Учебное пособие 800390

валу и соотношением частот вращения выходного и входного валов коробки.

При конструировании привода главного движения станков с прерывистым характером резания (фрезерных, зубофрезерных) установкой маховика вблизи шпинделя и введением упругой муфты (ременной передачи) в скоростную цепь достигают снижения перегрузок при переходных процессах и отстройки от резонанса (fc << fи, где fc - собственная частота привода; fи - частота врезания ножей фрезы). При этом для избежания резонансных явлений при работе станков в нижней части диапазона частот вращения шпинделя со сравнительно невысокими значениями fи стремятся выполнять условие fc >> fи: увеличивают жесткость валов, избегают повышающих передач в нижней части диапазона скоростей, располагают понижающие передачи в конце цепи - ближе к шпинделю. В приводах главного движения расточных, фрезерных, зубофрезерных, токарных и некоторых других станков находят применение динамические гасители колебаний и демпферы разных типов.

Расчеты привода главного движения со сформированной кинематикой проводят: на прочность, нагрузочную способность и жесткость деталей механизма, на крутильную жесткость механизма, для определения энергетических и динамических характеристик привода. Расчеты привода подразделяют на проектировочные, служащие для определения основных конструктивных параметров деталей и механизма в целом, и поверочные, позволяющие оценить работоспособность спроектированного привода.

Особенностью силовых расчетов привода главного движения является учет переменности режимов и характера нагружения деталей, отражающий специфику нагружения металлорежущих станков. Детали главного привода рассчитывают на выносливость и проверяют по условию прочности при действии максимальных нагрузок (напряжений) статического или ударного характера. Расчет на выносливость ведется по расчетной номинальной нагрузке, за которую принимают наи-

81

большую длительно действующую нагрузку рабочего режима, и расчетному режиму нагружения.

Исходную расчетную нагрузку в станках общего назначения с ручным управлением определяют на шпинделе по номинальной мощности и расчетной частоте вращения (начиная с которой станок работает с использованием полной мощности). Выбор расчетной нагрузки для современных автоматизированных станков с ЧПУ (и других) рекомендуют проводить исходя из технологических требований к величине наибольшего крутящего момента на шпинделе.

При расчете на прочность при максимальной нагрузке величина расчетной нагрузки выбирается по рекомендациям РТМг Н45-1-80 и др.

Расчетные режимы нагружения при расчете деталей на выносливость учитываются при определении допускаемых напряжений (эквивалентного числа циклов нагружений) или в форме коэффициента переменности (долговечности) при расчетной нагрузке. Определение расчетных режимов и соответствующих коэффициентов проводится на основе анализа фактических режимов нагружения или использования типовых режимов нагрузок.

Расчет зубчатых колес проводится по ГОСТ 21354-87 и РТМ2 Н45-1-80 - по критериям изгибной и контактной выносливости, прочности (при действии максимальной нагрузки), глубинной контактной прочности (для колес с поверхностно упрочненными зубьями).

Расчет конических зубчатых колес с круговым зубом, по форме унифицированный с расчетом цилиндрических зубчатых колес, учитывает опытные данные и рекомендации фирмы Глиссон.

Расчет цилиндрических червячных передач с эвольвентными, конволютными и архимедовыми червяками ведут по критериям контактной и изгибной выносливости и прочности (при действии максимальной нагрузки) зубьев колеса.

Ременные передачи с клиновыми (нормального сечения и узкими), поликлиновыми, плоскозубчатыми (с трапециевид-

82

ным и полукруглым зубом) и плоскими ремнями рассчитывают по критериям тяговой способности и выносливости по ГОСТ 1284.3-80, ОСТ 38 05227-81.

Валы редукторов и коробок скоростей (двух- и многоопорных) рассчитывают на прочность и жесткость - при необходимости с учетом податливости опор.

Расчет подшипников качения на статическую и динамическую грузоподъемность проводят с использованием справочников - каталогов подшипников.

Расчет шпоночных и шлицевых соединений вал-ступица проводят на смятие и, соответственно, на смятие и износ (с учетом неравномерности распределения нагрузки между шлицами, давления, влияния приработки) по ГОСТ 21425-75.

