Міністерство освіти і наукиУкраїни
Житомирський державнийтехнологічний університет
Кафедра ТМ і КТС
Група МС-112
Курсовий проект
з дисципліни:
«Обладнання і транспортмеханічних цехів»
на тему:
«Модернізація головногопривода токарно-гвинторізного верстата мод. КА280 (16К20) з метою підвищенняпродуктивності»
Житомир
Зміст
Завдання
Вступ
Розділ 1. Базовий верстат і його головний привод
Розділ 2. Модернізований привід
Розділ 3. Кінематичний розрахунок модернізованогопривода
Розділ 4. Міцнісний розрахунок шпинделя. Підшипники.
Розділ 5. Змащування
Розділ 6. Характеристика робототехнічного комплексу
Розділ 7. Керування верстатом
Розділ 8. Загальний вигляд РТК (графічна частина)
Розділ 9. Шпиндельний вузол (графічна частина)
Розділ 10. Керування (графічна частина)
Література
Завдання:
Модернізаціяголовного привода базового верстата КА280 з метою підвищення продуктивності
Вихідні дані:
Тип привода
Загальний вигляд
N, кВт
n шп.max безступеневий РТК 8 4200
Вступ
Токарніавтоматизовані верстати з ЧПК призначені для зовнішньої і внутрішньої обробкибудь-яких складних заготовок типу тіл обертання. Вони складають найбільш значнугрупу за номенклатурою в парку верстатів з ЧПК, хоча токарні верстати почалиоснащувати пристроями з ЧПК пізніше, ніж свердлувальні і фрезерні.
Сучаснийавтоматизований токарний верстат — надскладна технологічна машина. Тут вимушеніпоєднувати великі динамічні навантаження (від обертання з великими швидкостямичасто важких заготовок) з мікронною точністю відліку переміщень інструмента.Режим роботи токарних верстатів жорсткий. Його ускладнює стружка (інколи вита),розбризкування під тиском значних об'ємів мастильно-охолоджувальної рідини,теплові деформації робочих вузлів тощо.
Проектуванняабо модернізація металорізального верстата або окремого його вузла — цекропіткий творчий пошук, який обов'язково супроводжується необхіднимипроектними та перевірочними розрахунками, пов'язаними з досягненням заданихпоказників точності та надійності, продуктивності та металоємкості і таке інше.
Тількиінженер, який володіє гарною загальною конструкторською та технологічноюпідготовкою, може створити сучасну машину або систему, відтворюючи відомі йомупрототипи, але на більш високому науково-технічному рівні.
1. Базовийверстат і його головний привод
За базовийверстат приймаємо універсальний токарно-гвинторізний верстат КА280, який єаналогом верстатів 1К62, 16К20, МК6056, 16Р25П.
Верстат КА-280нормального класу точності призначений для механічної обробки різноманітнихдеталей зі сталі, чавуну, кольорових металів, а також загартованих деталей, якіпотребують застосування важких режимів різання (наприклад, з жароміцних таінструментальних сталей)
На верстатівиконуються токарні, різьбонарізні (нарізання метричної, дюймової, модульноїрізьби) і свердлильні роботи.
Основнітехнічні характеристики верстата
Клас точності заГОСТ 8-82, (Н, П, В, А, С) — Н
Відстань міжцентрами, мм-500
Найбільшийдіаметр заготовки, мм
над станиною- 400
над супортом — 220
над вирізом встанині- 630
Найбільшийдіаметр оброблюваного прутка,
що проходитьчерез отвір шпинделя, мм- 52
Межі кроків, щонарізуються:
різьбометричних,мм-0,5-112
модульних, модуль-0,5-112
дюймових,ниток/дюйм- 56-0,25
пітчевих,ниток/дюйм- 56-0,25
Межі частотобертання шпинделя, об/хв.-12,5-1600
Межі подач,мм/об:
Поздовжніх-0,05-2,8
Поперечних-0,025-1,4
верхньої каретки-0,015-0,8
Кількість подач-23
Кількість частотобертання шпинделя- 22
Конус Морзешпинделя- №6
Найбільша масавстановлюваної заготовки з врахуванням
масизакріплюваних елементів, кг:
в патронах- 100
в центрах- 400
Потужністьдвигуна приводу головного руху, кВт- 7,5
Габаритні розміриверстата, мм:
Довжина- 3295
Висота-1275
Ширина- 1190
Маса верстата, кг-3340
Кінематика верстата
/>
Верстат мод. К280 має основні рухи:
Головний рух – обертання шпинделя із заготовкою виконується основнимелектродвигуном через клинопасову передачу та коробку швидкостей.
Поздовжня подача – переміщення поздовжнього супорта по напрямних станини відходового вала або ходового гвинта забезпечується за рахунок відбору потужностівід шпинделя.
Поперечна подача – переміщення поперечного супорта по напрямних напоздовжньому супорті.
Допоміжні рухи – швидкі переміщення супортів від допоміжного електродвигуначерез клинопасову передачу.
Головний привод верстата КА280 використовує автоматичну коробку швидкостей (АКШ).Вона знаходиться між двигуном, що закріплений на підмоторній плиті, ташпинделем. Двигун має ступеневе регулювання.
2. Модернізованийпривід
Конструкціямодернізованого приводу використовує широко-регульований двигун. Такаконструкція є найбільш досконалою, тому що має мінімальну кількістькінематичних елементів, а саме: двигун, два шківи та поліклиновий пас. Двигун,установлений на підмоторній плиті, що дозволяє за допомогою гвинтової парирегулювати натяг паса. Плита до станини закріплюється гвинтами.
Датчикзворотного зв'язку за швидкістю обертів шпинделя закріплений на кронштейні нашпиндельній бабці. Шківами та зубчастим пасом датчик зв'язаний зі шпинделем Швидкісніможливості привода надають експлуатації верстата деякі особливості. Якщотехнологічний процес обробки деталі включає роботу на максимальних частотахобертання, то щоб запобігти перевантаженню привода рекомендується в управляючупрограму закласти «поетапний» набір швидкості від стану спокою. Крімтого, після тривалої зупинки верстата (при вмиканні після багатогодинногопростою, після вихідних днів) рекомендується перед початком роботи прогріватишпиндельний вузол послідовним вмиканням по 5 хвилин ступінчасто збільшуваноїчастоти обертання так, щоб загальний час складав 15-25хв.
Втакій схемі привода з широко-регульованим двигуном на частотах обертання до 500хв"1 слабкою ланкою є пас, а на більш швидких — електродвигун..
3.Кінематичний розрахунок модернізованого привода
Вихідніпараметри:
Максимальна частота обертання шпинделя- /> 4200 хв-1
Потужність двигуна- /> 8 кВт
Привод шпинделя з плавним (безступеневим) регулюваннямшвидкості в сучасних металорізальних верстатах містить багатошвидкісний двигун постійного струму серії 4П.
За заданою потужністю вибираємо електродвигун по [2,табл.3.1, с.48] 4ПФ112SBT.
Технічні характеристики двигуна 4ПФ112SВТ:
Потужність двигуна, кВт — 8
Максимальні оберти двигуна, хв-1 (nдв.max).-4800
Номінальні оберти (nн)-. 2060
Діапазон регулювання:
XN — 3,7
RN — 2,35
ККД, %-. 88,2
Розрахунокпасової передачі
Передаточне відношення пасової передачі:
/>
Згідно [1, гл.3] та [2, гл.4] в приводі модернізованоговерстату використовуємо поліклинову пасову передачу.
Розрахунок будемо вести згідно [1, п.3.4.1.]
Сформулюємо вихідні дані:
/>
/>
/>
Кутова швидкість ведучого шківа:
/> (рад/с)
Момент на швидкохідному валу:
/> (Нм)
Згідно [1, табл.3.5.] вибираємо пас з перерізом L.
Діаметр малого шківа:
/> (мм)
Округлюємо знайдене значення до стандартного, приймемо DM= 160 мм [ГОСТ 1284-88].
Діаметр ведучого шківа:
/> (мм)
Приймаємо за [ГОСТ 1284-88] DБ = 180 мм.
Уточнюємо передатне відношення (враховуючи ковзання: ε= 0,01):
/>
Похибка передатного відношення складатиме:
/>
Така похибка є невеликою, а тому прийнятною (допустимевідхилення до 4%).
Швидкість паса:
/> (м/с)
Між осьова відстань:
/> (мм)
/> (мм)
Виберемо для подальшого розрахунку середнє значення А = 263,5 мм.
Розрахункова довжина паса:
/> (мм)
Приймаємо найближче стандартне значення довжини паса за[ГОСТ 1284-88]:
L= 1180 мм.
Уточнюємо між осьову відстань:
/>
Кут охоплення пасом малого шківа:
/>
Колова сила:
/> (Н)
Коефіцієнт, що враховує вплив кута охоплення малого шківа:
/>/>
Коефіцієнт, що враховує вплив довжини паса:
/>
(тут LO = 1500 мм за [1, табл. 3.6])
Коефіцієнт динамічності навантаження і режиму роботи за [1,табл. 3.6]: СP = 1,0 .
/> (Н)
/> (Н)
(тут P10 — допустима колова сила для передачі з поліклиновим пасом з 10 ребрами при передаточномувідношенні и = 1; куті обхвату малого шківа α1 = 180° іеталонною довжиною LO:L10 = 1120 H)
Число ребер поліклинового пасу:
/>
Приймемо остаточно найближче більше парне число ребер Z = 2.
Сила, що діє на вал (її слід враховувати при розрахункахвалів та опор):
/> (Н)
4.Міцнісний розрахунок шпинделя
Розрахунок шпинделя на міцність будемо вести, спираючись наметодику, викладену в [2, гл.9] та [1, гл.4].
Розрахунокгеометричних параметрів шпинделя
Визначення основних конструктивних розмірів шпиндельноговузла — це найвідповідальніший етап створення верстата.
Діаметр передньої опори:
/> (мм),
тут (dn) = 3,0·105 — швидкісний коефіцієнт, вибирається за [2, табл.9.1];
nmax= 4200 1/хв — найбільша проектна частота обертанняшпинделя;
Приймемо найближче більше стандартне значення діаметра: d1= 80 мм
Діаметр задньої опори:
/> (мм)
Відстань між опорами:
/> (мм)
Довжина передньої консолі:
/> (мм)
Діаметр шпинделя між опорами:
/> (мм)
Внутрішній діаметр рівний діаметру отвору базового верстату:/> мм.
Виходячи із значення швидкісного коефіцієнта, та керуючисьрекомендаціями [2, табл.9.3] та [4, гл.8, п.3], обираємо схему опор, що матимевигляд:
/>
Тип підшипників передньої опори: двохрядний роликовийрадіальний 3182116К у кількості 1 шт. та упорно-радіальний здвоєний 178816 укількості 1 шт., а задньої опори — двохрядний роликовий радіальний 3182112К укількості 1 шт.
Перевіркаміцності та розрахунок радіальної жорсткості шпиндельного вузла
В процесі роботи металорізального верстату геометрична вісьшпинделя змінює своє положення внаслідок піддатливості опор від дії силрізання, згинальних моментів та зсуву від поперечних сил. Фактичне положеннягеометричної осі шпинделя буде залежати від жорсткості шпиндельного вузла, якаможе бути визначена за принципом суперпозиції.
Головна складова сили різання за [дод.2]: /> Н
Розрахункова схема:
/>
Визначимо реакції в опорах:
/>/>
/>
Перевірка:
/>
Обертальний момент на шпинделі:
/> (Нм)
Перевірний розрахунок шпиндельного вузла на міцність
Приведений момент:
/>
Найменший діаметр пустотілого валу:
/>,
де />
/> èміцність забезпечена
Визначаємо пружне зближення тіл кочення та кілецьпідшипника в опорах:
— в передній:
/>,
Де /> - коефіцієнтдеформації згідно [2, п.9.4, с.158]. (d — внутрішній діаметр підшипника. Йогота інші параметри підшипників визначаємо згідно [2, дод.4])
— в задній:
/>
Визначаємо контактну деформацію поверхонь опор:
— передньої:
/>
(тут kд = 0,001- коефіцієнт деформації за [2, п.9.4]), d — внутрішній діаметр підшипника, D — зовнішній діаметр підшипника, b — ширина підшипника за [2, дод.4])
— задньої:
/>
Жорсткість опор:
— передньої:
/>
— задньої:
/>
Так як в обох опорах встановлено дворядні підшипники,відповідно отриману жорсткість для кожної з опор слід збільшити вдвічі:
/>
/>
Піддатливістьопор:
— передньої: />
— задньої: />
Переміщення переднього кінця шпинделя відпіддатливості опор:
/>
В цій формулі ε = 0,45- коефіцієнт защемлення згідно [2, п.9.4]
Переміщення переднього кінця шпинделя від згинальногонавантаження:
/>
Тут /> Н/мм — модульпружності; І1 та І2 — відповідно моменти інерції перерізушпинделя між опорами та консолі:
/>
/>
Переміщення переднього кінця шпинделя від зсуву за рахунокпоперечних сил:
/>
В цій формулі:
/> -площа перерізу консолі шпинделя ;
/>-площа перерізу шпинделя між опорами ;
/> -модуль зсуву
Радіальна жорсткість шпиндельного вузла при дії наконсоль сили Pz за принципомсуперпозиції:
/>
Оскільки впередній опорі дворядні підшипники: то за принципом суперпозиції остаточнарадіальна жорсткість вузла:
/>
/> />
Отже жорсткістьшпинделя достатня.
