- •Введение
- •Проектирование металлорежущих станков и станочных систем
- •1. Процесс проектирования металлорежущих станков
- •1.1. Общие сведения о металлообрабатывающих
- •Станках
- •1.2. Исходные данные для проектирования мрс
- •1.3. Этапы проектирования станков
- •1.4. Проектные критерии
- •1.5. Автоматизации проектирования
- •Математической модели
- •1.6. Основные методические принципы автоматизированного проектирования
- •1.7. Структура сапр мрс
- •1.8. Оптимизация проектных решений
- •1.9. Связь конструирования с технологией производства
- •2. Компоновка станков
- •2.1. Исходные данные к выбору компоновки
- •2.2. Структурный анализ базовых компоновок
- •С подвижной стойкой
- •2.3. Выбор компоновки
- •2.4. Компоновка станочных систем
- •2.5. Унификация и агрегатирование
- •3. Выбор технических характеристик станков
- •3.1. Уточнение служебного назначения станков
- •3.2. Диапазон рабочих скоростей
- •В центрах на токарных станках больших размеров:
- •3.3. Особенности ступенчатого регулирования
- •3.4. Скорости вспомогательных движений
- •3.5. Мощность привода
- •3.6. Выбор расчетных нагрузок
- •4. Проектирование и расчет приводов станков
- •4.1. Приводы главного движения
- •4.1.1. Назначение приводов главного движения
- •4.1.2. Виды приводов
- •4.1.3. Требования к приводам
- •4.1.4. Виды и способы регулирования
- •4.1.5. Особенности проектирования и расчета привода главного движения станков
- •4.1.6. Определение мощности электродвигателя
- •4.2. Приводы подачи
- •Характеристики основных выходных звеньев приводов подачи
- •5. Шпиндельные узлы
- •6. Корпусные детали
- •7. Направляющие станков
- •7. Ходовые винты и гайки
- •8. Станочные системы
- •8.1. Классификация и основные типы станочных систем
- •8.2. Классификация и структура гибких производственных систем
- •8.3. Основные технико-экономические показатели
- •Часть 3
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
4.1.5. Особенности проектирования и расчета привода главного движения станков
Алгоритм проектирования главного привода металлорежущих станков включает следующие процедуры:
- предварительный анализ исходных технологических данных по обработке заданной совокупности деталей и технических требований к станку и определение технических характеристик - номинальной мощности Рном, значений nшп.min, nшп.max диапазонов регулирования скорости и других, необходимых для кинематического синтеза и проектировочных силовых расчетов;
- выбор схемы построения привода (табл. 1), обеспечивающей основные технические требования и характеристики;
- выбор приводного электродвигателя по номинальной мощности и схеме построения привода;
- синтез кинематики привода на основе выбранной схемы построения, определяющий кинематическую схему механизма;
- проектировочный силовой расчет приводного механизма и эскизное проектирование;
- разработка рабочего проекта и проведение комплекса поверочных расчетов.
4.1.6. Определение мощности электродвигателя
Мощность приводного электродвигателя расходуется на полезную работу в процессе резания и на различного рода потери в приводе. Определение номинальной мощности двигателя осуществляют на практике разными методами приближенно или более точно и надежно. Приближенный способ - по наиболее тяжелому режиму, допускаемому режущим инструментом, или по станку-аналогу, применяется в основном для универсальных станков различных типов и ведет, как правило, к завышению мощности, габаритов и стоимости привода и станка в целом. Более точный метод определения на основе полной картины нагружения - распределения (гистограммы, нагрузочного графика) мощности резания Рэф и крутящего момента Мэф, учета характера и длительности циклов обработки изделий, возникающих динамических нагрузок используется и для универсальных, и для специальных, специализированных, агрегатных станков.
Значения Рэф и Мэф подсчитывают по эмпирическим формулам для всех технологических переходов процесса обработки деталей-представителей (универсальные станки) или конкретных деталей, предназначенных для обработки на данном станке (специальные и специализированные станки), а затем пересчитывают для вала электродвигателя с учетом потерь в механизме, кинематических соотношений и характеристик регулирования. Для полученных распределений определяются характеристики, необходимые при выборе мощности и крутящего момента электродвигателя - эквивалентные (среднеквадратичные) Рэкв и Мэкв и максимальные (рабочие и пусковые) значения Рmax, Мmax и Мп.
Выбор мощности Рпот на основе распределения нагрузки на валу приводного электродвигателя проводится по техническим критериям - предельно допустимому нагреву и перегрузкам и технико-экономическому критерию - наибольшей производительности или наименьшим приведенным затратам. Технические критерии для всех случаев берутся одни и те же. При определении мощности двигателя для станков специальных, специализированных, а также некоторой части универсальных, используется критерий максимальной производительности в виде условия обеспечения наибольшей мощности рабочего режима. Выбор Рпот электродвигателя осуществляется по расчетному значению мощности Ррасч, причем Ррасч = Рэкв, если , и Ррасч = , если . Здесь Кп -коэффициент нагрузочной способности двигателя по мощности: отношение номинальных значений мощности при длительном непрерывном режиме работы и при тридцати (пятнадцати) минутном режиме (обычно Кп = 1,3...1,4 для регулируемых электродвигателей и Кп = 1,5...1,6 для нерегулируемых асинхронных двигателей). Для станков с большими пусковыми нагрузками проводится дополнительная проверка двигателя по этому критерию.
Для проверки правильности выбора электродвигателя на последующих стадиях проектирования рекомендуется провести сопоставление диаграмм максимальных значений мощности (крутящих моментов) на шпинделе, соответствующих технологическим требованиям обработки (на различных nшп, инструментами из разных материалов), с учетом перспективных режимов резания и располагаемых приводом.
Для универсальных станков целесообразно определять оптимальную мощность, соответствующую минимуму приведенных затрат (на изготовление и эксплуатацию), если известен весь набор конкретных экономических данных, входящих в функцию затрат, связанных с мощностью привода. На практике из-за упрощенного подхода к анализу исходных технологических данных и потерь мощности, отсутствию оценок оптимальности часто отмечается завышение мощности двигателя по крайней мере на одну ступень или габарит.
Потери мощности и КПД механической части привода и электропривода необходимо знать для определения обеспечиваемой станком мощности резания, правильного выбора типа привода и мощности электродвигателя, уточнения расчетных нагрузок для силовых расчетов, оценки расхода и потерь электроэнергии.
В приводах современного автоматизированного оборудования при определении потерь учитывают влияние регулирования скорости и изменения уровня нагрузки, новые типы конструктивных элементов - ременных передач, шпиндельных опор, новые виды смазочных материалов, влияние температуры смазки и т.п.
Величина потерь в механической части зависит от типа и сложности кинематической схемы и схемы построения привода, смазки, вида вращающихся (перемещающихся) элементов и их параметров, величины nшп и Рэф.
Для уменьшения потерь холостого хода и общих потерь в механической части привода выбирают схемы с короткими кинематическими цепями, применяют регулируемый электродвигатель с упрощенным передаточным механизмом, сложенные кинематические структуры, используют для опор скоростных валов подшипники с малым трением и системы минимальной смазки.
В приводах с регулируемыми электродвигателями и короткими кинематическими цепями (табл. 1, схемы 6...12) КПД по мощности механической части составляет при полной нагрузке ηм ≈ 0,9...0,95 на расчетной частоте вращения nшп.р и
ηм = 0,7...0,8 на nшп.max (nшп.max ≤ 4000 мин -1). В приводах с асинхронным нерегулируемым двигателем и многоступенчатыми механизмами (схемы 1...5) ηм = 0,75...0,85 (при nшп.р) и
ηм = 0,6...0,75 (при nшп.max).
Потери мощности электрической части привода определяются суммой потерь в электродвигателе и преобразователе.
С учетом потерь в электроприводе общий КПД по мощности главного привода с регулируемым двигателем (схемы 6...12) составляет при полной нагрузке ηо = ηм ηэл ≈ 0,7...0,8 на nшп.р и ηо = 0,5...0,7 на nшп.max. В приводе с нерегулируемым электродвигателем и развитым многоступенчатым механизмом (схемы 1...5) ηо = 0,65...0,75 на nшп.р и ηо = 0,5...0,7 на nшп.max. Приводы с упрощенной механической частью, но более сложным электроприводом в отношении общего КПД и суммарных энергетических потерь примерно равнозначны приводам с простым односкоростным электродвигателем и многовальной многоступенчатой коробкой скоростей или редуктором.
КПД по электроэнергии привода (отношение расхода электроэнергии на работу, совершаемую на выходе привода станка, к расходу электроэнергии на работу, совершаемую на входе привода, при заданных режимах нагружения и времени работы), определенное с учетом типовых переменных режимов работы главного привода, составляет: для механической части (по схемам 6...12) ηэм = 0,7...0,9; 0,6...0,7 (по схемам 1-5). Общий ηэо = 0,5...0,75 (схемы 6 - 12), ηэо = 0,45...0,65 (схемы 1...5).
Синтез кинематики включает выбор подходящих вариантов схем построения привода, разбиение диапазона регулирования и общего передаточного числа и между электроприводом и соответствующими узлами механической части, расчет вариантов структурных сеток, построение графиков частот вращения и кинематической схемы механизма.
