Методология проектирования реечных передач для машин с автоматизированным приводом

Министерство образования и науки РФ 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
Г.Н. Лимаренко 
 
 
МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
РЕЕЧНЫХ ПЕРЕДАЧ ДЛЯ МАШИН  
С АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ ПРИВОДОМ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2010 

УДК 621.891.83 
ББК 34.445 
Л 58 
 
Рецензенты:  
профессор кафедры «Прикладная механика» Сибирского государственного технологического университета, д-р техн. наук Н.И. Галибей; 
заведующий кафедрой «Детали машин и технологии металлов» Красноярского государственного аграрного университета д-р техн. наук, профессор В.А. Меновщиков 
 
 
Л 58 Лимаренко Г.Н. Методология проектирования реечных передач для 
машин 
с 
автоматизированным 
приводом: 
монография 
/ 
Г.Н.Лимаренко. – Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2010. 
– 363 с. 
ISBN 978-5-7638-2073-7 
 
В монографии освещены вопросы проектирования, теоретического, 
экспериментального и опытно-производственного исследования реечных преобразователей движения и поступательных приводов на их основе в создаваемых многоцелевых автоматизированных машинах, предназначенных для технологического применения в отраслях транспортного, энергетического, атомного машиностроения, судостроения, авиакосмической и оборонной техники. 
Предназначена для инженерно-технических и научных работников, занимающихся разработкой и модернизацией приводов автоматизированного 
технологического оборудования, а также для студентов вузов, обучающихся по 
направлению 150900.68 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», для аспирантов. 
 
ISBN 978-5-7638-2073-7 
© Сибирский 
федеральный 
университет, 2010 

ВВЕДЕНИЕ 

В опубликованной в 2008 г. Концепции формирования Государственной комплексной программы развития России машиностроение как 
системообразующая отрасль отечественной экономики, определяющая 
уровень производственного и кадрового потенциалов страны, обороноспособности государства, а также устойчивого функционирования всех 
отраслей промышленности, названа главным плацдармом подъема экономики и придания ей инновационного характера [49]. 
Одной из основных задач отечественного машиностроения является 
обновление и реконструкция технологической базы промышленности, 
обеспечение предприятий, в первую очередь обрабатывающих отраслей, 
производственным оборудованием. Для нужд авиационной и судостроительной промышленности, транспортного и горного машиностроения, оборонного комплекса и энергетики требуются современные высокопроизводительные, точные и высокоавтоматизированные станки и комплексы. В 
производстве крупногабаритных изделий необходимы, в частности, тяжелые станки, в том числе продольнообрабатывающие с подвижным столом, 
фрезерные- расточно-сверлильные с перемещающейся колонной и подвижным порталом. Для приводов поступательного перемещения изделия или 
инструмента более чем на 3 м в этих станках применяются различные реечные передаточные механизмы (ПМ). К приводам с большой величиной хода 
поступательного перемещения предъявляются такие же требования, как и 
для приводов с шариковыми винтовыми передачами (ШВП), используемых 
в малых и средних станках с автоматическим управлением: они должны отвечать современным требованиям по тяговому усилию, быстроходности, 
точности, безлюфтовости, долговечности, жесткости, виброустойчивости, 
высокого к.п.д. К сожалению, в технической литературе вопросам проектирования поступательных приводов автоматических машин на базе современных зубчатых реечных механизмов с выбором зазоров, червячнореечных передач с гидростатической смазкой, волновых и других реечных 
передач уделяется мало внимания. Настоящая монография призвана в какой-то степени устранить этот недостаток. 
В работе рассматриваются вопросы методики проектирования 
приводов машин с реечными передаточными механизмами. Целью, 

поставленной при подготовке монографии, являлась разработка теории и методов проектирования механических систем приводов поступательного перемещения машин с реечными передаточными механизмами и автоматизированным приводом, отвечающих возрастающим 
функциональным требованиям и обеспечивающих сокращение сроков 
конструкторской подготовки производства приводов. Для достижения 
цели мы ставили задачи, рассматриваемые в соответствующих главах 
монографии. 
В первой главе монографии рассматриваются методологические 
основы проектирования автоматических машин, основные задачи проектирования их поступательных приводов. Дан обзор существующих реечных механизмов, используемых для преобразования вращательного движения в поступательное, методы их проектирования. Приведен обзор работ многих авторов по проектированию регулируемых и следящих приводов поступательных перемещений рабочих органов (РО) машин, выявлению требований к их исполнительным характеристикам. Систематизированы вопросы управления проектированием приводов машин на основе 
системного подхода. Сформулирована цель и задачи исследования по теме монографии.  
Во второй главе рассмотрены методы анализа геометрических, 
кинематических, силовых характеристик и к.п.д. зубчатых реечных передач с ортогональным и неортогональным расположением оси приводной 
шестерни к направлению движения рейки. Приведены модели и методы 
расчета упругих систем конечных звеньев приводов. Предложен метод 
синтеза устройств выбора зазоров в приводах с реечными механизмами. 
Поставлена и решена задача многопарного контактного взаимодействия 
косозубой 
консольной 
вал-шестерни 
с 
рейкой 
путем 
конечноэлементного моделирования в программном комплесе ANSYS. 
В третьей главе приведены результаты исследований по методике 
проектирования поступательного привода и его конечного звена – зубчатой реечной передачи. Рассмотрены и предложены методы расчета зубчатой реечной передачи по критериям работоспособности. Разработана методика определения оптимальных параметров зубчатой реечной передачи 
по критерию максимума парциальной частоты колебаний при взаимодействии РО с реечной шестерней. Приведена методика проектирования исполнительного механизма следящего привода подачи РО. 

Четвертая глава посвящена исследованиям по впервые разработанной и реализованной на предприятии совместно с НПО ЭНИМС в продольном фрезерно-расточном станке с контурным числовым программным 
управлением (модель 6М610Ф3) конструкции и технологии опытнопромышленного производства червячно-реечной передачи с гидростатической смазкой (ЧРПГС). Выполнены расчеты ЧРПГС при схеме подачи 
давления смазки через вращающийся червяк. Описана методика проектирования исполнительного механизма следящего привода подачи с ЧРПГС. 
В пятой главе изложены результаты расчетно-экспериментальных 
исследований по динамике привода стола станка с неортогональной зубчатой реечной передачей по параметрам разработанной конструкции экспериментального стенда, учитывающей две доминирующие формы его 
колебаний: вдоль направляющих и угловых колебаний в горизонтальной 
плоскости вокруг оси, проходящей через центр жесткости. Приведены 
также результаты теоретических исследований по разработанной динамической модели подачи рабочего органа станка в виде стойки с перемещающейся по ней шпиндельной бабкой. Модель учитывает три обобщенные координаты в системе и включает подвижный привод с выбором зазора в реечном зацеплении и подвижно-поворотную стойку. 
В шестой главе даны результаты экспериментальных исследований приводов рабочих органов тяжелых станков на модели-стенде (комбинированный строгально-фрезерный станок мод. 7225 с зубчатой винтореечной передачей и устройством гашения колебаний ) и на опытном образце станка с контурной системой ЧПУ мод. 6М610Ф3, с установленной 
впервые изготовленной отечественной червячно-реечной передачей с 
гидростатической смазкой.  
В седьмой главе приведены результаты расчетно-теоретических и 
экспериментальных исследований по реечным механизмам приводов с 
промежуточными звеньями и волновым принципом действия. Рассмотрены методы геометро-кинематического и силового синтеза механизмов и 
их анализа, в том числе при создании вводов движения в герметичное 
пространство. Изложены данные по результатам экспериментальных исследований волновых реечных механизмов и проблемных задачах по их 
совершенствованию.  
Материалы, включенные в монографию, основаны на результатах 
исследований, полученных при участии и под руководством автора вы

полняемых конструкторских работ и освоении в производстве тяжелых 
продольно-строгальных, строгально-фрезерных и фрезерно-расточных 
станков коллективом Новосибирского ОАО «Тяжстанкогидропресс» 
(1958-1968 гг), тяжелых фрезерно-расточных станков с ЧПУ и многоцелевых тяжелых станков с автоматической сменой инструмента коллективом Минского станкообъединения «МЗОР» (1968-1978 г), при выполнении научно-исследовательских работ на кафедре проектирования и экспериментальной механики машин в Политехническом институте Сибирского федерального университета в последующие годы. 
При выполнении расчетов, моделировании элементов приводов и 
оформлении материалов монографии большую помощь мне оказали коллеги по кафедре и студенты-дипломники.  
Искренне благодарю коллективы предприятий, коллег по кафедре и студентов. Особую благодарность выражаю моему научному 
консультанту – доктору технических наук, профессору В.И. Усакову 
за ценные указания и замечания по работе, помощь в подготовке рукописи к изданию. 

ГЛАВА 1 
МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИВОДОВ МАШИН С РЕЕЧНЫМ 

И ПЕРЕДАТОЧНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ 

1.1.Технологические машины с поступательно перемещаемыми  
рабочими органами и основы проектирования их приводов 

1.1.1. Основные типы технологических машин  
с поступательными рабочими органами 
К типовым технологическим машинам с поступательно перемещаемыми РО и автоматизированным электроприводом относятся различные виды металлорежущих и деревообрабатывающих станков, машин 
для раскроя (резки) материалов, промышленных роботов и др. Для обработки крупногабаритных и массивных деталей машин, используемых в 
энергетическом, металлургическом, авиационном, судостроительном, 
атомном и другом оборудовании применяются тяжелые многоцелевые 
обрабатывающие центры (ОЦ) с управлением от систем ЧПУ. При больших величинах перемещения поступательных РО в таких ОЦ применяются различные виды реечных передач или электроприводы линейного 
движения. 
К типовым машинам, в которых РО поступательно перемещаются 
на величину более 3 м, относятся многоцелевые (фрезерно-расточносверлильные) станки трех групп:  
- с подвижным столом и устанавливаемой на нем обрабатываемой 
заготовкой; 
- с подвижной колонной (стойкой) и перемещаемой по ней фрезерно-расточной бабкой (обрабатываемая заготовка неподвижна); 
- станки с подвижным порталом, на поперечине которого перемещаются фрезерно-расточные агрегаты (обрабатываемая заготовка неподвижна). 
К первой группе относятся станки моделей: 6М610Ф3, 6М610Ф4 
(рис. 1.1), 6620МФ4 и др. Во второй группе – станки моделей: 
ИПР160МФ4(ПР522МФ4), НС231Ф4 и др. (рис. 1.2, 1.3). К машинам 
третьей группы относятся станки, воспроизводящие принципиально но

вую к
Handtm

значите
чением
действи
ние инс
ного на
ременн
погреш
ментов 

компоновк
mann (Герм

Поступат
ельными 
м (по моду
ий относи
струмент
а РО изм
ное значен
шности об

 конструк

Рис. 

Рис. 1.2. М

ку типа 
мания). 
тельно пе
геометри
улю и нап
ительно п
та (точек 
мерительн
ние векто
бработки 
кции и ст

1.1. Много

Многоцеле

Gantry

еремещае
ическими 
правлени
подвижны
обработк

ного прео
ора силов

вследств
ыков их с

целевой ст

евой станок

(рис. 

емые РО 
размерам

ию) и пол
ых направ
ки заготов
бразовате
вых возде
вие упруг
составных

танок 6М61

к ИПР160М

1.4), пре

указанны
ми и мас
ложением
вляющих
вки) отно
еля (датч
ействий в
гих дефор
х частей. 

10Ф4 (ССС

МФ4 (г. Сан

едложенн

ых машин
сой, пере
вектора 
. Перемен
осительно
чика поло
вносит не
рмаций н

СР, г. Минск

нкт-Петер

ную фир

н отличаю
еменным 
силовых 
нное поло
о установ
ожения) и
еоднознач
несущих 

к) 

рбург) 

рмой 

ются 
знавозожевлени печные 
эле

 

рабо
навл

ната
ется

Для с

очая площ
ливается 

Р

Рис. 

РО ст

а X), по к
я фрезерн

станков п
щадь пост
обрабаты

Рис. 1.3. Мн

1.4. Много

танка мод
которой с
но-расточ

ервой гру
тупательн
ываемое и

ногоцелево

оцелевой ст

дели НС2
с помощь
ная бабка

уппы хар
но перем
изделие (т

ой станок Н

танок с под

231Ф4 явл
ью переда
а (коорди

рактерным
ещаемого
табл. 1.1).

НС231Ф4 (г

движным п

ляется по
ачи винтината Y).

м парамет
о стола, н

(г. Новосиб

порталом G

одвижная 
гайка кач
В зависи

тром РО 
на которо

бирск) 

Gantry RS 

стойка (к
чения пер
имости от

9 

служит 

ом уста
коордиремещат требо

ваний заказчика перемещение по оси Y выполняется в пределах 30005000 мм. Фрезерно-расточная бабка состоит из саней, по которым перемещается ползун (координата W), а в нем смонтирован вращающийся 
шпиндель, выдвигающийся вдоль ползуна по координате Z. Суммарное 
осевое выдвижение ползуна и шпинделя (координаты W + Z), выполняемое с помощью передач винт-гайка качения, составляет 0-1800 мм. Перемещение стойки по станине, осуществляемое с помощью зубчатой реечной передачи, в зависимости от требований заказчика может быть выполнено в пределах 10000-30000 мм. Масса станка в основном исполнении (X=15000) составляет 87000 кг. 

Таблица 1.1. Массово-инерционные характеристики стола с изделием 
Размеры изделия: 
ширина, длина, м 
2,0х6,3 2,5х8,0 3,2х10,0 4,0х12,0 5,0х16,0 

Максимальная масса 
обрабатываемой детали, кгс 
50000 
80000 
125000 
160000 
250000 

Масса стола (ориентир.), кгс 
20000 
30000 
45000 
60000 
100000 

Поступательно перемещаемая  
масса , кг 
2000- 
7000 
3000- 
11000 
4500- 
17000 
6000- 
22000 
10000- 
35000 

Момент инерции массы в рабочей 
плоскости стола, , кгм2 (ориентировочно)  

 
6,5-23 
 
16-58 
 
37-141 
 

 
70-260 
 
210-740 
 

В компоновке станка третьего типа, рекламируемого международным холдингом «Станкоимпекс групп» (SKODA-Ульяновск) [191], РО 
представляет собой подвижный портал, перемещающийся по направляющим двух станин; между станинами портала находится неподвижный 
стол, на направляющих поперечины портала размещена фрезернорасточная бабка ползункового типа (рис. 1.5). Портал состоит из двух 
тумб, закрепленных на салазках, перемещающихся по двум станинам, и 
поперечины. Поперечина установлена жестко на тумбах портала. Перемещение портала (координаты X1, X2) на величину 8000 мм и более 
осуществляется посредством двух шестеренно-реечных приводов через 
зубчатые редукторы от высокомоментных электродвигателей переменного тока, управляемых цифровыми приводами. Синхронизация перемещения салазок портала по двум станинам производится с помощью линейных датчиков и ЧПУ. Линейные датчики с измерительными линейками 
(типа фирмы Хайденхайн) устанавливают на станинах, а на салазках за