4.1.5. Особенности проектирования и расчета привода главного движения станков

Алго­ритм проектирования главного привода металлорежущих станков включает следующие процедуры:

- предварительный анализ исходных тех­нологических данных по обработке заданной совокупности деталей и технических требова­ний к станку и определение технических ха­рактеристик - номинальной мощности Р_ном, значений n_шп.min, n_шп.max диапазонов регули­рования скорости и других, необходимых для кинематического синтеза и проектировочных силовых расчетов;

- выбор схемы построения привода (табл. 1), обеспечивающей основные техниче­ские требования и характеристики;

- выбор приводного электродвигателя по номинальной мощности и схеме построения привода;

- синтез кинематики привода на основе выбранной схемы построения, определяющий кинематическую схему механизма;

- проектировочный силовой расчет при­водного механизма и эскизное проектирова­ние;

- разработка рабочего проекта и проведе­ние комплекса поверочных расчетов.

4.1.6. Определение мощности электродвигателя

Мощность при­водного электродвигателя расходуется на по­лезную работу в процессе резания и на различного рода потери в приводе. Определение номинальной мощности двигателя осуществ­ляют на практике разными методами прибли­женно или более точно и надежно. Прибли­женный способ - по наиболее тяжелому режи­му, допускаемому режущим инструментом, или по станку-аналогу, применяется в основ­ном для универсальных станков различных типов и ведет, как правило, к завышению мощности, габаритов и стоимости привода и станка в целом. Более точный метод определе­ния на основе полной картины нагружения - распределения (гистограммы, нагрузочного графика) мощности резания Р_эф и крутящего момента М_эф, учета характера и длительности циклов обработки изделий, возникающих ди­намических нагрузок используется и для уни­версальных, и для специальных, специализи­рованных, агрегатных станков.

Значения Р_эф и М_эф подсчитывают по эмпирическим формулам для всех технологических переходов процесса обработки деталей-представителей (универсальные станки) или конкретных деталей, предназна­ченных для обработки на данном станке (специальные и специализированные станки), а затем пересчитывают для вала электродвига­теля с учетом потерь в механизме, кинемати­ческих соотношений и характеристик регули­рования. Для полученных распределений оп­ределяются характеристики, необходимые при выборе мощности и крутящего момента элек­тродвигателя - эквивалентные (среднеквад­ратичные) Р_экв и М_экв и максимальные (ра­бочие и пусковые) значения Р_max, М_max и М_п.

Выбор мощности Р_пот на основе распре­деления нагрузки на валу приводного электро­двигателя проводится по техническим крите­риям - предельно допустимому нагреву и пе­регрузкам и технико-экономическому крите­рию - наибольшей производительности или наименьшим приведенным затратам. Техниче­ские критерии для всех случаев берутся одни и те же. При определении мощности двигателя для станков специальных, специализирован­ных, а также некоторой части универсальных, используется критерий максимальной производительности в виде условия обеспечения наибольшей мощности рабочего режима. Выбор Р_пот электродвигателя осуществляется по расчетному значению мощности Р_расч, причем Р_расч = Р_экв, если , и Р_расч = , если . Здесь К_п -коэффициент нагрузочной способности двига­теля по мощности: отношение номинальных значений мощности при длительном непре­рывном режиме работы и при тридцати (пятнадцати) минутном режиме (обычно К_п = 1,3...1,4 для регулируемых электродвигате­лей и К_п = 1,5...1,6 для нерегулируемых асинхронных двигателей). Для станков с большими пусковыми нагрузками проводится дополнительная проверка двигателя по этому критерию.

Для проверки правильности выбора электродвигателя на последующих стадиях проектирования рекомендуется провести со­поставление диаграмм максимальных значений мощности (крутящих моментов) на шпинделе, соответствующих технологическим требовани­ям обработки (на различных n_шп, инструмен­тами из разных материалов), с учетом пер­спективных режимов резания и располагаемых приводом.

