2.2 Приводы металлорежущих станков

2.2.1 Понятие о приводе. Кинематические пары, цепи, схемы

2.2.1.1  Во введении упоминалось о приводе станков ручном, ножном, механическом от водяных колёс¹, от паровых машин. От каждого водяного колеса или паровой машины, а при появлении в XIX в. электродвигателей – от одного мощного двигателя приводились в движение несколько станков через общий вал или трансмиссию (рис. 2.1,а). Такой способ передачи движения от его источника рабочим машинам назвали групповым или трансмиссионным приводом. С развитием и совершенствованием электродвигателей стало возможным оснащать каждый отдельный станок одним индивидуальным двигателем (рис. 2.1,б) или несколькими. Это стали именовать индивидуальным приводом, однодвигательным или многодвигательным.

Металлорежущие станки являются весьма и весьма сложными технологическими машинами, в которых перемещения, и часто – взаимосвязанные, сообщаются нескольким рабочим органам. Один из них – тот, который совершает главное движение, – получает его от электродвигателя, а другие рабочие органы могут получать движение от этого или иных электродвигателей, либо от других рабочих органов.

В этой связи далее будем подразумевать под источником движения начальное звено, от которого передаётся движение конечному звену – рассматриваемому рабочему органу станка, а под приводом – источник движения, совокупность устройств, обеспечивающих передачу движения от него рабочему органу, и сам рабочий орган.

Тогда в зависимости от назначения передаваемых движений можно рассматривать приводы главного движения, подачи, установочных перемещений и др. Приводы могут обеспечивать ступенчатое или бесступенчатое регулирование скорости передаваемого движения, либо быть нерегулируемыми.

2.2.1.2  К числу устройств привода, необходимых для обеспечения передачи движения от его начального звена к конечному, относятся собственно передачи (они могут быть ременными, зубчатыми, цепными, винтовыми, фрикционными, гидравлическими и др.), а также валы и их опоры, муфты и пр. Простейшие передачи привода иногда называют элементарными кинематическими парами.

а) б) в)
	Рис. У.1. Характер соединения детали с валом: а – свободное при вращении; б – подвижное без вращения; в – глухое

При условном изображении передач характер соединения детали с валом показывают так, как представлено на рис. У.1.

В ременных передачах движение от ведущего шкива к ведомому может передаваться плоским ремнём, одним или несколькими клиновыми, поликлиновым, зубчатым, круглым. Ременные передачи часто применяются в станках для соединения электродвигателя с входным валом станка, а также в качестве шпиндельной передачи для обеспечения высоких частот вращения шпинделя и безвибрационной работы станка.

Используемые в станках зубчатые передачи могут быть цилиндрическими с прямыми, винтовыми (косыми) и шевронными зубьями; коническими; червячными; реечными.

Кинематическая пара, передающая вращательное движение, характеризуется передаточным отношением.

Если, к примеру, частоты вращения I (ведущего – ВЩ) и II (ведомого – ВМ) валов цилиндрической или конической зубчатой передачи (рис. У.2.) равны n₁ и n₂ об/мин, а числа зубьев шестерён^* – Z₁ и Z₂, соответственно, то передаточное отношение i пары и частота вращения ведомого вала будут равны:

и .

а) б) в) г)

Рис. У.2. Кинематические пары для передачи вращательного движения:

а, б, в – зубчатые цилиндрическая, коническая, червячная; г – ременная

Для червячной передачи (рис. У.2,в), червяк которой имеет K заходов, а червячное колесо – Z зубьев:

и .

В ременных передачах (рис. У.2,г) кроме ремённозубчатых имеет место проскальзывание и это учитывают соответствующим коэффициентом (_р¹):

и ,

где d₁ и d₂ – рабочие диаметры шкивов;

_р = 1– и   0,02 – относительное скольжение ремня.

Передачи, преобразующие вращательное движение в прямолинейное, характеризуются величиной перемещения поступательно движущегося элемента за один оборот приводного вала. Для таких передач часто увязывают скорость прямолинейного перемещения ведомого звена (v, S) с частотой вращения (n) ведущего.

Эта зависимость будет:

- для винтовой передачи с однозаходным винтом (рис. У.3,а) – S = tn,

с многозаходным винтом – S = Нn = Ktn,

где t и Н – шаг и ход винта;

K – число его заходов;

- для зубчато-реечной и червячно-реечной передач (рис. У.3,б,в), соответственно,

S = tZn = mZn и S = tKn = mKn,

где t и m – шаг и модуль зацепления;

Z – число зубьев реечного колеса;

K – число заходов червяка.

а) б) в)

Рис. У.3. Кинематические пары для преобразования вращательного движения в поступательное:

а – винтовая; б – зубчато-реечная; в – червячно-реечная

Вращательное движение преобразуется в прямолинейное также с помощью других передач и ряда механизмов (кривошипно-шатунных, кривошипно-кулисных, кулачковых и др.).

2.2.1.3  Совокупность передач привода определяет движение рабочих органов, т.е. кинематику их, и её называют кинематической цепью. В кинематические цепи могут входить как отдельные передачи, так и группы передач (групповые передачи).

Произвольный пример кинематической цепи, состоящей из клиноременной, четырёх зубчатых и цепной передач, приведён на рис. У.4.

Полное передаточное отношение кинематической цепи равно произведению передаточных отношений всех кинематических пар, составляющих цепь.

Полное передаточное отношение I кинематической цепи, показанной в качестве примера на рис. У.4, будет равно:

,

здесь Z₈ и Z₉ – числа зубьев звёздочек цепной передачи.

Направление передачи движения записывается в виде т.н. расчётного перемещения или расчётных перемещений конечных звеньев.

Так, если n_о и n – частоты вращения ведущего и ведомого валов или начального и конечного звеньев кинематической цепи, то расчётное перемещение представляют в виде: n_оn. А если n_о и S – частота вращения ведущего вала кинематической цепи и скорость перемещения ведомого звена – гайки винтовой передачи шага t, то расчётное перемещение будет: n_оS (подробнее см. п. 3.2).

Очевидно, в первом случае – n = n_оI, а во втором – S = n_оIt.

То или иное из этих или им подобных выражений с подробно расписанной правой частью (т.е. вместо I – произведение передаточных отношений всех кинематических пар, составляющих цепь, в виде обозначений шестерён, шкивов или конкретных чисел зубьев шестерён, диаметров шкивов, в последнем случае – и конкретных значений частот вращения, шагов резьб и т.д.) называют уравнением кинематического баланса.

Рис. У.4. Пример кинематической цепи

Для приведённой выше кинематической цепи уравнение кинематического баланса в общем виде и в предположительно возможном числовом будет:

и

Уравнение кинематического баланса позволяет определить перемещение конечного звена в зависимости от перемещения начального звена и полного передаточного отношения кинематической цепи, связывающей эти звенья, а при наличии передач, преобразующие вращательное движение в прямолинейное – и их параметров.

2.2.1.4  Условное изображение кинематических цепей всех механизмов станка называют кинематической схемой данного станка.

Кинематические схемы могут быть пространственными и плоскими; первые более наглядны, вторые – проще в исполнении и потому встречаются чаще. Повышение наглядности плоских схем может быть достигнуто при продуманном их исполнении.

Кинематическую схему следует вписывать в габариты или контуры важнейшей проекции станка, сохраняя, по возможности, относительное расположение его отдельных механизмов.

Главная цель кинематической схемы – создание ясного представления о кинематике станка. Этой цели подчинено всё остальное, поэтому при вычерчивании плоской схемы допускаются такие условности, которые, способствуя уяснению кинематики станка, не вполне согласуются с реальной конструкцией его. К примеру, вал, изображаемый обычно прямой линией, может быть показан изогнутым. Допускается полуконструктивное изображение отдельных элементов и частей приводов и узлов станка. Такие подходы проявлены при выполнении кинематических схем данного пособия.

Кинематические схемы станков, несмотря на ряд упрощений и условностей при изображении их, дают простое и наглядное представление не только о кинематике станков, но в некоторой степени и об их конструкции. При соблюдении определённых правил и при внимательном отношении к составлению кинематической схемы она может быть понятна почти без всяких дополнительных пояснений, если известен принцип работы станка.