Часть 2.11-19

11. Требования, предъявляемые к мехатронным модулям подач, и способы их обеспечения.

 Обеспечение требуемых скоростей перемещения рабочего органа.

Для повыш-я произ-ти одр-ки необходимо обеспечить пер-е раб. органа со скор-ю х\х Sх\х 5…20 м/мин. Для точной уст-ки рабочего органа необходимо также обесп-ть малые подачи (п-чи позиционирования Sп) – менее 1 мм/мин. Хар-ся диапазоном регулирования  

2) Обеспечение необходимого кол-ва ступеней рабочих подач.

В станках с ЧПУ прим-ся бесступенчатое регулирование подач, а для ручных станков рег-е ступенчатое в соответствии со стандартными геометрическими рядами.

3) Обеспечение необходимой тяговой силы

4) Высокая жесткость привода.

    Определяет т-ть перемещения и установки рабочего органа.

5) Особая кинематическая точность.

     Обеспеч-ся т-тью изготовления и установки механических эл-тов (з/передач, валов и т.д.).

6) Высокая надежность привода.

7) Простота изготовления, сборки и обслуживания

     

12.Особенности разработки структуры мехатронного модуля подачи.

Общая методика та же, что и для модуля главного движения:

- определение технических характеристик

- выбор компоновки

- разработка структуры

- разработка кинематической схемы

- разработка конструкции

Дополнительные требования:

- обеспечение необходимого характера нагружения (режима работы)

- повышенная точность позиционирования

- обеспечение необходимого режима разгона и торможения

Недостаток комбинированного модуля – усложнение конструкции

13.Типовые схемы опор передачи винт-гайка качения и особенности их применения

Особенности проектирования привода модуля подач:

Сначала проектируем предварительную конструкцию. Для этого выбираем схему опор ходового винта:

а) в станках с ЧПУ наиболее распространен двухсторонний радиально-упорный подшипник. Опора обозначается как F-F (жесткая заделка обоих опор, подшипник может обеспечить создание предварительного натяга)

б) в тяжелых станках с ЧПУ – опорная заделка характеризуется тем, что винт можно предварительно нагрузить растягивающим осевым усилием, что уменьшит его провисание и увеличит точность работы:

при небольшой длине рабочего хода

Типы опор

С жёсткой заделкой в опорах, позволяет осуществить предварительное нагружение винта.

14.Конструктивные особенности передачи винт-гайка качения

МАТЕРИАЛ – для винтов – азотируемые станки 30Х3НВА объемная закалка ХВГ - для гаек – ХВГ, ШХ15

1- корпус; 4- зубчатое колесо с нарезкой зубьев. Натяг производят так: гайку 2 вращают вправо, затем колесо 4 вместе с гайкой 2 вправо

15.Методы регулирования передачи винт-гайка качения.

ВАРИАНТ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАТЯГА:

1- корпус; 4- зубчатое колесо с нарезкой зубьев. Натяг производят так: гайку 2 вращают вправо, затем колесо 4 вместе с гайкой 2 вправо.

16.Последовательность проектирования устройства «винт-гайка качения».

1) Предварительный выбор передачи «винт-гайка качения»

В зависимости от конструктивных и технологических требований и с учетом конструкции модуля подачи станка-аналога определяется схема монтажа, основные размеры передачи винт-гайка качения (ВГК) и принципиальная конструкция составных частей. На основании этих данных находится расстояние между центрами опор винта.

Шаг винта выбирается с учетом требуемого диапазона рабочих и ускоренных подач, диапазона регулирования частоты вращения двигателя и необходимой величины дискреты перемещения.

С_а – динамическая грузоподъемность, daH

Q_стат – статическая грузоподъемность

Q_j – тяговое усилие

 l_x – длина хода рабочего органа, мм;                            

m – масса перемещаемого узла, кг;

f₀ – минимально допустимая собственная частота колебаний механической части привода подачи, Гц;

j – порядковый номер различных режимов работы винтового механизма (j=1, 2, … );

t_j – продолжительность работы винтового механизма в каждом режиме в процентах от общего времени цикла работы винтового механизма, при этом S t_j  = 100%;

n_j – частота вращения винта (гайки) в каждом j-ом режиме, об/мин, в том числе n_{j max} , об/мин;

для вертикальных многоцелевых станков ,

Fmp=G*f, где G – вес, f=0,1 (если направляющие скольжения), f=0,05÷0,1 (если направляющие качения)

2) Определение конструкции составных частей:

- опоры

- корпус

- гайка

Также определяется конструкция других элементов привода (крепления электродвигателя, соединительной муфты, крепления шариковой гайки, направляющих устройств и др.)

3) Уточнение типа-размера по ЭНИМС

4) Расчет передачи винт-гайка качения

- расчет осевой жесткости

jcдейств>jc   j_c соответствует положению гайки посередине между опорами винта - расчет долговечности:

L=(Ca/Pa)^3 

где C_a –динамическая грузоподъемность передачи, dаН

     P_a – эквивалентная динамическая нагрузка на передачу, dаН;

n_m – средняя частота вращения при работе передачи в цикле, об/мин;

- расчет на отсутствие резонансов по частоте вращения

, где d_ср – средний диаметр резьбы винта (можно принять d_ср = d₀ ),

мм; l_Н1 – неопорная длина винта, мм; Е=2,1×10⁴ dаН/мм² – модуль упругости; r=7,8×10^-6 dаН/мм³ – плотность материала винта;  l - коэффициент заделки; a₁ – коэффициент запаса (a₁=0,8, то есть максимальная частота  вращения   винта не должна превышать 0,8n_кр);

g = 9,8×10³ мм/с² – ускорение силы тяжести.

Неопорная длина винта принята равной расстоянию между торцами противоположных опор: l_Н1 = l – l_ш  – 2l_у,        где l_ш – длина опорных шеек винта; мм;  l_у  – ширина уплотнений (манжет) винта – обычно (5 – 10 мм), мм;

n_кр ³ n_{ij мах} ,           что соответствует работе передачи винт-гайка качения в докритической области и резонансы при ее эксплуатации не должны возникать.

- расчет на устойчивость под действием осевой силы

_, где J – наименьший момент инерции сечения стержня винта (J=pd₀⁴/64), мм⁴; m - коэффициент длины;  l_Н2 – неопорная длина винта, мм; a₂ – коэффициент запаса (a₂ = 0,33, то есть максимальное значение осевой нагрузки Q_ij не должно превосходить 0,33 Р_кр).

Неопорная длина винта l_Н2 принята как максимальное расстояние между центром гайки в ее крайнем положении и центром опоры: l_Н2 = l – 0,5l_ш  – 0,5l_к – l_п, где l_к – длина корпуса гайки; l_п – перебег (l_п = 30 мм при d₀£63 мм и l_п = 50 мм при d₀>63 мм).

Если величина критической силы Р_кр удовлетворяет условию Р_{ij max} (Q_{ij max} ) < Р_кр ,

то изгибные нагрузки, воздействующие на винт передачи, не достигают опасных пределов, вызывающих её поломку вследствие потери устойчивости.

17.Методика расчета передачи винт-гайка качения на жесткость

Величина требуемой суммарной жесткости винтового механизма (ВМ) связана с собственной частотой колебаний привода соотношением [1]:

Выбор типоразмера передачи винт-гайка качения и подшипников опор рекомендуется вести с помощью зависимостей (рис. 4 – это, где на графике куча разных жесткостей, мы выбирали там одну) для жесткости ВМ при определенной схеме монтажа. Представленные графики охватывают основные типы шариковых передач винт-гайка качения, применяемых в станкостроении, а также упорных и комбинированных  роликовых подшипников. При использовании монтажа по схеме 1 предполагается, что опоры винта идентичны по жесткости, и в качестве l берется расстояние между серединами обеих опор (как и для схемы монтажа 2). При этом полученное значение жесткости j_c соответствует положению гайки посередине между опорами винта. При использовании схемы монтажа 3 в качестве длины l следует брать максимальное расстояние от середины корпуса гайки до середины корпуса опоры.

Винтовые механизмы, графики которых проходят выше точки с координатами l и j_c, будут обеспечивать требуемую жесткость

jcдейств>jc

Шаг выбираемой передачи должен соответствовать требуемому шагу p

Рис. 1. Схема передачи ВГК (не определяет конструкцию)

Рис. 3. Схема опоры ВМ с упорным роликоподшипником:

1 – подшипник; 2 – корпус опоры; 3 – винт; 4 – втулка;

5 –проставочное кольцо;

18.Методика расчета передачи винт-гайка качения на долговечность

Расчет долговечности L (в млн. об.) передачи винт-гайка качения производится по формуле:

где C_a –динамическая грузоподъемность передачи, dаН, P_a – эквивалентная динамическая нагрузка на передачу, dаН; n_m – средняя частота вращения при работе передачи в цикле, об/мин

P_ij – усилие, действующее на гайку (I=1,2) и возникающее в результате приложения к передаче осевого усилия Q_ij, даН.

Если внешнее усилие Q_ij действует со стороны гайки 1, то усилия P_ij определяются по формулам:

P_1j = P_Н +0,55 Q_1j;                    P_2j = P_Н +0,55 Q_2j         

 (6)                                                    (7)

P_2j = P_Н –0,45 Q_1j;                              P_1j = P_Н –0,45 Q_2j.

Если внешнее усилие Q_ij действует со стороны гайки 2, то усилия P_ij определяются по формулам. Здесь P_H – сила предварительного натяга.

Используя минимальное значение нагрузки P_a1 или P_a2, определенное по формуле (4), рассчитаем по формуле (3) величину долговечности, которая должна быть не менее требуемой:L ³ L_тр                                                             (8)

Для выбранной передачи винт-гайка качения нагрузки P_ij и Q_ij в различных режимах работы привода не должны превышать допустимого значения Q_ст для данного типоразмера:

                                                 P_ij<=  Q_ст ;                                                   

(9)

                                                          Q_ij<=  Q_ст , 

где Q_ст – допустимая статическая нагрузка (грузоподъемность), учитывающая число рабочих шариков, даН. Выражение (9) соответствует условию обеспечения статической прочности передачи. В тех случаях, когда необходимы высокая плавность хода и малая величина трения, в выражение (9) вводится коэффициент запаса k_п=1,5 – 2,5 и оно принимает вид:

                                           k_п P_ij<=  Q_ст ;                                              

(10)

                                                       k_п Q_ij<=  Q_ст ,

Q_ij – осевые усилия, действующие на первую I=1 и вторую I=2 гайки передачи винт-гайка качения в каждом j-ом режиме работы, в том числе и максимальное осевое усилие Q_{ij max} ,

n_j – частота вращения винта (гайки) в каждом j-ом режиме, об/мин, в том числе n_{j max} , об/мин;  

Комбинированный радиально-упорный подшипник двухсторонний характеризуется высокой грузоподъемностью, ??? обеспечивается создание предварительного натяга в опоре (освевой и радиальный натяг). Радиальный натяг создается за счет размеров роликов 8, а осевой за счет нагружения роликов 6 и 9.

3 - ??? уплотнитель → левое кольцо подшипника 4 → ролики в кольцо 7 → ролик 9 → правое кольцо упорного подшипника 14 → кольцо 12 → ходовой винт 13.

Ограничивают натяг за счет момента затяжки, а гайке устанавливается специальная втулка для ограничения натяга – под кольцо 8.

14 – ограничитель натяга для осевого подшипника (???)

при работе: 12 – 11 – 9 – 7 – 5 (болты) – корпус (←)

от ходового винта на корпус: 2 – 3 – 4 – ролик – центральное кольцо – корпус (→)

19.Требования, предъявляемые к направляющим устройствам, и способы их обеспечения.

Направляющие устройства станков предназначены для осуществления точного относительного перемещения обрабатываемой детали и инструмента, точность перестановки узлов и восприятие внешних сил.

Основные требования:

- точность работы, характеризующаяся точностью перемещения, точностью траектории (отклонения траектории от требуемой)

- жесткость – точность работы под нагрузкой, характеризующаяся контактными деформациями. Для повышения жесткости применяют конструкции с предварительным натягом.

- малые силы трения, их постоянство – влияют на точность и плавность работы, обеспечивающаяся типом направляющих и смазкой

- износостойкость – определяется контактными давлениями

- надежное закрепление после перемещения

Конструктивные требования:

- простота конструкции и изготовления;

- близость тягового устройства к центру тяжести;

- воз­можность регулировки зазора-натяга;

- благоприятное расположение в рабочем пространстве

Часто направляющие выполняют как одно целое с базовыми деталями. Но эта классическая система пришабрен­ных направляющих чугун по чугуну быстро уступает место другим направляющим из-за высокой трудоемкости и сложности шабрения, а также из-за относительно плохих характеристик пары трения чугун-чугун  по износостойкости.

В металлорежущих станках применяются направляющие сколь­жения, качения и комбинированные. По характеру трения направляющие скольжения делятся на направляющие полужидкост­ного трения, жидкостного трения и аэростатические направляющие. Полужидкостное трение возникает на смазанных направляющих станков, при этом суммируется сила от взаимодействия контакти­рующих поверхностей деталей и сила вязкого сопротивления смазки, не разделяющей полностью эти поверхности. Если смазка разделяет поверхности полностью, то трение становится жидкостным. Жидкост­ное трение имеет место в гидростатических и гидродинамических на­правляющих. Направляющие качения различаются по виду тел качения на шариковые и роликовые. В зависимости от траектории движения подвижного узла направляющие делятся на прямолинейные и круговые. Они делятся также на горизонтальные, вертикальные и наклонные. По форме поперечного сечения наиболее распространены прямоугольные, треугольные, трапециевидные (ласточкин хвост) и цилиндрические направляющие.

Все типы направляющих имеют свои достоинства и недостатки, что и определяет их целесообразную область применения. Часто дела­ют комбинированные направляющие, используя достоинства разных типов и достигая тем самым суммарного эффекта.