2. Исследовательская часть.
2.1 Анализ различных вариантов построения суппорта.
2.1.1 Данные о суппорте.
Масса оси: в самом общем случае нам не известна масса осей и сила трения. Эти параметры будут различны для конкретных типов механической передачи.
Перед тем как выбирать привод, необходимо подобрать сами механические направляющие суппорта. Будем подбирать из имеющихся на рынке, со следующими параметрами:
- минимизация цены
- высокая надёжность и долговечность
- исключение появление люфта в поперечном направлении по отношению к движению
- минимизация массы
Наилучшим вариантом, удовлетворяющим все выше указанные требования является следующее техническое решение:
Рис. 2.1
Эти направляющие предназначены для установки выдвижных ящиков офисной мебели. Между рельсами направляющих помещён сепаратор с шариками, что минимизирует силу трения и исключает возникновение люфта в поперечном направлении (швеллеры с шариками вставлены друг в друга с натягом). Использование шариков даёт большую износостойкость деталей суппорта по сравнению с суппортами, где используется скольжение деталей друг о друга. Компания-производитель предписывает максимально возможную погрузку груза в ящики массой 200 кг. А без использования вложенных направляющих в 5 раз больше, что составит нагрузку на каждую направляющую 5 кН. Поэтому мы удалим внутренний швеллер суппорта, увеличивая тем самым максимальную нагрузку суппорта. Компания-производитель предлагает большой ассортимент длин направляющих, что позволяет оптимально подобрать суппорт для каждой оси.
Выбор длины рейки. Согласно техническому заданию необходимо обеспечить поле 170*240мм. Для перемещения по некоторому отрезку рейка должна иметь в 2 раза бОльшую длину. В нашем случае для отрезка 240мм выбираем рейку 500мм. Для унификации конструкции вторую рейку (для отрезка 170мм) также берём 500мм.
Цена направляющих составляет 120 руб. для 500мм. Таким образом вся цена суппорта будет на порядок ниже чем аналогичная реализация на специализированных суппортах для станков с ЧПУ.
Теперь определимся с типом двигателя для приведения в движения осей станка. Наилучшим решением будет использование шагового двигателя (далее будем использовать обозначение ШД) с высоким показателем редукции. Этот двигатель используется преимущественно на всех современных станках с ЧПУ, потому что:
- ШД не требует обратной связи по перемещению. Они достаточно малы в большинстве случаев, что требует точных датчиков угловых или линейных перемещений.
- цена ШД в 3 раза ниже, чем цена сервопривода аналогичной мощности и точности.
- высокие точность перемещения и момент, благодаря использования зубцов на роторе и статоре. Электромеханическая редукция современного шагового двигателя составляет 50 единиц, что позволяет не использовать механический редуктор.
- возможность уменьшить величину шага, тем самым увеличив точность, путём использования микро-шага.
Итак в чём собственно заключается анализ различных механических передач. Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к рис. 2.2:
Рис. 2.2
В результате нужно получить 4 параметра, которые в некоторой степени характеризуют мех. передачу. Поясним что обозначает каждая из них:
Поступательная сила: выражается в ньютонах: статическая сила переданная суппорту.
Дискрета линейного перемещения: выражается в мм.: величина перемещения суппорта при повороте ротора ШД на один шаг.
Поступательное ускорение: мм/сек^2: ускорение переданное суппорту.
Поступательная скорость: мм/сек: скорость переданная суппорту.
Кроме этого, механическую передачу будем оценивать по сложности реализации, цене и по возможным техническим проблемам.
Входными параметрами будут параметры ШД, а также масса суппорта. Примем массу суппорта, равную 1 кг. Трением суппорта на данном этапе расчётов пренебрегаем.
В расчётах воспользуемся программой MATLAB, поскольку в дальнейшем обозначения и расчёты будем использовать уже из этой главы. Для просмотра файла откройте mechanical_transmission.m.
Для сравнения механических передач возьмём типичный ШД, который используют другие производители станков с ЧПУ. Его параметры:
- момент удержания 1 Н*м.
- величина шага 1.8 град., точность шага 5%.
- момент инерции ротора 150 г*м^2.
- частота вращения без значительного снижения момента 200 шагов в сек. (1 оборот в сек.)
Входные параметры в m-файле:
S=200; %кол-во шагов на оборот
Mr=1; %момент удержания ротора [Н*m]
Jr=15e-6; %момент инерции ротора [кг*m^2]
Vr=200*2*pi/S; %скорость вращения ротора [рад/сек]
Mx=1; %масса суппорта [кг]
Дополнительно понадобятся следующие параметры:
Pj=7800; %плотность железа [кг/м^3]