Расчет муфт ведут по критериям: прочности сцепления и стойкости рабочих поверхностей (фрикционные сцепные муфты), прочности и ресурса кулачков (кулачковые сцепные муфты), стойкости резиновых втулок и прочности пальцев (вту- лочно-пальцевые упругие муфты), прочности на срез штифта (предохранительные муфты с разрушающимся элементом).

При расчете крутильной жесткости механизма на заданных частотах вращения шпинделя определяют баланс крутильных деформаций, суммарный угол закручивания цепи привода, относительное линейное смешение инструмента и изделия в зоне резания.

Расчет энергетических характеристик привода позволяет уточнить КПД механической части с учетом температуры смазки, влияния регулирования скорости и переменных режимов нагружения, определить расход электроэнергии в главном приводе, включая потери в электроприводе и в механической части.

Динамические расчеты привода главного движения осуществляют для многомассовых систем, включающих, как передаточный механизм, так и электропривод (двигатель и система регулирования частоты вращения). При полном расчете учитывается влияние на колебательные процессы в системе зазоров в стыках моментов сил трения. Определяются ди-

83

намические перегрузки в элементах привода, длительность пуска и торможения, перерегулирование по скорости, величина падения скорости под нагрузкой, амплитуды колебаний нагрузок и скорости при действии периодических возмущающих нагрузок, неравномерность вращения шпинделя и т.п. Возможны упрощенные динамические расчеты для определения ориентировочных значений характеристик переходных процессов: времени пуска (разгона) и торможения, наибольших динамических нагрузок - с помощью простых зависимостей, полученных для типовых схем построения привода (двух-, четырех массовых, систем).

4.2. Приводы подачи

Назначение и основные функции приводов подачи станков. Привод подачи предназначен для обеспечения относительных перемещений заготовки и инструмента в режиме формообразования (контурная обработка) либо в режиме установочных перемещений (позиционирование).

Используются независимо работающие приводы (по одной или нескольким координатам) либо несколько одновременно работающих приводов с взаимосвязанными параметрами движения. Назначение одного независимо работающего привода подачи - обеспечить перемещения своего исполнительного органа (ИО), несущего заготовку или инструмент, по обусловленной направляющими траектории (как правило, прямолинейной или круговой) в режиме, параметры которого не зависят от параметров движения в остальных приводах подачи. Такой режим используется как при позиционировании, так и при контурной обработке, когда участок контура детали соответствует направлению движения ИО.

Назначение нескольких одновременно работающих приводов подачи с взаимосвязанными параметрами движения - обеспечить перемещения ИО, несущего инструмент или обрабатываемой детали, по заданной пространственно-временной траектории (в общем случае шесть пространственных и одна

84

временная координата). Каждый из приводов подачи при этом должен обеспечивать заданное движение своего ИО по направляющим, установленным на станине или на ИО другого привода подачи. Данный режим используется практически при контурной обработке.

Существуют различные способы управления приводом подачи: в ручном режиме, от путевой электроавтоматики, от устройства ЧПУ. Ручной режим и путевая электроавтоматика используются, как правило, для управления одним независимо работающим приводом подачи (например, при обточке цилиндрической поверхности на токарном станке). Наиболее высокий уровень технологических возможностей станка обеспечивает управление приводом подачи от устройства ЧПУ, что связано с повышенными требованиями к характеристикам элементов привода подачи. Поэтому изложенный ниже материал относится, в основном, к приводам подачи, управляемым устройством ЧПУ.

Состав приводов подачи. Система привода подачи включает, как правило, следящий привод (часть системы, охваченная контуром обратной связи по пути), и не охваченную внешним контуром обратной связи по пути, часть механизма преобразования перемещений выходного вала двигателя (или штока цилиндра) в перемещения ИО.

В приводах подачи современных станков с ЧПУ используются электрический, электрогидравлический, гидравлический и пневматический следящие приводы. Электрический привод обеспечивает удобство регулирования скорости в широком диапазоне с высокой точностью и быстродействием. Следящий электропривод представляет собой сложную многоконтурную систему автоматического регулирования с обязательной обратной связью по положению одного или нескольких ("полузамкнутый" следящий привод) элементов механизма преобразования перемещений. В состав следящего электропривода конструктивно входят электродвигатель, силовой преобразователь (питающий электродвигатель), регуляторы, обеспечивающие требуемое качество регулирования, датчики об-

85

ратных связей. Структурно следящий электропривод подачи станка содержит регулируемый привод и внешний контур обратной связи по положению.

В отечественных станках различных типов наиболее широкое применение в настоящее время получил привод подачи с высоко-моментными электродвигателями постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, имеющий хорошие регулировочные свойства, умеренные габаритные размеры, высокую постоянную времени нагрева, хорошее быстродействие.

Большое внимание уделяется также созданию широкорегулируемых станочных приводов подачи с двигателями переменного тока: синхронными (СД) и асинхронными (АД). Следящий электрогидропривод основным своим преимуществом имеет высокую энергонасьпценность конструктивного объема гидродвигателя. Электрогидропривод состоит, как правило, из электронных усилителей, электромагнитных управляющих элементов, гидравлических золотниковых устройств, гидродвигателей (вращательного или поступательного движения), гидравлических и электронных (или гидравлических) цепей обратных связей. Использование этих элементов в следящем приводе дает простоту сопряжения с устройством ЧПУ, малые габаритные размеры привода и возможность получения на выходном элементе (вале двигателя или штоке гидроцилиндра) большие движущие усилия, что определяет область применения следящего электропривода - точные перемещения узлов в станках с ЧПУ с большими усилиями, как в следящем режиме, так и в режиме позиционирования.

Элементы механизма перемещения ИО следящего привода, охватываемые обратной связью по положению, должны иметь минимальные зазоры, что снижает вероятность возникновения автоколебаний, и достаточную жесткость (чтобы не снижать полосу пропускания следящего привода). Механическая система (МС) привода подачи включает элементы механизма перемещения ИО, не охватываемые обратной связью по положению следящего привода.

86

Характеристики приводов подачи. Характеристики приводов подач обусловлены требованиями, предъявляемыми к ним конструктором при создании того или иного станка, которые в свою очередь определяются его режимом работы: режимом установочных перемещений (позиционированием, выходом в нулевую точку и т.п.) или режимом контурной обработки (следящим режимом).

Характеристики привода подачи, работающего в режиме установочного перемещения, должны обеспечивать малое время, затрачиваемое на перемещение из исходной точки в заданную, и высокую точность позиционирования в заданной точке.

Уменьшение времени на перемещение из исходной точки в заданную достигается путем увеличения скорости установившегося движения, а также уменьшения времени переходных процессов (разгона, и торможения). Ограничениями для роста скорости являются предельная скорость вращения вала двигателя, предельная скорость прохождения информации по каналу датчика обратной связи по положению, допустимые скорости вращения валов механизма привода подачи и т.п. Уменьшение времени переходных процессов ограничивается предельным динамическим моментом на валу электродвигателя (в электроприводе подачи) и допустимыми динамическими нагрузками в механических элементах привода подачи. Минимальная скорость привода определяется технологическими требованиями, дискретностью управления и чувствительностью привода. Особо высокие требования предъявляются к динамическим характеристикам привода по управляющему и возмущающему воздействию.

Точность позиционирования в станках с ЧПУ характеризуют следующие показатели, определяемые в нескольких точках по длине хода ИО: точность двустороннего позиционирования, повторяемость двустороннего позиционирования, максимальная зона нечувствительности, точность одностороннего позиционирования, повторяемость одностороннего позиционирования, средняя зона нечувствительности.

87

Вероятностные характеристики позиционирования в значительной степени определяются стабильностью характеристик звеньев следящей системы привода и устройства с ЧПУ. Наибольшая относительная нестабильность имеет место при малых скоростях. При апериодическом переходном процессе при движении в одну сторону и наличии определенных постоянных сил сопротивления не происходит раскрытие зазоров в механических узлах, а также отсутствует влияние гистерезиса, что обусловливает существенное повышение стабильности позиционирования.

Указанные выше характеристики режима установочных перемещений в достаточной мере могут быть обеспечены регулируемым электроприводом с введением команд на начало движения, изменения скорости, начало торможения и останов в зависимости от сигналов датчиков положения (перемещения).

Характеристики привода подачи, работающего в режиме контурной обработки, должны обеспечивать усилия, соответствующие силовым характеристикам процесса резания, и малую величину составляющей контурной ошибки на изделии, обусловленной особенностями работы приводов подачи.

Силовые характеристики применяемого двигателя должны обеспечивать преодоление сил резания, сил трения в механизме привода, а также необходимые динамические усилия, соответствующие требуемым значениям ускорений в переходных процессах контурной обработки.

Контурную ошибку на детали, вызванную работой приводов подачи, по форме проявления можно представить тремя основными составляющими: макроотклонениями контура, обусловленными совместной работой приводов подачи по нескольким координатам; макроотклонениями контура, обусловленными низкочастотными колебаниями ИО по нормали к обработанной поверхности при наличии периодических управляющих и возмущающих воздействий в приводе подачи и существенном влиянии координатных связей в механической системе ИО; микроотклонениями контура, обусловленными

88

высокочастотными колебаниями ИО по нормали к обработанной поверхности при наличии соответствующих воздействий в приводе подачи и координатных связей в ИО.

Макроотклонения контура при совместной работе нескольких приводов подачи, измеряемые по нормали к обрабатываемому контуру, формируются геометрически из ошибок слежения в приводах подачи по каждой из координат. Ошибки слежения определяются отклонением положения рабочего органа от заданного в результате воздействий по управлению (скоростная ошибка при постоянной скорости и динамическая ошибка при переменной скорости) и по нагрузке (моментная ошибка при постоянной нагрузке и динамическая ошибка при переменной нагрузке). Величина скоростной ошибки слежения зависит от скорости (подачи) по касательной к контуру, его угла наклона а и коэффициентов усиления по скорости (добротности).

Поскольку скорость по касательной к обрабатываемой поверхности формируется в результате геометрического сложения скоростей по координатным осям минимальная скоростная ошибка обеспечивается при равенстве коэффициентов усиления. В случае обработки окружности ошибки слежения при неравенстве коэффициентов усиления приводят к эллипсности, при их равенстве - к увеличению радиуса окружности.

Величина моментной ошибки в статике обратно пропорциональна коэффициенту усиления следящего привода по моменту. Динамические ошибки слежения зависят от инерционности привода и его жесткостных и демпфирующих характеристик.

Макроотклонения и микроотклонения контура, обусловленные колебаниями ИО по нормали к обработанной поверхности детали, возрастают при попадании частот периодических управляющих и возмущающих воздействий в следящем приводе в полосу его пропускания и при наличии сильной связанности в механической системе (большие вылеты инструмента от центра тяжести и центра жесткости). Известно, например, что в современных конструкциях токарных станков

89

(наклонная станина, наличие резцовой и револьверной головки) внешние воздействия в следящей системе электрогидравлического привода подачи вдоль первой координатной оси винта влияют на относительные смещения инструмента и детали вдоль второй координатной оси из-за наличия координатной связи. Количественная оценка этого влияния в токарном станке средних размеров, работающем в режиме обточки цилиндрической детали, показывает, что при амплитуде эквивалентного внешнего воздействия по управлению на двигателе 0,07 рад, амплитуда относительных колебаний инструмента и детали по нормали к обработанной поверхности доходит до 2 мкм при диаметре изделия 60 мм. При этом увеличение диаметра изделия от 60 до 320 мм ведет к увеличению амплитуды указанных колебаний в 2,5 раза. Правильный выбор полосы пропускания в следящим приводе позволяет практически устранить указанные выше колебания ИО (в первую очередь высокочастотные). Указанные характеристики режима контурной обработки могут быть обеспечены только следящим приводом.

Конструктивные особенности механических элементов в приводах подачи. Связь вала двигателя с выходным звеном может быть непосредственной или осуществляться через редукторы, предназначенные для смещения в требуемую область диапазона скоростей рабочей подачи и быстрых ходов.

Общим требованием к механическим элементам привода подачи является обеспечение прочности, высокой надежности и беззазорности. Это достигается рациональным выбором размеров элементов и способов их соединения и использованием специальных устройств для выборки зазоров.

Основные способы регулирования зазоров:

1.Использование составных шестерен, обеспечивающих возможность их относительного углового смещения с закреплением после регулировки или с силовым упругим замыканием.

2.Осевое смещение двух соосных венцов, зацепляемых с одной шестерней в косо-зубчатой паре с закреплением после регулировки или с силовым упругим замыканием.

90