3 Механизмы привода металлорежущих станков

Совокупность устройств, приводящих в действие рабочие органы МРС, называют приводом. Он состоит из двигателя, являющегося источником движения, и механизмов, передающих движение рабочим органам.

В качестве двигателей чаще всего применяют односкоростные асинхронные электродвигатели переменного тока.

Привод станка должен обеспечить заданный диапазон регулирования скоростей главного движения и подач, их количество и величину.

3.1 Элементарные механизмы для ступенчатого регулирования скорости вращения валов. Элементарные механизмы, позволяющие изменять передаточные соотношения кинематических цепей, называют множительными. Будучи соединенными в определенной последовательности, они образуют кинематическую структуру, увеличивая (умножая) количество скоростей валов.

Рассмотрим наиболее распространенные множительные механизмы.

Для легких приводов применяют механизмы, состоящие из сменных или ступенчатых шкивов (рисунок 1). Диаметры шкивов подбирают таким образом, чтобы получить заданный ряд чисел оборотов ведомого вала. Для обеспечения постоянства натяжения шкивов необходимо, чтобы

d₁ + d₂ = d₃ + d₄ = d₅ + d₆.

Достоинство ременных передач – простота; недостаток – громоздкость при передаче больших нагрузок и неудобство переключения.

На рисунке 2 показаны звенья настройки, состоящие из сменных зубчатых колес (гитары). В однопарных звеньях настройки (рисунок 2,а) колеса устанавливают на консольной части вала. В двухпарных гитарах (рисунок 6,б) в зацеплении находятся две пары сменных колес.

Рисунок 1 – Звенья настройки Рисунок 2 – Звенья настройки

с ременными шкивами со сменными зубчатыми колесами

Изменять скорость вращения валов с помощью сменных колес целесообразно при длительной работе станка без перенастройки, так как замена колес требует много времени.

Широкое распространение получили механизмы, состоящие из передвижных многовенцовых блоков зубчатых колес (рисунок 3). Количество колес в блоке чаще всего два, три и реже четыре. При переключении колеса блока перемещаются на шлицах вдоль оси вала и поочередно входят в зацепление с сопряженными колесами.

Основное достоинство механизмов с передвижными блоками – их простота. К числу недостатков следует отнести невозможность переключения передачи на ходу и сравнительно большие габаритные размеры (см. рисунок 3).

Механизмы, у которых зубчатые колеса находятся в постоянном зацеплении (рисунок 4), не имеют этих недостатков. На одном валу 1 закреплены колеса 1 и 3, на другом 11 насажены свободно колеса 2 и 4. Ту или иную передачу включают в работу муфтой 5. Ее ведущий элемент связан с колесами 2 и 4, ведомый – с валом 11. Если муфта фрикционного типа, то возможно переключение на ходу.

Рисунок 3 – Механизмы с много- Рисунок 4 – Механизмы с

венцовыми блоками зубчатых колес муфтами

4 Привод главного движения

4.1 Общее понятие о множительных структурах. Скорость главного движения регулируется при помощи коробок скоростей. Их конструируют в виде самостоятельных узлов или встроенными в корпусные детали, например, в станины или шпиндельные бабки. Коробки современных, особенно универсальных, станков, имеют большое число ступеней скорости и большой диапазон регулирования. Они должны быть простыми и компактными, иметь минимальный вес, минимальное количество валов, высокий КПД, низкий уровень шума и т.д. Конструкция коробок должна быть технологичной, надежной в эксплуатации, удобной в ремонте и обслуживании.

Закономерность геометрического ряда чисел оборотов шпинделя позволяет проектировать коробки скоростей с наиболее простой множительной структурой, состоящей из элементарных двухваловых механизмов, последовательно соединенных между собой в одну или несколько кинематических цепей.

Рассмотрим для простоты шестиступенчатой коробки скоростей (рисунок 5,а). Для передачи вращения от вала 1 к валу 11 служит множительный механизм с трехвенцовым блоком (колеса1-2, 3-4, 5-6), а от вала 11 к валу 111 – множительный механизм с двухвенцовым блоком (колеса 7-8, 9-10). В результате последовательного соединения этих механизмов при одной скорости ведущего вала 1 ведомый вал 111 (или шпиндель) может иметь шесть различных угловых скоростей.

а) б)

Рисунок 5 – Схема шестиступенчатой коробки скоростей

Совокупность передач, связывающих вращение двух соседних валов, образуют группу передач. Ее характеризуют два показателя: количество передач в группе p и величины их передаточных отношений i . В рассматриваемой схеме мы имеем две множительные группы: первая состоит из трех передач (1-2, 3-4, 5-6), вторая – из двух передач (7-8, 9-10).

Порядок чередования групп вдоль кинематической цепи характеризует конструктивный вариант коробки. Его условно можно выразить в виде структурной формулы Z = 6 = 3٠2. Другой конструктивный вариант (порядок) имеет схема шестиступенчатой коробки скоростей (рисунок 5,б). Здесь в первой группе две передачи (1-2, 3-4), а во второй – три передачи (5-6, 7-8, 9-10). Структурная формула для этого варианта: Z = 6 = 2٠3.

В общем виде число ступеней скорости:

Z = p_a ٠p_b ٠_…٠p_m,

где p_a , p_b ,_…, p_m - число передач в первой, второй, … m-ой группах.

Если, например, принять число передач в группах 2 и 3, то для 12-ступенчатой коробки скоростей возможны следующие варианты структурной формулы Z = 12 = 3٠2٠2 = 2٠3٠2 = 2٠2٠3.

Передаточные отношения передач зависят от так называемой характеристики группы (x), обусловленной кинематическим порядком (вариантом) включения передач при переходе от одной скорости вращения к другой. Показатель x называется характеристикой множительной группы передач. Для кинематического порядка вида Z = 6 = 3٠2 характеристика первой группы ппередач x₁ = 1, а второй - x₂ = 3. Структурную формулу, уточняющую не только конструктивный, но и кинематический порядок, принято записывать так:

Z = p_(x1) ٠ p_(x2) ٠… ٠p_(xm).

Здесь место группы в формуле показывает конструктивный порядок и номер группы, а индекс – ее характеристику. Для нашего примера Z = 6 = 3₁٠2₃. Такая запись означает, что первая группа имеет три передачи, а ее характеристика x₁ =1; вторая группа – две передачи, а характеристика x₂ = 3.

Группу передач, имеющую характеристику x₁ = 1, называют основной группой, а остальные группы (с x > 1) – переборными.

Если первая группа является основной, то характеристика последующих групп равна числу ступеней скорости совокупности групповых передач, кинематически предшествующих данной группе. Это положение представляется в следующем виде. Если x₁ =1, то x₂ = p_a ; x₃ = p_a ٠p_b; x_m = p_a ٠p_b ٠_…٠p_m-1. Например: Z = 8 = 2₁٠2₂٠2₄; Z = 12 = 3₁٠2₃٠2₆; Z = 18 = 3₁٠3₃٠2₉.

4.2 Графическое изображение множительной структуры. Данный метод основан на условном графическом изображении валов и передач. Проведем две вертикальные линии 1 и 11 (рисунок 6,а). Отложим от линии 00 отрезки, равные lgn₁, lgn_2, lgn₃ … Через полученные точки 1,2, 3… проведем горизонтальные линии. Вертикали 1 и 11 условно изображают валы, а точки 1,2, 3… их угловые скорости ( в об/мин). Например, точки 1 и 3 соответствуют числам оборотов n₁ и n₃, а точки 5 и 6 – одной и той же скорости n₅. Число точек на вертикальной линии указывает на количество угловых скоростей данного вала. Отрезки 1-2, 2-3, 3-4, … равны величине lgφ. В самом деле, отрезок

1-2 = lgn₂ - lgn₁ = lg= lgφ = const.

Рисунок 6 – Графическое изображение множительной структуры

Передачи условно изображают прямыми линиями (например, 6-5, 6-3, 6-1). Концы линий соединяют с точками, соответствующими числам оборотов ведущего и ведомого валов. Линия 6-1, например, изображает зубчатую передачу . Шестерня с числом зубьев z₁ вращается с валом 1 со скоростью n₅ об/мин, а колесо с числом зубьев z₂ вращается с валом 11 со скоростью n₁ об/мин.

Линии с наклоном вверх (слева направо) изображают ускорительную передачу, а направленные вниз – замедлительную передачу. Передаточное отношение передачи

I = φ^±s,

где s – число интервалов lgφ, на которое поднимается или опускается линия, изображающая передачу. Для ускорительной передачи s имеет положительное значение, для замедлительной – отрицательное. Пусть линии 6-1, 6-3, 6-5 (рисунок 6,а) изображают группу передач с трехвенцовым передвижным блоком (например, 1-2, 3-4, 5-6, рисунок 5,а). Тогда передаточные отношения передач по графику

; ;.

Если на графике имеется несколько параллельных линий (например, рисунок 6,в), то они изображают одну и ту же передачу, так как имеют одинаковые i.

Линию 00 и откладывание логарифмов чисел оборотов мы провели для уяснения принципа. Обычно при построении графиков линию 00 не проводят, а точки 1,2,3 … обозначают числами оборотов, а не их логарифмами. Минимальное число вертикальных линий на графиках (по числу валов) равно m+1, а горизонтальных линий (ступеней скорости) z и больше.

Построим структурную сетку и график чисел оборотов для множительной структуры Z = 6 = 3₁٠2₃ (рисунок 5,а). Проведем три вертикальные линии, соответствующие валам 1,11 и 111 (рисунок 6,б), и шесть горизонтальных линий по количеству скоростей вала 111. Нанесем точки n₁ – n₆, изображающие ряд чисел оборотов последнего.

Вал 1 имеет одну угловую скорость, следовательно, на линии 1 должна быть одна точка (4). Располагаем ее симметрично, как показано на рисунке. Первая группа состоит из трех передач (1-2, 3-4, 5-6), следовательно, из точки 4 необходимо повести три линии. Так как характеристика первой группы передач x₁ =1, расстояние между соседними точками на линии 11 должно быть равно одному интервалу. Наносим симметрично 1,2,3 и соединяем их с точкой 4. Линии 4-1, 4-2, 4-3 изображают передачи , , .

Проводим далее линии, соответствующие двум передачам второй группы (7-8, 9-10). Так как характеристика x₂ =3, точку 1 соединяем с двумя равноудаленными от нее точками n₁ и n₄, отстоящими одна от другой на расстоянии трех интервалов. Мы получим две линии 1- n₁ и 1- n₄. Поступаем аналогично с точками 3 и 3, соединяя их с точками n₂, n₅ и n₃, n₆. Один пучок параллельных линий отображает передачу , другой -

Характеризуя привод, структурные сетки являются общими для многих конкретных случаев; однако они не дают представления о числах оборотов валов, о величине передаточного отношения передач. Поэтому для определения указанных параметров применительно к конкретным условиям привода строят так называемый график чисел оборотов.

В общем случае число оборотов приводного вала 1 составляет

n ≥ n_max٠φ^u,

где n_max – верхний предел регулирования; u – любое число. Наиболее целесообразно принимать n ≥ n_max, так как при этом наибольшая величина передаточных отношений передач в группах не превышаю 1:1. Построение упрощается, если принять n = n_max. В этом случае для структурной сетки, изображенной на рисунке 6,а, число оборотов 1 вала n = n_max = n₆. Поэтому точки 4 и 3 на сетке переносим на самый верх (рисунок 6,в). Точки 2 и 1 располагаем, сохраняя расстояние их от точки 3, как на структурной сетке. Соединим точки прямыми линиями и, обозначив передачи, получим график чисел оборотов.

Передаточные отношения передач

первой группы

; ;;

второй группы

; .