Материал: Расчет и конструирование станков. курсовое проектирование. Пачевский В.М., Старов В.Н

3.2 Компоновка механического привода

Существует множество вариантов компоновочных схем приводов, наиболее распространенные следующие:

- кинематически связанные многоступенчатые приводы главного движения и подач с одним общим электродвигателем;

- раздельные приводы главного движения и подач с автономными электродвигателями;

- многоступенчатая шестеренная коробка с передачей вращения от электродвигателя через ременную передачу

- многоступенчатая шестеренная коробка с передачей вращения на входной вал от электродвигателя через муфту;

- привод главного движения с многоступенчатой коробкой скоростей и шпиндельной бабкой с перебором соединенные ременной передачей и др.

При этом механическая часть электромеханического привода главного движения или подач со ступенчатым регулированием частоты вращения состоит из постоянных и групповых передач (групп передач). Постоянные передачи зубчатые или ременные служат для редуцирования частоты вращения и формирования пространственной компоновки привода. Групповые передачи обеспечивают требуемый ряд частот вращения выходного звена привода - шпинделя или вала.

Групповые передачи приводов состоят из подвижных блоков прямозубых колес, которые нельзя переключать на ходу, или из косозубых попарно контактирующих колес, включаемых электромагнитными муфтами. Передачу с электромагнитными муфтами можно переключать на ходу, что дает возможность автоматизировать управление приводом.

Передачи со сменными колесами применяются в кинематических цепях станков, которые редко переналаживаются.

Постоянные ременные передачи используют, как правило, для редуцирования частоты вращения от двигателя к коробке передач или от коробки передач к шпиндельной бабке. В этих передачах рекомендуется использовать клиновые, поликлиновые, или зубчатые ремни.

Ременные передачи со ступенчатыми шкивами, которые можно рассматривать как передачу со сменными колесами, также применяются в редко переналаживаемых станках. Эти передачи используют с плоскими ремнями, основной их недостаток - большие габариты.

Механическая часть привода прямолинейной подачи имеет механизм, преобразующий вращательное движение в поступательное. У большинства станков это может быть пара ходовой винт с гайкой, или реечное колесо с рейкой, или червяк с рейкой. В станках-автоматах используют кулачковые механизмы.

Конструктивное сочетание в разных вариантах передач и двигателей создает разнообразные компоновочные схемы приводов. Изменение компоновки привода станка базовой модели также может быть одним из направлений модернизации.

3.3 Графоаналитическое проектирование привода

Проектирование модернизируемого привода осуществляется с помощью описания его структуры в формализованном виде, построения структурной сетки, компоновочной схемы, графика частот вращения и аналитического определения величины передаточных отношений и частот вращения для кинематического расчета [4, 5].

Механической частью электромеханического привода является коробка передач (скоростей или подач), которая может состоять из нескольких групповых передач с последовательным соединением. Число частот вращения на выходном валу таких коробок передач определяется произведением чисел передач во всех группах. Такую структуру еще называют множительной. Коробка передач может также компоноваться из двух и более соединенных множительных структур, образующих сложную структуру. Графическое построение ведется в координатной логарифмической сетке, на которой валы изображают параллельными линиями на равных расстояниях друг от друга. Число линий соответствует числу валов коробки передач (на графиках частот вращения добавляются линии вала двигателя и валов редуцирующих передач). Построение ведут с горизонтальным расположением линии валов или вертикальным. Линии валов перпендикулярно пересекают линиями частот вращения. Число пересекающих линий соответствует числу частот вращения выходного вала или шпинделя. Расстояние между ними устанавливается в логарифмическом масштабе позволяющем получить одинаковый интервал:

q n₂ - q n₁= q n₃- q n₂=…= q n_z- q n_z-1= φ =const, (14)

где z - общее число скоростей (частот вращения);

φ - знаменатель геометрического ряда скоростей.

Передачи изображают лучами от одной точки расположенной на ведущем валу до точек на ведомом валу, число которых соответствует числу ступеней частот этой группы передач.

Построение структурной сетки начинают с центральной исходной точки на первом валу. Строится структурная сетка веерообразно (симметрично). Расположение конечных точек лучей на ведомом валу определяется числом интервалов, пересекаемых лучом, которое соответствует характеристике группы передач. Закономерность размещения групп передач на структурной сетке выявляется при разработке структурной формулы коробки передач, которая ведется в следующей последовательности:

- определяется количество групп передач и число передач в каждой группе;

• выявляются значения характеристик каждой группы;

• проводится проверка на соблюдение ограничений;

• проводится корректировка структурной формулы (при необходимости).

Общее число частот вращения выходного вала (шпинделя ходового винта и др.) коробки передач равно:

Z = , (15)

где р - число передач в i-той группе;

m - число групп передач.

Из всех групп передач, последовательно расположенных в кинематической цепи, одна должна быть основной, остальные переборными, предназначенными для умножения ряда частот вращения. Изменяя размещение основной и переборных групп получают различные варианты структур коробок передач. Различие вариантов обуславливается изменением характеристик групп передач. Основная группа всегда имеет характеристику х₁ равную единице (основание между соседними лучами равно одному интервалу) и ряд частот вращения со знаменателем φ. Первая переборная группа имеет характеристику х₂, равную числу передач основной группы, а знаменатель ряда частот вращения φ₂ = φр_1, где р₁ - число передач в основной группе. Характеристика второй переборной группы равна произведению чисел передач в основной и первой переборной группах передач х₃= р₁р₂, знаменатель ряда частот вращения второй переборной группы равен: φ_{3 =}φp₁p₂. Аналогично определяются характеристики и знаменатели ряда остальных групп. Последовательность расположения основной и переборных групп теоретически может быть любой, она определяет конструкцию привода.

