Разработка кинематической схемы

 

К кинематике станка предъявляются следующие требования [6, 18]:

1. Обеспечение высокой производительности станка.

2. Максимальная автоматизация станка.

3. Точность работы механизмов.

4. Высокий КПД станка, который можно повысить:

· применением передач, по возможности, с высокими КПД, так как общий КПД определяется как произведение КПД отдельных передач;

· короткими кинематическими цепями с малым числом кинематических пар – источников потерь на трение;

· использованием совершенных, отработанных конструкций механизмов и передач с высокими КПД;

· полным отключением кинематических цепей, не участвующих в передаче движения при данных включениях, что особенно важно для быстроходных станков;

· применением подшипников качения, где это возможно;

· надежным выключением фрикционных муфт;

· применением систем принудительной смазки от насоса и жидкой смазки вместо консистентной;

· повышением качества изготовления деталей, сборки и регулировки станка.

5. Технологичность конструкции.

6. Наименьший расход материалов.

7. Максимальное использование стандартных и унифицированных узлов и деталей.

8. Простота и удобство наладки и обслуживания станка.

9. Безопасность труда.

 

Выбор типа привода

 

При разработке кинематической схемы станка в первую очередь необходимо решить вопрос выбора типа привода. Привод – источник движения и совокупность механизмов, передающих движение к конечным звеньям станка.

Станок может иметь один или несколько источников движения. Применение нескольких двигателей позволяет сократить кинематические цепи, упростить управление, механизировать и автоматизировать станок. Если же между отдельными кинематическими цепями требуется строгая взаимосвязь, то они должны получать движение от общего двигателя. Выбор привода имеет существенное значение при проектировании нового станка, так как это является одним из основных условий создания высококачественной и экономичной конструкции.

Выбор типа привода станка определяется следующими факторами [18]:

1. Технологическим назначением и технической характеристикой станка (характер операций, намечаемых к выполнению на проектируемом станке, значения предельных и промежуточных частот вращения шпинделя и подач, способ их регулирования, мощность привода).

2. Техническими возможностями того или иного типа привода, обеспечивающими нужные характеристики проектируемого станка.

3. Экономической эффективностью применения выбранного типа привода в проектируемом станке, так как один и тот же привод может быть экономичным для одного станка, а для другого нет.

4. Частотой и временем пусков, остановок и реверсирований станка.

5. Временем и удобством переключения с одной скорости на другую.

6. Коэффициентом полезного действия привода.

7. Необходимостью автоматизации станка.

8. Технологичностью конструкции привода.

9. Габаритными размерами и массой привода (включая и электродвигатель), что особенно важно, когда привод располагается в узле, движущемся с большой скоростью.

10. Необходимостью применения определенного рода тока (переменного, постоянного, высокочастотного).

11. Удобством управления.

12. Требованием минимальной утомляемости рабочего и безопасности труда.

Для создания движения скорости резания в станках могут применяться следующие приводы:

1. Шестеренная коробка скоростей с одно- или многоскоростным электродвигателем переменного тока или же с электродвигателем постоянного тока. В цепь привода, кроме шестеренной коробки скоростей, могут быть включены, в зависимости от типа станка, следующие передачи: зубчатое колесо и рейка, червяк и рейка, ходовой винт и гайка, кулисно-шатунный или кулисный механизмы, ременная передача, сменные зубчатые колеса.

2. Односкоростной или многоскоростной электродвигатель переменного тока и сменные зубчатые колеса.

3. Многоскоростной электродвигатель переменного тока.

4. Ступенчато-шкивный привод в сочетании с одно- или многоскоростным электродвигателем.

5. Регулируемые электродвигатели и электроприводы постоянного тока.

6. Бесступенчатая передача (вариатор) с одно- или многоскоростным электродвигателем переменного тока. Могут быть применены одновременно два вариатора.

7. Односкоростной электродвигатель переменного тока, бесступенчатая передача (вариатор) и шестеренная коробка скоростей.

8. Гидравлический привод.

Самым распространенным типом привода в металлорежущих станках средних размеров является привод с механическим регулированием скорости, состоящий из односкоростного электродвигателя переменного тока и шестеренной коробки скоростей. Этот привод мощностью N < 100 кВт по рекомендации ЭНИМСа является основным вариантом для станков с вращательным главным движением.

В специальных станках, предназначенных в основном для крупносерийного и массового производств, когда не требуется изменения режимов резания в процессе обработки определенной партии деталей, следует применять привод с односкоростным электродвигателем переменного тока и сменными зубчатыми колесами. При этом упрощается конструкция привода, а режимы обработки в случае необходимости можно изменять сменными зубчатыми колесами.

Многоскоростные электродвигатели находят все большее применение в металлорежущих станках или в виде самостоятельных приводов, или же в сочетании с различными механизмами. Они могут быть использованы как в приводах главного движения, так и в цепях подач и вспомогательных движений. Тип привода с многоскоростным электродвигателем переменного тока и шестеренной коробкой скоростей по рекомендации ЭНИМСа является дополнительным вариантом (основной тип – с односкоростным электродвигателем переменного тока) для станков с вращательным главным движением мощностью главного привода N £ 30 кВт.

В специальных станках и станках с малым диапазоном регулирования приводом может служить многоскоростной электродвигатель переменного тока без каких-либо дополнительных механизмов. Для расширения технологических возможностей станка в цепь привода могут быть включены сменные зубчатые колеса. Выбор многоскоростного электродвигателя необходимо обосновать после сопоставления его преимуществ и недостатков.

Ступенчато-шкивный привод применяется в станках небольшой мощности. Его достоинства заключаются в простоте конструкции и дешевизне, а недостатки – в эксплуатационных неудобствах, связанных с переключением скоростей.

Главным недостатком рассмотренных приводов является невозможность бесступенчатого регулирования скорости, что в отдельных случаях может повлиять на производительность станка.

Приводы с бесступенчатым регулированием скорости разных типов достаточно широко применяются в металлорежущих станках как в цепях главного движения, так и в цепях подач. Основными достоинствами таких приводов являются:

1. Возможность бесступенчатого регулирования частот вращения, чисел двойных ходов и подачи для получения оптимальных режимов резания.

2. Возможность регулирования скорости на ходу станка и под нагрузкой, что позволяет автоматизировать управление и поддерживать постоянной скорость резания при обработке поверхностей переменного радиуса (отрезка круглого материала, торцовое обтачивание, точение конуса и др.), сокращая тем самым машинное и вспомогательное время. Изменяя режимы резания в процессе обработки, можно устранить вибрации.

3. Возможность плавного пуска и торможения шпинделя, что особенно важно для тяжелых и быстроходных станков.

Приводы с бесступенчатым регулированием с электродвигателем постоянного тока по рекомендации ЭНИМСа являются основным вариантом для тяжелых станков с мощностью главного привода N > 50 кВт (токарные с диаметром обработки 1600 мм и более, расточные с диаметром шпинделя свыше 160 мм, карусельные с диаметром обработки 3000 мм и более, продольно-строгальные и долбежные станки) и дополнительным вариантом для станков меньшей мощности (специализированные станки с автоматическим регулированием скорости вращения шпинделя – токарные, расточные, шлифовальные и др.), а также прецизионных станков с небольшой мощностью привода (координатно-расточные, резьбошлифовальные). Применение бесступенчатого привода в этих станках целесообразно при условии существенного повышения производительности, упрощения кинематики и обслуживания станка и при особых требованиях к шероховатости поверхности, что объясняется высокой стоимостью, массой и габаритными размерами электрооборудования, а также необходимостью иметь сеть постоянного тока или специальный агрегат для питания электродвигателя постоянного тока.

Лучшим вариантом бесступенчатого привода, исходя из возможности получения оптимальных режимов резания в процессе обработки с автоматическим их изменением, следует считать бесступенчатое электрическое регулирование. Однако учитывая, что в современных универсальных станках диапазоны регулирования достигают значительных величин (до 100 и более), электрическое регулирование во всем диапазоне нецелесообразно, так как при этом значительно увеличиваются размеры электрических машин и потери в них, а в отдельных случаях осуществить его невозможно. Поэтому для привода главного движения универсальных тяжелых станков применяют электрическое бесступенчатое регулирование в сочетании с шестеренной коробкой скоростей (электромеханическое регулирование). Чисто электрическое регулирование используется в случае небольшого диапазона регулирования или при значительном диапазоне регулирования и сравнительно небольшой мощности (1-15 кВт).