Для универсальных станков целесообраз­но определять оптимальную мощность, соот­ветствующую минимуму приведенных затрат (на изготовление и эксплуатацию), если извес­тен весь набор конкретных экономических данных, входящих в функцию затрат, связан­ных с мощностью привода. На практике из-за упрощенного подхода к анализу исходных технологических данных и потерь мощности, отсутствию оценок оптимальности часто отме­чается завышение мощности двигателя по крайней мере на одну ступень или габарит.

Потери мощности и КПД механической части привода и элек­тропривода необходимо знать для определения обеспечиваемой станком мощности резания, правильного выбора типа привода и мощности электродвигателя, уточнения расчетных нагру­зок для силовых расчетов, оценки расхода и потерь электроэнергии.

В приводах современного автоматизиро­ванного оборудования при определении по­терь учитывают влияние регулирования скоро­сти и изменения уровня нагрузки, новые типы конструктивных элементов - ременных пере­дач, шпиндельных опор, новые виды смазоч­ных материалов, влияние температуры смазки и т.п.

Величина потерь в механической части зависит от типа и сложности кинематической схемы и схемы построения привода, смазки, вида вращающихся (перемещающихся) эле­ментов и их параметров, величины n_шп и Р_эф.

Для уменьшения потерь холостого хода и общих потерь в механической части привода выбирают схемы с короткими кинематическими цепями, применяют регулируемый элек­тродвигатель с упрощенным передаточным механизмом, сложенные кинематические структуры, используют для опор скоростных валов подшипники с малым трением и систе­мы минимальной смазки.

В приводах с регулируемыми электро­двигателями и короткими кинематическими цепями (табл. 1, схемы 6...12) КПД по мощности механической части составляет при полной нагрузке η_м ≈ 0,9...0,95 на расчетной частоте вращения n_шп.р и

η_м = 0,7...0,8 на n_шп.max (n_шп.max ≤ 4000 мин ^-1). В приводах с асинхронным нерегулируемым двигателем и многоступенчатыми механизмами (схемы 1...5) η_м = 0,75...0,85 (при n_шп.р) и

η_м = 0,6...0,75 (при n_шп.max).

Потери мощности электрической части привода определяются суммой потерь в элек­тродвигателе и преобразователе.

С учетом потерь в электроприводе об­щий КПД по мощности главного привода с регулируемым двигателем (схемы 6...12) со­ставляет при полной нагрузке η_о = η_м η_эл ≈ 0,7...0,8 на n_шп.р и η_о = 0,5...0,7 на n_шп.max. В приводе с нерегулируемым элек­тродвигателем и развитым многоступенчатым механизмом (схемы 1...5) η_о = 0,65...0,75 на n_шп.р и η_о = 0,5...0,7 на n_шп.max. Приводы с упрощенной механической частью, но более сложным электроприводом в отношении общего КПД и суммарных энергетических потерь примерно равнозначны приводам с простым односкоростным электродвигателем и многовальной многоступенчатой коробкой скоростей или редуктором.

КПД по электроэнергии привода (отно­шение расхода электроэнергии на работу, со­вершаемую на выходе привода станка, к рас­ходу электроэнергии на работу, совершаемую на входе привода, при заданных режимах нагружения и времени работы), определенное с учетом типовых переменных режимов работы главного привода, составляет: для механиче­ской части (по схемам 6...12) η_эм = 0,7...0,9; 0,6...0,7 (по схемам 1-5). Общий η_эо = 0,5...0,75 (схемы 6 - 12), η_эо = 0,45...0,65 (схемы 1...5).

Синтез кинематики вклю­чает выбор подходящих вариантов схем построения привода, разбиение диапазона регулирования и общего передаточного числа и между электроприводом и соответствующими узлами механической части, расчет вариантов структурных сеток, построение графиков час­тот вращения и кинематической схемы меха­низма.

В приводе с регулируемым электродвига­телем разделение общего диапазона между двигателем и механической частью стремятся осуществить таким образом, чтобы обеспечить необходимое перекрытие соседних поддиапазонов частот вращения шпинделя или неболь­шой разрыв между ними (если это оправдано характером технологического процесса). При ступенчатом и комбинированном регулирова­нии для синтеза кинематики используют зако­номерности геометрического ряда ступеней скорости. При расчете структурных сеток передаточные отношения зубчатых передач огра­ничивают величиной редукции 4 и повышения 2.

