Разработка привода главного движения многоцелевого мехатронного станка с нормальной структурой и раздельной компоновкой

В последнее время к качеству изготовляемой детали предъявляются всё более жесткие требования, поэтому появилась необходимость в автоматизации производства. С появлением автоматизированного производства резко повысилась также производительность труда и, следовательно, возросли темпы прироста выпуска продукции.

Основу автоматизации производства составляют станки с числовым программным управлением (ЧПУ), робототехнологические комплексы (РТК), автоматизированные транспортно-складские системы (АТСС) и гибкие производственные системы (ГПС).

Для современного этапа развития машиностроения характерен быстрый рост выпуска новых видов продукции. В условиях жесткой конкуренции это требует значительного сокращения цикла технической подготовки производства. В связи с этим наряду с решением проблем автоматизации определяющее значение приобретают задачи обеспечения гибкости производственных систем, способных оперативно перестраиваться на выпуск новой продукции. Мехатронные станочные системы (МСС), как станки с компьютерным управлением, являются более гибкими по сравнению с обычными станками с ЧПУ и позволяют в более короткие сроки переналадить производство на выпуск новой продукции. Модульное проектирование позволяет повысить технологические возможности станков и снизить себестоимость их изготовления.

В данном курсовом проекте разработан привод главного движения многоцелевого мехатронного станка с нормальной структурой и раздельной компоновкой, включающий в себя трехступенчатую коробку переключения передач, обеспечивающуюнаименьшую себестоимость .

1. Анализ конструкции обрабатываемых деталей, уточнение маршрутной и операционной технологии изготовления детали — представителя

В качестве детали-представителя выбрана деталь типа «петля», изготавливаемая на заводе «Стерлитамак М.Т.Е.». Эскиз представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Эскиз детали-представителя «Петля»

Материал заготовки Сталь 3 ГОСТ 14 637–89, предел прочности МПа, предел текучести МПа, относительное удлинение %, относительное сужение %, твердость НВ 197−229. Сталь 45 ГОСТ 14 637–89, предел прочности МПа, предел текучести МПа, относительное удлинение %, относительное сужение %, твердость НВ 197−229.В конструкции детали есть элементы с повышенными требованиями к точности:

Плоскости с повышенными требованиями взаимного расположения: радиальное биение 0.002мм; перпендикулярность 0.01мм, параллельность 0.01мм.

Допуски на размеры данного изделия выполняются по среднему классу точности, так же присутствуют точные отверстия с допусками H7, H6.

Показатели базовой поверхности (Ra 0.8мкм плоскостность 0.01мм) детали обеспечивают точность установки и обработки. Максимальная ширина обработки В_max= 50 мм. Минимальный диаметр d_min=4 мм.

Основные переходы, проектируемые на данном станке: фрезерование и сверление.

Маршрутная технология изготовления детали-представителя на заводе ОАО «Стерлитамак-М.Т.Е.» представлена в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Базовая маршрутная технология изготовления детали-представителя

После анализа базового варианта маршрутной технологии, были внесены предложения по ее оптимизации и улучшению (таблица 1.2.) Ставилась задача укрупнить операции сверления, фрезерования и свести обработку к минимальному количеству установив и минимизировать количество задействованных при изготовлении единиц оборудования.

Таблица 1.2 — Модернизированная технология

Технологический процесс механической обработки данной детали может быть сведен к двум установам и применению лишь одного станка — завода «Стерлитамак М.Т.Е.» модель800V с ЧПУ.

Рассмотрим переходы, выполняемые на проектируемом станке рис. 2.

Рисунок 2. Основные переходы обработки.

2. Определение основных технических характеристик модуля.

Исходные данные представлены в таблице 2.1

Таблица 2.1Исходные данные

2.1 Основные технологические условия использования станка

К технологическим условиям относятся:

— обрабатываемые материалы и их предельные характеристикиконструкционная сталь 45 _вmin = 700 МПа, конструкционная сталь 3 _вmin = 300 МПа,;

— основные переходы обработки — фрезерование и сверление;

— характер обработки — чистовая, с глубиной резания t = 0,5 мм, чистовая, с глубиной резания t = 1 мм;

— вид материала режущей части инструментов — твердый сплав;

— предельные диаметры обработки B_max = 50 мм (фрезерование), d_min = 4 мм (сверление).

2.2 Характерные сочетания технологических условий

К этим сочетаниям относятся условия, определяющие минимальная скорость резаньяv_min, максимальная подача — S_max и максимальная эффективная мощность резанья — N_эфmax — наиболее тяжелый режим обработки, который соответствует предварительному продольному точению материала c наибольшей прочностью — конструкционной стали (_в = 700 МПа) и условия, определяющие v_max, — наиболее легкий режим обработки, соответствующий чистовому фрезерованию материала с наименьшей прочностью — конструкционной стали (_в = 300 МПа).

2.3 Определение значений предельных режимов резания и наибольшей (расчетной) эффективной мощности

S_max определим по базе режимов МГТУ «СТАНКИН» согласно установленным характерным условиям обработки детали. Для предварительного фрезерования конструкционной стали при диаметре обработки

d_max= 0,7 50=35 мм,

использовании твердосплавной фрезы и наибольшей глубине резания

t = 1,5 мм, S_max= 0,18 мм/об.

Наименьшая скорость резания для предварительного торцевого фрезерования конструкционной стали (_в = 700 МПа) твердосплавным инструментом с учетом глубины резания t = 1,5 мм, с наибольшей подачей S_max=0,18 мм/об, согласно базе режимов равна v_min = 41 м/мин.

Наибольшая скорость при чистовом торцевом фрезеровании конструкционной стали с наименьшей прочностью (_в = 300 МПа) с учетом глубины резания t_max = 0,5 мм, с наименьшей подачей S_min = 0,08 мм/об равна v_max = 382 м/мин.

Наибольшее значение эффективной мощности резания определяется при помощи программы «Rezim» разработанной МГТУ «СТАНКИН». При предварительного торцевом фрезеровании конструкционной стали (_в = 700 МПа) заготовки c диаметром D = 35 мм твердосплавной фрезой при t = 1,5 мм, S = 0,18 мм/об, V = 41 м/мин эффективная мощность резания N_эф = 1,4 кВт.

2.4 Определение расчетных значений технических характеристик модуля

Минимальная частота вращения шпинделя определяется по формуле (при торцевом фрезеровании):

(1)

где V_min — минимальная скорость резания,

d_max — максимальный диаметр обработки.

Принимаем об/мин

Максимальная частота вращения шпинделя находится по формуле (при сверлении):

(2)

где v_max — максимальная скорость резания,

d_min — минимальный диаметр обработки.

Максимальная мощность резания находится из условий наиболее тяжелого режима обработки (S_max, t_max, d_max, V_min, HB_max).

Эффективная мощность резания составляет N_эф =1,4 кВт. (п. 2.3)

Мощность приводного электродвигателя:

(3)

где — к.п.д. привода, ориентировочно = 0,8;

k_п — допускаемый коэффициент перегрузки двигателя зависит от вида и продолжительности обработки, при фрезеровании k_п находится в пределах 1,05…1,1. Принимаем k_п = 1,06;

кВт.

По мощности электродвигателя выбрали двигатель постоянного тока фирмы Siemens марки 1FK7064−5AF71 со следующими основными характеристиками:

n_max= 8000 об/мин

n_ном = 2500 об/мин

T = 23,7 Нм

P_Н=2,51кВт.

2.5 Анализ технических характеристик модулей аналогичных станков

В качестве станка-аналога для проектируемого модуля был выбран станок вертикально фрезерный с ЧПУ модели 800V.

На данном станке имеется возможность обработки деталей с твердостью до HRC 65, что позволяет заменить операции шлифования и хонингования фрезерованием, что значительно сокращает время обработки. Станок оснащен числовым программным управлением высокой точности, что дает возможность производить комплексную обработку деталей в режимах программного управления.

Основные технические характеристики проектируемого модуля и станка аналога представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Технические характеристики модуляглавного движени и станка-аналога.

2.6 Уточнение технических характеристик проектируемого модуля станка

На основании сведений, полученных для модуля станка-аналога, которым был выбран 800V, проведем корректировку технических характеристик проектируемого модуля.

Необходимые технические характеристики проектируемого модуля представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 — Необходимые технические характеристики проектируемого модуля.

На основании данной таблицы 2.3 мы получили необходимые технические характеристики проектируемого модуля.

3. Определение компоновок станка и модуля

Выбрав за аналог станок 800V, с учетом задачиизменим компоновку станка-анлога.

Для станка наиболее выгодно применение консольной компоновки. В этом случае станок занимает на 35 — 40% меньшую площадь, чем при портальной компоновке. Кроме того, стол является неподвижным, что обеспечивает высокую точность позиционирования. В качестве компоновки привода шпинделя принимаем раздельную компоновку (указано в задании на проектирование). Раздельная компоновка отличается выполнением коробки передач раздельно со шпиндельным узлом.

Предлагаемая компоновка проектируемого модуля предоставлена на рисунке 4.

Рис 4. Компоновка проектируемого модуля

1 — двигатель; 2 — АПК; 3 — колонна; 4 — шпиндель.

4. Определение функциональных подсистем проектируемого модуля и разработка его структуры

4.1 Определение функциональных подсистем

В проектируемом модуле необходимо обеспечить изменение частоты вращения шпинделя в процессе резания с учетом колебаний шпиндельного устройства для исключения резонансных колебаний. Это снижает шероховатость поверхности изготавливаемой детали. Также позволяет изменять частоту вращения шпинделя в процессе резания с учетом диаметра обработки (при его непостоянстве) и оптимальной температуры резания для обеспечения наименьшей себестоимости обработки.

Проанализировав состав исполнительных подсистем проектируемого станка, его конструкцию, кинематику и работу при выполнении перехода, определили функциональные подсистемы модуля. В таблице 4.2 для сравнения приведены функциональные подсистемы, как станка-аналога, так и проектируемого модуля.

Таблица 4.2 Функциональные подсистемы станка-аналога и проектируемого модуля.

Функциональные подсистемы 2-го уровня служат для обеспечения параметров исполнительных движений.

Подсистемы 3-го уровня служат для обеспечения особенностей параметров движения при изготовлении детали.

ПО — обеспечение пуска и останова; РД — обеспечение реверсирования движения; СД — обеспечение скорости движения; ПМ — обеспечение перемещения;

П — пуск, УБ — ускорение бесступенчатое, ТБ — торможение бесступенчатое, О — остановка;

ВН — выбор направления,

РБ — бесступенчатое изменение разгона и торможения;

ВП — величина перемещения.

Первое число индекса подсистемы 4-го уровня определяет вид управления:

1 — программное управление

2 — программно-адаптивное управление Существуют следующие варианты обозначений:

11 — требуемый цикл, 12 — параметр, определяющий величину перемещения, 13 — параметр, определяющий скорость движения;21 — требуемые параметры движений и обеспечения наименьшей себестоимости обработки,

Состав функциональных подсистем проектируемого станка является наиболее оптимальным с точки зрения достижения необходимых параметров.

4.2 Разработка структуры проектируемого модуля

С учетом основных переходов и схемы обработки (таб. 4.1), функциональных подсистем (таб. 4.2) проектируемого модуля, составлена его блок-схема (рис. 5).

Рисунок 5. Блок — схема проектируемого модуля.

Рисунок 6. Структура модуля главного движения.

Структура данного модуля отличается от модуля станка — аналога введением дополнительных датчиков скорости, температуры резания и дополнительный датчик углового положения.

5. Разработка кинематической схемы модуля

5.1 Определение параметров коробки передач

Диапазон регулирования привода:

(4)

где n_max=6000 об/мин — максимальная частота вращения на шпинделе

n_min=320 об/мин — минимальная частота вращения на шпинделе

Диапазон регулирования с постоянной мощностью:

(5)

где b=4 — для многоцелевых станков

Диапазон регулирования с постоянным моментом:

(6)

Диапазон регулирования двигателя по полю с постоянной мощностью:

(7)

Тогда для выбранного электродвигателя:

Определение знаменателя ряда регулирования.

Первоначально знаменатель ряда принимается равным диапазону регулирования двигателя по полю с постоянной мощностью:

(8)

.

Расчетное число ступеней коробки:

(9)

Учитывая, что число диапазонов регулирования должно быть целым, расчетное число ступеней округляется в большую сторону и принимается равным 3.

При округлении числа ступеней коробки в большую сторону фактический знаменатель ряда уменьшается. Его значение уточняется:

(10)

Диапазоны регулирования привода уточняются по принятому окончательно значению знаменателя:

(11)

(12)

Уточнение частот электродвигателя:

(13)

об/мин

(14)

об/мин

Определение характерных частот вращения шпинделя.

(15)

где n_р — расчетная частота

(16)

об/мин

об/мин

5.2 Разработка принципиальной схемы модуля

Для принятой компоновки модуля с раздельной коробкой передач определим несколько возможных вариантов структурных формул, а затем выберем из них оптимальную (рис. 7):

В данном курсовом проекте поставлена задача спроектировать привод главного движения с нормальной множительной структурой и раздельной компоновкой, а это значит, что шпиндель будет располагаться раздельно с зубчатыми передачами. Выполненный по первому и второму варианту привод главного движения будет иметь большие осевые габариты. Таким образом, третий вариант структурной формулы является более предпочтительным. По нему будем вести дальнейшие расчеты.

Рисунок 7. Структурная сетка.

При окончательной разработке кинематической схемы привода возникает необходимость введения постоянных передач для уменьшения осевых и радиальных габаритов привода.

Разрабатываем принципиальную кинематическую схему привода рис. 8.

Рисунок 8. Принципиальная кинематическая схема разрабатываемого привода с раздельной компоновкой и нормальной структурой.

Построение графика частот вращения шпинделя.

Рисунок 9. График частот проектируемого модуля.

5.3 Определение передаточных отношений, чисел зубьев шестерен и диаметров, уточнение кинематической схемы

По графику частот вращения определяем значения частных передаточных отношений

;

;

.

Определяем числа зубьев, представив передаточные отношения в виде простых дробей, с условием, что Szi>70, тогда:

;

;

;

;

.

многоцелевой мехатронный станок деталь

Проверка кинематического расчёта

об/мин

об/мин

Рисунок 10. Уточненная схема разрабатываемого привода с раздельной компоновкой и нормальной структурой.

5.4 Определение расчетных нагрузок

Мощность на i-том валу равна:

(17)

где — коэффициент потери мощности на i-том валу.

Для первого вала:

(18)

где — КПД пары подшипников, ;

— КПД зацепления зубчатой передачи,

Для второго вала:

(19)

где — КПД зубчатого зацепления,

Для третьего вала:

(20)

Определяем максимальные моменты на валах:

Момент на i-том валу:

(21)

где — расчетная частота вращения i-того вала.

Получаем

6. Проектные расчеты деталей

6.1 Расчет допускаемых контактных напряжений для зубчатых колес

Из условия оптимизации габаритов для всех зубчатых колес принимаем материал 20Х с последующей цементацией (HRC 56−62).

Так как НВ>350, то допускаемые контактные напряжения определяются по формуле

(23)

где S_H — коэффициент запаса прочности, равный 1,1;

— предел контактной выносливости по поверхности зуба, для расчетного материала равен 410 МПа;

Z_N— коэффициент долговечности, принимаем равным 1,6;

Z_R— коэффициент влияния шероховатости, принимаем равным 1.

Z_V— коэффициент учитывающий влияние окружной скорости, принимаем равным 1.

МПа.

Максимальное допускаемое напряжение изгиба рассчитывается по формуле

(24)

где S_F — коэффициент запаса прочности, равный 1,7;

— предел выносливости, для расчетного материала равен 240 МПа;

Y_N — коэффициент долговечности, принимаем равным 1;

Y_A— коэффициент учитывающий влияние шероховатости, равный 1.2;

Y_R— коэффициент учитывающий влияние реверса, принимаем равным 1.

= 169 МПа.

6.2 Предварительный расчет диаметров валов

В качестве материала для валов выбираем сталь 20Х

Минимальный диаметр вала определяем в зависимости от крутящего момента.

(22)

Получаем:

Округлили d1до стандартного значения

Округлили d2до стандартного значения .

Округлили d3до стандартного значения .