При электромеханическом регулировании изменение частот вращения, чисел двойных ходов и подач производится как изменением частот вращения электродвигателя, так и переключением скоростей в коробке. Применение приводов с электромеханическим регулированием упрощает конструкцию коробки скоростей, при этом появляется возможность осуществления дистанционного управления в пределах одной ступени коробки скоростей.

Для привода станков используют различные электрические системы бесступенчатого регулирования. Электрические системы могут обеспечивать регулирование с постоянной мощностью и постоянным крутящим моментом, поэтому при выборе типа привода конструктор должен знать, какой метод регулирования требуется по условиям эксплуатации станка. Следует иметь в виду, что стоимость электрических машин систем бесступенчатого регулирования в несколько раз выше стоимости асинхронного двигателя переменного тока.

В металлорежущих станках для бесступенчатого регулирования скоростей главного движения и подач находят применение бесступенчатые передачи гибкой связью (ременные, клиноременные, цепные) и бесступенчатые фрикционные передачи (вариаторы), конструкции которых весьма разнообразны. Механические вариаторы имеют, как правило, небольшой диапазон регулирования (4-8, редко 16) и рассчитаны на передачу мощности N = 2¸10 кВт, а иногда до 25 кВт. Им свойственно непостоянство передаточного отношения при изменении нагрузки.

При выборе типа вариатора для конкретного случая необходимо учитывать диапазон регулирования, передаваемую мощность, величину скольжения, удобство управления, возможность изоляции от смазки (или передач, работающих всухую), быстроту изменения скорости ведомого вала при равномерном перемещении регулирующего скорость элемента, технологичность конструктивного решения.

Бесступенчатое регулирование не имеет больших преимуществ перед ступенчатым при j £ 1,26. Это объясняется возможными разбросами при определении скорости резания, незначительным влиянием ее отклонений на стоимость обработки, колебаниями частоты вращения шпинделя на ±5% вследствие изменения частоты и напряжения в сети переменного тока и скольжения в электродвигателе и вариаторе при изменении нагрузки.

В тех случаях, когда требуется небольшой диапазон регулирования, применяют вариатор с односкоростным электродвигателем. Для расширения диапазона можно использовать один или два вариатора в сочетании со ступенчатой коробкой скоростей и одно- или многоскоростным электродвигателем.

Все чаще стали использовать для привода станков высокочастотные электродвигатели с частотой вращения до 200 000 мин^-1. Такие приводы широко применяются в шлифовальных станках, используемых в шарикоподшипниковой промышленности для шлифования колец подшипников малых размеров, в сверлильных станках для обработки отверстий малых диаметров, во фрезерных и токарных станках с ЧПУ.

В цепях подач могут применяться те же типы приводов, что и в цепи главного движения. Последним звеном цепи подач является ходовой винт и гайка, зубчатое колесо и рейка, кулачковый механизм, поршень – цилиндр. В станках с ЧПУ и прецизионных станках в качестве последнего звена применяют передачу винт – гайка качения и гидростатическую передачу винт – гайка. В станках с периодической подачей (строгальные, долбежные, шлифовальные и другие станки) в цепь подач включается храповой механизм. Специфичными для цепей подач будут двухваловые механизмы с вытяжной шпонкой (в сверлильных, револьверных и других станках небольшой мощности), механизмы типа меандра и Нортона (в винторезных цепях подач универсальных токарно-винторезных станков) и двухпарные гитары сменных зубчатых колес с изменяющимися расстояниями между осями, которые позволяют настраивать кинематические цепи с высокой степенью точности. В приводах подач станков с ЧПУ используются шаговые электродвигатели и др.

Бесступенчатое регулирование подачи в процессе обработки позволяет выбирать оптимальные подачи и точно устанавливать заданный размер, что дает возможность повысить производительность. В основном бесступенчатое регулирование подачи применяют в шлифовальных, токарных, карусельных и фрезерных станках с ЧПУ.