1-9

1. Последовательность проектирования мехатронного модуля главного движения.

1 Исходная информация, чертежи, требования производства.

2 Автоматизированное проектирование технологического производства, разработка технической характеристики станка (модуля)

3 Технологическое обоснование разработки оборудования

4 Предварительное автоматизированное проектирование оборудования

5 Разрабатываются методы повышения тех-эк показателей (ТЭП) оборудования

6 Соответственный расчет ТЭП заданными

7 Моделирование приводов несущей системы и отдельных деталей оборудования

8 Уточнение конструкции и алгоритмов управления

9 Технологическая подготовка производства и изготовления станка

10 Соответствие фактических ТЭП к заданным

11 Исследование станка

12 Изготовление серийного образца

Модуль должен обеспечивать осуществление управляемого технологического процесса с изменяющимися условиями обработки, оснащен необходимыми функциональными подсистемами, датчиками, информационными связями. Модуль должен отвечать условию повышенной управляемости – изменению режима резания в процессе обработки (оптимальные габариты, рациональная конструкция).

Проектирование модуля главного движения включает выполнение следующих этапов:

1. Составление технического задания на проектирование модуля станка

2. Анализ схем обработки и методов формообразования деталей: назначение детали, ориентация базирующих поверхностей, показатели качества детали, характеристики материала с учетом термообработки, параметры группы детали, маршрутная технология, сведения о выполняемых операциях на станке с ЧПУ, предложения по уточнению технологии.

3.Определение основных технических характеристик модуля: основные технологические условия использования оборудования, основные переходы, характер обработки, нормативы режима резания.

4.Определение функциональных подсистем модуля и разработка структуры: анализ станка-аналога, разработка структуры, алгоритм выполнения переходов, оптимальная скорость и оптимальная глубина резания, повышенная точность, наименьшая шероховатость, ФПС, определяющая необходимые датчики.

5. Разработка структуры модуля: эскиз компоновки станка с перечислением основных частей, эскиз компоновки модуля, достоинства и недостатки, ссылка на станок-аналог.

6. Уточнение компоновок станка и модуля

7. Разработка кинематической схемы привода модуля главного движения

8. Определение расчетных нагрузок и проектные расчеты деталей

9.1. Уточнение к.п.д. привода модуля

9.2. Уточнение номинальной мощности приводного электродвигателя

9.3. Определение мощности на валах привода модуля

9.4. Определение расчетных значений частот вращения валов и зубчатых колес

9.5. Определение расчетных значений крутящих моментов

10. Предварительная разработка конструкции модуля

11. Уточнение конструкции модуля

2.Определение характеристик диапазонов регулирования частот вращения шпинделя и расчетных нагрузок на шпинделе (Pi,Ti).

    Исходные данные определяются на основании предыдущего этапа проектирования.

    Например:

     -- тип проектируемого мехатронного станка – токарный с ЧПУ;

     -- диапазон регулирования привода Rn  = 250;

     -- наибольшая частота вращения шпинделя n_max   = 2500 об/мин;

     -- регулирование частот вращения шпинделя  - бесступенчатое;

     -- номинальная и наибольшая частоты вращения электродвигателя n_эном  = 1000 об/мин,  n_эmax  = 3500 об/мин;

     -- компоновка модуля - с встроенным приводом.

                  

   Определяем знаменатель ряда частот вращения и числа ступеней для переборной коробки. Для отсутствия разрывов при регулировании частот вращения шпинделя необходимо обеспечить выполнение условия

_ФИпк  < R_эР (не менее, чем на 5 %),                                    (1)

где ФИ_пк  - знаменатель ряда частот вращения, обеспечиваемых переборной коробкой;

      R_эР – диапазон регулирования частот вращения вала электродвигателя          с постоянной мощностью.

    Вначале определяются диапазоны регулирования частот вращения шпинделя с постоянной мощностью R_nР и с постоянным моментом R_nT. Они находятся с учетом степенных зависимостей, рекомендуемых для конкретных типов проектируемых станков:

RnP=Rn^(b-1/b)


RnT=Rn^(1/b)
где Rn=nmax/nmin 

b  = 4 для токарных, фрезерных и многоцелевых станков, b = 3 для сверлильных и расточных станков.

При этом

Rn=RnP*RnT

Для рассматриваемого примера при b = 4 диапазоны регулирования имеют значения: R_nР = 62,8;  R_nT = 3,98.

Вначале знаменатель ряда j_пк принимается с учетом диапазона  регулирования  частот  вращения  вала электродвигателя, осуществляемых c постоянной мощностью

_ФИпк = 0,95 × R _эР,

где RэР=nэmax/nэном

для выбранного электродвигателя R_эР = 3,5,

       ФИ_пк = 3,32.             

         Расчетное число ступеней переборной коробки z_пк определяется по формуле

 Zпк=lgRnP/lgФИпк

     Для рассматриваемого примера z_пк = 3,5. Это значение округляется в большую сторону и принимается равным 4.

   Значение знаменателя ряда частот вращения уточняется с учетом принятого числа ступеней переборной коробки по формуле

ФИпк=(корень из Zпк)Rnp

Для рассматриваемого примера ФИ_пк = 2,81. При уточнении данного знаменателя выдерживаются условия (1) и ФИпк=ФИст^m , где ФИ_ст - значение знаменателя стандартного ряда чисел, m – целое число. В данном случае ФИ_пк=  1,4³   =  2,8.

    Диапазоны регулирования привода уточняются с учетом принятого значения знаменателя

3.Диаграмма баланса мощности привода главного движения.

где P_xx – мощность холостого хода (трение в опорах);

      P_ДП – мощность дополнительных потерь под нагрузкой;

      P_ЭФ – эффективная мощность;

      P_ЭД – мощность электродвигателя. Pc – мощность, потребляемая из сети.

4.Методика расчетного определения мощности холостого хода привода модуля станка.

В результате исследований, проведенных в ЭНИМСе, установлено, что изменение мощности холостого хода, соответствует сумме частот вращения валов привода, участвующих в передаче вращения шпинделю

При этом частота вращения вала электродвигателя не учитывается.

Определение частот вращения промежуточного валов производится с помощью графика частот вращения валов привода модуля при известной кинематической схеме.

Затраты мощности на холостой ход привода также зависят от конструкции привода. Левитаном (ЭНИМС) предложена формула для расчета мощности холостого хода соответственно каждой частоте вращения шпинделя, учитывающая особенности кинематики и конструкции привода.

где K_М − коэффициент, учитывающий качество изготовления и смазки привода,    K_М-3 ÷ 5 (для станков класса точности В,П и Н).

       dср− средний диаметр валов привода (без учёта шпинделя), см

       с – коэффициент, учитывающий потери в опорах подшипника,

с=kшп*(dшп/dср)

для  шпинделя на опорах качения kшп=1,5, для шпинделя на опорах скольжения − kшп=2

Мощность дополнительных потерь под нагрузкой Pдоп.

5.Методика экспериментального определения мощности холостого хода привода модуля станка.

Экспериментальное определение мощности холостого хода проводится с помощью формулы

Рхээ=Рс-Рпээ=Рс*НЮэд

где Pc -- мощность, потребляемая из сети электродвигателем при холостом ходе;

      Pnэд − потери мощности в электродвигателе;

      ηэл – КПД электродвигателя.

Определение Pci проводится с помощью счетчика трехфазного тока

Рс=А0*m/t, кВт

где  А₀ – постоянная счетчика, кВт/с

       m₀ – количество полных оборотов диска счетчика за время t;

       t – время в секундах.  

НЮэд=f(гамма) КПД электродвигателя определяется приближенно по графику в зависимости от коэффициента загрузки ЭД    

6.Определение КПД привода модуля станка высокой точности

Для станков повышенного класса точности КПД:

ЭТА=ЭТАрп^m*ЭТАзп^n*ЭТАп^e

где n_рп  -- к.п.д. ременной передачи (для поликлиновой передачи –  0,98);

 n_зп  -- к.п.д. зубчатой передачи (для цилиндрической прямозубой передачи - 0,99);

_nп  - к.п.д. подшипника (для подшипника  качения - 0,997);

 m, n, e – показатели степени, соответствующие количеству передач и подшипников, участвующих в получении расчетных частот вращения валов.

Для нормальной множительной структуры используется только одно значение КПД.

Для сложенной множительной структуры – в зависимости от количества сомножителей.

Рэл=Рэф/kп*эта

где Р_эф – эффективная мощность резания, кВт. k_п= 1,25  --  коэффициент перегрузки,   η’ – уточненный КПД механической части привода

7.Методики уточнения мощности приводного электродвигателя.

     Расчетное значение номинальной мощности приводного электродвигателя уточняется по формуле

Р'эном=Рэф/ kп*эта

где Р_эф – эффективная мощность резания, кВт. k_п= 1,25  --  коэффициент перегрузки,   η’ – уточненный КПД механической части привода.

Номинальная мощность электродвигателя принимается с округлением в большую сторону по справочным данным.

Эффективная мощность резания определяется на предыдущих этапах проектирования на основании данных параметров режима резания

где Pz – главная составляющая силы резания, V-скорость резания, Px – составляющая силы резания, действующая в направляющей подачи, S- минутная подача.

         При проектировании модуля главного движения станка нормальной и повышенной точности к.п.д. механической части привода уточняется по формуле 

 ЭТА'=ЭТАрп^m*ЭТАзп^n*ЭТАп^e 

где h_рп  - к.п.д. ременной передачи (для поликлиновой передачи –  0,98);

 h_зп  - к.п.д. зубчатой передачи (для цилиндрической прямозубой передачи - 0,99);

h_п  - к.п.д. подшипника (для подшипника  качения - 0,997);

 m, n, e – показатели степени, соответствующие количеству передач и подшипников, участвующих в получении расчетных частот вращения валов.          При проектировании прецизионных станков классов В, А и С к.п.д. механической части привода определяется с учетом мощности холостого хода и динамических потерь.