В приводе с регулируемым электродвигателем разделение общего диапазона между двигателем и механической частью стремятся осуществить таким образом, чтобы обеспечить необходимое перекрытие соседних поддиапазонов частот вращения шпинделя или небольшой разрыв между ними (если это оправдано характером технологического процесса). При ступенчатом и комбинированном регулировании для синтеза кинематики используют закономерности геометрического ряда ступеней скорости. При расчете структурных сеток передаточные отношения зубчатых передач ограничивают величиной редукции 4 и повышения 2.
Кинематические структуры применяют двух видов - множительные (с последовательно соединенными группами передач между соседними валами) и сложенные (с пропуском ряда валов при реализации некоторых ступеней скоростей). Множительные структуры обычно приводят к длинной многоваловой кинематической цели, а сложенные позволяют упростить конструкцию, уменьшить число зубчатых колес, сократить габариты, металлоемкость и стоимость привода. Сложенные структуры способствуют уменьшению потерь мощности на высоких скоростях, повышению КПД и надежности, улучшению динамического качества. При отборе подходящего графика частот вращения (варианты которых представляют различные сочетания передаточных отношений, удовлетворяющие заданным ограничениям) руководствуются в первую очередь следующими критериями: длиной кинематических цепей привода, его габаритами и трудоемкостью изготовления.
Сокращение длины и упрощение кинематических цепей улучшает экономические показатели, повышает надежность привода и КПД, улучшает динамические характеристики и уменьшает число источников погрешностей.
Габариты передач, влияющие на размеры и массу корпусных деталей, существенно зависят от частоты вращения валов nв, поскольку nв обратно пропорциональна диаметру вала в четвертой степени и модулю зубчатого колеса в кубе. Рекомендуют входной и первые промежуточные валы проектировать достаточно быстроходными, наибольшую редукцию осуществлять в передачах на шпиндель и предшпиндельной, соблюдая, по возможности, принцип веерообразного построения графика частот вращения.
Трудоемкость и сроки проектирования и изготовления привода значительно сокращаются для тех вариантов кинематики, которые позволяют компоновать привод (полностью или частично) из покупных, унифицированных узлов (модулей) - коробок передач, редукторов, мотор-редукторов, шпиндельных бабок и т.п. Централизованное изготовление таких узлов на специализированных производствах обеспечивает более высокое качество и надежность привода, однако при непродуманной унификации могут ухудшиться возможности главного привода по обеспечению технологических характеристик станка.
Основные методы уменьшения динамических нагрузок и колебаний, возникающих в главном приводе при переходных процессах и прерывистом резании:
оптимизация процессов разгона и торможения на любой частоте вращения шпинделя применением в главном приводе регулируемых электроприводов, позволяющих настройку переходных процессов по требуемому закону; подбор рациональных параметров конструкции и кинематики привода, влияющих на величину изгибно-крутильной жесткости и собственных частот системы;
применение демпфирующих и предохранительных элементов и устройств (ременные передачи, муфты с упругими и упругодемпфирующими элементами, специальные демпферы и динамические гасители колебаний).
Значения динамических характеристик при переходных процессах в приводах с регулируемыми электродвигателями зависят от кратности приведенного момента инерции привода γ0 и установленного токоограничения в электроприводе. Время пуска и торможения для таких приводов зависит, кроме того, от типа реверса электропривода и некоторых других электротехнических характеристик.
Динамические характеристики при пуске и торможении в приводах с нерегулируемым асинхронным электродвигателем зависят от γ0, коэффициента Кλmax = Мдв.max / Мдв.н (из каталога электродвигателей), отношения низшей собственной частоты f1 привода к частоте электросети f0. При наличии в приводе автоматизированной коробки скоростей (передач) АКС с электромагнитными муфтами динамический момент в механизме определяется импульсом электромагнитной муфты на входном валу и соотношением частот вращения выходного и входного валов коробки.
При конструировании привода главного движения станков с прерывистым характером резания (фрезерных, зубофрезерных) установкой маховика вблизи шпинделя и введением упругой муфты (ременной передачи) в скоростную цепь достигают снижения перегрузок при переходных процессах и отстройки от резонанса (fc << fи, где fc - собственная частота привода; fи - частота врезания ножей фрезы). При этом для избежания резонансных явлений при работе станков в нижней части диапазона частот вращения шпинделя со сравнительно невысокими значениями fи стремятся выполнять условие fc >> fи: увеличивают жесткость валов, избегают повышающих передач в нижней части диапазона скоростей, располагают понижающие передачи в конце цепи - ближе к шпинделю. В приводах главного движения расточных, фрезерных, зубофрезерных, токарных и некоторых других станков находят применение динамические гасители колебаний и демпферы разных типов.
