоны робота обеспечить наличие тактовых столов-накопителей заготовок и деталей разместить шкафы ЧПУ электошкафы гидростанцию станка вспомогательные устройства РТК.
Типовые РТК как правило разработаны для определенного типоразмера деталей небольшой массы. Это позволяет применять промышленные роботы небольшой грузоподъёмности и меньших габаритов но при этом технологические возможности станков полностью не используются что существенно снижает универсальность применяемых РТК. В представленном курсовом проекте выбор напольного ПР будет основан на попытке максимально использовать технические возможности станков по массе обрабатываемой заготовки.
РТК построен на базе двух токарных патронно-центровых станков с ЧПУ модели 16К30Ф323 автоматического манипулятора напольного типа накопителя заготовок и деталей
Автоматический манипулятор в составе РТК выполняет следующие операции: снятие заготовок из тары транспортирование его к патрону станка установку в него заготовки взятие из патрона обработанной детали и транспортирование детали к таре и установку в соответствующей ячейке.
Роботы выпускаемые промышленностью отличаются значительным разнообразием конструкций технических характеристик сфер применения и т.д. Для установления рациональной области применения роботов составления типажа необходимо знать их классификацию по различным признакам и основные технические характеристики.
Технические характеристики промышленного робота согласно ГОСТ 25685-83 включают номинальную грузоподъёмность зону обслуживания роботом рабочую зону ПР число степеней подвижности скорость перемещения по степени подвижности погрешность позиционирования рабочего органа погрешность обработки траектории рабочего органа.
Грузоподъёмность – наибольшая масса захватываемого ПР объекта производства при которой гарантируется захватывание удержание и обеспечение установленных значений эксплуатационных характеристик ПР.
Число степеней подвижности промышленного робота – это сумма возможных координатных движений захваченной детали относительно звена: стойки основания и т.д. (движение зажима детали захватным устройством здесь не учитывается).
Зона обслуживания ПР – это пространство в котором рабочий орган выполняет свои функции в соответствии с назначением робота и установленными значениями его характеристик.
Рабочая зона промышленного робота – это пространство в котором может находиться рабочий орган при его функционировании. Рабочая зона может иметь объём от 001 м3 ( при особо точных операций) и свыше 10 м3 (для передвижных роботов).
Погрешность позиционирования – отклонение положения рабочего органа от заданного управляющей программой. Большинство современных ПР имеет погрешность ±01 25 мм (для грубых работ от ± 1 до ±5 мм для точных работ от ±01 до ±1 мм для высокоточных работ до ±01 мм).
Линейная скорость исполнительного механизма у большинства ПР составляет 05-1 мс а угловая 90-180с.
По способу установки на рабочем месте различают промышленные роботы напольные портальные и встроенные. Напольные роботы компактны но следствием этой компактности являются ограниченная грузоподъёмность (до 20 кг) и небольшая зона обслуживания: обслуживают как правило станок реже два станка.
Целесообразность применения того или иного исполнения промышленного робота в РТК может дать только полноценный экономический анализ при расчете себестоимости детали.
Технические характеристика станка модели 16К30Ф323
Тип электродвигателя главного движения
Мощность электродвигателя главного движения
Номинальная частота вращения электродвигателя
Максимальная частота вращения электродвигателя
Пределы частот вращения шпинделя
Наибольший диаметр обрабатываемой заготовки
Наибольшая длина обрабатываемой заготовки
Высота резца устанавливаемого в резцедержателе
Для выбора напольного промышленного робота входящего в состав РТК определим наибольшую массу устанавливаемой заготовки:
где – объём цилиндра.
Условимся обрабатывать на станке следующую заготовку:
Рис.1. Эскиз обрабатываемой заготовки
D=100 мм – наибольший диаметр обрабатываемой заготовки
L=300 мм – наибольшая длина обрабатываемой заготовки
кгмм3 – плотность материала заготовки(сталь)
Так как в проектируемый РТК два станка то необходим напольный ПР с возможностью поворота на 360 достаточно большой зоной обслуживания грузоподъемностью не менее 20 кг. Из нескольких вариантов принимаем напольный промышленный робот
Технические характеристики напольного промышленного робота
Два токарно-патронно-центровых станка с ЧПУ модели 16К30Ф323
Магазин-накопитель заготовок
Магазин-накопитель деталей
Устройство ЧПУ станка
Электрошкаф магазинов-накопителей
Пульт управления коплексом
Анализ кинематической структуры привода главного движения для базового станка 16К30Ф323
Рис.3. Кинематическая схема главного движения
В качестве привода главного движения используется частотно-регулируемый асинхронный электродвигатель с диапазоном регулирования с постоянной мощностью 63 1600 обмин.
