Анализ (изучение) кинематической структуры металлорежущих станков

Кинематическую (структурную) схему любого металлорежущего станка можно проанализировать, пользуясь общими теоретическими положениями, изложенными в модуле 2. Примерный план анализа:

1. Кинематическую схему анализируют по частям, а не целиком, и, прежде всего, рассматривают кинематические группы, создающие движения формообразования, деления и врезания. В заключение рассматривают группы управления и вспомогательных движений.

2. Анализ схемы начинают не с источников движения (двигателей), а с поиска исполнительных звеньев и внутренних связей, обеспечивающих траектории исполнительных движений.

3. При структурном анализе рассматривают структурные цепи, а при кинематической настройке станка – расчетные кинематические цепи. Структурные и расчетные цепи – это не одно и то же. Структурные цепи – это реальные цепи, обеспечивающие кинематические связи, необходимые для получения заданных параметров создаваемого исполнительного движения, а расчетные кинематические цепи составляются искусственно, с целью определения неизвестных параметров органов настройки. Поэтому расчетные цепи могут отличаться от структурных цепей, как по своему составу, так и по количеству.

В общем случае анализ кинематической схемы станка выполняется в такой последовательности:

А. Исходя из формы образуемой поверхности и режущего инструмента, а также из схемы формообразования, определяют количество и характер кинематических групп для движений формообразования, деления и врезания. После этого кинематическую схему разделяют на столько же частей.

Б. Зная характер исполнительных движений, анализируют структуру каждой кинематической группы в отдельности. В группе находят внутреннюю и внешнюю кинематические связи и органы настройки для регулируемых параметров исполнительного движения.

В. Рассматривают остальную часть кинематической схемы, состоящую обычно из групп управления и вспомогательных движений.

Г. Выводят формулы настройки (ФН) гитар и некоторых других настраиваемых органов.

Для вывода ФН по кинематической схеме намечают расчетную кинематическую цепь, связывающую исполнительные звенья или между собой, или с источником движения. По этой цепи определяют расчетные перемещения (РП) ее конечных звеньев. Согласно РП составляют уравнение кинематической цепи (УКЦ), устанавливающее кинематическую связь между перемещениями исполнительных звеньев рассматриваемой цепи. Решая УКЦ относительно передаточного отношения органа настройки, получают ФН.

Проиллюстрируем данную методику на примере анализа типовой структурной схемы шлицефрезерного станка (рис. 0.1).

Боковая поверхность винтового шлица очерчена по профилю эвольвентой окружности (прямобочного шлица) отрезком прямой, а по длине винтовой линией.

Червячная фреза представляет собой совокупность исходных режущих реек, расположенных на цилиндре и смещенных одна относительно другой по винтовой линии. Режущий контур зубьев, каждый из которых имеет правую и левую режущие кромки в виде материальных линий, очерчен отрезками прямых (для прямобочного шлица по эвольвенте). Размеры режущих зубьев обычно соответствуют размерам впадин между нарезаемыми зубьями, а их геометрическое взаимное положение обусловлено необходимостью выполнения делительного процесса и определяется окружным шагом нарезаемого зубчатого (шлицевого) вала. Форма режущей кромки червячной фрезы и форма профиля зуба или шлица нарезаемого вала различаются между собой, поэтому профили шлицев можно получить только методом обката. Воспроизводящая винтовая линия по длине шлица образуется методом касания, так как образуемая винтовая линия является касательной к ряду дополнительных окружностей, создаваемых вращающимися материальными точками воспроизводящего режущего контура. Таким образом, образование боковой поверхности винтового шлица будет осуществляться сочетанием обката (профиль шлица) и касания (линия шлица по длине). По методу образования поверхности устанавливаем количество движений формообразования. Для воспроизведения профиля обкатом требуется одно сложное движение формообразования, а для воспроизведения линии по длине касанием – два простых движения формообразования.

При фрезеровании червячными фрезами процессы деления и врезания осуществляются попутно в процессе формообразования. Следовательно, основная часть структуры станка должна состоять только из формообразующих групп.

По форме производящих геометрических линий образуемой поверхности и форме режущей кромки инструмента определяем состав каждого исполнительного движения и составляем условную запись этих движений.

П ри формообразовании винтового шлица червячной фрезой кинематическая структура станка должна воспроизводить два сложных движения Рис. 0.1. Типовая кинематическая структура шлицефрезерного станка

формообразования: движение обката (скорости резания) Ф_v(В₁В₂) и винторезное движение (подачи) Ф_s(П₃ В₄).

По условной записи исполнительных движений находим исполнительные звенья, совершающие соответствующие элементарные движения. В анализируемом станке такими звеньями являются шпиндель 1 фрезы шпиндель 2 заготовки и фрезерная головка 3. Таким образом, четыре элементарных движения осуществляют только три подвижных звена. Следовательно, общему исполнительному звену (шпинделю 2) приходится совершать два элементарных движения В₁ и В₄.

Два элементарных движения на одном звене физически складываются с помощью дифференциала. Однако в кинематике станка он отсутствует. Слагаемые движения имеют одинаковую скоростную характеристику, продолжительность их одинакова и создаются они одним источником движения. Следовательно, эти движения складываются математически без дифференциала. В этом случае запись исполнительных движений будет иной – Ф_v(В₁В₂ ± В₄) и Ф_s(П₃). При этом между кинематическими группами обязательно должна быть кинематическая связь.

Анализируем состав кинематических групп. Группа формообразования, создающая движение обката Ф_v(В₁В₂ ± В₄). Движение сложное, двухэлементарное, замкнутое, воспроизводит зацепление червячной передачи. Внутренняя связь группы:

В₁→4→3→Р₁→i_x →2→1→В₂.

Внешняя связь:

М₁→5→i_v→3.

Группа настраивается по двум параметрам: на траекторию и скорость резания органами настройки соответственно i_v и i_s.

Группа формообразования, создающая движение подачи, Ф_s(П₃). Движение Ф_s простое, незамкнутое. Внутренняя связь группы – поступательная пара:

суппорт фрезерной головки 3 → направляющие станины.

Внешняя связь:

Д₁ →i_v →3→Р₁→i_x→2→i_s→Р₂→6→7→ТВ_t→П₃.

Группа настраивается на скорость (подачу) органом настройки i_s, на путь и исходную точку упорами системы управления, на направление реверсом R₂.

В схеме предусмотрена ненастраиваемая вспомогательная группа Вс(П₄) для ускоренного перемещения фрезерной головки при наладке станка с приводом от отдельного электродвигателя М₂. Ее внутренняя связь совпадает с внутренней связью группы Ф_s, а внешняя связь М₂→8→6→7→ТВ_t.

Формообразующие группы связаны между собой общим электродвигателем, а часть внутренней связи группы Ф_v является также частью внешней связи группы Ф_s.

Вывод ФН для органов настройки i_x, i_v, i_s.

Орган настройки i_x. Внутренняя связь группы Ф_v содержит один орган настройки. Поэтому расчетная цепь для этого органа настройки совпадает с внутренней связью.

При нарезании прямых шлицев за один оборот заготовки (движение В₂) фреза делает z/k оборотов (движение В₁) и перемещается по образующей цилиндра на величину s мм. Для получения винтовых шлицев при перемещении фрезы на величину s заготовка должна дополнительно повернуться на s/T оборота (движение В₄), что соответствует дополнительному повороту фрезы на ±(z/k)∙(s/T). Следовательно, РП: