Кинематический расчёт привода главного движения металлорежущих станков

Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





                Ю.С. ЧЕСОВ




КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРИВОДА ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия








НОВОСИБИРСК

2013

УДК 621.9.06-83(075.8)
      4-513



Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В.Г. Атапин, доц. С. В. Птицын




Работа подготовлена кафедрой проектирования технологических машин для студентов МТФ всех форм обучения




        Чёсов Ю.С.

4-513   Кинематический расчет привода главного движения метал      лорежущих станков: учеб. пособие / Ю.С. Чёсов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013.- 80 с.

          ISBN 978-5-7782-2307-3

          Приведены основные закономерности, используемые при выполнении кинематического расчета привода главного движения металлорежущих станков, а также методики расчета приводов с дискретным и плавным регулированием скорости.











УДК 621.9.06-83(075.8)


ISBN 978-5-7782-2307-3

                     © Чёсов Ю.С., 2013

                     © Новосибирский государственный технический университет, 2013

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ.....................................5

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ КИНЕМАТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА....................................5

  1.1. Структура привода......................................6
  1.2. Обоснование технических характеристик..................7
  1.3. Определение диапазона регулирования....................8
  1.4. Определение мощности привода...........................9
  1.5. Расчетная частота вращения привода....................13
  1.6. Выбор электродвигателя................................15
2. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРИВОДА С ДИСКРЕТНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СКОРОСТИ......................................21

  2.1. Общие положения.......................................21

  2.2. Основные кинематические зависимости.......................24

  2.3. Ограничения кинематических параметров привода...........29
  2.4. Графоаналитический метод расчета передаточных отношений.32
  2.5. Нормальная множительная структура.......................36
  2.6. Аналитический метод расчета передаточных отношений.....41
  2.7. Рекомендации по обеспечению наиболее рациональных параметров привода на этапе кинематического расчета................42
  2.8. Структура с совпадением части ступеней скорости........45
  2.9. Структура с двумя значениями знаменателя ряда..........48
  2.10. Привод с многоскоростным электродвигателем............51
  2.11. Сложенная структура привода...........................53
3. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРИВОДА С ПЛАВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СКОРОСТИ...........................................58
  3.1. Общие положения........................................58
  3.2. Привод на базе вариатора...............................60

3

  3.3. Привод на базе асинхронного электродвигателя с частотным регулированием скорости..................................62
  3.4. Методика построения картины частот вращения привода с плавным регулированием скорости............................67
  3.5. Варианты привода со сложенной структурой..........67
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ЗУБЬЕВ КОЛЕС И ШЕСТРЕН..............71
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................76

Приложение 1................................................77
Приложение 2................................................78

            ПРЕДИСЛОВИЕ


   В соответствии с ГОСТ 2.103 кинематический расчет выполняется на одном из ранних этапов создания нового станочного оборудования при малом объеме исходной информации - на стадии разработки эскизного проекта. Результаты расчета во многом предопределяют такие технические и эксплуатационные характеристики, как габариты и масса, КПД, виброустойчивость и шум привода главного движения станка.
   Настоящая работа предназначена для студентов, обучающихся по направлениям 151900.62 - «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» и 220700.62 - «Автоматизация технологических процессов и производств».



            1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ КИНЕМАТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА


   Цель кинематического расчета - выбор электродвигателя и перераспределение передаточных отношений между зубчатыми и ременными передачами привода и на этой основе в конечном итоге - определение числа зубьев колес и шестерен и диаметральных размеров шкивов, а также построение кинематической схемы привода.
   При рассмотрении основных кинематических зависимостей за базовый вариант принят привод главного движения со ступенчатым (дискретным) регулированием скорости шпинделя.
   Варианты набора исходных данных при кинематическом расчете, в принципе, могут быть различны. Но обязательными данными являются знаменатель ряда частот вращения шпинделя ф (см. разд. 2.1) и частота вращения электродвигателя пд. В качестве дополнительных данных обычно используют максимальную птах и минимальную пт;п

5

частоты вращения привода, либо птах и диапазон регулирования скорости привода Дп.
   Таким образом, на начальном этапе кинематического расчета прежде всего необходимо выбрать электродвигатель по требуемой мощности ЛД (под которой однозначно понимается мощность привода), разумеется, с учетом принятой структуры привода главного движения.


        1.1. СТРУКТУРА ПРИВОДА

   Различные варианты структуры (как в дальнейшем и обоснование технических характеристик) рассмотрим на примере привода с главным вращательным движением, например, токарного станка (рис. 1.1).


д
Рис. 1.1. Варианты структуры привода

6

   В общем случае привод является электромеханическим. Он включает электродвигатель - М, коробку скоростей - КС и шпиндельный узел - ШУ (исполнительный орган). Варианты конструкций обусловлены типом привода (плавное или дискретное регулирование скорости) и классом точности станка. Самая распространенная структура привода показана на рис. 1.1, а. Она наиболее характерна для станков общего назначения (универсальных) среднего и большого типоразмера. Здесь вращение от электродвигателя на коробку скоростей передается при помощи ременной передачи. Когда шпиндельный узел встроен в коробку скоростей, ее называют иногда шпиндельной бабкой. Когда корпус коробки перемещается по направляющим станины, а также при достаточно низких требованиях к точности обработки (если позволяют габариты), применяют приводы с электродвигателями фланцевого исполнения. В этом случае вал двигателя соединяется с первичным валом коробки скоростей (рис. 1.1, б), например, при помощи упругой муфты. Такие варианты присущи фрезерному оборудованию и токарным станкам с ЧПУ.
   При высоких требованиях к точности обрабатываемых деталей с целью снижения вибраций, повышения плавности вращения ШУ и уменьшения влияния теплоты, выделяемой механизмами коробки, его выносят за пределы КС (рис. 1.1, в). В станках с плавным регулированием скорости встречаются структуры, в которых для обеспечения требуемой редукции достаточно лишь одной (зубчатой или ременной) передачи (рис. 1.1, г). И, наконец, в тех редких случаях, когда регулируемый электродвигатель полностью перекрывает требуемые технические характеристики привода (это возможно при высоких скоростях ШУ), возможен наиболее простой конструктивный вариант привода за счет применения так называемого «мотор-шпинделя» (рис. 1.1,6).

        1.2. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

   К техническим характеристикам (ТХ) станка, которые обеспечиваются приводом главного движения (ПГД), относятся диапазон регулирования Дп его рабочих скоростей и мощность привода Ад.
   При поиске наиболее рациональных значений ТХ специальных и специализированных станков, а также станков общего назначения до сих пор применяют аналитический метод. Его суть состоит в том, что расчет ТХ выполняют по известным эмпирическим формулам режимов резания (в пределах их действия) и выражениям, которые связывают


7

найденные таким образом элементы режимов обработки (подачу, скорость и силу резания) с геометрическими параметрами детали или инструмента.


        1.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАПАЗОНА РЕГУЛИРОВАНИЯ

   Диапазон регулирования скорости привода рассчитывается по известной формуле вида


п                              Д_ пmax
п _ п ' п min


(1-1)

   Исходными данными для определения диапазона являются номенклатура обрабатываемых на станке деталей с указанием размеров и материала, а также номенклатура режущего инструмента. На этой основе устанавливаются режимы обработки: глубина t и скорость резания Гр, подача S идругие.
   Для специальных и специализированных станков, выполняющих конкретную операцию, применение аналитического метода при расчете ТХ, в том числе и диапазона регулирования привода по формулам теории резания или рекомендациям справочной литературы, вполне правомерно. А вот для универсального и многооперационного оборудования получить достоверную информацию можно лишь на основе математического моделирования [1-4] и только в самом крайнем случае по формулам теории резания для наиболее характерных технологических операций по предельным режимам обработки. Однако при таком подходе можно получить нереально широкий диапазон регулирования.
   Итак, зная минимальные и максимальные значения скоростей резания и диаметров обрабатываемых деталей, определим диапазон регулирования скорости привода на базе известной из курса физики зависимости, связывающей линейное и круговое движения (в международной системе единиц СИ)

Г„
п = Л,                         (1.2)
п d

где d - диаметр обрабатываемой детали, м.


8