Передача вращения от электродвигателя на первый вал шпиндельной бабки осуществляется ременной передачей с передаточным отношением 200:370.
Выполняем анализ кинематической структуры ПГД с бесступенчатым регулированием скорости токарного станка 16К30Ф323.
Номинальная частота вращения электродвигателя nэ ном=1000 мин-1;
Наибольшая частота вращения электродвигателя nэ ma
Номинальная мощность электродвигателя ПГД P=30кВт;
Наибольшая частота вращения шпинделя nma
Наименьшая частота вращения шпинделя nm
Знаменатель геометрического ряда ЧВШ φ=112.
Определим диапазон регулирования ЧВШ
Определим условное число ступеней ЧВШ при заданном φ=112
Стандартный ряд ЧВШ для φ=112 выберем из нормального ряда чисел в станкостроении.
Определим минимальное и максимальное передаточное отношение АПК (автоматическая передаточная коробка)
Минимальные передаточные отношения АПК
Максимальные передаточные отношения АПК
Определим расчетную ЧВШ
Фактическая расчетная ЧВШ на станке
np= nэ ном·==1000·00625·054= 34 мин-1;
Округляем для удобства np= 355 мин-1;
По рекомендации Энимс расчетная ЧВШ должна соответствовать
Как видно из расчета значения фактической расчетной ЧВШ не соответствуют значению рекомендуемой что является недостатком данного ПГД.
Уточним предельные частоты вращения электродвигателя.
Для уточнения наименьшей частоты вращения электродвигателя используем уравнение кинематического баланса для получения наименьшего ЧВШ.
Где - условная минимальная частота вращения электродвигателя определяется как
Для уточнения наибольшей частоты вращения электродвигателя используем уравнение кинематического баланса для получения наибольшего ЧВШ.
При постоянном моменте
При постоянной мощности
Определим диапазон регулирования частот вращения электродвигателя:
Если для получения наибольшей ЧВШ используется на максимальная частота на электродвигателе а условная максимальная частота () то диапазон регулирования частот вращения электродвигателя при постоянной мощности определяют по выражению
Полный диапазон регулировании частот вращения электродвигателя определим по выражению
Если на электродвигателе используется условная максимальная частота () то полный диапазон регулирования частот вращения элемента определяют по выражению
Требуемое число ступеней АПК
В станке принято что также является недостатком рассматриваемого привода наблюдаются разрывы.
Определим передаточное отношение всех ПГД выразив их через принятый φ.
Определим предельные и ряд промежуточных значений крутящего момента и эффективной мощности на шпинделе станка необходимых для построения графиков силовых характеристик привода:
Минимальный крутящий момент
где – эффективная мощность на шпинделе станка для её расчёта можно ориентировочно принять кВт.
Расчетный крутящий момент
Строим график ЧВШ и графики зависимости мощности и крутящего момента на шпинделе от ЧВШ:
Рис.4. График ЧВШ и графики мощности и крутящего момента на шпинделе
Рассмотрев кинематическую схему и график ЧВШ ПГД базовой модели а также графики мощностей и крутящих моментов отметим следующие недостатки:
Недостаточный общий диапазон регулирования ЧВШ в области максимальных значений.
Не обеспечивает рекомендуемое соотношение диапазонов регулирования частот вращения шпинделя при постоянном моменте и при постоянной мощности.
В диапазоне регулирования частот вращения шпинделя при постоянной мощности имеются «разрывы» в пределах n=100 140 мин-1 и n=400 560 мин-1.
Расчёт кинематической структуры модернизируемого привода.
Анализ недостатков базового привода и определение диапазона регулирования модернизируемого привода
В базовом ПГД токарного патронно-центрового станка модели 16К30Ф323 используется бесступенчатое регулирование скорости на основе геометрического ряда со знаменателем φ=112. На основе проведенного анализа его структуры были выявлены следующие недостатки.
)Недостаточный общий диапазон регулирования ЧВШ в области максимальных значений. У базового ПГД мин-1 а наибольшее значение ЧВШ находятся а пределах мин-1.
)Не обеспечивает рекомендуемое соотношение диапазонов регулирования частот вращения шпинделя при постоянном моменте и при постоянной мощности.
)В диапазоне регулирования частот вращения шпинделя при постоянной мощности имеются «разрывы» в пределах n=100 140 мин-1 и n=400 560 мин-1.
Целью модернизации является устранение указанных недостатков с минимальными изменениями конструкции ПГД и минимальными затратами.
Определение коэффициента увеличения диапазона
На основе скоростных характеристик басового и модернизируемого ПГД определим коэффициент увеличения общего диапазона регулирования:
где - общий диапазон регулирования частота вращения шпинделя для модернизируемого ПГД определяется как
- общий диапазон регулирования частота вращения шпинделя для базового ПГД .
Определим расчётную ЧВШ для модернизируемого ПГД.
По рекомендациям ЭНИМС расчётную ЧВШ для ПГД одноцелевых станков с ЧПУ определяются по выражению
Принимаем ближайшее большее значение расчётной ЧВШ по ряду мин-1.
Выбор электродвигателя для модернизируемого привода
Выбор электродвигателя для модернизированного ПГД выполним по критериям которые рассмотрим по порядку их значимости:
) Мощность электродвигателя ПГД ( должна находиться в пределах
где - наибольшее значение мощности электродвигателя ПГД с учетом эффективной мощности на шпинделе станка () и КПД привода (). При предварительном проектировании принимаются ;
- наименьшее значение мощности электродвигателя ПГД с учетом коэффициента перегрузки электродвигателя ПГД () рекомендуемое значение которого принимают в пределах 12 14;
С учётом первого критерия выбираем ряд широкорегулируемых электродвигателей постоянного тока серии 4ПФ и регулируемых асинхронных электродвигателей переменного тока серий МА DH и сводим их основные технические характеристики в таблице.
Тип электродвигателя
) Желательное значение максимальной частоты вращения электродвигателя ПГД ( мин-1):
где - наибольшая частота вращения шпинделя модернизируемого привода мин1;
– общее максимальное передаточное отношение АПК базового ПГД
) Из электродвигателей выбранных по первым двум критериям выбирают электродвигатель с наибольшим диапазоном регулирования при постоянной мощности : .
) Окончательно выбирают электродвигатель с учетом его КПД .
Из таблицы с учетом второго и третьего критериев для дальнейшего проектирования выбираем электродвигатель №3 4ПФ180А.
Определим необходимое число ступеней дополнительного АПК модернизируемого ПГД по выражению:
где - диапазон регулирования частот вращения шпинделя при постоянной мощности:
- диапазон регулирования частот вращения электродвигателя при постоянной мощности :
Тогда необходимое число ступеней дополнительной АПК для модернизируемого ПГД
Расчёт структуры модернизируемого ПГД
Построим график ЧВШ исходного варианта модернизируемого ПГД с использованием характеристик нового выбранного электродвигателя и структурной АПК базового привода. Для этого отложим на графике характеристики выбранного электродвигателя и построим лучи передаточных отношений передач базового привода сплошными линиями с сохранением пятиваловой структуры АПК
Рис.5. График ЧВШ модернизируемого ПГД
Анализ показывает что проектный вариант структуры ПГД обеспечивает требуемые технические характеристики модернизированного привода без изменения конструкции АПК. Для обеспечения требуемого значения расчётной ЧВШ необходимо изменить общее минимальное передаточное отношение базового ПГД ().
Из графика ЧВШ (рис.5) видно что общее минимальное передаточное отношение базового ПГД определяется произведением минимальных передаточных отношений отдельных передач между валами АПК включая передаточное отношение ременных передач) то есть
Изменить общее минимальное передаточное отношение базового ПГД () можно за счёт изменения передаточных отношений отдельных передач привода.
