Проектирование современного привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ - файл n2.doc

приобрести
Проектирование современного привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ
скачать (879.9 kb.)
Доступные файлы (9):
n2.doc1248kb.21.11.2009 15:48скачать
n3.bak
n4.spw
n5.xls188kb.13.08.2008 11:24скачать
n6.bak
n7.cdw
n8.bak
n9.cdw
n10.cdw

n2.doc



Министерство образования и науки Украины

Севастопольский национальный технический университет
Кафедра ТМ


ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по дисциплине: Конструирование и расчет МРС и СК

на тему: “Проект привода поперечных подач токарного станка с ЧПУ”
Выполнил: ст.гр. С-51з

Ржавская Е.Н.

Проверил: асс. каф. ТМ

Титков В.А.

Севастополь

2009

Содержание

лист


Аннотация 5

Введение 6

1. Анализ и разработка конструкции привода 7

2. Расчет параметров основных элементов привода 9

2.1. Расчет параметров электродвигателя 9

2.2. Расчет параметров тиристорного преобразователя 10

2.3. Расчет параметров датчика обратной связи 11

2.4. Расчет муфты 12

2.5 Расчет шарико-винтовой пары 12

Заключение 22

Библиографический список 23

ПРИЛОЖЕНИЯ 24



Аннотация



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

Введение



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.

1. 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



п/п

Наименование основного элемента привода

Требования к элементам привода

1.

Двигатель постоянного тока (ДПТ)

Необходимая мощность , число и точность передачи вращение.

2.

Тиристорный преобразователь

Преобразование сигнала об ошибке U0 в сигнал управления ?U

3.

Муфта

Соединение вала двигателя с валом ШВП с необходимой жесткостью

4.

Шарико-винтовая пара (ШВП)

Преобразование вращательного в поступательное движения и обеспечение точного перемещения исполнительного узла

5

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



Наименование основного элемента привода

Обозначение

Входной параметр

Выходной параметр

1

Тиристорный преобразователь

ТП

UЗ-напряжение,

(В)

?U-напряжение, (В)

2

Двигатель постоянного тока

ДПТ

Uвых- напряжение,(В)

w- угловая скорость, (с-1)

3

Шарико-винтовая пара

ШВП

w- угловая скорость, (с-1)

S- перемещение, (м)

4

Измерительное устройство

ИУ

w- угловая скорость, (с-1)

U0-напряжение,

(В)

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.



п/п

Наименование мероприятия

Описание мероприятия

1.

Выбор ДПТ

Разработка расчет. программы для расчета узла и проведение каталог-поиска необходимого узла привода с подробным описанием тех. характеристик согласно с разработанными требованиями к элементу.

2.

Выбор соединительной муфты

----

3.

Расчет и выбор ШВП

----

4.

Выбор ИУ

----

5.

Выбор ТП

----

6.

Компоновка привода

Формирование общей расчет. программы для привода в целом. Расчет и корректировка привода.

2. Расчет параметров основных элементов привода

2.1. 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

  1. Номинальное напряжение Uн=360В.

  2. Полезная мощность P=2,3кВт.

  3. Скорость вращения ротора n=2400об/мин.

  4. Ток якоря Iя=2,6А.

  5. Ток обмотки возбуждения Iв=0,2А.

  6. Момент на валу M=9,15Н∙м.

  7. Сопротивление якоря Rя=1,73Ом.

  8. Индуктивность якоря Lя=0,8Гн.

  9. Момент инерции Jg=12∙10-3кг∙м2.






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.

2.2. 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).

Коэффициент ТПЧ



U=5В – максимальное напряжение на входе системы управления.

2.3. 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


2.4. Расчет муфты


В качестве соединительного элемента используем зубчатую муфту ГОСТ Р 50895-96



Рисунок 6 – Зубчатая муфта

1-вал, 2- полумуфта


Вращающий момент нагружающий муфту



К – коэффициент режима работы;

ТН – номинальный действующий момент.

2.5 Расчет шарико-винтовой пары


Критерии работоспособности и расчет ШВП.

Шариковинтовая передача должна удовлетворять следующим критериям работоспособности:

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= 21,3 Н/мкм;

- 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 l =1694 мм;

- 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;

- шаг, мм;

- диаметр шарика, мм;

- базовая динамическая грузоподъемность, Н;

- базовая статическая грузоподъемность, Н.

Вычисляют значения скорректированной динамической и скорректированной статической грузоподъемности:

, (3)

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:



при условии



Максимально достижимая жесткость выбранного типоразмера ШВП при силе предварительного натяга



, Н,

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, Н/мкм:



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 2,83 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.

Таблица 4

Способ закрепления винта

Один конец заделан жестко, второй свободный

Оба конца опорные

Один конец заделан жестко, второй опорный

Оба конца заделаны жестко

Параметр



2

1

0,7

0,5



0,7

2,2

3,4

4,3


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:

, мм мин-1.

В технически обоснованных случаях допускают:

, мм мин-1.

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:

и

Частота вращения находится в допустимых пределах при выполнении условия:



где – наибольшая частота вращения, мин-1 .
Определение КПД.

Коэффициент полезного действия шариковинтовой передачи, преобразующей вращательное движение в поступательное:

при ведущем винте:



при ведущей гайке:



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 , м/с, перемещения ведомого элемента вычисляют в зависимости от частоты вращения , мин-1:

.

Расчет геометрии профиля резьбы.

Радиус шарика, мм:

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):

;

;

, мм;

, рад.

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 , Н/мкм, 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:



Здесь , Н,, мм.
По полученным данным (Приложение 1) выбираем ШВП модели ОМВ 40








Рисунок 8 – Общий вид ШВП модели ОМВ 40

Заключение



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





  1. Анурьев В. И. «Справочник конструктора-машиностроителя», т.1, 2. – 5-е издание – М.: «Машиностроение», 1980.

  2. Проников А.С. «Расчет и конструирование металлорежущих станков» - 2-е издание – «Высшая школа», 1968.

  3. Чернов Н. Н. «Металлорежущие станки» - М.: «Машиностроение», 1965.

  4. «Обработка металлов резанием. Справочник технолога» - 3-е издание, под ред. Г. А. Монахова – М.: «Машиностроение», 1974.

  5. «Обработка металлов резанием: Справочник технолога» - А. А. Панов, В. В. Аникин, Н. Г. Бойм и др. – М.: «Машиностроение», 1988.

  6. П. Ф. Дунаев «Конструирование узлов и деталей машин» - 2-е издание – М.: «Высшая школа», 1978.

  7. В. Н. Кудрявцев «Детали машин» - Л.: «Машиностроение», 1980.

  8. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник. для вузов.- 6-е изд., доп. и перераб,- М.: Энергоиздат, 1981- 576 с.,ил.

  9. http://www.privod.ru/products/motor_reducers/brevini/brevini_use_9.htm

  10. http://www.servotechnica.ru/info/spsh10/

  11. http://www.stankotechprom.ru/

ПРИЛОЖЕНИЯ




Министерство образования и науки Украины
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации