2.4. Основные механизмы

Передвижной блок зубчатых колес. Передачи с передвижны-ми блоками колес могут передавать большие крутящие моменты при сравнительно небольших размерах зубчатых колес. Кроме того, в такой передаче в зацеплении находятся только те зубчатые колеса, которые передают вращение следующему элементу привода. Значит, остальные колеса в это время не изнашиваются. Указанные преиму-щества позволяют широко применять для изменения частоты враще-ния рабочего органа станка передвижные блоки зубчатых колес в коробках скоростей и подач универсальных станков.

Рис. 1.7. Схема подвижного тройного блока зубчатых колес

В зависимости от варианта зацеплений зубчатых колёс передача движения между валами может осуществляться следующими тремя способами:

Конус зубчатых колес с накидным зубчатым колесом (механизм Нортона, рис. 1.8). Механизм включает конус зубчатых колёс 1…5, жёстко сидящих на ведущем валу I и накидное устрой-ство с промежуточным валом и ведомым валом II.

Рис. 1.8. Схема конуса зубчатых колес с накидным зубчатым колесом

На промежуточном валу свободно сидит накидное колесо с числом зубьев z_н, а на валу II имеется подвижное колесо колесо с числом зубьев z_с. Зубчатое колесо z_с вместе с накидным колесом z_н радиальным движением ручки может расцепляться или зацепляться с колесами конуса, а осевое перемещение накидного устройства позволяет поочерёдно колесу z_н войти любое в зацепление с колёсами конуса.

Таким образом, вал II получает пять разных частот вращения с различными передаточными отношениями:

Преимуществом данного механизма является возможность получения многоступенчатого регулирования скоростей вращения между соседними валами при небольших габаритах малых осевых геометрических размерах (компактности) конструкции и небольшом количестве зубчатых колес. Недостаток – недостаточные жёсткость конструкции и прочность, обусловленные наличием передвижной каретки с накид­ным колесом. Отметим, что в настоящее время существуют механизмы Нортона без накидного колеса.

Конус зубчатых колес с вытяжной шпонкой (рис. 1.9). Вращение с вала I на вал II может передаваться лишь тем зубчатым колесом, которое жестко соединено с валом I короткой вытяжной шпонкой (в данном случае колесо 1).

Рис. 1.9. Схема конуса зубчатых колёс с вытяжной шпонкой

В этот момент остальные зубчатые колеса (3 и 5) будут свободно проворачиваться на валу I и они крутящий момент передавать не смогут. Если ведущим является вал I, то передаточные отношения будут равны:

Механизм перебора (рис. 1.10). Этот механизм, в зависимости от положения кулачковой муфты М, может передавать вращение шпинделю двумя путями:

1) при включённой влево кулачковой муфте М движение со шкива передается непосредственно на шпиндель;

2) при выключенной муфте (как на рис. 1.10) – через зацепления зубчатых колес перебора z₁/z₂ и z₄/z₃.

Рис. 1.10. Схема механизма перебора

Механизм перебора предназначен для резкого снижения частоты вращения шпинделя.

Реверсивный механизм из конических зубчатых колес (рис. 1.11). На валу I жёстко закреплено колесо 1. На валу II свободно проворачиваются два конических зубчатых колеса 2 и 3, изготовленные за одно целое с кулачковыми полумуфтами. Между ними по шпонке перемещается двусторонняя кулачковая муфта М, которая может поочерёдно войти с зацепления с полумуфтами, а, следовательно, и с колёсами 2 и 3.

Рис. 1.11. Схема реверсивного механизма из конических зубчатых колес

Такая конструкция позволяет при одностороннем вращении вала I с колесом 1 получить противоположное вращение колёс 2 и 3, а при включении муфты М влево или вправо вал II также будет вращаться в разные стороны.

Реверсивный механизм с промежуточным зубчатым колесом (рис. 1.12). Этот механизм применяется для изменения направления вращения ведомого вала II относительно направления вращения ведущего вала I. Валы I и II имеют противоположные направления вращения в случае включения муфты М вправо при зацеплении колёс с передаточным отношением z₁/z₂.

Рис. 1.12. Схема реверсивного механизма из цилиндрических зубчатых колес

Для совпадения направления вращения валов необходимо муфту М включить влево. В этом случае вал II получит вращение от вала I через промежуточный вал с зубчатым колесом 4 через зацепления колёс 3 и 4, 4 и 5. Зубчатое колесо 4 не влияет на передаточное отношение передачи и служит только для изменения направления вращения, поэтому иногда его называют «паразитное» зубчатое колесо. Для реверсирования движения валов также могут использоваться реверсивные электродвигатели.

Храповой механизм (рис. 1.13). Механизм служит для периодического (прерывистого) поворота вала II на определенный угол при зацеплении зубьев храпового колеса 5 с зубом собачки 3, получающей возвратно-вращательное или возвратно-поступательное движение. Механизм часто используется для осуществления прерывистой подачи стола с заготовкой строгального станка.

Рис. 1.13. Схема храпового механизма

Передаточное отношение храпового механизма определяется из соотношения

где а — число зубьев, захватываемых собачкой; z_х.к. — число зубьев храпового колеса 5.

Угол поворота (число зацепляемых зубьев) храпового колеса регулируется положением кожуха 4, который перекрывает часть зубьев.

Механизм мальтийского креста (рис. 1.14) применяется для преобразования непрерывного вращательного движения водила 8 в прерывистое вращательное движение мальтийского креста 6 и свя-занного с ним рабочего органа станка. На ведущем валу закреплено водило 8, палец 7 которого описывает окружность радиуса R (мм). Палец входит в паз мальтийского креста и поворачивает его до тех пор, пока палец не выйдет из зацепления с пазом.

Рис. 1.14. Схема механизма мальтийского креста

Передаточное отношение мальтийского креста i_м.к.=1/z, где z— число пазов мальтийского креста (z = 4). Приводы с мальтийским крестом находят широкое применение для периодического поворота многопозиционных столов, барабанов и револьверных головок. Водило 8 приводится во вращение отдельным приводом.

Кулисный механизм (рис. 1.15). Механизм преобразует враща-тельное движение кулисного зубчатого колеса 10 в возвратно-поступательное движение ползуна 9. Такой механизм применяется для осуществления движения резания резца строгальных станков с электромеханическим приводом.

Рис. 1.15. Схема кулисного механизма

В конструкцию механизма входят зацепления зубчатых колёс z_вщ/z₁₀, кулиса 12, в пазу которого перемещается кулисный камень 11. Причём камень связан с кулисным зубчатым колесом 10 при помощи пальца (стержня) и может располагаться на разном расстоянии от оси вращения колеса. Такая возможность смещения кулисного камня относительно центра колеса 10 позволяет регулировать ход движения ползуна.

Камень 11 при вращении кулисного колеса совершает скользя-щее движение по продольному пазу кулисы 12, что заставляет ее качаться относительно центра качания 0. Такое движе-ние кулисы вызывает поступательное перемещение ползуна 9 влево или вправо по направляющим станка.

Механизм бесступенчатого регулирования чисел оборотов (рис. 1.16). Для бесступенчатого регулирования частоты вращения шпинделя часто применяется механический вариатор конструкции В. А. Светозарова.

Рис. 1.16. Схема механизма бесступенчатого регулирования чисел оборотов

Механизм состоит из двух шкивов 13 и 14, имеющих криволинейную образующую. Шкивы закреплены на ведущем I и ведомом II валах. К поверхностям шкивов прижаты ролики 15. Оси роликов можно устанавливать под разными углами относительно оси валов, чем и достигается изменение передаточного отношения передачи. Плавное изменение угла поворота роликов обеспечивает регулирование частот вращения в пределах отношений 3…6,5.

Кинематической схемой называется условное графическое изображение всех связанных между собой механизмов и передач, которые передают движение от источника движения (электродви-гателя) к исполнительным органам станка (шпинделю, суппорту и др.). На рис. 2.1 приведена кинематическая схема токарного станка с ЧПУ. Кинематическая схема предназначена для установления принципа работы станка и выявления взаимодействия его механизмов. Однако условные обозначения не могут обеспечить полного представления о станке. Поэтому на кинематической схеме станка также приводят значения диаметров шкивов, чисел зубьев зубчатых и червячных колес, чисел заходов червяка, шага ходового винта, мощности и частоты вращения вала электродвигателя и др. Кинематическая схема состоит из нескольких кинематических цепей, каждая из которых имеет определенное назначение: например, цепь главного движения, цепь движения подачи или цепь нарезания резьбы.

Движения конечных звеньев кинематической цепи могут быть связаны между собой математическим выражением через передаточные отношения механизмов, расположенных между ними, которое называется уравнением кинематического баланса.

Рис. 2.1. Кинематическая схема токарного станка с ЧПУ

Привод главного движения. Главным называется движение, определяющее скорость резания. Для данного станка (см. рис. 2.1) приводом цепи главного движения является совокупность механизмов от электродвигателя М1 до шпинделя VI. Для получения широкого диапазона частот вращения шпинделя станки с ЧПУ снабжаются комбинированным приводом, состоящим из регулируе-мых двигателей и коробки скоростей. При этом использование ко-робки с зубчатой передачей при помощи зубчатого блока Б позво-ляет получать регулирование частоты вращения шпинделя в трёх диапазонах 12,5 ... 200; 50 ... 800; 125 ... 800 мин.^–1. Двигатель постоянного тока М1 позволяет регулировать частоту вращения шпинделя внутри этих ступеней бесступенчато.

Составим уравнение кинематического баланса. Для этого установим начальное и конечное звенья цепи привода: начальным звеном является электродвигатель М1, а конечным звеном – шпиндель. Уравнение кинематического баланса:

n_{об. э.д. М1} · i₁· i₂·…· i_n = n_{об. шп.}

Движение с вала I на вал VI (шпиндель) передается следующими возможными вариантами:

;

;

Привод движения подач. Движение, осуществляемое механизмом подачи металлорежущего станка называется движением подачи. Источниками движений продольной и поперечной подач в кинематической схеме (см. рис. 2.1) служат высокомоментные электродвигатели постоянного тока: для движения продольной подачи – М2, для движения поперечной – МЗ. Электродвигатели работают в сочетании с датчиками ВЕ178, которые реагируют на частоту вращения ходовых винтов и посылают сигналы в систему электропитания электродвигателей для поддержания постоянства их оборотов. Эти датчики также обеспечивают необходимые величины перемещений. Регулирование скоростей подач – бесступенчатое. К приводам подач станков с ЧПУ предъявляют особые требования в части обеспечения равномерности движения и точности установочных перемещений. Прямолинейные движения суппортов осуществляются с помощью передачи винт—гайка качения (рис. 2.2), которая обеспечивает высокую осевую жесткость и равномерность движения.

Рис. 2.2. Передача винт-гайка качения

Передача винт— гайка качения состоит из винта 1, гайки 2, комплекта шариков 3 и вкладыша 4 для возврата шариков. Между винтом и гайкой, имеющими резьбу специального профиля, помещаются шарики, перекатывающиеся при вращении винта. При вращении винта шарики, вращаясь вокруг своих осей, перемещаются по впадине резьбы и тем самым перемещают гайку со связанным с ней механизмом станка. Вкладыш 4 для непрерывной циркуляции шариков имеет специальный канал возврата, соединяющий соседние витки гайки и заставляющий циркулировать шарики в их пределах.

К преимуществам данной конструкции относят малые габарит-ные размеры, отсутствие быстроизнашивающихся деталей и малую длину каналов возврата.