Разработка конструкции привода главного движения токарного станка с ЧПУ

ВВЕДЕНИЕ

 

Непрерывное совершенствование и развитие машиностроения связано с прогрессом станкостроения, поскольку металлорежущие станки с некоторыми другими видами технологических машин обеспечивают изготовление любых новых видов оборудования.

К важнейшим  требованиям, предъявляемым к проектируемой  машине, относятся экономичность  в изготовлении и эксплуатации, удобство и безотказность обслуживания, надёжность и долговечность. Для обеспечения этих требований детали должны удовлетворять ряду критериев, важнейшие среди которых - прочность, надёжность, износостойкость, жёсткость, виброустойчивость, теплостойкость, технологичность.

Высокие темпы роста выпуска продукции  машиностроительной и других отраслей производства требуют разработки и  внедрения новейшего высокопроизводительного  оборудования, различных типов станков-автоматов  и автоматических линий. При реализации поставленных задач, важное место занимает проблема улучшения использования действующего металлорежущего оборудования за счет его усовершенствования (повышения скоростей обработки, повышение точности и надежности работы, увеличение мощности привода, применение средств автоматизации и управления рабочим процессом, использование приспособлений и устройств, расширяющий технологические возможности станков).Создание металлорежущих станков должно предусматривать их наибольший экономический эффект и высокие тактико-технические и эксплуатационные показатели.

Основные  требования, предъявляемые к создаваемому станку: высокая производительность, надежность, технологичность, ремонтопригодность, минимальные габариты и масса, удобство эксплуатации, экономичность, техническая  эстетика. Все эти требования учитываются  в процессе проектирования и конструирования.

1 Анализ конструкций современных  металлорежущих станков, аналогичных  проектируемому

 

Современные токарные станки быстроходны, обладают высокой мощностью, имеют повышенную жесткость и  виброустойчивость, долговечны и надежны  в работе, что в совокупности обеспечивает высокую производительность и точность обработки деталей.

Токарно-винторезные станки предназначены для выполнения самых  разнообразных операций: обработки  резцами наружных и внутренних цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, торцевых плоскостей, нарезания наружных и внутренних резьб, отрезки, сверления, зенкерования и развёртывания отверстий.

Токарные станки делятся  на универсальные и специализированные. Первые предназначены для выполнения самых разнообразных операций, перечисленных  выше. Специализированные станки предназначены  для обработки отдельных деталей, гладких и ступенчатых валов  больших размеров, прокатных валков, осей колёсных пар железнодорожного транспорта.

Токарные универсальные  станки классифицируются по основным размерам: наибольшему диаметру обрабатываемой заготовки, наибольшей длине обрабатываемой заготовки, массе, точности и целевому назначению.

Производство токарно-винторезных  станков развивается по пути совершенствования  управления, повышения точности, надёжности, увеличения диапазона скоростей  и подач.

 

1.1 Описание конструкций и системы управления станка-прототипа

 

Согласно исходным данным и проекту принимаем за прототип токарно-винторезный станок 16К20Ф3.

Станок 16К20Ф3 предназначен для токарной обработки наружных и внутренних поверхностей деталей типа тел вращения со ступенчатым и криволинейным профилями в один или несколько проходов в замкнутом полуавтоматическом цикле, а также для нарезания крепежных резьб (в зависимости от возможностей системы ЧПУ). Станок используют в единичном, мелко- и среднесерийном производстве.

Таблица 1.1 – Основные технические характеристики станка

Характеристика	Значение
Наибольший диаметр устанавливаемого изделия над станиной, мм	500
Наибольшая длина устанавливаемого изделия в центрах, мм	900
Наибольший диаметр обрабатываемого  изделия над станиной,мм	320
Наибольший диаметр обрабатываемого  изделия над суппортом, мм	200
Наибольший ход суппортов по оси  Х/по оси Z, мм	210/905
Максимальная скорость быстрых перемещений  продольных/поперечных, мм/мин	1500/7500
Минимальная скорость рабочей подачи продольной / поперечной, мм/мин	10/5
Максимальная рекомендуемая скорость рабочей подачи продольной/поперечной, мм/мин	2000/1000
Регулирование частот вращения шпинделя	ступенчатое
Количество ступеней регулирования  частот вращения шпинделя	3
Частота вращения шпинделя (бесступенчатое регулирование), об/мин	22,4-2240
Пределы частоты вращения шпинделя, устанавливаемые вручную, об/мин : I диапазон/ II диапазон/ III диапазон, об/мин	22,4 – 355/ 63 – 900/ 160 - 2240
Количество управляемых/одновременно управляемых координат	2/2
Рекомендуемые предельные деаметры сверления  по чугуну / по стали, мм	28 / 25
Габаритные размеры станка: длина – ширина – высота, мм	3700-2260-1650
Масса станка, кг	3800

 

Основные  узлы станка (рис. 1.1)

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

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.

Рассмотрим  кинематику станка (рис.1.2).

Рисунок 1.2 – Кинематическая схема токарно-винторезного станка модели 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.

 

1.2 Описание конструкции  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.

 – минимальное  число оборотов шпинделя;

- максимальное число  оборотов шпинделя;

- минимальное число  оборотов электродвигателя;

 – максимальное число  оборотов электродвигателя;

 – номинальное число  оборотов электродвигателя.

 

Диапазон  регулирования привода:

 

Диапазон  регулирования электродвигателя:

 

Диапазон  регулирования двигателя при  постоянной мощности:

 

Диапазон  регулирования двигателя при  постоянном моменте:

 

Диапазон  регулирования шпинделя при постоянной мощности:

 

- знаменатель ряда передаточных отношений коробки скоростей.

 

Принимаем Z=4 – число ступеней коробки скоростей (число поддиапазонов регулирования частоты) вращения шпинделя.

 

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

 

Диапазон  регулирования коробки скоростей:

 

Строим структурную  сетку (рис. 1.3)

Рисунок 1.3 – Структурная сетка

Диапазон  электрического регулирования:

 

Определяем минимальные частоты вращения каждого из поддиапазонов:

 

 

 

 

Диапазон  регулирования шпинделя при постоянной мощности:

 

Минимальная частота вращения шпинделя при постоянной мощности:

 

Предлагает коробку скоростей с двумя групповыми и одной одиночной передачей (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 – Кинематическая схема главного привода движения

Определяем  максимальные частоты вращения шпинделя для каждого из поддиапазонов:

 

 

 

 

Рисунок 1.5 – График мощностей

Построим график частот вращения (рис. 1.6). При его построении 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.

Рисунок 1.6 – График частот вращения

Определим передаточное отношение в каждой группе передач:

 

 

 

 

 

 

По найденным передаточным отношениям по таблицам 4.3 и 4.4 [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 1.1.

Таблица 1.1 – Результаты вычислений

Σz		65		80