Разработка конструкции привода главного движения токарного станка с ЧПУ

 

Основные  узлы станка (рисунок 1.1): : 1 – основание; 2 – станина; 3 – каретка; 4 – опора левая винта продольного перемещения; 5 – бабка шпиндельная; 6 – привод продольного перемещения; 7 – ограждение неподвижное; 8 – привод датчика резьбонарезания; 9 – шкиф управления; 10 – ограждение неподвижное; 11 – головка автоматическая универсальная; 12 – винтовая шариковая пара поперечного перемещения; 13 – шкаф управления; 14 – винтовая шариковая пара продольного перемещения; 15 – бабка задняя; 16 – опора продольного винта правая; 17 – электрооборудование; 18 – пульт управления; 19 – блок ручного управления; 20 – электромеханический привод пиноли задней бабки; 21 – смазка централизованная; 22 – установка моторная; 23 – патрон механизированный с электромеханическим приводом; 24 – привод поперечного перемещения; 25 – редуктор поперечной подачи; 26 – разводка коммуникаций по станку; 27 – разводка коммуникаций по каретке; 28 – установка дисплея.

 

Рисунок 1.1 – основные узлы токарно-винторезного станка модели 16К20Ф3

 

Органы  управления (рисунок 1.2): 1 – панель управления станка; 2 – рукоятка установки диапазона частоты вращения шпинделя; 3 – панель

 управления  станка, расположенная на каретке; 4 – пульт управления; 5 – кнопка  «аварийной остановки»; 6 – рукоятка  зажима пиноли задней бабки; 7 – панель управления приводами; 8 – рукоятка зажима задней  бабки на станине; 9 – ось ручного  перемещения каретки; 10 – педаль  управления перемещения пиноли(сдвоенная); 11- педаль управления(сдвоенная); 12 – блок отображения символьной информации.

Рисунок 1.2 – основные органы управления станка токарно-винторезного 16К20Ф3

 

Кинематическая  цепь привода главного движения  получает вращение от электродвигателя и через две клиноременные передачи, автоматическую коробку скоростей и двухступенчатую коробку скоростей передается на шпиндель. Двухступенчатая коробка служит для включения вручную первого или второго диапазона частот вращения шпинделя.

В автоматической коробке скоростей есть шесть  электромагнитных муфт, которые по команде от устройства ЧПУ в любой  момент цикла обработки автоматически  включают одну из девяти частот вращения шпинделя в одном из двух диапазонов.

Кинематическая  цепь приводов подач суппорта осуществляет продольные перемещения каретки суппорта шаговым электрогидравлическим приводом, который через зубчатые колеса вращает шариковый ходовой винт, который перемещает гайку и каретку суппорта  по направляющим станины.

Кинематическая цепь поворота резцедержавки. Каждый следующий поворот шестипозиционной резцедержавки для закрепления инструмента происходит от отдельного электродвигателя. Все позиции на инструментальной головке имеют гнезда для фиксатора одностороннего действия,  удерживающего инструментальную головку в нужном положении и не позволяющего ей проворачиваться в обратную сторону.

Принцип работы. Главное движение – вращение шпинделя – осуществляется от электродвигателя (N=10 кВт, n =1460 мин^-1) через клиноременную передачу 126/182, автоматическую коробку скоростей типа АКС 309 – 16 – 51, клиноременную передачу 200/280, коробку скоростей шпиндельной бабки 1 и далее на шпиндель.

Автоматическая  коробка скоростей имеет шесть  электромагнитных муфт ЭМ1 – ЭМ6, включением которых в разных комбинациях можно получить на выходном валу III коробки девять различных частот вращения.

Наличие в шпиндельной бабке блока  шестерен z₁₆ – z₁₇,переключаемого вручную, позволяет получить на шпинделе двенадцать различных частот вращения в диапазонах 35 – 560 мин^-1 и 100 – 1600 мин^-1(шесть частот вращения одного диапазона). В каждом диапазоне получаем по девять автоматически переключаемых частот вращения шпинделя.