8.Определение расчетных нагрузок зубчатых колес привода модуля главного движения.

Расчетные значения крутящих моментов деталей привода определяются по формуле:

    

где Р_ip - расчетное значение мощности на валу, Н∙м;

      n_ip –частота вращения вала, об/мин

Расчет усилий в зацеплениях.

Расчеты сил будем производить по следующим формулам:

Ft=2T/dw-окружная сила

Fr=Ft*tgальфа-радиальная сила

где d_w – делительный диаметр ведущего колеса, T─  передаваемый момент, альфа - угол подъема зуба, .

Контактные напряжения в зацеплении передачи

Контактное напряжение в зацеплении определяется по формуле, используемой для прямозубой и косозубой передачи

Для прямозубой передачи принимают Z_Hb = 1, подставляя следующие значения параметров:

E_пр – приведенный модуль упругости. Для стальных колес и шестерен
Е_пр = 0,215×10⁶ МПа;

Т₁ – момент на шестерни передачи, Н×м.

d_w1 – начальный диаметр шестерни, мм;

b_w – ширина зубчатого венца колеса, мм;

a_w – угол зацепления, определяемый по п. 1.3.6;

u – передаточное число передачи, u = z₂ / z₁ .

Допускаемые контактные напряжения

Находятся по следующей формуле:

сигма Hlim-

предел контактной выносливости по поверхности зуба

      s_H – коэффициент безопасности, S_H=1,1(при термообработке улучшение);

z_N – коэффициент долговечности, определяется по следующей формуле:

      

где   Nhg  – базовое число циклов, вычисляется по формуле:

Nhi – расчетное число циклов напряжений:

Nhi=60*n*c*t

где n  – частота вращения вала, мин^-1;

       c – число зацеплений зуба за один оборот колеса;

       t– число часов работы передачи за расчетный срок службы;

   

Напряжения изгиба в зубьях шестерни и колеса

Напряжения изгиба в основании зубьев прямозубых шестерни s_F1 и колесе s_F2 определяют по формулам:

sigma_F1 = Y_F1 × F_t × K_F / (b_w × m), МПа;

sigma_F2 = s_F1 × Y_F2 / Y_F1, МПа,

где Y_F1 и Y_F2 – коэффициенты, учитывающие форму зубьев, соответственно, шестерни и колеса, назначаемые в зависимости от числа зубьев z и коэффициента смещения X; F_t – окружная сила в зацеплении, Н; b_w – ширина зубчатого венца, мм; m – модуль зацепления, мм.

Допустимые напряжения изгиба

Определяются по следующей формуле:

где sigma Flim ─ предел выносливости зубьев по напряжениям изгиба,

  s_F – коэффициент запаса прочности, s_F  =1,7;

    Y_A –коэффициент реверсивности нагрузки, Y_A=1  отсутствие реверсивности;

 Y_N – коэффициент долговечности:

Заключение о работоспособности передачи

Передача считается работоспособной, если выполняются условия:

1) контактная выносливость поверхностей зубьев,

sigma_H<=  [sigma_H] ;

2) изгибная выносливость зубьев шестерни,

sigma_F1<=  [sigma_F]₁ ;

3) изгибная выносливость зубьев колеса,

sigma_F2<=  [sigma_F]₂ .

!!!(<=  - больше или равно)

9.Определение расчетных нагрузок валов привода модуля главного движения.

Расчет валов проводят на статическую прочность и на сопротивление усталости.

Расчет проводят в такой последовательности: по чертежу сборочной единицы вала составляют расчетную схему, на которую наносят все внешние силы, действующие на вал, приводя плоскости их действия к двум взаимно перпендикулярным плоскостям. Затем определяют реакции опор в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В этих же плоскостях строят эпюры изгибающих моментов Мх и Мy, отдельно эпюру крутящего момента. Предположительно устанавливают опасные сечения исходя из эпюр моментов, размеров сечения вала и концентраторов напряжений (обычно сечения, в которых приложены внешние силы, моменты, реакции опор или места изменения сечения вала, нагруженные моментами) . Проверяют прочность вала в опасных сечения.

    Расчетные значения крутящих моментов деталей привода определяются по формуле:

где Р_ip - расчетное значение мощности на валу, Н∙м;

      n_ip –частота вращения вала, об/мин

Мощность на валах привода определяется по формуле

где эта(i-1)-i- к.п.д. участка кинематической цепи, определяется с учетом элементов, участвующих в передаче движения

Силы, действующие на вал

Ft=2T/dw-окружная сила

Fr=Ft*tgальфа-радиальная сила

Расчет валов проводится на кручение

[тау]  – допускаемое касательное напряжение, [тау]=12,5 МПа, Основными материалами для валов служат углеродистные и легированные стали. Для большинства валов применяют среднеуглеродистые и легированные стали 45, 40Х; для высоконапряженных валов -- легированные стали 40ХН, 20Х,12ХН3А.

Расчёт на сопротивление усталости опасного сечения

Коэффициент запаса находится по следующей формуле:

где Ssigma- коэффициент запаса по контактным напряжениям, находится по следующей формуле: