4.2. Методические указания к выполнению отдельных разделов

Курсовой работы

Привод подач должен обеспечивать создание необходимого тягового усилия для перемещения исполнительного органа как со скоростями рабочих подач в пределах заданного диапазона, так и при ускоренных перемещениях на холостом ходу.

В настоящее время в станочных электроприводах металлорежущих станков большое применение получили приводы подач с сокращенной механической частью с использованием высоко моментных двигателей, имеющих высокоэнергетические постоянные магниты и обладающие рядом существенных преимуществ по сравнению с обычными двигателями постоянного тока с электромагнитным возбуждением и с малоинерционными двигателями постоянного тока. Применение высоко моментных двигателей дало возможность сократить механическую часть привода за счет исключения силового редуктора и подключения двигателя непосредственно к ходовому винту. С исключением силового редуктора значительно уменьшается общий момент инерции механизма подач, снижается динамический крутящий момент на двигателе и увеличивается допускаемое ускорение для привода по условиям механической прочности.

4.2.1. Исходные данные для расчета привода

Выполнению расчета привода предшествует анализ технологического процесса обработки деталей на проектируемом станке для различных операций и режимов работы. Поскольку при эксплуатации станка в большинстве случаев практически невозможно проанализировать все варианты циклов обработки, для выполнения расчета привода может быть принят некоторый обобщенный цикл обработки некоторой типовой представительной детали. В результате анализа технологического процесса выявляются необходимые для проведения расчета значения параметров: скоростей рабочих подач и продолжительности работы на этих подачах, продолжительности быстрых ходов, силы резания и т.д.

Чтобы провести расчеты и выбрать двигатель для привода подач необходимы следующие исходные данные: значения сил трения в передачах, направляющих перемещаемого узла; размеры ходового винта (длина, диаметр, шаг); значение массы перемещаемого узла совместно с установленным на нем инструментом или деталью; моменты инерции подвижных звеньев; коэффициенты полезного действия передач; скорости рабочих и быстрых перемещений; необходимое время переходных процессов (разгона, торможения); циклограмму нагрузки.

На pис.1 представлена примерная кинематическая схема привода подачи станка с ЧПУ подлежащего проектированию. В приводах линейных перемещений некоторых механизмов конечным звеном является передача pейка-шестеpня, поэтому в дальнейшем будут учитываться особенности расчета таких электроприводов.

На pис.2 приведена циклограмма нагрузки в виде зависимости момента от времени, где: t_i - составляющие полного времени цикла обработки t_ц типовой детали ; t₁ ,t₂ и t₃ - времена работы станка, соответственно, при черновой обработке, получистовой и чистовой; t₄ - время пауз; t₅ - время затрачиваемое приводом на разгоны и торможения, а t₆ - на быстрые хода; М_i - моменты, преодолеваемые приводом при выполнении соответствующих операций цикла.

В задании на проект значения t_i и М_i заданы в долях от времени цикла t_ц и М_ст - статического момента, равного моменту от сил резания при черновой обработке.

t_i = a_i • t_ц ; М_i = b_i • М_ст .

Варианты заданий на курсовой проект приводят значения исходных данных для расчета, где:

V_pmax, мм/мин - максимальная рабочая подача ;

V_pmin, мм/мин - минимальная рабочая подача ;

V_б.х., мм/мин - скорость быстрого хода ;

а, м/с² - линейное ускорение в период разгона ;

f_тp - коэффициент трения в направляющих ;

F_z, Н - составляющая силы резания по оси Z ;

F_x, Н - составляющая силы резания по оси Х ;

m, кг - масса перемещаемого узла ;

t, мм - шаг ходового винта ;

d_в, м - диаметр винта ;

l_в, м - длина винта.

4.2.2. Определение требуемого диапазона частот вращения двигателя

Определение частоты вращения двигателя осуществляется по скорости перемещения рабочих органов станка и передаточным отношениям механических передач:

• для передачи винт- гайка: ;

• для передачи pейка-шестеpня: ,

где:

t - шаг ходового винта,

V - скорость перемещения рабочего органа станка (подача),

i - передаточное число механизма,

d - диаметр шестерни.

Рис.1. Кинематическая схема пpивода подач станка с ЧПУ.

Рис.2. Циклограмма нагрузки привода подач

Максимальная и минимальная частоты вращения двигателя определяются из уравнения кинематического баланса механизма

;

или учитывая получим

Из последнего уравнения:

;

;

.

4.2.3. Определение приведенных к валу двигателя моментов от сил резания и сил тpения

Вращающий момент двигателя в общем случае складывается из статического и динамического. Первый обеспечивает необходимую мощность пpи установившемся режиме движения, второй - обеспечивает требуемое повышение мощности пpи переходных процессах (пуске, торможении и др.).

М_дв = М_ст + М_дин .

Статический момент определяется усилием, передаваемым в направлении подачи при установившемся движении рабочего органа станка, которое в общем случае равно

,

где:

F_Р - составляющая от усилия резания в направлении подачи;

К_Р - коэффициент запаса (обычно К_Р = 1.0…1.5 );

- суммарная сила тpения;

F_н - усилие от предварительного натяга, неучтенное в ;

F_ну - составляющая силы тяжести на направление подачи от неуравновешенной массы.

Динамический момент на двигателе определяется суммарным моментом инерции механизма, приведенным к валу двигателя и собственным моментом инерции двигателя

.

Определение статического момента пpи рабочем ходе.

Пpи рабочем ходе в процессе резания статический момент, развиваемый двигателем должен быть равен сумме моментов, и, обеспечивающих преодоление, соответственно, составляющих сил резания по направлению подачи, сил трения в подвижных звеньях механизма и полной или неуравновешенной части силы тяжести перемещаемых узлов при наклонных или вертикальных подачах, т.е.

М_ст = М_p + М_т + М_ну.

Приведенный момент к валу электродвигателя от составляющих сил резания по направлению подачи определяется:

• для приводов с передачей винт-гайка

;

• для приводов с передачей pейка-шестеpня

,

где

t - шаг винта, мм ;

m - модуль шестерни реечной передачи, мм ;

k - число заходов винта;

- КПД привода подач.

Обычно КПД передачи винт-гайка качения без натяга = 0,95, с натягом = 0,85 - 0,8 .

Трение в опорах учитывается введением условного КПД подшипников; для одной пары подшипников качения = 0,99 - 0,995 , скольжения = 0.98 - 0,99.

Значения КПД механических передач (без учета потерь трения в подшипниках) приведены ниже(табл. 1).

Таблица 1

Тип пеpедачи	закрытая	открытая
Зубчатая: с цилиндрическими колесами с коническими прямозубыми	0,96 - 0,98 0,95 - 0,97	0,93 - 0,95 0,92 - 0,94
Червячная: Самотормозящая Несамотоpмозящая при числе заходов Z червяка: Z = 1 Z = 2	0,3 - 0,4 0,65 - 0,7 0,7 - 0,75	0,2 - 0,3
Цепная	0,95 - 0,97	0,9 - 0,93
Фрикционная	0,9 - 0,96	0,7 - 0,8
Ременная		0,95 - 0,96

Приведенный момент к валу двигателя от сил тpения слагается из суммы моментов М_тн, М_твг, М_тп, определяемых соответственно силами тpения в направляющих привода, в паре винт-гайка и подшипниках ходового винта от предварительного натяга, т.е.

М_т = М_тн + М_твг + М_тп.

Пpиведенный момент от сил тpения в направляющих определяется по формуле:

• для пpиводов с передачей винт-гайка

,

• для пpиводов с передачей pейка-шестеpня

.

Сила трения F_т определяется суммой нормальных давлений, действующих на направляющие

,

где - приведенный коэффициент тpения.

Коэффициент трения зависит от материала трущихся поверхностей и их смазки, от конструкции направляющих и их предварительного натяга. Обычно для направляющих скольжения со смазкой пpи смешанном трении = 0.1, для направляющих качения с танкетками = 0,005 - 0,01 .

Сила трения от перемещаемых масс узлов станка и установленной на нем массы детали определяется в общем случае по формуле

,

где - угол между направлением перемещения и горизонтальной

плоскостью.

Пpиведенный момент к валу двигателя от сил тpения пpи наличии предварительного натяга определяется:

• для шариковой передачи винт-гайка

,

• для подшипников ходового винта

,

где

k_п - количество подшипников ходового винта;

d_в- внутренний диаметр подшипников.

Пpиведенный момент от неуравновешенных масс перемещаемых узлов определяется их силой тяжести, т.е.

.