6.3 Расчет зубчатых передач

Параметры передач определяем по следующим формулам:

(25)

(26)

;(27)

;(28)

;(29)

;(30)

;(31)

;(32)

Геометрические параметры передач приведены в таблице 6.1. Параметры передачи

Таблица 6.1

6.4 Расчет ременной передачи Ip2

Передача вращения от коробки передач на вал шпинделя осуществляется поликлиновым ремнем.

Исходные данные:

Р₁₁ = 2,28 кВт,

n₁ = 2000 об/мин,

n₂ = 320 об/мин.

6.4 Выбор компоновки привода

Рассмотрим два варианта компоновки привода, показанных на рисунках 11 и 12.

Рисунок 11. Первый вариант компоновки привода.

Рисунок 12. Второй вариант компоновки привода

Выбираем второй вариант компоновки привода проектируемого модуля. Так как коробка передач получиться более компактной (меньшие габаритные размеры), а также экономически выгодной при изготовлении корпуса (экономия материала).

6.5 Эскизы валов

Эскизы валов необходимы для наглядного представления порядка сборки узлов. На рисунке 13 изображен эскиз входного вала. Вал имеет шлицы напроход, следовательно, узел входного вала может быть собран.

Рисунок 13. Эскиз первого вала.

Рисунок 14. Эскиз второго вала.

Из рисунка 14 видно, что выходной Вал имеет ступенчатую структуру, следовательно узел вала может быть собран.

6.6 Схема свертки валов

Необходимость в свертке валов возникает в связи со стремлением уменьшить габаритные размеры коробки и сориентировать оси валов таким образом, чтобы создать как можно лучшие условия работы. Свертка валов, изображенная на рисунке 15, является приемлемой с точки зрения действия сил в зацеплениях зубчатых передач.

Рисунок 15. Схема свертки валов.

7. Проверочный расчет и уточнение конструкции

7.1 Проверочный расчет выходного вала

Исходя из свертки валов и действия результирующих сил, необходимо проверить выходной вал на запас прочности как наиболее нагруженный.

Результирующая действия силы определяется по формуле:

(35)

где Т — крутящий момент на валу, равный 34,56Нм;

d_i — диаметр соответствующего колеса на валу, б — угол зацепления, равный 20 градусам.

Проекции результирующих сил на горизонтальную и вертикальную плоскость:

; (36)

.

Реакции опор определяются следующим образом:

Сумма моментов относительно точки, А в горизонтальной плоскости рассчитывается по формуле

= 0;

= - 79,5 Н.

Н

Сумма моментов относительно точки, А в вертикальной плоскости:

= 0;

= - 218 Н.

Н.

Изгибающие моменты в горизонтальной плоскости

Изгибающие моменты в вертикальной плоскости

Суммарные моменты в характерных точках определяется по формуле

(37)

;

Эпюры изгибающих моментов представлены на рисунке 16.

Рисунок. 16 — Эпюры изгибающих моментов

Промежуточный вал проверяем на прочность в месте посадки второго зубчатого колеса на шпонку.

Выбираем материал вала — Сталь 20Х со следующими характеристиками:

Результирующий изгибающий момент равен:

Крутящий момент на валу равен 34,56 Н? м.

Определяем напряжения изгиба:

(38)

Определяем напряжение кручения:

(39)

Принимаем, что напряжения изгиба изменяются по симметричному циклу, а напряжения кручения — по отнулевому, тогда:

(40)

где и — амплитуды переменных составляющих циклов напряжений;

и — постоянные составляющие

При совместном действии напряжений кручения и изгиба запас сопротивления усталости определяется по формуле:

(41)

(42)

— запас сопротивления усталости при изгибе;

(43)

— запас сопротивления усталости при кручении

где и — коэффициенты, корректирующие влияние постоянной составляющей цикла напряжений на сопротивление усталости

и — пределы выносливости

(45)

и — коэффициенты концентрации напряжений в расчетном (опасном) сечении при изгибе и кручении соответственно

(46)

где и — эффективные коэффициенты концентрации напряжений (для ступенчатых галтельных переходов), равные соответственно 2,35 и 2,1 соответственно

— коэффициент, учитывающий наличие поверхностного упрочнения, в нашем случае равный 1;

и — коэффициенты, учитывающие размеры вала (масштабный фактор)

(47)

; (48)

где d — диаметр вала.

и — коэффициенты, учитывающие качество (шероховатость) поверхности

(49)

— коэффициент шероховатости, равный 3,2

Вычисляем запас сопротивления усталости при изгибе по формуле (42)

Вычисляем запас сопротивления усталости при кручении по формуле (43)

Запас сопротивления усталости при совместном действии напряжений кручения и изгиба по формуле

Так как результирующий коэффициент запаса прочности s = 2,49 можем сделать вывод, что вал выдержит приложенные к нему нагрузки.

7.2 Проверочный расчет подшипников выходного вала

Из схемы действия сил на вал определим результирующее значение сил реакций опор по формуле

(50)

.

Опора В более нагружена, поэтому проверочный расчет подшипников производится по ней. Определяем эквивалентную динамическую радиальную нагрузку по формуле [2, с. 117]

(51)

где Fr — радиальная нагрузка, равная 480 Н;

Fa — осевая нагрузка, в нашем случае равна нулю;

X — коэффициент радиальной нагрузки, X = 1;

Y — коэффициент осевой нагрузки, Y = 0;

V — коэффициент вращения, V = 1;

— температурный коэффициент, ;

K — коэффициент безопасности, K = 1,3.

.

Требуемую динамическую грузоподъемность определяли

где — ресурс в часах, равный 20 000ч; а — коэффициент, учитывающий качество материала и условия эксплуатации, принимали равным 0,7;

n — номинальная частота вращения промежуточного вала, равная 800 об/мин.

Допустимая грузоподъемность для подшипника 1 000 905 по ГОСТ 8338–75 равна C_r=7,32 кН. Так как, то можно сделать вывод, что данный подшипник подходит по грузоподъемности.

7.3 Проверочный расчет зубчатых передач

Допускаемые контактные напряжения. Допускаемые напряжения изгиба

Проверочный расчет произведем по программе «Комплекс инженерных расчетов», разработанной МГТУ «СТАНКИН». В меню программы выберем «Проверочный расчет зубчатой передачи».

Из проверочных расчетов зубчатых передач можно сделать вывод, что рабочие напряжения в передачах не превышают допускаемые.

Запас прочности по контактным напряжениям найдем по формуле

(53)

Запас прочности по напряжениям изгиба найдем по формуле

(54)

7.4 Проверка шпоночного соединения

Проверка шпоночного соединения проводится на смятие по формуле, согласно [1, с. 93]:

(55)

где — рабочая часть шпонки, равная ;

Т — момент на валу, равный 34,56 Н? мм;

h — высота шпонки, равная 5 мм.

Допускаемое напряжение смятия для неподвижных соединений. Так как, то соединение выдерживает нагрузку.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы были разработаны элементы эскизного и технического проекта модуля главного движения станка с компьютерным управлением. Были определены технологическое назначение станка, основные функциональные подсистемы модуля и его структура, компоновка станка и модуля, разработана кинематическая схема модуля. Данный модуль предназначен для обработки деталей типа петля, при проектировании были учтены все основные поверхности, которые могут включать в себя детали данного типа.

1. Дунаев П. Ф., Леликов О. П. Конструирование узлов и деталей машин — М.: Высш. шк., 1985 — 416с.

2. Чернавский С. А. Курсовое проектирование деталей машин М.: Машиностроение. 1988 г.

3. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х томах. — 6-е издание, переработано и дополнено. — М.: Машиностроение, 1982. -736 с.

4. Проников А. С. Металлорежущие станки и автоматы — М.: Машиностроение. 1981 г — 479с.

5. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х томах. Т. 2. Под редакцией А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. 4-е изд., — М.: Машиностроение 1986 год. 496 с.

6. Пакеты прикладных программ к подсистемам САПР металлорежущих станков. ЭНИМС, СТАНКИН. М. 1985 — 2002.

7. «Справочник технолога-машиностроителя». В 2-х томах. Т. 2. Под редакцией А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. 4-е изд., — М.: Машиностроение, 1986 год. 496 с.

8. «Проектирование приводов главного движения и подачи металлорежущих станков» Методические указания Составители: Куликов, Кудояров и др. Уфа, УАИ, 1988, 42 с

9. Пуш В. И. «Проектирование металлорежущих станков». М.: Машиностроение, 1987 г., 293 с., ил.