Конспект лекций по КМР

10.6, е, ж, з.

10.2.Выборка мертвого хода в зубчатых механизмах

Вроботах используют механизмы выборки бокового зазора между зубьями колес зубчатых передач двух типов: автономные и с дополнительной кинематической цепью (замкнутым энергетическим потоком) [28].

Вавтономных механизмах выборки мертвого хода используют метод раздвоения ведомого колеса, где в качестве силовых элементов используют пружины.

На рис. 10.7 приведена конструктивная схема такого механизма. Основная половина 1 раздвоенного зубчатого колеса закреплена на валу, а вторая половина 2 образует с втулкой основной поло-

299

вины 1 колеса подвижное соединение и ее фиксируют от осевого смещения шайбой 3. Под влиянием пружины 4, закрепленной одним концом на половине 1 колеса, другим – на половине 2, половинки колес поворачиваются относительно друг друга в разные стороны и выбирают боковой зазор между зубьями ведущего и ведомого колес. Пружину 4 устанавливают во время сборки механизма с предварительным натяжением, достаточным для выборки мертвого хода в данной зубчатой паре и передаче крутящего момента другого знака, т.е. при реверсе.

Рис. 10.7

Нарезание зубьев на половинках 1 и 2 раздвоенного колеса производят одновременно после их фиксации шайбой 3 и двумя цилиндрическими штифтами 5, которые после нарезания зубьев удаляют.

Силу Fïð пружины 4 (рис. 10.8) найдем из условия:

винок колеса; Т – момент сопротивления на раздвоенном колесе;

300

которой установлены пружи-

ны; =1,25...1,5 – коэффици-

ент силы запаса пружины; n – число пружин. Откуда

Деформацию пружины найдем из соотношения:

Кроме выборки мертвого хода при помощи пружин используют жесткую фиксацию, заключающуюся в предварительном относительном смещении половинок раздвоенного зубчатого колеса и их жестком закреплении при помощи винтов, болтов, клеммовых соединений и т.д. На рис. 10.9 показана червячная передача с раздвоенным червячным колесом. Зубья половинок 1 и 2 червячного колеса прижимают поворотом эксцентрика 4 к разным сторонам зубьев червяка и их жестко фиксируют, затягивая болт 3. Фиксация осуществляется за счет сил трения.

301

Основными недостатками выборки мертвого хода методом раздвоения колеса являются: наличие большого числа дополнительных элементов (пружин, зубчатых колес, винтов и т.д.), увеличенные потери в зацеплении, обусловленные тем, что трение возникает не только на рабочей стороне зуба, но и на нерабочей. Это приводит

к ускоренному износу зубьев. Указанные недостатки ча-

стично могут быть устранены в механизмах выборки мертвого хода с дополнительной кинематической цепью (безлюфтовые меха-

низмы с замкнутым энергетическим потоком). Они позволяют осуществить полный выбор люфтов во всех составляющих звеньях путем принудительного разворота в противоположные стороны двух соосно расположенных элементов одной из передач. Обычно для образования замкнутого контура к исходной кинематической цепи добавляют точно такую же параллельно расположенную кинематическую цепь, однако это необязательно. Иногда замыкающая кинематическая цепь может представлять собой цепь иного рода, чем исходная.

Рис. 10.10

На рис. 10.10 приведена схема безлюфтового планетарного механизма. Исходная кинематическая цепь состоит из центрального колеса 1, сателлита 3, закрепленного на водиле Н и неподвижного центрального колеса 5.

Для выборки люфтов устанавливают дополнительную кинематическую цепь, состоящую из центрального колеса 2, соединенного с центральным колесом 1 при помощи упругого элемента (торсио-

302

на, пружины) 7, сателлита 4, подвижного центрального колеса 6 с внутренним зацеплением и винта 8.

При завинчивании винта 8 подвижное центральное колесо 6 поворачивается и выбирает зазор в паре зубчатых колес 6-4. Затем начинается поворот сателлита 4 и выбирается зазор в паре 4-2. Далее через торсион 7 поворот передается центральному колесу 1 и выбирается зазор в паре 1-3 и далее поворот сателлита 3 приводит к выборке зазора в паре 3-5. После выборки всех зазоров во всей кинематической цепи происходит дополнительная закрутка торсиона 7, что обеспечивает постоянный натяг в цепи и исключает появление люфта при износе элементов отдельных передач.