Розрахунокосьової жорсткості шпиндельного вузла
Осьова сила, що діє на шпиндель:
/>
Пружне зближення тіл кочення та кілець упорного підшипника178816:
/>
В цій формулі: kд — коефіцієнт деформації контактних поверхонь:
/>,
де dш= 10 мм — діаметр кульок підшипника;
Z = 44 — кількістькульок
Контактнадеформація кілець підшипників і корпуса опори в місцях дотику:
/>
ТутКд — коефіцієнт деформації дотику = />;
SK — площа контакту дотику:
/>
D = 125 мм — діаметр корпуса в зонідотику (що приблизно рівний зовнішньому діаметру підшипника);
d = 80 мм — внутрішній діаметр підшипника.
Осьоважорсткість:
/>
З врахуваннямсхеми встановлення підшипників:
/>
5. Змащування
В проектованому модернізованому верстаті використовується централізованасистема змащування, що реалізується від насоса гідроприводу верстата. Данасистема необхідна для подачі рідкого масла на ті частини шпинделя, щообертаються та знаходяться всередині корпусу верстата, з метою змащування тавідведення підвищеної температури. Рідке масло подається в систему, проходитьочищення з використанням фільтра, що необхідно для того, щоб вберегти частини,які труться, від швидкого зношування, оскільки разом з неочищеним мастиломможуть потрапити різні дрібнодисперсні тверді частинки. Марка рідкого масла, щорекомендується для використання на проектованому верстаті: И-Г-С заГОСТ17479-87.
Також у верстаті одночасно з централізованою системою змащуваннязастосовується автономна. Автономна система змащування використовується у білльважкодоступних місцях, а також в місцях, де є нераціональним використовуватицентралізовану систему. В якості пластичного мастила на проектованому верстатірекомендується використовувати високоякісний пластичний матеріал довготривалоїдії: ОКБ-122-7 ГОСТ 18179-72.
Станція змащування призначена для масла елементів коробки швидкостей.Вона представляє собою зварений бак 28 л та розташовану на ньому апаратуру.
Змащування опор шпинделя здійснюється від системи гідроприводу звикористанням фільтру з тонкошкіряного войлоку. Змащування вмістом крапельне тарегулюється гвинтами. Подачу масла необхідно відрегулювати.
6.Характеристика робототехнічного комплексу
Згідно [7, гл.4]на першому аркуші графічної частини курсового проекту показаний загальнийвигляд РТК для токарної обробки деталей, побудованого на базі верстата КА280 зЧПК (поз. 1), обслуговуючого його автоматичного маніпулятора 2 мод. МА80Ц05.15агрегатно-модульного типу та магазину 3 з тактовим столом для подачі в зонузавантаження-розвантаження тари 4 з заготовками та деталями. Живленнягідроприводів верстата, автоматичного маніпулятора та магазина-накопичувачаздійснюється від загальної гідростанції 5.
Автоматичнийманіпулятор працює у відповідністю з циклограмою. Передбачена можливістьобробки заготовки з двох сторін (з переустановленням у патроні за рахунокповороту на 180°). Початок циклу відповідає переміщенню каретки маніпулятора зпозиції очікування (за задньою бабкою) в зону завантаження стола. В кінці циклукаретка знов повертається до вихідної позиції в зоні задньої бабки верстата.Час виконання окремих етапів циклу вказано в характеристиці руху механізмівРТК.
Автоматичнийманіпулятор володіє сімома ступенями рухомості (з урахуванням наявності двохрук). Маніпулятор побудований з уніфікованих вузлів (модулів): каретки 2, зприводом 6; монорельса 7 з кронштейнами 8 і 9, встановленими на передній бабціта станині верстата; блоку механічних рук 10 та 11, кожна з яких оснащенаголовкою 12 та захватним пристроєм 13 з механізмом повороту відноснопоздовжньої осі; гідроблоку 14; електрошафи 15 управління; електро- та гідрокомунікацій 16.
Характеристикарухів механізмів РТК:
Переміщеннякаретки в зону магазина- 3000 мм (5,5 с)
Переміщеннякаретки від магазину до задньої бабки- 2350 мм (4,4 с)
Переміщеннякаретки від задньої бабки до патрона- 650 мм (1,5 с)
Хід блоку руки ІІдо руки І- 112 мм (1,2 с)
Хід каретки призміні рук у патрона- 400 мм (2,0 с)
Хід рукивгору/вниз- 400 мм (1,0 с)
Ротація схвату-180° (1,8 с)
Поворот схватугоризонтально/вертикально-90° (1,0 с)
Затискання(розтискання) схвату руки- 18 мм (0,2 с)
Хід штовхача(магазину).- 75 мм (2,5 с)
Затискання(розтискання) патрону верстата- — (1,0 с)
Притискання рукдо патрона- 30 мм (0,3 с)
Відкриття(закриття) огородження- — (1,5 с)
(В дужкахнаведений час руху механізму)
Повний час змінизаготовки tП = 20,7 с.
Час зміни заготовки,який н перекривається циклом обробки деталі tС = 20,7 с.
7. Керування
Пристрій числового програмного керування NC-110
Пристрій відрізняється унікальним поєднанням багатофункціональності,надійності, простоти виготовлення.
Пристрій ЧПК побудовано за модульним принципом і дозволяє задовольнятизростаючі потреби споживачів шляхом вбудовування додаткових модулів. Пристрійлегко адаптується для найскладніших об’єктів, елементи яких можуть потребуватиодночасного і незалежного керування в реальному часі.
Потужне програмне забезпечення дозволяє керувати верстатами усіх основнихтипів: токарними, фрезерними, оброблюючими центрами, копіювальними,шліфувальними, кувально-пресовим обладнанням ті ін
Основні характеристики ПЧПК NC-110:
٭ Керуючих осей від 2 до 16 і такт керування приводами для 16-тиосей 1мс; — Дискретні Вх/Вих 48/32 — 384/256;
٭ Дані організовані у файлах (таблиці інструментів, корекційінструментів);
٭ Підготовка керуючих програм одночасно виконанням циклу обробкидеталі;
٭ Різноманітні повідомлення (помилки при підготовці кадрів,помилки оператора, помилки діагностики системи та ін.);
٭ Компенсація похибки ходового гвинта та компенсація люфтів;
٭ Програмні обмеження;
٭ Захищені області та визначення робочого поля з керуючоїпрограми;
٭ Управління швидкістю на профілі;
٭ Управління розгоном/гальмуванням по лінійному абоекспотенціальному або експоненціальному закону;
٭ Встановлювані при конфігурації початкові точки;
٭ Електронний штурвал;
٭ Датчики типу енкодер;
٭ Діагностика при ввімкненні та під час роботи;
٭ Послідовний канал RS232 та паралельний порт;
٭ Вбудований програмований інтерфейс логіки верстата;
٭ Мова високого рівня для програмування інтерфейсу логікиверстата;
٭ Відеографіка.
Короткі характеристики програмування:
• програмування в абсолютних розмірах та приростах, в міліметрах тадюймах;
• компенсація радіуса інструмента;
• зміщення нуля;
• визначення величини припуску;
• конічні та циліндричні різьбонарізання з постійним та змінним кроком;
• цикли чорнової обробки та чистової обробки;
• цикли обробки пазів та зняття стружки;
• цикли різьбонарізання;
• програмування повного круга;
• пряме програмування за допомогою кутів, прямих та кіл;
• параметричне програмування;
• повтор частин керуючих програм;
• підпрограми з параметрами;
• умовні та безумовні переходи;
• масштабування;
• пропуск кадрів;
• 9999 інструментів та корекцій інструментів;
• можливість включення декількох функцій G и М в кадрі;
• подвійні осі;
• неперервні осі обертання;
• осі обертання із заданням більше 360 градусів;
• скоординовано вісь шпинделя.
ЛІТЕРАТУРА
1. ВасилюкГ.Д., Лоєв В.Ю., Мельничук П.П. – Конструювання, розрахунок та експлуатаціятокарних верстатів з ЧПК: Начільний посібник. – Житомир: ЖІТІ, 2001. – 400 с.
2. КобзарЄ.П., Мельничук Л.С., Громовий О.А. – Розрахунки і проектування вузлів тадеталей верстатів і систем: Навчальний посібник. – Житомир: ЖІТІ, 2000. – 361c.
3. Справочниктехнолога машиностроителя. В 2-х т. Т. 2\Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К.Мещерякова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985. – 496 с.
4. Пуш В.Э.– Конструирование металлорежущих станков. – М.: Машиностроение, 1977. –392 с.
5. ЛоктеваС.Е. – Станки с программным управлением и промышленные роботы: Учебник длямашиностроительных техникумов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Машиностроение, 1986, 320 с.
6. Металлорежущиестанки: Учебник для машиностроительных втузов\Под ред. В.Э. Пуша – М:Машиностроение, 1985 – 256 с.
7. Роботизированныетехнологические комплексы и гибкие производственные системы в машиностроении:Альбом схем и чертежей: Учеб. пособие для втузов\Ю.М. Соломенцев, К.П. Жуков,Ю.А. Павлов и др. – М.: Машиностроение, 1989. – 192 с.