Кудояров Р.Г., Дурко Е.М.Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине Конструирование мехатронных модулей

модуля с бесступенчатым регулированием частот вращения

шпинделя. Такой привод также необходим для многоцелевого станка

в целях обеспечения его повышенных технологических

возможностей.

Приводы с бесступенчатым регулированием в

распространенных станках с ЧПУ содержат регулируемые

электродвигатели и переборные коробки. В качестве двигателяей

применяются электродвигатели постоянного тока или асинхронные с

частотным регулированием. Переборная коробка в таком приводе

служит для расширения диапазона регулирования частот вращения

шпинделя R

эР

, осуществляемого с постоянной мощностью.

С целью уменьшения количества ступеней переборной коробки

целесообразно применение электродвигателя с увеличенным

диапазоном регулирования R

эР

. В ряде случаев это может

достигаться за счет выбора электродвигателя с повышенной

мощностью. Для такого двигателя при определенной номинальной

частоте вращения соответственно коэффициенту повышения

мощности увеличивается диапазон регулирования R

эР

. На рис. 2 в

качества примера приведены графики изменения мощности

электродвигателя и мощности на шпинделе в зависимости от

частоты вращения. Вариант б) отличается от варианта а)

применением электродвигателя с повышенной мощностью и более

простой переборной коробки с меньшим количеством ступеней.

11

n

min

n

1

n

2

n

3

n

4

n

max

n

Р

э

P

шп

P

расч

а)

Р

э

n

min

n

1

n

2

n

3

n

max

n

P

шп

P

расч

б)

Рис. 2. Графики изменения мощности электродвигателя Р

э

и мощности Р

шп

, обеспечиваемой на шпинделе,

при различных частотах вращения:

а) вариант Р

э

= Р

расч

, z = 4;

б) вариант Р

э

> Р

расч

, z = 3

Более рациональное использование диапазона регулирования

R

эР

такого электродвигателя может быть достигнуто, если наряду с

повышением мощности увеличивается номинальная частота

вращения его вала.

В связи с тем, что повышение мощности электродвигателя

может отразиться на увеличении стоимости модуля, выбор варианта

привода должен сопровождаться технико-экономическим

обоснованием.

Разработка кинематической схемы привода главного движения

модуля со ступенчатым регулированием проводится в

последовательности [9]:

- выбор структурной формулы привода;

- составление принципиальной кинематической схемы;

- построение структурной сетки;

- построение графика частот вращения валов;

- расчет частных передаточных отношений ременных и зубча-

тых передач;

- определение диаметров шкивов и чисел зубьев колес;

- проверка кинематического расчета.

При разработке кинематической схемы привода главного

движения модуля с бесступенчатым регулированием частот

вращения шпинделя необходимо предварительно определить

параметры переборной коробки – знаменатель регулирования 

пк

и

12

количество ступеней частот вращения z

пк

, а также уточнить

используемые наибольшую и наименьшую частоты вращения вала

электродвигателя [7, 9].

Выбор варианта структурной формулы привода следует

проводить с учетом использования методов улучшения кинематики

приводов станков, предусматривающих применение коробок со

сложенной структурой, с частичным совпадением скоростей и со

связанными зубчатыми колесами [1, 7, 9]. Для предварительно

определенных вариантов структурных формул нужно построить

принципиальные кинематические схемы, структурные сетки и

графики частот вращения валов. На основании этого определяются

обобщенные показатели вариантов привода и осуществляется выбор

рационального варианта.

7. Пример разработки кинематической схемы модуля

привода главного движения с бесступенчатым

регулированием частот вращения шпинделя

7.1. Определение исходных данных

Исходные данные определяются на основании предыдущего

материала. Например:

- тип проектируемого мехатронного станка – токарный с ЧПУ;

- диапазон регулирования привода R

n

= 250;

- наибольшая частота вращения шпинделя n

max

= 2500 об/мин;

- регулирование частот вращения шпинделя - бесступенчатое;

- номинальная и наибольшая частоты вращения электродвигате-

ля n

эном

= 1000 об/мин, n

эmax

= 3500 об/мин;

- компоновка модуля - с встроенным приводом.

Разработка кинематической схемы модуля ведется с учетом

рекомендаций [1, 7, 8, 9].

7.2. Определение знаменателя ряда частот вращения и

числа

ступеней для переборной коробки

13

Для отсутствия разрывов при регулировании частот вращения

шпинделя необходимо обеспечить выполнение условия



пк

 R

эР

(не менее, чем на 5 %), (1)

где 

пк

- знаменатель ряда частот вращения, обеспечиваемых пере-

борной коробкой;

R

эР

– диапазон регулирования частот вращения вала

электродвигателя

с постоянной мощностью.

Вначале определяются диапазоны регулирования частот

вращения шпинделя с постоянной мощностью R

nР

и с постоянным

моментом R

nT

. Они находятся с учетом степенных зависимостей,

рекомендуемых для конкретных типов проектируемых станков [7, 9]

b

nnP

RR

1



, (2)

b

nnT

RR

1



, (3)

где R

n

=

min

max

n

, b = 4 для токарных, фрезерных и многоцелевых стан-

ков, b = 3 для сверлильных и расточных станков.

При этом

nTnPn

RRR 

(4)

Для рассматриваемого примера при b = 4 диапазоны

регулирования имеют значения: R

nР

= 62,8; R

nT

= 3,98.

Вначале знаменатель ряда 

пк

принимается с учетом диапазона

регулирования частот вращения вала электродвигателя,

осуществля-

емых c постоянной мощностью



пк

= 0,95  R

эР

, (5)

где

эном

maxэ

э

n

R

P



, для выбранного электродвигателя R

эР

= 3,5,



пк

= 3,32.

Расчетное число ступеней переборной коробки z

пк

определяется

по формуле

пк

n

пк

lg





P

R

z

. (6)

Для рассматриваемого примера z

пк

= 3,5. Это значение

округляется в большую сторону и принимается равным 4.

14

Значение знаменателя ряда частот вращения уточняется с

учетом принятого числа ступеней переборной коробки по формуле

пк

ппк

z

P

R

. (7)

Для рассматриваемого примера 

пк

= 2,81. При уточнении данного

знаменателя выдерживаются условия (1) и

m

стпк



, где 

ст

- значение

знаменателя стандартного ряда чисел [25], m – целое число. В

данном случае 

пк

= 1,4

3

= 2,8.

Диапазоны регулирования привода уточняются с учетом

принятого значения знаменателя

пк

'

z

nP

R 

, (7)

'

n

nP

n

T

R

R 

. (8)

Для рассматриваемого примера

'

np

R

= 61,2,

'

nT

R

= 4,09.

7.3. Уточнение используемых значений частот вращения

вала электродвигателя

Значения наибольшей и наименьшей частот вращения вала

электродвигателя уточняются по формулам

maxпкном

'

max

02,0 nnn

ээ



, (9)

'

эном

'

min

nT

э

R

n

n 

. (10)

При этом значение наибольшей частоты вращения шпинделя

может быть уточнено по формуле

пк

пкp

'

max

02,1

z

nn 

, (11)

где n

p

– расчетная частота вращения шпинделя,

'

эminp Т

Rnn 

.

Для рассматриваемого примера

'

minэ

n

= 245 об/мин,

'

maxэ

n

= 2830

об/ мин, n

р

= 40 об/мин, n

’

max

= 2515 об/мин.

7.4. Определение характерных значений частот вращения

шпинделя

Эти значения находятся с целью построения графика частот

вращения валов. Наименьшая частота вращения n

min

принимается

соответственно исходным данным, частоты вращения в диапазоне n

1

 n

z

определяются по геометрическому ряду со знаменателем 

пк

,

15

при этом n

1

= n

p

, наибольшая частота n

‘

max

определяется по формуле

(11).

Данные частоты вращения округляются до ближайших

стандартных значений, которые учитываются в последующих

расчетах. Для рассматриваемого примера характерные значения

частот вращения шпинделя составляют: 10; 40; 112; 315; 900; 2500

об/мин.

7.5. Выбор варианта структурной формулы привода

и выполнение отдельных этапов разработки

кинематической схемы

Для принятой компоновки модуля со встроенным приводом

определяются варианты структурной формулы. В рассматриваемом

случае возможны варианты: c нормальной множительной структурой

(вариант 1), со сложенной структурой, включающей две

дополнительные структуры (вариант 2), а также другие.

Отобранные для анализа варианты должны отвечать принципам

обеспечения наименьших габаритов привода: количество передач в

группе P

i

= 2 или 3; конструктивный порядок - с учетом условия

...

321

 PPP

P

n

, где P

1

– количество передач в первой

конструктивной группе, P

2

– во второй группе и т. д.;

кинематический порядок групп передач - последовательный (при

отсутствии двух связанных колес), при этом х

1

 х

2

 х

3

… х

n

, где х

1

– характеристика первой конструктивной группы передач, х

2

–

второй группы и т.д.

Структурные формулы привода модуля для рассматриваемого

примера:

по варианту 1

1  2

11

 2

22

= 4, (12)

где первый индекс означает конструктивный порядок группы пере

дач, второй индекс – кинематический порядок;

по варианту 2

1 2

11

·(1 + 1 1) = 4. (13)

С целью подробной оценки вариантов составляются

принципиальные кинематические схемы привода, структурные сетки

и графики частот вращения валов (ниже показано для приведенных

вариантов, см. рис. 3  8).

16

Построение графиков частот вращения валов для обеспечения

наименьших габаритов привода должно производиться с

выполнением условий: 2  i

i

 0,25; i

min1

 i

min2

 i

min3

…

; n

i



n

max

или n

э max

(при n

э max

 n

max

), где i

i

– частное передаточное

отношение (желательно обеспечивать отсутствие предельно

допустимых величин); i

min1

- наименьшее частное передаточное

отношение первой конструктивной группы передач; i

min2

- второй

конструктивной группы и т.д.; n

i

– частота вращения

промежуточного вала.

Для вариантов кинематики привода определяются обобщенные

показатели, к которым относятся: к

в

- количество валов; к

зк

-

зубчатых колес; к

пб

- передвижных блоков; к

м

– муфт; к

кц

- передач

короткой цепи и к

с

- обеспечиваемых скоростей этой цепью; B -

осевые габариты. Также находится 

max

- наибольший возможный

знаменатель регулирования частот вращения шпинделя,

обеспечиваемый коробкой передач по условию ограничения частных

передаточных отношений передач

25,02 

i

.

Анализ показывает (табл.1), что для рассматриваемого примера

целесообразно применение привода с кинематикой по варианту 1,

который отличается рядом лучших показателей по сравнению с

вариантом 2.

17



пк



Вал эл.   

n

4

i

4

n

3

i

2

n

o

i

p

i

1

n

2

 i

3

n

1

Рис. 4. К анализу варианта 1. Cтруктурная сетка

привода модуля главного движения

Рис. 3. К анализу варианта 1. Принципиальная кинематическая

схема привода модуля главного движения

5 II 9

3 4 6 8 10

ЭМ

1

I ЭМ

2

ЭМ

3

ЭМ

4

2

1 7 11

III

18

Рис. 6. К анализу варианта 2. Принципиальная кинематическая

схема привода модуля главного движения

ЭМ

1

 ЭМ

2





8

9

10

11

5  7

3 4 6 12

2

1 1 13

Вал эл.   

n



эmax

=

2860 об/мин 2500

n

эmax

=

1000 об/мин 900

i

p

i

2

i

4

n



эном

= 315

245 об/мин i

1

112

i

3

40

10 об/

мин

Рис. 5. К анализу варианта 1. График частот

вращения валов привода модуля главного движения



пк



Вал эл.    

n

0

i

2

i

p1

i

1

i

3

i

4

i

5



Рис. 7. К анализу варианта 2. Cтруктурная сетка

привода модуля главного движения

n

4

n

3

n

2

n

1

Вал эл.   



n



эmax

=

2860 об/мин

n

эном

=

1000 об/мин

i

p1

i

2

i

3

i

1

n



эmin

=

245 об/мин i

4

i

5

Рис. 8. К анализу варианта 2. График частот вращения

валов привода модуля главного движения

2500

900

315

112

40

10 об/мин

18

К некоторым недостаткам этого варианта относится

использование предельно допустимых частных передаточных

отношений передач, что может отразиться на повышенных

Вал эл.   



n



эmax

=

2860 об/мин

n

эном

=

1000 об/мин

i

p1

i

2

i

3

i

1

n



эmin

=

245 об/мин i

4

i

5

19

Кудояров Р.Г., Дурко Е.М.Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине Конструирование мехатронных модулей

Подождите немного. Документ загружается.