При подборе чисел зубьев колёс ограничивают предельные значения передаточных отношений отдельных прямозубых цилиндрических передач АПК привода. Ограничение предельного значения передаточного отношения в понижающей передаче связано с увеличением радиальных габаритов ведомого зубчатого колеса и уменьшением ресурса работы ведущего колеса. Ограничение предельного значения передаточного отношения а повышающей передачи ()связано ростом предельных окружных скоростей и ухудшением динамических характеристик привода. Кроме того ограничивают наименьшее число зубьев колёс что связано с подрезом зубьев при их нарезании и уменьшением ресурса работы такого колеса.
При уменьшении общего минимального передаточного отношения базового ПГД желательно уменьшать передаточные отношения тех передач которые находятся ближе к шпинделю. В нашем случае что передача с вала на вал АПК с передаточным отношение .
Для обеспечения требуемого значения расчётной ЧВШ изменим передаточное отношение передачи со значения на . При этом не требуется изменение конструкции структуры АПК так как можно подобрать числа зубьев передач без изменения межосевого расстояния. Для этого при подборе чисел зубьев выполняется условие .
Подберём число зубьев передачи с отношение решая систему из двух уравнений с двумя неизвестными:
Выразим из первого выражения и подставим во второе выражение .
Тогда зуба. Полученное значение округляем м наименьшей погрешностью до ближайшего целого и принимаем .
Подставим полученное значение во второе выражение и получим число зубьев колеса .
Полученное значение больше наименьшего числа зубьев колес что удовлетворяет рекомендациям.
Определим фактическое передаточное отношение для новой передачи
Тогда фактическая расчётная ЧВШ для проектируемого ПГД
что соответствует ранее принятому значению расчётной ЧВШ .
Определим условную минимальную частоту вращения электродвигателя () обеспечивающую наименьшую частоту вращения шпинделя по выражению:
Необходимо скорректировать максимальную частоту вращения электродвигателя приняв меньшее значение так называемую условную максимальную частоту вращения электродвигателя ().
Для модернизируемого привода уточним наибольшую частоту вращения шпинделя
Полученное значение несколько больше заданного значения наибольшей частоты вращения шпинделя по исходным данным . Поэтому необходимо определить условную максимальную частоту вращения электродвигателя обеспечивающую требуемую наибольшую частоту вращения шпинделя по выражению
Уточним диапазон регулирования частот вращения электродвигателя:
Диапазон регулирования частот вращения шпинделя для модернизируемого привода:
При постоянной мощности () и полный () были определены ранее.
При постоянном моменте
Уточним необходимое число ступеней дополнительной АПК для модернизируемого ПГД
Число ступеней дополнительного АПК находится в пределах трёх ступеней что позволит обеспечить диапазон ЧВШ модернизируемого ПГД без «разрывов».
Разработка кинематической схемы и графиков ЧВШ мощности и крутящих моментов модернизируемого ПГД
На основании принятых элементов привода и выполненных расчётов разработаем кинематическую схему модернизируемого ПГД рис.6
Рис.6. Кинематическая схема модернизируемого ПГД
Для построения графиков силовых характеристик привода и
определяем предельные и ряд промежуточных значений крутящего момента и эффективной мощности на шпинделе станка:
Значение минимального крутящего момента
Значение расчётного крутящего момента
Промежуточные значения крутящего момента на шпинделе станка соответствующие некоторым частотам вращения шпинделя в диапазоне от до определяем по выражению и заносим в таб. 3.
Определяем значение минимальной эффективной мощности на шпинделе станка
Промежуточные значения эффективной мощности на шпинделе станка соответствует некоторым частотам вращения шпинделя в диапазоне от до определяем по выражению и заносим в таб. 4.
Построим график ЧВШ мощности и крутящих моментов для модернизируемого ПГД рис.7.
Рис.7. Графики мощности и крутящего момента на шпинделе модернизируемого станка 16К30Ф323
Расчёт элементов модернизируемого привода на прочность.
Произведем расчет зубчатой пары передающей крутящий момент МKP1=809 Н·м (см. сводную таблицу крутящих моментов на валах) частота вращения ведущего вала мин-1.
Базовый модуль зацепления m=4
Передаточное число передачи
Так как в коробках передач станков стремятся получить минимальные осевые размеры примем
Учитывая повышенные требования к габаритам деталей коробок передач станков принимаем для зубчатых колес низкоуглеродистую легированную сталь 12ХН3А подвергнутую цементации и закалке ТВЧ до твердости HRC 50 63. Тогда предел контактной выносливости
Предел выносливости при изгибе
Запас прочности при изгибе SF=155.
Базовое число циклов для колес из принятого материала NHO=12·107
Эквивалентное число циклов NHЕ=50tц· n1=50·20000·236= 236·107
Где tц=20000 ч. за срок службы 5 лет до капитального ремонта.
то коэффициент долговечности .
Допускаемое контактное напряжение
Допускаемое напряжение при изгибе
) Определяем расчетные коэффициенты.
Коэффициенты торцового перекрытия
Коэффициент учитывающий суммарную длину контактных линий:
Коэффициенты неравномерности нагрузки:
Коэффициент динамичности: .
Для зубчатого зацепления с V до 10 мс принята 7-я степень прочности.
Коэффициент формы зуба: .
) Минимальное значение модуля допустимое контактными напряжениями:
Минимальное значение модуля по напряжениям изгиба
Так как значения минимально допустимых модулей по контактным напряжениям и напряжениям изгиба получены то окончательно принимаем модуль зубчатого зацепления m=4 мм.
) Рассчитываем геометрические параметры передачи.
Делительные диаметры:
Диаметры вершин зубьев:
Диаметры впадин зубьев:
Межцентровое расстояние
Ширина венца колеса и шестерни
Окружная и радиальная силы:
Список рекомендуемой литературы
Выжигин А.Ю. Гибкие производственные системы: учеб. посо-бие для вузов. – М.: Машиностроение 2009. – 288 с.
Металлорежущие станки: учебник для вузов. В 2 т. Т. 1 В.В. Бушуев [и др.]; под ред. В.В. Бушуева. – М.: Машиностроение 2012. – 608 с.
Металлорежущие станки: учебник для вузов. В 2 т. Т. 2 В.В. Бушуев [и др.]; под ред. В.В. Бушуева. – М.: Машиностроение 2012. – 584 с.
Схиртладзе А.Г. Технологическое оборудование машинострои-тельных производств: учеб. пособие для вузов А.Г. Схиртладзе Т.Н. Иванова В.П. Борискин. – 2-е изд. перераб. и доп. – Старый Оскол: Тонкие наукомкие технологии 2011. – 706 с.

1-rress.cdw

Трехкулачковый патрон
Тактовый стол-накопитель заготовок
Тактовый стол-накопитель деталей
Рукоять переключения диапазонов частот
Линейка для размещения упоров
Техническая характеристика РТК
Размер обрабатываемой детали
W-0.0; диаметр 100 max
W-0.0; длина 300 max
Наибольший диаметр прутка
проходящегочерез отверстие в
Конус шпинделя по ГОСТ 12595-72: 1-6М
Количесво инстрементов установливаемых в ресцедржатель
Число управляемых осей координат (в том числе одновременно)
Наибольшее перемещение подвижных узлов
W-0.0; ползуна (поперечное - Х) 300
W-0.0; саней (продольное-Z) 1200
Дискретность перемещений
W-0.0; поперечного - Х: 0
W-0.0; продольного - Z: 0
Точность позиционирования
Частота вращения шпинделя
Диапозон скоростей подач (продольный и поеречный)
Скорость быстрого хода
W-0.0; поперечного - Х: 5000
W-0.0; продольного - Z: 6000
Габаритные размеры станка

3-rress-.cdw

модернизированного ПГД
Несовпадения торцев сопрягаемых зубчатых колес - не более 1
Пятно контакта зубьев сопрягаемых зубчатых колес по длине и
высоте зуба: не менее 40
Балансировку зубчатых колес производить путем засверливания
отверстий диаметром 3-5 мм на торцахзубчаты колес.
Допустимый уровень шума не более 82 Дб.
Перед проверкой на уровень шума ПГД обкатать в течении 2
часов на холостом ходу.

2-rress.cdw

и мощности на шпинделе
Кинематические схемы
Модернизированный ПГД
Кинематическая схема