Диаметр торсиона, мм, определяют из условия прочности на кручение:

касательное напряжение материала торсиона при кручении, МПа:

Т – предел текучести материала торсиона при кручении, МПа; [n]T – допустимый (требуемый) коэффициент запаса прочности.

Принимают [n]T=1,5...2,5.

В проектных расчетах при отсутствии значений предела текучести Т материала торсиона можно принимать [ ]Т=450...500 МПа

[28].

Длину торсионного вала, мм, находят из условия:

где – угол закручивания торсионного вала, рад. Обычно принимают =0,09...0,18 рад (5 ...10 ); G – модуль упругости второго рода материала торсиона, МПа; J p – полярный момент инерции попе-

речного сечения торсионного вала, мм4.

Торсионы изготовляют из хромованадиевых сталей марок 60С2ХФА, 50ГФА и углеродистых сталей марок 60, 65, 70, 85.

303

Глава 11 ТОРМОЗНЫЕ УСТРОЙСТВА

Тормозными называют устройства, которыми снабжают степени подвижности исполнительных устройств роботов (вращательные и поступательные) для уменьшения скорости подвижного звена, остановки и удержания (фиксации) его в неподвижном состоянии.

При торможении происходит преобразование накопленной в процессе разгона движущихся масс кинетической энергии в другие обратимые или необратимые виды энергии (потенциальную, тепловую). Используемые для этого тормозные устройства, называемые демпферами, амортизаторами и тормозами, создают дополнительную силу или момент сопротивления, направленные против движения и совершающие отрицательную работу на участке торможения. При этом накопленная энергия частично или полностью преобразуется (поглощается или рассеивается), постепенно снижается скорость движущихся масс по мере их приближения к заданной точке останова, устраняются их динамические нагрузки и удары, что способствует устранению отскоков и колебаний рабочих органов.

В зависимости от природы сил торможения тормозные устройства разделяют на механические, гидравлические, пневматические, электрические и комбинированные. Механические тормозные устройства подразделяют на пружинные, резиновые, эластомерные, инерционные и фрикционные; гидравлические – представляют собой устройства дроссельного регулирования; пневматические – могут быть напорными и вакуумными (применяются редко); к электрическим относят электромагнитные, индукционные и гистерезисные, а также порошковые тормозные устройства с сухим и жидким наполнителем фрикционного и дроссельного типов; комбинированные – включают в себя два или более типов перечисленных устройств (пневмогидравлические, пружинно-пневматические и др.).

Ко всем типам тормозных устройств предъявляют следующие основные требования: обеспечение заданного закона торможения; безударный останов и фиксация подвижных элементов в точках позиционирования; высокая надежность и долговечность конструкции; высокое быстродействие; простота и компактность конструкции; стабильность характеристик при изменении условий работы; малая чувствительность к изменению температуры, влажности, тормозимой массы, скорости; возможность настройки и доступность регулирования; удобство осмотра и обслуживания; низкая стоимость, минимальные габариты и масса [5].

304

11.1.Механические тормозные устройства

Вмеханических тормозных устройствах силу сопротивления движению подвижного звена создают деформацией рабочих элементов (упругие) или трением (фрикционные). В качестве упругих элементов наиболее часто применяют цилиндрические пружины сжатия, реже – растяжения. Распространение получили резиновые

ирезино-металлические упругие элементы различной конфигурации, а также пенополиуретановые упругие элементы [5].

Основными рабочими элементами фрикционных тормозных устройств являются пары трения вращательного или поступательного типов.

Простейшими тормозными устройствами могут служить одна или несколько цилиндрических пружин, которые устанавливают непосредственно между функциональным звеном и упорами параллельно оси его движения либо оформляют в виде отдельного конструктивного узла.

Силу сопротивления пружины вычисляют по формуле:

cx c x0 xä Fä ,Fïð F0

где х – полная деформация пружины; х0 – начальная деформация (поджатие) пружины; хд – дополнительная деформация пружины; F0 – начальная сила сопротивления пружины; Fд – дополнительная сила сопротивления пружины; с – коэффициент продольной жесткости цилиндрической витой пружины из проволоки круглого поперечного сечения [45]:

где G – модуль упругости 2-го рода материала пружины (для пружинных сталей G=(7,85...8) 104 МПа); d – диаметр проволоки пружины, мм; D – средний диаметр витка пружины, мм; n – число рабочих витков пружины.

