m_th_i.v.belyantseva_2017

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Институт новых материалов и технологий Кафедра «Металлорежущих станков и инструментов»

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ В ГАК Белянцеву И.В.

Зав. кафедрой ___________________

С.С. Кугаевский

«______»__________________2017 г.

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМ ЗУБОФРЕЗЕРНОГО СТАНКА С БЕЗГИТАРНЫМ ПРИВОДОМ

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Пояснительная записка

15.04.05.00.0000.00.01

Екатеринбург

2017

СОДЕРЖАНИЕ

Задание…………………………………………………………………………….2

Аннотация…………………………………………………………………………3

Введение…………………………………………………………………………...5

ГЛАВА 1: Принципиальные схемы современных зубофрезерных станков….6 1.1 Что такое гитара и ее назначение…………………………………………….6

1.2 Структура рабочего движения при зубофрезеровании………………….…9

1.3Схемы станков с механическим согласованием формообразующих движений……………………………………………………………………..…..16

1.4Схема станка с гидравлическими шаговыми приводами и гидравлическим согласованием формообразующих движений……………...18

1.5Схема станка с электрическими шаговыми приводами…………………..21

1.6Схема станка с регулируемым электроприводом…………………………25

1.7Сравнительный анализ схем станков и направления их совершенствования……………………………………………………………27

ГЛАВА 2. Анализ способов и средств электронного («безгитарного») согласования формообразующих движений в станке…………………………33

2.1.Согласование работы регулируемого и шагового приводов…………….34

2.2.Согласование работы двух регулируемых приводов………………….…35

2.3Описание способов улучшения схемы согласования движений для двух регулируемых приводов………………………………………………………36

ГЛАВА 3: Современные конструкции делителей частоты импульсов, их устройство и работа……………………………………………………………...47

3.1Описание конструкций делителей частоты………………………………..47

3.2Исследование неравномерности последовательностей импульсов, передаваемых через делитель частоты………………………………………....59

3.3Расчет неравномерности k для делителя частоты, работающего в коде

8-4-2-1…………………………………………………………………………….63

3.4Расчет неравномерности k для делителя частоты, работающего в коде

2-4-2-1…………………………………………………………………………….67

3.5Расчет неравномерности k для делителя частоты, работающего в коде

5-1-2-1…………………………………………………………………………….71

3.6Расчет коэффициента k для делителя частоты, работающего в другом коде……………………………………………………………………………….75

3.7Выбор делителей, применительно к зубофрезерному станку…………...78 ГЛАВА 4: Совершенствование зубофрезерных станков с шаговым электроприводом………………………………………………………….……..79

4.1Разработка схемы с автоматизированным радиальным врезанием…..…..79

1

4.2Схема зубофрезерного станка с делителями на счетчиках импульсов с механической цепью дифференциала, ее устройство и работа………………82

4.3Схема зубофрезерного станка с делителями на счетчиках импульсов с электрическим суммированием сигналов, ее устройство и работа…………..84 ГЛАВА 5: Совершенствование схем зубофрезерных станков с регулируемыми электроприводами…………………………………………….88

5.1Разработка схемы с автоматизированным радиальным врезанием……....88

5.2Разработка схемы с повышенной точностью согласования движений с электрическим суммированием сигналов……………………………………...92 ГЛАВА 6: Разработка технического предложения зубофрезерного станка с регулируемыми электроприводами…………………………………………….95

6.1Выбор электродвигателей …………………………………………………..95

6.2Кинематические и прочностные расчеты……………………………….…99

6.3Кинематическая погрешность зубчатой передачи……………………….110

6.4Сравнение кинематической погрешности механической и электронной гитар.…………………………………………………………………………...124 Заключение……………………………………………………………………...127 Список литературы……………………………………………………………..128

2

АННОТАЦИЯ

Ключевые слова: зубофрезерный станок, согласование формообразующих движений, делитель частоты, шаговый электропривод, регулируемый электропривод.

Актуальность темы исследования обусловлена необходимостью повышения эффективности металлорежущих станков в современном машиностроении.

Одними из основных конструктивных элементов зубофрезерного станка являются механические гитары (скоростей, подач, деления, дифференциала). Важной задачей является согласовать все эти формообразующие движения.

Но механические гитары не обеспечивают высокой точности обработки. Поэтому были разработаны способы повышения точности путем замены механических гитар гидравлическими и электронными. Ранее эти способы были рассмотрены поверхностно.

Цель работы: проведение анализа существующих принципиальных схем зубофрезерных станков, анализ возможных способов электронного согласования формообразующих движений, рассмотрение различных конструкций делителей частоты, расчет неравномерности следования импульсов для делителей, работающих в различных кодах, и совершенствование схем станков с шаговым и регулируемым электроприводами для повышения точности обработки.