Для коробки передач с числом частот вращения на выходном валу (шпинделе, ходовом валу или ходовом винте) равным Z структурная формула привода имеет вид:

Z=р₁(x₁) · р₂ (x₂) ·…· р_m(x_m). (16)

Конкретизируя значения характеристик групп, в общем виде формулу структурной сетки можно записать:

Z=р₁(x₁=1) · р₂(x₂= р₁) р₃(x₃= р₁р₂) …р_m(х_m= ). (17)

Если в технической документации станка базовой модели отсутствует график частот вращения, то с целью анализа модернизируемой коробки передач строится структурная сетка исходной и модернизированной коробок передач.

Исходными данными для построения структурных сеток являются данные, приведенные в технической характеристике станка базовой модели и расчетные данные, полученные при разработке технической характеристики модернизированного привода.

Разработанная структура привода является основанием для построения графика частот вращения и последующих кинематических расчетов, кроме того, она определяет основные размерные параметры коробки передач. С целью получения компактных коробок передач с нормальными соотношениями размеров ведущих и ведомых колес на стадии разработки структурных формул и сеток вводятся ограничения по значениям характеристик групп. В частности, вводится понятие х_mах- количество интервалов между крайними лучами группы передач. Для двухступенчатой группы х_mах= х_m, для многоступенчатой группы

х_mах = (P_m-1)х_m. (18)

Значения х_mах в зависимости от φ и типа привода приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Максимально допустимые значения х_max

3.3.1 Графоаналитический расчет привода

с последовательным включением передач

Рассмотрим методику расчета и построения на примере привода содержащего односкоростной электродвигатель и коробку передач с числом скоростей Z = 18. Допустим, структура коробки передач состоит из трех групп: Z = 3 · 3 · 2 = 18.

В качестве основной группы определяем первую, последующие переборные в порядке записи,

тогда Z =3(1) · 3(3) · 2(9).

Проводим проверку правильности разработанной структуры коробки передач по ограничению на х_mах (см. табл. 3).

Если проектируемый станок имеет значение знаменателя геометрического ряда φ = 1,06 или 1,12 или 1,26, то разработанная структуру правомерна. Если значение φ = 1,41 и выше – разработанную структуру необходимо видоизменить. Допустим, что значение φ = 1,26; следующий шаг - строим структурную сетку.

Рисунок 4 - Структурная сетка привода (Z = 18)

Разработанной структурной сетке соответствует схема размещения групповых передач (рисунок 5).

Рисунок 5 - Схема размещения групповых передач

Допустим, что графоаналитический расчет выполняется для ПГД вертикально-фрезерного станка с компоновкой привода с подвижным ползуном шпиндельной бабки.

Следующим этапом расчета ПГД является построение графика частот вращения.

Исходные данные Z =18, n_min = 40, n_max= 2000, φ = 1,26,

n_д = 1460 мин^-1.

График частот вращения строится в той же логарифмической координатной сетке, что и структурная сетка, только добавляются линии валов двигателя и редуцирующих передач, и является основанием для аналитического расчета передач используемых в приводе. Промежуточные значения частот вращения шпинделя определяются по таблице предпочтительных чисел [4]. При построении графика частот вращения структурная сетка может быть деформирована при условии сохранения основной закономерности расположения групп и их характеристики. Наклон луча в графике частот вращения определяет величину передаточного отношения ведущего и ведомого колес:

= φ , (19)

где - число интервалов координатной сетки, пересекаемых лучом.

Знак перед k определяет характер передачи: (+) ускоряющая; (-) - замедляющая.

Размещение ускоряющих и замедляющих передач выполняется с учетом ограничений величины передаточных отношений: для ПГД , для коробок подач .

Таблица 4 - Допустимые числа интервалов для коробок скоростей

Для ПГД контролировать значение передаточных отношений в зависимости от величины φ можно по рекомендациям табл. 3. Для рассматриваемого примера график частот может иметь вид, приведенный на рис. 6.

Рисунок 6 - График частот вращения привода (Z = 18)

Достоинством разработанного графика является многократная повторяемость значения передаточных отношений, что сокращает номенклатуру зубчатых колес при изготовлении станка и, повышает технологичность конструкции.

Следующим этапом проектирования является кинематический расчет коробки передач и разработка кинематической схемы станка.

Полученные по графику частот вращения значения передаточных отношений представляют в виде простых дробей

= . (20)

Каждая группа передач размещается между двумя валами и обычно колеса имеют одинаковый модуль, поэтому сумма зубьев, сопрягаемых колес групповой передачи, одинакова, обозначим ее 2Zо. Число зубьев ведущего колеса обозначим Z , ведомого Z¹ .

Z = 2Z₀ . (21)

Сумма чисел зубьев сопряженных колес

2Z₀ = Z +Z =KE , (22)