Расчеты привода главного движения со сформированной кинематикой проводят: на прочность, нагрузочную способность и жесткость деталей механизма, на крутильную жесткость механизма, для определения энергетических и динамических характеристик привода. Расчеты привода подразделяют на проектировочные, служащие для определения основных конструктивных параметров деталей и механизма в целом, и поверочные, позволяющие оценить работоспособность спроектированного привода.
Особенностью силовых расчетов привода главного движения является учет переменности режимов и характера нагружения деталей, отражающий специфику нагружения металлорежущих станков. Детали главного привода рассчитывают на выносливость и проверяют по условию прочности при действии максимальных нагрузок (напряжений) статического или ударного характера. Расчет на выносливость ведется по расчетной номинальной нагрузке, за которую принимают наибольшую длительно действующую нагрузку рабочего режима, и расчетному режиму нагружения.
Исходную расчетную нагрузку в станках общего назначения с ручным управлением определяют на шпинделе по номинальной мощности и расчетной частоте вращения (начиная с которой станок работает с использованием полной мощности). Выбор расчетной нагрузки для современных автоматизированных станков с ЧПУ (и других) рекомендуют проводить исходя из технологических требований к величине наибольшего крутящего момента на шпинделе.
При расчете на прочность при максимальной нагрузке величина расчетной нагрузки выбирается по рекомендациям РТМг Н45-1-80 и др.
Расчетные режимы нагружения при расчете деталей на выносливость учитываются при определении допускаемых напряжений (эквивалентного числа циклов нагружений) или в форме коэффициента переменности (долговечности) при расчетной нагрузке. Определение расчетных режимов и соответствующих коэффициентов проводится на основе анализа фактических режимов нагружения или использования типовых режимов нагрузок.
Расчет зубчатых колес проводится по ГОСТ 21354-87 и РТМ2 Н45-1-80 - по критериям изгибной и контактной выносливости, прочности (при действии максимальной нагрузки), глубинной контактной прочности (для колес с поверхностно упрочненными зубьями).
Расчет конических зубчатых колес с круговым зубом, по форме унифицированный с расчетом цилиндрических зубчатых колес, учитывает опытные данные и рекомендации фирмы Глиссон.
Расчет цилиндрических червячных передач с эвольвентными, конволютными и архимедовыми червяками ведут по критериям контактной и изгибной выносливости и прочности (при действии максимальной нагрузки) зубьев колеса.
Ременные передачи с клиновыми (нормального сечения и узкими), поликлиновыми, плоскозубчатыми (с трапециевидным и полукруглым зубом) и плоскими ремнями рассчитывают по критериям тяговой способности и выносливости по ГОСТ 1284.3-80, ОСТ 38 05227-81.
Валы редукторов и коробок скоростей (двух- и многоопорных) рассчитывают на прочность и жесткость - при необходимости с учетом податливости опор.
Расчет подшипников качения на статическую и динамическую грузоподъемность проводят с использованием справочников - каталогов подшипников.
Расчет шпоночных и шлицевых соединений вал-ступица проводят на смятие и, соответственно, на смятие и износ (с учетом неравномерности распределения нагрузки между шлицами, давления, влияния приработки) по ГОСТ 21425-75.
Расчет муфт ведут по критериям: прочности сцепления и стойкости рабочих поверхностей (фрикционные сцепные муфты), прочности и ресурса кулачков (кулачковые сцепные муфты), стойкости резиновых втулок и прочности пальцев (втулочно-пальцевые упругие муфты), прочности на срез штифта (предохранительные муфты с разрушающимся элементом).
При расчете крутильной жесткости механизма на заданных частотах вращения шпинделя определяют баланс крутильных деформаций, суммарный угол закручивания цепи привода, относительное линейное смешение инструмента и изделия в зоне резания.
Расчет энергетических характеристик привода позволяет уточнить КПД механической части с учетом температуры смазки, влияния регулирования скорости и переменных режимов нагружения, определить расход электроэнергии в главном приводе, включая потери в электроприводе и в механической части.
Динамические расчеты привода главного движения осуществляют для многомассовых систем, включающих, как передаточный механизм, так и электропривод (двигатель и система регулирования частоты вращения). При полном расчете учитывается влияние на колебательные процессы в системе зазоров в стыках моментов сил трения. Определяются динамические перегрузки в элементах привода, длительность пуска и торможения, перерегулирование по скорости, величина падения скорости под нагрузкой, амплитуды колебаний нагрузок и скорости при действии периодических возмущающих нагрузок, неравномерность вращения шпинделя и т.п. Возможны упрощенные динамические расчеты для определения ориентировочных значений характеристик переходных процессов: времени пуска (разгона) и торможения, наибольших динамических нагрузок - с помощью простых зависимостей, полученных для типовых схем построения привода (двух-, четырех массовых, систем).