Магистерская диссертация состоит из 6 глав:

Глава 1: Принципиальные схемы современных зубофрезерных станков

В главе рассматривается назначение гитар, структура рабочего движения при зубофрезеровании, а также существующие кинематические схемы зубофрезерных станков с механическими и электронными гитарами.

Глава 2: Анализ способов и средств электронного («безгитарного») согласования формообразующих движений в станке

В главе описываются способы согласования работы регулируемого и шагового приводов, и согласование работы двух регулируемых приводов.

Глава 3: Современные конструкции делителей частоты импульсов, их устройство и работа

3

В главе анализируются различные конструкции делителей частоты, также производится выбор делителя, применительно к зубофрезерному станку. Производится расчет неравномерности следования импульсов, передаваемых через делители для различных кодов.

Глава 4: Совершенствование зубофрезерных станков с шаговым электроприводом

Предлагаются усовершенствованные кинематические схемы станков с шаговыми электроприводами.

Глава 5: Совершенствование схем зубофрезерных станков с регулируемыми электроприводами

Предлагаются усовершенствованные кинематические схемы станков с регулируемыми электроприводами.

Глава 6: Разработка технического предложения зубофрезерного станка

срегулируемыми электроприводами

Вглаве выбирается электродвигатель для выбранной кинематической схемы с электронной гитарой, производится кинематический и прочностной расчет и сравниваются по точности механическая и электронная гитары.

Магистерская диссертация выполнена на 128 страницах, содержащих демонстрационные материалы, расчеты и описание, и включает 17 графических документов.

4

ВВЕДЕНИЕ

Зубчатые колеса являются одними из наиболее распространенных деталей в современном машиностроении и применяются в самых различных конструкциях машин и приборов. Разнообразные области применения, общая тенденция повышения точности механизмов, увеличение скоростей обработки, стремление к передаче больших мощностей предъявляют все возрастающие требования к зубчатым передачам, а это, в свою очередь, - к зубообрабатывающим станкам.

Среди которых наиболее широкое применение нашли зубофрезерные станки, чему способствовало превосходство зубофрезерования перед зубодолблением в производительности. При обработке точных зубчатых колес за зубофрезерованием следуют шлифовальные и другие доводочные операции, припуск на которые отчасти определяется точностью нарезанного зубчатого венца, а значит, уменьшить длительность цикла обработки колеса можно повысив точность зубофрезерования. Но зубофрезерные станки позволяют получать колеса 5-й степени точности только при использовании инструмента самого высокого класса точности, что приводит к удорожанию колес. Значит, повышая точность станка, можно понизить необходимую точность инструмента, следовательно и затраты на него, чего также можно добиться, увеличивая степень автоматизации станка, что позволит одному наладчику обслуживать большее количество оборудования.

Но дальнейшее повышение точности и автоматизации требует разработки новых или усовершенствования существующих принципиальных схем, как самих станков, так и систем управления ими.

5

ГЛАВА 1: ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ СОВРЕМЕННЫХ ЗУБОФРЕЗЕРНЫХ СТАНКОВ

Анализ и синтез принципиальной схемы любого станка ведется на основе анализа структуры рабочего движения. Поскольку количество составляющих рабочего движения и требуемая взаимосвязь между ними определяют количество кинематических цепей станка, их вид (внутренние или внешние) и исходные данные для настройки, поэтому работу начнем с рассмотрения данной структуры.

1.1 ЧТО ТАКОЕ ГИТАРА И ЕЕ НАЗНАЧЕНИЕ

Гитара – это механизм со сменными зубчатыми колесами, предназначенный для ступенчатого изменения передаточного отношения расчетной кинематической цепи. Они применяются в основном в редко перенастраиваемых цепях при большом диапазоне и количестве передаточных отношений органа настройки расчетной цепи. Эти механизмы отличаются простотой конструкции. Основной недостаток гитар – трудоемкость настройки.

В станках используют гитары с одной, двумя и тремя парами сменных зубчатых колес. Гитара с одной парой сменных зубчатых колес применяется в основном в цепях, не требующих точной настройки (органы настройки iv и is). Гитары с двумя и тремя парами сменных зубчатых колес используются, как правило, для точной настройки кинематических цепей (органы настройки ix, iy и т.п.). На рис. 1.1 показаны гитары с двумя и тремя парами сменных зубчатых колес.

Гитара с двумя парами колес (рис.1.1,а) состоит из плиты 1, оси 2, фиксирующего болта 3 и сменных зубчатых колес a, в, c, d. Поскольку сумма зубьев сцепляемых колес при различных настройках различна, в плите гитары предусмотрен паз, позволяющий перемещать ось 2 и таким образом осуществлять зацепление сменных колес c и d различных диаметров. Болтом 3 фиксируют плиту гитары в требуемом положении для сцепления колес а ив.

