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

Подождите немного. Документ загружается.

радиальных габаритах модуля. Поэтому при углубленной проработке

следует продолжить поиск наиболее выгодного варианта.

При выполнении дипломного проекта поиск варианта

кинематики привода модуля целесообразно осуществлять с учетом

проверки возможности применения привода с регулируемым

двигателем повышенной мощности, что позволяет уменьшить

количество ступеней переборной коробки (см. п. 6). В качестве

критерия выбора варианта привода в данном случае может быть

принято обеспечение требуемых габаритов модуля с учетом его

наименьшей стоимости.

Таблица 1

Обобщенные показатели вариантов кинематики

привода модуля

Обобщенные

показатели

Варианты

1 2

3 4

зк

8 10

пб

- 2

4 2

кц

- 2

B 4b +2b

7b +b



max

1,25 2

На следующем этапе расчета для выбранного варианта

структурной формулы с помощью построенного графика частот

вращения валов производится определение частных передаточных

отношений [9]. Далее кинематический расчет привода продолжается

по обычной методике (см. п. 6).

Проверка правильности кинематического расчета привода с

бесступенчатым регулированием частот вращения шпинделя

проводится на основании выполнения условия (1).

8. Определение расчетных нагрузок и проектные расчеты

деталей

8.1. Уточнение к.п.д. привода модуля

При проектировании модуля главного движения станка

нормальной и повышенной точности к.п.д. механической части

привода уточняется по формуле

enm

пзпрп





, (14)

где



рп

- к.п.д. ременной передачи (для поликлиновой передачи –

0,98);



зп

к.п.д. зубчатой передачи (для цилиндрической прямо-

зубой передачи - 0,99);



к.п.д. подшипника (для подшипника

качения - 0,997); m, n, e – показатели степени, соответствующие

количеству передач и подшипников, участвующих в получении

расчетных частот вращения валов (см. п. 8.4).

При проектировании прецизионных станков классов В, А и С

к.п.д. механической части привода определяется с учетом мощности

холостого хода и динамических потерь.

8.2. Уточнение номинальной мощности приводного

электродвигателя

Расчетное значение номинальной мощности приводного

электродвигателя уточняется по формуле

эф

эном



Р 

, (15)

где Р

эф

– эффективная мощность резания, кВт.

Номинальная мощность электродвигателя принимается с

округлением в большую сторону по справочным данным [8].

8.3. Определение мощности на валах привода модуля

Мощность на валах привода определяется по формуле

iiii





)1(1



, (16)

где

ii  )1(



- к.п.д. участка кинематической цепи, определяется по

формуле (14), с учетом элементов, участвующих в передаче

движения.

8.4. Определение расчетных значений частот вращения

валов и зубчатых колес

На графике частот вращения валов (рис. 5) выделяется

двойными линиями расчетная цепь, которая показывает наиболее

нагруженные варианты работы передач, участвующие в получении

расчетной или более высокой частоты вращения шпинделя.

Для рассмотренного примера расчетные обороты валов: n

p

эном

 i

; n

p

= n

p

 i

; n

p

= n

(см. п. 7.3)

Расчетными являются

передачи i

, i

с указанными вариантами работы.

Далее находятся значения расчетных частот вращения шкивов и

зубчатых колес. Например, для передачи i

(рис. 5) расчетная частота

вращения шестерни составляет 450 об/мин, колеса - 160 об/мин.

8.5. Определение расчетных значений крутящих моментов

Расчетные значения крутящих моментов деталей привода

определяются по формуле

9550

T 

, нм. (17)

где Р

– расчетное значение мощности на валу, определяется анало-

гично Р

(16) при условии передачи расчетных частот вращения.

9. Предварительная разработка конструкции модуля

Определение требований к проектируемому модулю. В общем

случае необходимо учитывать обеспечение:

- рациональных нагрузок элементов привода;

- наименьших радиальных и осевых габаритов;

- удобной сборки и регулировки;

- технологичности конструкции (за счет стандартизации,

нормализации, унификации и упрощения конструкции

нестандартных дета-

лей);

- возможности компенсации температурных деформаций валов

и шпинделя,

- наименьшей себестоимости изготовления модуля.

При конструировании следует учитывать известные методики

поиска технических решений и опыт проектирования аналогичных

устройств [1, 2, 3, 14, 15, 17 и др.].

Вначале рекомендуется выполнить предварительную

разработку конструкции модуля. К этапам этой работы относятся

(рис. 9):

- проектные расчеты валов, зубчатых передач и определение их

геометрических размеров); разработка компоновки развертки валов c

учетом наименьших радиальных габаритов привода, условием

проектирования является обеспечение наименьших радиальных

зазоров 

между вращающимися валами и деталями соседних групп

передач; при этом возможна коррекция сумм зубьев групп передач,

чисел зубьев и размеров зубчатых колес;

- корректировка компоновки развертки валов для достижения

наименьших или рациональных радиальных и осевых габаритов

привода; при необходимости производится изменение чисел зубьев

колес с учетом обеспечения расчетных значений передаточных

отношений;

- cоставление эскизов валов c указанием диаметров их

поверхностей и корректировка компоновки развертки валов с учетом

обеспечения удобной сборки привода и технологичности

изготовления его деталей;

- выбор варианта компоновки развертки валов модуля; данный

этап осуществляется с учетом комплексной оценки предыдущих

вариантов, в качестве которой могут быть использованы

обобщенные показатели вариантов и сравнительная себестоимость

изготовления модуля; при выполнении этого этапа по указанию

консультанта может проводиться поиск варианта с улучшенными

динамическими характеристиками (см. п. 11);

- предварительная разработка подробной конструкции

развертки валов; этот этап рекомендуется выполнять с

использованием подсистем САПР «Шпиндельный узел» [12, 16].

При выполнении этапов 1  4 (рис. 9) рекомендуется

проектирование производить в уменьшенном масштабе, а для этапа 5

– в масштабе 1:1.

1. Проектные расчеты

деталей, разработка

вариантов компоновок

развертки валов

Кинематическая

схема привода

модуля

2. Корректировка

вариантов

компоновок развертки

валов



1 



1min



1min

= 3  5 мм,

1 

1 min

(в общем

случае)



2 



1min



3 



1min

S  S

min

(в общем

случае)

3. Составление

эскизов валов,

корректировка

вариантов компоновки

валов модуля



вi 



в min

возможность

удобной

сборки

5. Предварительная

разработка

конструкции развертки

валов модуля

Выполнение

комплекса

требований

4. Выбор варианта

компоновки

развертки

валов модуля

С  С

min

Анализ

аналогичных

конструкций,

используемых

в современных

станках

Определение

требований к

проектируемому

модулю

Рис. 9. Схема алгоритма предварительного проектирования привода

модуля: 

- радиальные зазоры между валами и деталями соседних групп

передач; 

3

- радиальный и осевые зазоры между деталями,

вращающимися с различной угловой скоростью; В

, В

– радиальные и

осевые

габариты привода модуля; S – площадь развертки валов (S = B

 B



вi

- наибольшая разница диаметров вала; С – сравнительная

себестоимость изготовления модуля

На чертеже конструкции должны быть указаны размеры и

посадки для основных сопряжений деталей, расстояния с допусками

между осями валов, а также осевые габариты модуля.

10. Уточнение конструкции модуля

Уточнение конструкции развертки валов модуля проводится в

последовательности (рис. 10):

- на основании предварительно разработанной конструкции

модуля составляется схема свертки валов; при этом учитываются

компоновки станка и разрабатываемого модуля, направление и

величина силы резания, расположение двигателя и механизмов

управления; для обеспечения плотной свертки валов должны

выдерживаться радиальные зазоры между деталями соседних групп

передач, близкими к наименьшим допускаемым значениям; на схеме

свертки валов указываются направления вращения валов и

действующие силы при условии передачи расчетных крутящих

моментов;

- составляются расчетные схемы валов с указанием сил,

действующих в горизонтальной и вертикальной плоскостях, эти

схемы сопровождаются эпюрами крутящих и изгибающих моментов;

- проверочные расчеты деталей привода [16, 18, 19, 20 и др.];

для валов проводятся расчеты на выносливость, при этом

определяются коэффициенты запаса прочности по нормальным и

касательным напряжениям, определяются общие коэффициенты

запаса прочности, которые сравниваются с наименьшими

допускаемыми значениями, также выполняются проверочные

расчеты шлицев и шпонок;

для шпиндельного узла проводится расчет на жесткость [1, 16 и

др.], при этом деформации шпинделя сравниваются с допускаемыми

значениями; на основе этого расчета может проводиться

оптимизация размеров шпиндельного узла;

для зубчатых колес находятся изгибные и контактные

напряжения, производится их сравнение с допускаемыми

напряжениями, уточнение материала колес и их ширины; при

выполнении расчетов передач с поликлиновыми ремнями

определяются начальное напряжение и натяжение ремня, сила,

действующая на вал (или стакан, связанный с корпусом модуля); эта

сила сравнивается с допускаемым значением по условию

обеспечения работоспособности модуля;

Рис. 10. Схема алгоритма уточнения конструкции модуля:

V – объем, занимаемый модулем; М

иi

– изгибающие моменты, действующие

на валы и шпиндель; n

– запас прочности детали; n

iдоп

– наименьший

допускаемый запас прочности детали

1. Составление

схемы свертки

валов

Предварительная

конструкция

развертки валов

привода модуля

2. Составление

расчетных схем валов,

определение реакций

опор валов,

изгибающих и

приведенных

моментов

валов модуля



2 



1min



1min

= 3  5

мм, (при V 

min

)

3. Проверочные

расчеты деталей

привода на ПЭВМ

 n

iдоп

5. Разработка

подробной

конструкции

модуля

Выполнение

комплекса

требований

4. Корректировка

конструкции

развертки валов

модуля

 n

i доп

Анализ

аналогичных

конструкций,

используемых

в современных

станках

иi 

иmin

для передачи с зубчатым ремнем определяется действующее в

ремне напряжение сдвига, проводится расчет по выполнению

условия сохранения зацепления в передаче, при этом определяется

предельно допустимая окружная сила, также определяется сила

предварительного натяжения ремня, действующая на вал (или

стакан); значения напряжения и сил сравниваются с допускаемыми

значениями;

при выполнении расчетов подшипников определяется их

динамическая грузоподъемность с учетом долговечности (не менее

12000 часов), которая сравнивается с нормативными значениями для

выбранных типоразмеров подшипников;

при курсовом проектировании допускается расчеты проводить

только для одного наиболее нагруженного вала и связанных с ним

деталей;

- корректировка конструкции развертки валов модуля

производится с учетом обеспечения рациональных значений запасов

прочности деталей, при этом уточняются применяемые материалы,

размеры деталей и их конструкция, типы и размеры подшипников;

существенное превышение запасов прочности в сравнении с

допускаемыми значениями должно быть обосновано;

- разработка подробной конструкции модуля; при этом

показываются необходимые сечения и виды с проработкой

элементов управления и базирования (по указанию консультанта);

- cоставление спецификации; эта работа проводится для

выполняемой конструкторской разработки, при этом необходимо

учитывать требования стандартов [35, 37].

11. Анализ динамических показателей работы привода

Данный этап выполняется по заданию консультанта в целях

улучшения показателей динамики привода модуля. При этом

составляется динамическая модель привода в виде системы с

сосредоточенными массами, соединенными между собой упругими и

демпфирующими связями. Для анализа показателей модуля

рекомендуется использовать методику имитационного

моделирования [22], которая предусматривает определение

физического взаимодействия звеньев модели, построение графа

связей, структурной модели и определение общей передаточной

функции модели.

Для анализа передаточных функций частей модели и общей

передаточной функции целесообразно применение программы

визуального моделирования Simulink, входящей в состав пакета

MATLAB. Эта программа позволяет осуществлять в автоматическом

режиме построение графиков, характеризующих переходные

процессы модели и ее отдельных частей. При этом появляется

возможность сравнения отдельных вариантов компоновки привода

по динамическим показателям.

На рис. 11 показана обобщенная модель привода модуля

главного движения в виде двухмассовой системы (анализу могут

подвергаться и другие модели привода).

Приведенный момент инерции











iJJ

])([

, (18)

где I

– момент инерции вращающейся детали или части привода [8,

23, 24];

э

- передаточное отношение привода на участке от

двигателя до j-го элемента.

Приведенный момент сопротивления











Рис. 11. Схема обобщенной динамической модели привода модуля

главного движения: u – подводимое напряжение к электродвигателю;



– угловая частота вращения якоря; M

– крутящий момент на якоре;

приведенные параметры привода: 



- частота вращения, k



- угловая

жесткость, h



- коэффициент демпфирования, M



- момент сопротивления