Автоматизированный расчет характеристик опорно-поворотных устройств в кинематических цепях металлорежущих станков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Бабич, Мария Анатольевна

• Бабич, Мария Анатольевна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бабич, Мария Анатольевна

Введение

1. Особенности конструкции приводов опорно-поворотных

устройств и их характеристик

1.1 Цилиндрическая зубчатая передача с выбором

зазора с помощью дополнительной кинематической цепи

1.2 Механизмы вращения с планетарным внецентроид

ным циклоидальным зацеплением

1.3 Механизм вращения с волновыми передачами

1.4 Планетарные передачи типа КН\/ и 2КУ

1.5 Сравнительный анализ различных типов передач по

габаритным размерам и энергоёмкости

Выводы и постановка задачи исследования

2 Сравнительный анализ различных типов передач ,

применяемых в опорно-поворотных механизмах

2.1 Расчёт коэффициентов полезного действия

2.2 Расчёт коэффициентов массогабаритных показателей

2.3 Определение жёсткости исследуемых передач

2.4 Определение энергоёмкости и трудоёмкости исследуемых передач

2.5 Определение долговечности исследуемых передач

2.6 Определение коэффициента совершенства различных

типов исследуемых передач

Выводы

3. Разработка опорно-поворотного механизма на базе передачи типа 2КУ с большим передаточным отношением и малой разностью чисел зубьев сателлита и эпицикла

3.1 Расчёт основных параметров

3.2 Конструктивное исполнение редуктора

3.3 Определение передаточного числа редуктора

3.4 Расчёты .подтверждающие работоспособность редуктора

3.8 Алгоритм расчёта основных параметров передач внутренних зацеплений с малой разницей чисел зубьев сателлита и эпицикла

в структуре опорно-поворотного устройства

Выводы

4 Расчёт качества внутреннего зацепления с малой

разницей чисел зубьев

4.1 Основные теоретические закономерности качества передачи

4.2 Радиусы кривизны полоид и сопряжённых профилей

4.3 Эвольвента окружности

4.4 Кинематические показатели качества нарезания колёс с внутренним зубчатым зацеплением

4.5 Размеры колеса с внутренним зубьями, получаемые при нарезании долбяком

4.6 Алгоритм расчёта параметров внутреннего зацепления с

малой разницей чисел зубьев сателлита и эпицикла

4.7 Особенности автоматизированного расчёта геометрических параметров и качественных характеристик передач внутреннего зацепления с разницей чисел зубьев сателлита и эпицикла

1 или 2 в автоматизированной системе

5. Проведение сравнительных экспериментальных исследований

5.1 Проведение экспериментальных исследований по определению коэффициента полезного действия,нагрева и шума

5.2 Проведение экспериментальных исследований по определению жёсткости опорно-поворотных устройств

и обработка результатов испытаний

6. Внедрение результатов исследований

7. Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированный расчет характеристик опорно-поворотных устройств в кинематических цепях металлорежущих станков»

ВВЕДЕНИЕ.

В структуре металлорежущих станков и промышленных роботов большая часть исполнительных механизмов представляет собой опорно-поворотное устройство. По функциональному признаку опорно-поворотное устройство^ классифицируют на несущую и исполнительную систему. В несущую систему входит корпус и опоры для базирования выходного несущего звена опорно-поворотного устройства и проблем при их проектировании не возникает. Исполнительная система опорно-поворотного устройства включает в себя механизм преобразования движения приводного электродвигателя в движение выходных звеньев несущей системы (это могут быть планшайба, инструментальный барабан, каретка, люлька, звенья промышленных роботов и т.д.). Широкое распространение в приводах этих механизмов получили высокооборотные электродвигатели. Это связано с появлением электродвигателей с улучшенными динамическими характеристиками при небольших эксплутационных расходах. Это требует создания исполнительных механизмов опорно-поворотных устройств с большими передаточными отношениями.

Исполнительные системы имеют большое разнообразие конструкций - это цилиндрические зубчатые передачи, червичные зубчатые передачи волновые и планетарные передачи.

На современном этапе развития станкостроения и роботостроения актуальной задачей является создание приводов для опорно-поворотных устройств с повышенными эксплуатационными требованиями и минимальной стоимостью. Это связано с тем, что доля приводов движения в станках на основе опорно-поворотных устройств составляет до 30 %, а в промышленных роботах до 70%.

Проблема улучшения качественных характеристик приводов опорно - поворотных устройств станков и роботов выдвигает задачу по дальнейшему совершенствованию механических передач, входящих в их состав, а для уменьшения их стоимости и эксплуатационных расходов одним из перспективных направлений является создание механических приводов с минимальным количеством кинематических элементов и минимальными требованиями по их точности изготовления.

Опорно - поворотные устройства в станках применяются у опорно - делительных столов фрезерных станков, обрабатывающих центров,

зубофрезерных станках. В роботах опорно - поворотные устройства применяются для приводов поворотных степеней подвижности и осуществления путевых перемещений. Общими требованиями, предъявляемые к ним являются:

- Минимальные значения статических и динамических ошибок

- Малая инерционность кинематической цепи

- Минимальное значение момента трогания кинематической цепи

привода, с тем чтобы не создавать дополнительных нагрузок на привод

- Минимальное значение момента трогания кинематической цепи привода. Так как трение покоя превышает трение движения, то момент трогания привода опорно-поворотного устройства может привести к скачкообразному изменению управляющего воздействия и как следствие к перерегулированию.

- Передаточные числа механизмов опорно-поворотных устройств должны составлять 30.. 100 в зависимости от их назначения и применяемого привода.

- Минимальное значение величины мертвого хода в кинематической цепи привода

- Кинематическая цепь опорно-поворотного устройства не должна быть источником крутильных колебаний, жесткость ее должна быть такой, чтобы частота собственных колебаний кинематической цепи находилась вне области рабочих частот, т. е. выше верхней частоты пропускания частот СПУ.

- Исполнительный механизм опорно-поворотного устройства (редуктор) должен быть непосредственно связан с опорным устройством, т. е. подшипниковым узлом опоры, должна быть обеспечена их компактная компоновка с обеспечением жесткости их связей.

В настоящее время в опорно-поворотных устройствах станков наибольшее применение нашли цилиндрические, зубчатые и червячные передачи, которые позволяют получать точность отработки угла поворота 10 .50 [37,33]. Однако червячная передача обладает рядом существенных недостатков. К ним относятся: повышенный износ, низкий КПД, необходимость введения сложного узла выбора зазоров.

\

Применение цилиндрических зубчатых передач с передаточным числом 30...60 приводит к большим габаритам, из-за большого числа пар зацеплений и необходимости создания дополнительной кинематической цепи выбора зазоров.

В промышленных роботах в опорно-поворотных устройствах применяются волновые передачи и цилиндрические зубчатые передачи с выбором зазоров дополнительной кинематической цепью с упругим элементом [50,46,2]. Недостатком волновых передач является пониженная жесткость и ограниченная долговечность генератора волн [23].

Ряд фирм после 1980 года стали создавать на базе планетарных передач с внутренним циклоидальным и обычным зацеплением, что обеспечивает, по их данным повышение жесткости, высокий коэффициент полезного действия и точность опорно-поворотного устройства.

Планетарные передачи обозначаются в соответствии с принятыми обозначениями основных звеньев,обозначения разработанные Кудрявцевым В.И.[29]

Центральные колеса в сокращенных обозначениях обозначаются буквой К, водила Н, механизм, совершающий планетарное движение вокруг основной оси с передаточным отношением +1 (например кривошип) обозначается V.

Для обозначения количества тех или иных звеньев передачи перед соответствующими обозначениями звеньев ставится цифра.Таким образом опорно-поворотные устройства с планетарным механизмом, включающие 2 центральных колеса и эксентриковый механизм связи водила с сателлитами, далее в тексте называются 2КУ

Поэтому для реализации в приводах передаточных чисел порядка 30... 100, обеспечения беззазорности, жесткости, компактности передач перспективным направлением является применение планетарных передач типа 2К\/, 2КН, КНУ, а также планетарно-цевочных передач типа КН\/.;

- Однако отсутствие сравнительного анализа качественных показателей передач данного типа с характеристиками обычных и волновых передач сдерживает их применение в приводах роботов и станков, хотя трудоемкость изготовления передач типа 2К\/, 2КН и КН\/ значительно меньше трудоемкости изготовления волновых и обычных передач. Рассмотрим особенности опорно-поворотных устройств с различной

\

кинематикой, применяемых в кинематических цепях металлорежущих станков.

Целью настоящей работы является:

- на базе проведения сравнительного анализа качественных показателей передач определить типы наиболее перспективных механизмов для опорно-поворотных устройств, применяемых в кинематических цепях металлорежущих станков,

- разработать методику автоматизированного расчета параметров наиболее перспективных механизмов для опорно-поворотных устройств, применяемых в кинематических цепях металлорежущих станков,

- провести сравнительные натурные испытания наиболее перспективных механизмов для опорно-поворотных устройств ,

- на основе проведенных аналитических и экспериментальных исследований разработать и внедрить в производство рекомендации по созданию перспективных исполнительных механизмов для опорно-поворотных устройств, применяемых в кинематических цепях металлорежущих станков.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Бабич, Мария Анатольевна

выводы:

1. Экспериментально установлено, что опорно-поворотное устройство на базе редуктора обладает низкими значениями КПД и практически при частоте вращения 400мин~1 является неработоспособным. •

2. Проведенные сравнительные испытания опорно-поворотных устройств на базе цевочно-роликового внецентроидного зацепления К-НЛ/ и планетарного редуктора 2К-\/ показали преимущества планетарного редуктора по КПД на 5. 10% и по жесткости на 25%.

3. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность расчетов кинематических параметров планетарного редуктора с передачей 2КЛ/ и актуальность автоматизированного проектирования передач внутреннего зацепления с малой разностью чисел зубьев.

ГЛАВА 6. внедрение результатов исследований.

Результаты исследований и созданная на их базе автоматизированная методика расчета параметров внутреннего зацепления с малой разницей зубьев были переданы для практического использования научно - производственной фирме «Техпрокон».

Научно - производственная фирма «Техпрокон», используя методику автоматизированного расчета параметров внутреннего . зацепления с малой разницей зубьев разработала и изготовила редуктор для привода кисти робота при контактной сварки типа РПКСИ - 3 (см. рис. 6.1.). Робот был сдан в эксплуатацию (См. акт внедрения, приведенный в приложении)

Рис.6.1 Общий вид опорно-поворотного устройства.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

На основании проведенных исследований исполнительных механизмов опорно-поворотных устройств с малой разницей чисел зубьев сателлита и эпицикла и эксцентриковым механизмом связи сателлитов и водила можно сделать следующие основные выводы:

1. Проведенные теоретические и сравнительные экспериментальные исследования исполнительного механизма опорно-поворотных устройств позволили обосновать основные технические требования к опорно-поворотным устройствам и выбрать перспективный тип конструкции, который представляет собой планетарный механизм с малой разницей чисел зубьев сателлита и эпицикла и эксцентриковым механизмом связи сателлитов и водила с обеспечением двухпарного зацепления. 2. Наилучшие качественные характеристики среди исполнительных механизмов опорно-поворотных устройств обеспечивает планетарный механизм на базе передачи типа 2К\/, коэффициент совершенства которого равен 0.64.

3. Созданные модели расчета планетарных передач с малой разницей чисел зубьев сателлита и эпицикла (меньше 2) позволяют обеспечить высокое качество проектирования двухпарного зацепления при одновременной минимизации габаритных размеров передачи с сохранением большого передаточного отношения.

4. Для определения оптимальных параметров внутреннего зацепления, был разработан и реализован автоматизированный комплекс расчета параметров передач внутреннего зацепления с малой разницей чисел зубьев сателлита и эпицикла, который позволяет осуществлять выбор оптимальных параметров передачи и инструмента, с одновременным получением графиков зависимостей основных показателей качества передачи от коэффициента смещения инструмента при выбранном межосевом расстоянии, а также графическое изображение профиля проектируемой передачи. Это позволило резко сократить трудоемкость проектирования, повысить достоверность и быстроту расчетов и снизить затраты при изготовлении и внедрении исполнительных механизмов, и обеспечить их высокое качество.

5. Наилучшие показатели коэффициента перекрытия 8а для передачи с малой разницей чисел зубьев сателлита и эпицикла(меныие 2) достигаются при угле зацепления передачи лежащим в пределах от 30 до 60 градусов.

6. Экспериментальные сравнительные исследования передач типа 2КН, КНУ и передачи с малой разницей чисел зубьев сателлита и эпицикла и эксцентриковым механизмом связи сателлитов и водила подтвердили правильность аналитических расчетов с использованием выработанных моделей и методик расчета.

7. На базе разработанной методики автоматизированного расчета параметров передач был создан исполнительный механизм опорно-поворотного устройства для технологических машин контактной сварки типа РПКСМ-03, который показал свою работоспособность, и был рекомендован к серийному производству. 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бабич, Мария Анатольевна, 1999 год

Список литературы.

Айропетов Э.Л. , Генкин М.Д. "Динамика планетарных механизмов" . М. Наука 1980 с.256

Андре П.,Ж-М Кофман Ф. Лот ,Ж-П. Тойер "Конструирование роботов." М. Мир 1986 с.366

Бабич М.А. "Эксперементальное исследование КПД зубчатых передач в сборнике научных трудов "Проектирование технологических машин" ,вып.4."М. МГТУ "Станкин",1996 с.33-35 Бейзельман Р.Д., Цыпкин Б.В.,Перель л.Я. "Подшипники качения." Справочник. М. Машиностроение 1975 с. 574 Болотовская Т.И. .Болотовский И.А. "Справочник по расчёту эвольвентных и червячных зубчатых передач." М. 1963 Болотовская Т.И. .Болотовский И.А.,Смирнов В.З. "Справочник по корректированию зубчатых колёс." М. Машгиз 1962 с.215 Болотовский И.А.,Смирнов В.Э. .Гурьев Б.И. , Шендерей Б.И. "Цилиндрические эвольвентные зубчатые передачи." М. Машиностроение 1974 с. 160

Болотовский И.А., Копытова О.Ф. "Наибольшие коэффициенты перекрытия цилиндрических зубчатых передач. В книге Теория механизмов и деталей машин". Вып. 1 Уфа, 1974 с. 11-22 "Авиационные зубчатые передачи и редуктора". Справочник под редакцией Бульганова Э.Б. М Машиностроение 1981 с.374 Вейц В.А., Царёв В.ГмКуницкий Г.М., "Минимизация зазоров в приводах металлорежущих станков.Технология автомобилес троения." Тольяти вып. 4 1975 с.3-37. Гавриленко В.А. "Основы теории эвольвентной зубчатой передачи".. М. машиностроение 1962 с.432. Гинзбург Е.Г. "Волновые зубчатые передачи". М. 1969 г.. ГОСТ 16530-83 "Передачи зубчатые.Общие термины и определения".

ГОСТ 16531-83 "Передачи зубчатые цилиндрические.Термины и определения".

ГОСТ 16532-70" Передачи зубчатые цилиндрические эвольвен тные внешнего зацепления". ГОСТ 19274-73. ГОСТ 21354-75.

ГОСТ 21354-75 " Передачи цилиндрические эвольвентные . Расчёт на прочность". ГОСТ 9323-60.

ГОСТ 23108-78 "Редукторы волновые зубчатые одноступенчатые. Основные параметры." ГОСТ 2563-60.

Ерофеев А.Ф. "Нарезание колёс внутреннего зацепления долбяком" М. Машиностроение 1967 г. с. 139. Иванов М.Н. "Волновые зубчатые передачи" М. Высшая школа 1981 г. с. 184.

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

Иванов М.Н. , Шувалов С.А.,Финогенов В.А. "Эксперементальное определение количества одновременно зацепляющихся зубьев в волновой передаче" Изв. вузов М. Машиностроение 1965 г. №9 Козлов М.И. "Зубчатые передачи точного приборостроения" М.Машиностроение 1969 г. с.399.

Костенко И.Ф., Макарова С. К , Шитиков Ю. В. "Безлюфтовая червячная передача (Станки и инструмент 1978 №6 ,с.421)". Короткое В.И., Гусакова Л.В. "К расчёту погрешности планетарных механизмов (Стандарты и качество 1975 г. №3 ,с.62-66)". Кудрявцев В.И. и др. "Курсовое проектирование деталей машин" Л.Машиностроение 1983 г. ,с.400.

Кудрявцев В.И. "Планетарные передачи" М. Машиностроение 1960 г. ,с.280.

Куцоноив В.А., Шевченко-Грабский И.В. "Расчёт статических

моментов и мёртвых ходов в кинематических цепях точных

приводов " М. Машиностроение 1968 г. , с.218.

Литвин Ф.Л. "Теория зубчатых зацеплений". М. Наука 1968 г. ,

с.584.

Лычагин В.В. "Качественные характеристики многодвигательного привода с планетарной предступенью." Диссертация к.т.н. МВТУ ? Маеров А. Г. "Устройство, основы конструирования и расчёт металлорежущих станков и автоматизированных линий" М. Машиностроение 1986 г., с.368.

Макс Ж. "Методы и техника обработки сигналов при физических

измерениях" в 2-х т., М. Мир 1983 г. т.1 ,с.312.

Матюшин В.М. "Основные вопросы конструирования зуборезных

инструментов для цилиндрических колёс."

Попов П.К. "Исследование ошибок положения выходного вала."

ВЗП диссертация к.т.н. (05.02.02.) МВТУ 1982 г. ,с.180.

Пуш В.Э. "Конструирование металлорежущих станков" М.

Машиностроение 1977 г. ,с.322.

Решетов Д. И. "Детали машин" М. Машиностроение 1974 г. с.655. Ромашин В.И. "Исследование волновых передач с модифицированным профилем зубьев" Диссертация к.т.н. МВТУ 1975 г..

Русак Л.Л. "Выбор коэффициентов смещения для одноступен чатых соосных планетарных передач."Известие вузов. Машиностроение." 1975,№9,с.56-59.

Сивоконенко И.М., Кан К.И. "Расчёт точности зубчатых механизмов приборов" Л. Ленинградский институт авиационного приборостроения 1969 г., с.70.

Скворцова H.A. "Внутреннее планетарно-цевочные зацепления, когда разность зубьев равна единице" Труды МВТУ вып.11 ,1950. Складчиков Б.М. "Механизм выбора зазора в главном приводе фрезерного станка" (Станки и инструменты 1969 №2). "Справочник по корректированию зубчатых колёс" ч.2 ,М. Машиностроение ,1967 г. ,с.576.

Терехов В.М.,Алфёров В.Г.,Овсянников Е.М. "Анализ способов понижения люфтов в высокоточных следящих электроприводах" (Труды МЭИ - 1978 -№362 ,с.48-55).

46 "Механика промышленных роботов" т.З под редакцией Фролова К.В. и Воробьёва Е.И..

47 Цейтлин H.H., Цукерман Э.М. "Волновые передачи: машиност роительные материалы , конструкции и расчёт деталей машин" Гидропривод М. 1972 г..

48 "Следящие приводы" в 2х т. .Под редакцией Чемоданова Б.К. .М. Энергия ,1976 г. ,т. 1, с.480.

49 Шанников В.М. "Планетарные редукторы с внецентроидным зацеплением" М. 1948 г..

50 "Промышленная робототехника." Под редакцией Шифрина Я.А. ,М. Машиностроение ,1982 г. , с.415.

51 Шувалов С.А. "Графо-аналитический метод анализа геометрии в волновой зубчатой передаче" Изв. Вузов М. Машиностроение 1965, №2.

52 Шувалов С.А. "Учебное пособие по расчёту планетарных передач" М.МВТУ 1983 г. ,с.42.

53 Henriot G. Entwicklung der Zahnrad getriebetechnick / Maschine. 1984 j. №12 , s. 14-17

Акт

внедрения методики расчёта редукторов типа 2КЛ/ и редуктора БАВ 08.00.000.

Предоставленная сотрудником МГТУ "СТАНКИН" Бабич М.А методика расчёта редукторов типа 2К-У использована при создании редуктора типа 2К-\/ для опорно-поворотного механизма технологической машины контактной сварки типа РПКСМ-3

ОПУ был изготовлен НПФ "Техпрокон" и испытан в составе робота для контактной сварки типа РПКСМ-3

При испытании получены следующие параметры : передаточное число - 88; момент на выходе бОнм;

погрешность позицирования 0,3 мм не ниже 300 мм.

Технологическая машина контактной сварки РПКСМ-3 была сдана ОТК предприятия и отправлен заказчику.

Нареканий по работе технологической машины не было.

Настоящий акт выдан сотруднику МГТУ "СТАНКИН" Бабич М.А.

Главный инженер

Царёв В.Н.

к

«'M

—Him

M ■

i-H

'Jl !

A

s. !

i ■■ >•■ • * I -V

■/// y / /1

.4k

\

Y

Б ; 6ß

A

; 6-Б fnoteptyw)

85

ß-ß

op, ^— n K.

i

_—Y.-M . i

h'h

-•-•. •-.-i - ..! .

• ; ' ; " 4 •.

X

У/

"л

J¿

¡x.

y—'

»

и

Vi TSk

1/ H7 <P4 7ñ&

Г-Г

Р^ЪНерЫ для ctipQ&öK ¿Dfecr*e4urnh на тяг £ лс>з. iÇj*

снем подшли^ оВки frort пенса wop о$ 3 онер рог > мерс?-.

иЬосгъВоёитЬ. СНЗМЫХ fcopHycax

/йог.té,/с; : ч';.:, . '______

. 3 Pfecii evctmb. ¡-гаыяп меьсду крышкой Ноъ2г 'шариком*

yw3. 2é , 'KoprtyСОН И0Л 46? Jcp¿f¿£/¿coü &, ш&рс/хсгыи Höi ,K¿/>nycoH^ иоъ12з^ с i/g м л о пшлиср о оро ß ße/)cri/u/iQ ¡¿a m яг g S Он________ _ ■ -

Ji. ß>4tw6tunoz fí ernaßt/ ть на etc*у,

О S'a c/i<e«c//hv /)/)&£нос Ь f>p с/щеи и st ßxox9n ого

'--JjjçpjfiutetcPipit jcopttyce

С. Прои$£вти о fret m К У J m € _

при Частоте {,ряще//с/я ScMût 'vu>i7 fl- 2ООО м w<ш* 1 Подшипники U ЗУ faafnhtç Ho/iecQ сн&гать . • си&ькой U ¡\TU M-2 о i Г о С Т626~7- 7 i

г /-

Г

ас. ■

т

/ —7

_ • M . s w —

/ v^ i

3™L

' Г' г ""

{(,:ií.'!,'l::r'¡'i К Jtt-KVMf' } ЛоГ.П^\¡\ti-:h

—Л .и...

íl'if.'iiiri.

f .'.........i

. I* !»:■-■-":-____--

• » , .<,|"i ]<J

Лит. I ¡Лг.ссг. jMncgTjag

I

PI ,:oi' !

!Утп~...... \

f-—í.....

...i-.........bi f

Лve VOn S

Г

г

-, t*-... VU"

(

I .

M" WM' W