Для подбора зубчатых колес пользуются единственным уравнением с четырьмя неизвестными

= × , (*)

6

где i – передаточное отношение, полученное по ФН; a, b, c, d - числа зубьев колес гитары.

Число решений уравнения (*) ограничено следующими факторами:

-имеющимся набором сменных зубчатых колес;

-условиями сцепляемости

а+ в > с + (15…20) (**); с +d > в + (15…20) (***).

Для подбора сменных зубчатых колес используют в основном два следующих метода: основной и дополнительный.

Рис. 1.1 Гитары сменных зубчатых колес: а – с двумя парами сменных колес; б – развертка гитары с двумя парами сменных колес; в - гитара с тремя парами сменных колес

Основной метод – разложение на простые множители. Используется, когда i выражается простой дробью, числитель и знаменатель которой разлагаются на простые множители, удобные для подбора колес. Например,

51 3 × 17= 91 = 7 × 13

Допустим, что в наборе сменных зубчатых колес станка имеются колеса с числами зубьев, кратными пяти от 20 до 100. Тогда,

Проверяем условия сцепляемости (**) по допустимому значению

30 + 70 = 85 + 15.

7

Возможно, что зубчатое колесо будет перерезать ведомый вал (рис.1.1,б) и, следовательно, монтаж колес невозможен. Поменяем местами колеса в числителе или знаменателе. Например,

85 × 30= 70 × 65

Проверяем условия сцепляемости по большему допустимому значению: (**) 85 + 70 > 30 + 20; (***) 30 + 65 > 70 + 20.

Условия сцепляемости подтверждают возможность монтажа подобранных сменных зубчатых колес в гитаре.

Дополнительный метод – приближенный подбор. В этом случае используют способ непрерывных дробей или чаще табличный метод.

Пусть по формуле настройки i = 0, 309329. По таблицам[1] подбираем соответствующую этой десятичной дроби простую дробь. После преобразований получим числа зубьев сменных колес

Такие зубчатые колеса имеются в нормальном наборе сменных зубчатых колес, например, зубофрезерных станков. Проверяем условия сцепляемости: (**) 21 + 65 > 45 + 20; (***) 45 + 47 > 65 + 20.

В ряде станков, например зубофрезерных, как правило, предусматривается более широкий диапазон настройки кинематических. Поэтому в таких станках используются гитары с тремя парами сменных зубчатых колес. В этих гитарах (рис. 1.1,в) используется дополнительная пара зубчатых колес, а в ее плите выполняется два или три паза для промежуточных осей. Для подбора зубчатых колес используется уравнение с шестью неизвестными:

Зубчатые колес e и f меняются значительно реже, чем колеса а,в,с,d. Как правило, их передаточное отношение постоянно и равно 1; 1/2; 2. Это позволяет для данной пары колес использовать только четыре сменных зубчатых колеса, например с числами зубьев 40, 60, 60, 80.

8

Колеса а, в, с, d подбираются по правилам подбора колес для двухпарной гитары, а к условиям сцепляемости добавляется еще одно

e + f > d + (15…20)

Для различных групп станков комплекты сменных зубчатых колес различны. Однако, все комплекты создаются на основе общего ряда чисел зубьев сменных колес: 20 – 23 - 25 – 30 – 33 – 34 – 37 – 40 - 41 – 43 – 45 – 47 – 50 – 53 – 55 – 58 – 59 – 60 – 62 – 65 – 67 – 70 – 71 – 73 -75 – 79 – 80 - 83 – 85 – 89 – 90 – 92 – 95 – 97 – 98 – 100 – 105 – 113 – 115 – 120 – 127 - всего 44

колеса.

1.2 СТРУКТУРА РАБОЧЕГО ДВИЖЕНИЯ ПРИ ЗУБОФРЕЗЕРОВАНИИ

Структура рабочего движения при зубофрезеровании включает в себя: вращение фрезы, окружную подачу заготовки, радиальную подачу фрезы, вертикальную подачу фрезы и осевую подачу фрезы. Вращение фрезы является главным движением при зубофрезеровании, тогда как другие должны согласовываться при помощи внутренних кинематических цепей с ним или друг с другом.

Анализ процесса зубофрезерования цилиндрических и червячных колес позволяет синтезировать структурную кинематическую схему зубофрезерного станка (рис. 1.2).

Схема состоит из кинематических цепей, передающих рабочим органам все перечисленные выше составляющие рабочего движения.

Цепь главного движения:

Цепь главного движения – внешняя (как и во всех станках), связывает двигатель с фрезой.

Расчетные перемещения крайних звеньев цепи:

nдв,об./мин. nф ,об./мин.,

где nдв, nф– частоты вращенийсоответственно вала двигателя и шпинделя с фрезой.

Уравнение расчетных перемещений:

nдв ... Х n ... nф ,

9