18. Проектирование привода главного движения в станках.

В станках могут применяться следующие приводы:

1. одно- или многоскоростной электродвигатель переменного тока или же электродвигатель постоянного тока в сочетании с шестерённой коробкой скоростей. Кроме коробки скоростей в цепь привода 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. одно- или многоскоростные электродвигатели переменного тока и сменные зубчатые колёса.

3. многоскоростной электродвигатель переменного тока.

4. одно- или многоскоростной электродвигатель в сочетании со ступенчато-шкивным приводом.

5. регулируемый электродвигатель постоянного тока.

6. гидравлический привод.

7. регулируемый электродвигатель переменного тока.

Регулирование скорости главного движения может быть ступенчатым и бесступенчатым:

Ступенчатое осуществляется:

• от электродвигателя переменного тока через коробку скоростей

• от многоскоростного электродвигателя переменного тока через коробку скоростей

Бесступенчатое осуществляется:

• от электродвигателя постоянного тока через упрощённую коробку скоростей

• спомощью механического вариатора

• от регулируемого гидродвигателя

Самым распространённым видом привода в станках средних размеров является привод с механическим регулированием скорости, состоящий из односкоростного электродвигателя переменного тока и шестерённой коробки скоростей.

По рекомендациям ЭНИМСа этот привод с мощностью Nдо 100кВт является основным вариантом для станков с главным вращательным движением. Дополнительный вариант для станков сN<30 кВт – многоскоростной электродвигатель с шестерённой коробкой скоростей.

Ступенчато-шкивной привод применяется в станках небольшой мощности.

По рекомендации ЭНИМСа приводы с бесступенчатым регулированием с электродвигателем постоянного тока является основными для тяжелых станков с мощностью привода N> 50 кВт (токарные с диаметром обработки свыше 1600 мм, расточные с диаметром шпинделя свыше 160 мм, карусельные с диаметром обработки свыше 3000 мм, продольно-строгальные, долбёжные и т. д.).

Чисто электрическое регулирование применяется лишь при небольшом диапазоне регулирования.

19. Множительные структуры.

Регулирование скорости главного движения осуществляется с помощью коробок скоростей. Их конструируют в виде самостоятельных узлов или встроенными в корпусные детали (станины, шпиндельные бабки и т. д.).

Они должны быть простыми и компактными, иметь малый вес или количество валов, передач, высший КПД, низкий уровень шумов. Конструкция коробок должна быть технологичной, надёжной в эксплуатации, удобной в ремонте и обслуживании.

Коробки скоростей современных, особенно универсальных станков, имеют большой диапазон регулирования скоростей (Д).

Д

Д = n_max / n_min

иапазон регулирования скоростей (Д) – это отношение предельных значений чисел оборотов шпинделя.

Для обеспечения оптимальной Vрез станок должен иметь бесступенчатое (плавное) изменение чисел оборотов шпинделя. Однако в настоящее время не созданы экономически выгодные, для всех случаев, приводы бесступенчатого регулирования, приводы главного движения большинства станков проектируют ступенчатыми, т. е. мы имеем ограниченное число ступеней регулирования.

Допустим, что n₁; n₂; n₃ ... n_z– ряд чисел оборотов шпинделя станка. Если члены ряда расположены по возрастающей степени, тоn₁ = n_minиn_z = n_maxназывают пределами регулирования:n₁ – нижним,n_z– верхним,z– числом ступеней частоты вращения.

Д

φ = ^{z – 1} Д

ля того чтобы станок со ступенчатым регулированием работал экономично, на каждой ступени, промежуточные числа оборотов междуn_minиn_maxдолжны давать постоянное падение скорости, при переходе от одного числа оборотов к другому. Данному условию удовлетворяет геометрический ряд чисел оборотов. Это доказал русский академик А.В. Гадолин в 1877 г. Зная число скоростейzможно найти знаменатель геометрического рядаφ.

гдеД – диапазон регулирования.

Тогда ряд чисел оборотов с учетом знаменателя φгеометрической прогрессии, можно представить:

n₁ = n_min ; n₂ = n₁ · φ; n₃ = n₂ · φ = n₁ · φ ²; n₄ = n₃ · φ = n₁ · φ ³ ... n_z = n₁ · φ ^{z – 1}.

Достоинства геометрического ряда по сравнению с арифметическим:

1. величина относительного перепада скоростей для данного ряда есть величина постоянная.

2. возможность и простота стандартизации.

3. значительно упрощается построение сложных коробок скоростей за счет последовательного применения элементарных механизмов на принципе умножения.

4. резко сокращаются расчеты таких механизмов и появляется возможность графического решения коробок скоростей и подач.

Значения знаменателя ряда φустановлены на основе следующих ограничений:

1. Ряд чисел оборотов должен удовлетворять принципу удвоения.

Для любого числа из ряда (n₁) через некоторое число членов рядахвсегда найдётся числоn_{х + 1}в два раза большее первого числа (n₁).

Имеем ряд:n₁; n₂; ...... n_{x + 1}; n_{x + 2}.... n_x+1 = 2n₁

20; 25; 31,5…40; 50; 63…n_x+2 = 2n₂

С другой стороны:

n_x+1 = n₁ · φ ^x = 2n₁; => φ ^x = 2;

т. е. для того, чтобы ряд удовлетворял принципу удвоению должно бытьφ = ^х ₂.

Принцип удвоения необходим в связи с тем, что в приводе станков применяются многоскоростные электродвигатели, у которых число оборотов изменяется при переключении в 2 раза.

Например:

n_дв= 750/1500 об/мин; илиn_дв= 750/1500/3000 об/мин.

2. Ряд чисел оборотов должен удовлетворять принципу десятичности:

Частота вращения может отличаться от табличных значений не более +10(φ– 1)%.

В качестве стандартных нормальных знаменателей нормалью станкостроения Н11 – 1 предусмотрены следующие значения φ: 1,06; 1,12; 1,26; 1,41; 1,58; 1,78; 2,0.

При проектировании станков средних размеров чаще принимают φ = 1,26 и 1,41.

Если в цепи главного движения предусмотрены сменные зубчатые колёса, то предпочтительно принимать φ -1,06; 1,12 и 1,26.

По выбранному нормальному φ из нормального ряда чисел в станкостроении выбирают значения промежуточных чисел оборотов.

В результате последовательного соединения 2-х элементарных множительных механизмов при одной скорости ведущего вала Iведомый валIII( или шпиндель) получает 6 различных скоростей (чисел оборотов).

Совокупность передач, связывающих вращение 2-х соседних валов, образуют группу передач.

Каждую группу передач характеризует два показателя:

1. количество передач в группе «Р»

2. передаточное отношение передач «i»

(По новому ГОСТу обозначают «И»)

В нашем случае две множительные группы передач: первая состоит из 3-х передач z₁/z₂; z₃/z₄; z₅/z₆, вторая из 2-х передачz₇/z₈; z₉/z₁₀(вариант А).

Порядок чередования групп вдоль кинематической цепи характеризует конструктивный вариант коробки скоростей.

Условно каждый вариант можно выразить в виде структурной формулы:

z= 6 = 3 · 2 илиz= 6 = 2 · 3 А Б

В общем виде число ступеней скорости:

z = Р₁ · Р₂ · Р₃ · … · Р_m

где Р₁; Р₂; Р₃; Р_m– число передач в первой, второй, третьей … иm-й группах. Для нашего случая Р₁= 3; Р₂= 2 – вариант А

Р₁= 2; Р₂= 3 – вариант Б

Количество конструктивных вариантов коробки на определённое число скоростей (при заданном числе передач в группах) зависит от числа групп передач m.

Передаточное отношение передач в группах зависит от так называемой характеристики групп.

Характеристика каждой группы обусловлена кинематическим порядком или кинематическим вариантом включения передач при переходе от одного числа оборотов шпинделя к другому, т. е. характеристика группы показывает в какой последовательности переключаются те или иные блоки колёс при получении определённых чисел оборотов шпинделя из заданного ряда.

Для последовательного получения всех чисел оборотов шпинделя из заднего ряда сначала переключают передачи одной группы, затем другой, третьей и т. д.

В зависимости от принятого порядка переключений передач (блоков) группа может быть основной, первой переборной, второй переборной, третьей переборной и т. д.

Каждая из этих групп имеет собственную характеристику Х.

Передаточные отношения передач в каждой группе образуют по величине геометрический ряд со знаменателем φ ^х, гдех– характеристика группы т. е. i₁ = i₁; i₂ = i₁ · φ ^х; i₃ = i₂ · φ ^х; i_n = i_n-1 · φ ^х

Основная группа передач – является первой в кинематическом порядке включения и переключения передач.

Характеристика основной группы (х_о) = 1. Это всегда, т. е.i₁ = i₁;i₂ = i₁ · φ ¹; i₃ = i₂ · φ ¹.

Первая переборная группа – является второй в кинематическом порядке включения передач.

Вообще характеристика любой переборной группы равна произведению чисел передач предшествующих ей (по порядку включения) групп, включая и основную, т. е. характеристика первой переборной группы х₁ = Р₁, гдеР₁– число передач в основной группе передач.

Вторая переборная группа передач – является 3-ей в кинематическом порядке включения передач. Её характеристика х₂ = Р₁ · Р₂, гдеР₁иР₂– числа передач соответственно в основной и первой переборной группах передач.

Третья переборная группа – является 4-ой в кинематическом порядке. Её характеристика х₃ = Р₁ · Р₂ · Р₃.

Кинематический порядок включения передач может быть различным. Значит для каждого конструктивного варианта коробки скоростей может быть несколько кинематических вариантов.

И

К_кн = m!

х количество равно числу переустановок из числаmгрупп передач, т.е.

Пример:

для z= 12 = 3 · 2 · 2, тутm= 3, значитК_кн= 1 · 2 · 3 = 6 – имеем 6-ть кинематических вариантов коробки скоростей для данного варианта.

Характеристика группы указывается условно внизу около числа передач в группе, т. е. z= 12 = 3₁· 2₃· 2₆, или иначеz= 12 = 3₂· 2₆· 2₁– тут за основную принята 3-я переборная группа, а за первую переборную – первая конструктивная.

Здесь есть шесть конструктивных вариантов:

3₁· 2₃· 2₆ 3₄· 2₁· 2₂

3₁· 2₆· 2₃ 3₂· 2₆· 2₁

3₂· 2₁· 2₆ 3₄· 2₂· 2₁