Кинематические структуры применяют двух видов - множительные (с последовательно соединенными группами передач между соседними валами) и сложенные (с пропуском ряда валов при реализации некоторых ступе­ней скоростей). Множительные структуры обычно приводят к длинной многоваловой кинематической цели, а сложенные позволяют упростить конструкцию, уменьшить число зубчатых колес, сократить габариты, металло­емкость и стоимость привода. Сложенные структуры способствуют уменьшению потерь мощности на высоких скоростях, повышению КПД и надежности, улучшению динамиче­ского качества. При отборе подходящего гра­фика частот вращения (варианты которых представляют различные сочетания передаточ­ных отношений, удовлетворяющие заданным ограничениям) руководствуются в первую оче­редь следующими критериями: длиной кине­матических цепей привода, его габаритами и трудоемкостью изготовления.

Сокращение длины и упрощение кинематических цепей улучшает экономические показатели, повыша­ет надежность привода и КПД, улучшает ди­намические характеристики и уменьшает чис­ло источников погрешностей.

Габариты пере­дач, влияющие на размеры и массу корпусных деталей, существенно зависят от частоты вра­щения валов n_в, поскольку n_в обратно про­порциональна диаметру вала в четвертой сте­пени и модулю зубчатого колеса в кубе. Реко­мендуют входной и первые промежуточные валы проектировать достаточно быстроходны­ми, наибольшую редукцию осуществлять в передачах на шпиндель и предшпиндельной, соблюдая, по возможности, принцип веерооб­разного построения графика частот вращения.

Трудоемкость и сроки проектирования и изго­товления привода значительно сокращаются для тех вариантов кинематики, которые позво­ляют компоновать привод (полностью или частично) из покупных, унифицированных узлов (модулей) - коробок передач, редукто­ров, мотор-редукторов, шпиндельных бабок и т.п. Централизованное изготовление таких узлов на специализированных производствах обеспечивает более высокое качество и надеж­ность привода, однако при непродуманной унификации могут ухудшиться возможности главного привода по обеспечению технологи­ческих характеристик станка.

Основные методы уменьше­ния динамических нагрузок и колебаний, возникающих в главном при­воде при переходных процессах и прерыви­стом резании:

оптимизация процессов разгона и тор­можения на любой частоте вращения шпинде­ля применением в главном приводе регули­руемых электроприводов, позволяющих на­стройку переходных процессов по требуемому закону; подбор рациональных параметров конст­рукции и кинематики привода, влияющих на величину изгибно-крутильной жесткости и собственных частот системы;

применение демпфирующих и предохра­нительных элементов и устройств (ременные передачи, муфты с упругими и упругодемпфирующими элементами, специальные демпферы и динамические гасители колеба­ний).

Значения динамических характеристик при переходных процессах в приводах с регу­лируемыми электродвигателями зависят от кратности приведенного момента инерции привода γ₀ и уста­новленного токоограничения в электроприводе. Время пуска и торможения для та­ких приводов зависит, кроме того, от типа реверса электропривода и некоторых других электротехнических характеристик.

Динамические характеристики при пуске и торможении в приводах с нерегулируемым асинхронным электродвигателем зависят от γ₀, коэффициента К_λmax = М_дв.max / М_дв.н (из каталога электродвигателей), отношения низ­шей собственной частоты f₁ привода к частоте электросети f₀. При наличии в приводе авто­матизированной коробки скоростей (передач) АКС с электромагнитными муфтами динами­ческий момент в механизме определяется импульсом электромагнитной муфты на входном 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 (f_c << f_и, где f_c - собственная частота привода; f_и - частота врезания ножей фре­зы). При этом для избежания резонансных явлений при работе станков в нижней части диапазона частот вращения шпинделя со сравнительно невысокими значениями f_и стремят­ся выполнять условие f_c >> f_и: 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 наибольшую 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 трапециевидным 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 (втулочно-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 ди­намические 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).