Продольная  подача каретки осуществляется от шагового электрогидравлического привода(шаговый электродвигатель – гидроусилитель 2) через передачу 30/125 и ходовой винт с P=10 мм шариковой винтовой пары.

Поперечная  подача суппорта с поворотной резцедержавкой осуществляется аналогично от шагового электрогидравлического привода через зубчатые колеса 24/100 и ходовой винт с P=5 мм шариковой винтовой пары.

В конструкции станка предусмотрена  возможность установки в качестве приводных двигателей продольного  и поперечного перемещения электродвигателей  постоянного тока с одновременной  установкой на ходовых винтах датчиков обратных связей. В этом случае станок оснащают системой ЧПУ замкнутого типа.

Рисунок 1.3 – кинематическая схема  токарно-винторезного станка модели 16К20Ф3.

 

1.2 Описание конструкций и системы управления и принцип работы проектируемого узла

 

Проектируемый привод главного движения выбранного станка прототипа  содержит асинхронный двигатель, две  клиноременных передачи, трёхваловую коробку скоростей, переборное устройство и шпиндельный узел. Переборное устройство и шпиндельный узел смонтированы в корпусе передней бабки. Переключение оборотов в коробки скоростей осуществляется посредством передвижных блоков.

 

1.3 Расчёт и обоснование основных технических характеристик проектируемого узла

Проектируемый узел — привод главного движения. Максимальная частота вращения шпинделя , минимальная . Эффективная мощность резания ..

Определяем  диапазон регулирования привода [1]:

                                    (1.1)

где n_max , n_min – соответственно максимальное и минимальное числа оборотов

                       шпинделя, об/мин.   

Определяем  минимальные частоты вращения шпинделя для каждого из поддиапазонов  регулирования, мин^–1: n₁ = 12,5, n₂ = 25, n₃ = 50, n₄ = 100, n₅ = 156, n₆ = 312, n₇ = 625, n₈ = 1250,    n₉ = 2500.

 

1.4 Описание кинематической  схемы проектируемого узла, построение  структурной сетки и графика  частот

 

Принимаем вариант структуры  кинематической цепи как в прототипе  принятого станка, с механизмам перебора.

 

Структурная сетка показана на рисунке 1.4.

 

Рисунок 1.4 – Структурная сетка кинематической структуры

 

Структурная сетка строится следующим образом, на равном расстоянии друг от друга проводим вертикальные линии, число которых должно быть на единицу больше, чем число групповых передач. Проводим ряд горизонтальных параллельных прямых с интервалом φ, число горизонтальных прямых равно числу ступеней частот вращения шпинделя . Структурная сетка содержит следующие данные о приводе: число групп передач, число передач в каждой группе, диапазон регулирования групповых передач и всего привода.

При построении графика частот вращения необходимо учитывать следующие  указания:

а) во избежание чрезмерно больших диаметров зубчатых колес, а также для нормальной и бесшумной их работы необходимо чтобы передаточные отношения были в допустимых пределах — 1/4 ≤ i ≤ 2.

б) для уменьшения крутящих моментов, а следовательно массы деталей и всего привода, необходимо сообщать по возможности более высокие частоты вращения промежуточным валом, что достигается применением больших передаточных отношений между шпинделем и валом, и меньших последующими промежуточными валами.

С учетом вышеуказанного, график частот вращения строим в следующей  последовательности: на равном расстоянии друг от друга проводим вертикальные линии, число которых равно числу  валов коробки скоростей. На равном расстоянии друг от друга проводим горизонтальные линии, которым присваиваем  порядковый номер частот вращения, начиная с  по . Лучи проведенные между вертикальными линиями обозначают передачу между двумя валами с передаточным отношением i = φ^m, где m - число интервалов перекрытых лучом. Для φ = 2 число понижающих интервалов должно быть не более m ≤ 6, а повышающих не более m ≤ 3.

Дальнейшее построение ведем  согласно принятого варианта структурной сетки. На рисунке 1.5 изображён график частот вращения.