Останов подвижного звена произойдет при равенстве кинетической энергии подвижного звена и потенциальной энергии упругой деформации пружины:

mv2 cx 2 .

2 2

Цилиндрические пружины допускают большие деформации без значительных напряжений в их материале, сохраняют свои характеристики под воздействием продолжительной статической нагрузки, выдерживают значительные температурные воздействия. В то же время они обладают малым демпфированием, возникают труд-

305

ности при регулировании (настройке) силовой характеристики, начальное поджатие приводит к возникновению скачка нагрузки на тормозимые массы.

Резиновые тормозные устройства (рис. 11.1) состоят из последовательно установленных резиновых втулок 1, разделенных металлическими шайбами 2. В зависимости от конструкции тормозных устройств резиновые втулки могут работать на сжатие (рис. 11.1, а,б) или сдвиг (рис. 11.1, в) [5]. Втулки, работающие на сжатие, обладают небольшой податливостью, но значительной нагрузочной способностью, втулки сдвига – наоборот большой податливостью и сравнительно небольшой нагрузочной способностью.

Резина легко меняет форму при незначительном изменении усилия. В замкнутом объеме она ведет себя как несжимаемая жидкость. Поэтому для резиновых элементов, работающих на сжатие, должна быть предусмотрена возможность их деформации перпендикулярно к оси сжатия.

При одноосном сжатии резинового элемента с постоянным поперечным сечением (рис. 11.1, а, б) упругая сила сопротивления

в)

Рис. 11.1

306

c BEA , h

Е – динамический модуль упругости резины равный (0,6...1,0) 10-8 МПа; А – площадь поперечного сечения резинового элемента; h – высота недеформированного элемента; х – величина деформации упругого элемента; В – коэффициент ужесточения:

f – коэффициент трения между резиной и материалом опоры (f=0,12...0,15 для несмазанных поверхностей при трении резины о сталь); K ô – коэффициент формы. Для сплошных цилиндрических

резиновых элементов с диаметром D и высотой h коэффициент

Условие прочности резиновой втулки при сжатии:

Для резинового элемента, работающего на сдвиг (рис. 11.1, в) упругую силу сопротивления определяют по формуле:

где с – коэффициент жесткости резины на сдвиг [5]:

кратковременной нагрузке. Для резины средней твердости=(1...2) МПа. Максимальное напряжение сдвига имеют место на

внутренней поверхности резиновой втулки.

307

Резино-металлические тормозные устройства обладают высокой надежностью, простотой конструкции и технологии ее изготовления, удобством обслуживания, большой энергоемкостью. К недостаткам следует отнести чувствительность к изменению температуры и влажности, наличие большой силы отдачи.

Фрикционные тормозные устройства используют как для торможения и позиционирования в промежуточных точках, так и для удержания (фиксации) функциональных звеньев.

Главной особенностью фрикционных устройств является то, что они преобразуют значительную часть кинетической энергии в тепловую, которая рассеивается в окружающее пространство. Следовательно, фрикционные устройства накапливают небольшое количество потенциальной энергии, обусловливающей силу отдачи, а фрикционные устройства без упругих элементов полностью поглощают подведенную кинетическую энергию.

Конструкции фрикционных тормозных устройств весьма разнообразны. Они могут быть как автономными поступательного и вращательного движения, так и встроенными в пневмоили гидродвигатель, управляемыми и неуправляемыми, нормально замкнутыми и разомкнутыми, одно- и двустороннего действия. Однако независимо от типа и конструкции они содержат одну или не-

сколько фрикционных пар, при относительном движении элементов которых возникает сила трения, направленная в сторону, противоположную смещению. Обычно одно из звеньев фрикционной пары удерживают или укрепляют неподвижно относительно корпуса или другого узла, по отношению к которому осуществляется торможение.

На рис. 11.2 изображен фрикционный замкнутый тормоз, осуществляющий торможение подвижного звена 1 посредством поршня 2 с фрикционной накладкой 3. Поршень под действием пружины 4 постоянно находится в соприкосновении с подвижным звеном. Для остано-

ва подвижного звена необходимо выполнить условие:

308