 

Рисунок 1.5– График частот вращения

 

Опираясь на кинематическую схему привода главного движения станка-аналога и используя структурную сетку, построим кинематическую схему проектируемого узла. Так как числа зубьев зубчатых колес пока неизвестны, все зубчатые колеса на кинематической схеме изобразим одинакового размера. Кинематическая схемы привода изображена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 – Кинематическая схема привода главного движения

 

Определим передаточное отношение  в каждой группе передач по отношению [1]:

                                                        i =                                                                            (1.3)

где j - принятый знаменатель ряда чисел оборотов

      u - количество интервалов

 

 

 

 

 

 

 

 

По найденным передаточным отношениям по таблице 4.3 [1] отыскиваем такое значение суммы чисел зубьев Σ_z для каждой элементарной двухваловой передачи, которое обеспечивает требуемое значение передаточного числа и результаты сведём в таблицу 1.2.

 

Таблица 1.2 – Результаты вычислений

		=
Σz		59		96

 

Поп принятым зубчатым колёсам  уточним числа оборотов шпинделя, составив для каждого числа оборотов управление кинематического баланса (смотрите график частот вращения). Ошибка полученных чисел оборотов не должна превышать  процент ошибки полученного числа оборотов номинального

                                                                              (1.4)

 

% ошибки 4;

 

% ошибки 8;

 

% ошибки 2;

 

% ошибки 2;

 

1.5 Расчёт мощности привода и  крутящих моментов на валах

 

Определим мощность двигателя привода главного движения для универсальных станков  с учётом перегрузки двигателя (стр. 20 [2]):

 

 

где – эффективная мощность резания;

             – КПД пары подшипников качения;

             – КПД цилиндрической зубчатой передачи;

             – КПД пары клиноременной передачи;

            Мощность требуемая на передачу, для токарных станков составляет 3-4% мощности привода [2]:

 

Общая мощность

Принимаем электродвигатель асинхронный двигатель  с короткозамкнутым ротором типа 4А112M4У3 мощностью N_э = 5,5 кВт, n_э = 1445 мин^-1.

Для определения  крутящих моментов на валах в коробках скоростей приводов главного движения универсальных станков в качестве расчётной частоты вращения шпинделя принимается не n_min, а подсчитывается для токарных станков по формуле [2]:

.

В качестве расчётной частоты принимаем  ближайшее значение (смотрите график частот вращения рис 4): n_р = n₃ = 50 мин^–1, расчётная цепь на графике выделена жирной линией.

Определим расчётные крутящие моменты на валах  по расчётной цепи [3]:

На валу II

 

 

 

На валу III

 

 

 

На валу IV

 

 

 

На валу V

 

 

 

 

 

 

 

1.6 Расчёт передач,  устройств и механизмов привода  станка

 

1.6.1 Расчёт зубчатых зацеплений привода

 

1. Выбор материала и термообработки зубчатых колес

Для получения зубьев сравнительно высокой контактной выносливости с  прочной сердцевиной и для  уменьшения габаритов зубчатых колес  и следовательно всего привода принимаем для изготовления всех колес сталь 40ХН. Принимаем термообработку зубчатого венца нагревом ТВЧ до твердости 48...53 HRC_э. Механические характеристики принимаем по таблице 1П.7 [3]: σ_Т = 750 МПа.

2. Определяем допускаемые контактные напряжения при расчете на выносливость по формуле [4]:

                                                                                      (1.5)

где σ_Hlimb – базовый предел контактной выносливости поверхностей

                     зубьев, соответствующий базовому числу циклов N_HO;

            s_H – коэффициент безопасности (s_H = 1,2);

          K_HL – коэффициент долговечности, учитывающий влияние срока

                    службы и режима нагружения передачи (K_HL = 1).

Среднюю твёрдость H поверхности зубьев находим по формуле:

 

Предел контактной выносливости зубьев σ_Hlimb определяем по формуле:

_.

 

3. Определяем допускаемые напряжения изгиба зубьев по формуле [4]:

                                                                                 (1.6)