Проектирование механизма поворота автоматизированных станков

Федеральное агентство по образованию

Санкт - Петербургский

государственный политехнический университет

Механико-машиностроительный факультет 

                                                                

Кафедра:   ГАК 
 
 
 

Пояснительная записка

Расчётное задание № 1

Проектирование  механизма поворота

 автоматизированных станков  
 

                           

                                                                                    

          Работу выполнил:

            студент гр. 5043/10                                                                           Пискарёв П. Ю.

            Работу принял:                                                                                       Петков П. П.         
 
 
 

                                                                         
 
 

Санкт –  Петербург

2010 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

      Введение 

      Механизмы поворота находят широкое применение в автоматах, агрегатных станках и автоматических линиях различного технологического назначения. Они используются для осуществления делительного поворота шпиндельных блоков, поворотных столов, каруселей, а также в механизмах ориентации обрабатываемых заготовок автоматизированного оборудования. Механизмы поворота могут быть механические, гидравлические, пневмогидравлические, и пневматические. Широко применяются в автоматах, агрегатных станках и автоматических линиях механические и гидравлические механизмы поворота.

      Механические  поворотные устройства в свою очередь  можно разделить на четыре основные группы: зубчатые, рычажные, кулачковые и мальтийские механизмы. Основные требования, предъявляемые к механизмам поворота, следующие: быстрота, плавность и точность установки в рабочую позицию поворачиваемого узла, надежность и долговечность работы, простота конструкции.

      Для обеспечения точного положения  поворотных устройств после поворота и стабильности их положения под  воздействием нагрузки применяют механизмы фиксации. Наибольшее распространение получили мальтийские механизмы, которые применяются для периодического поворота шпиндельных блоков, револьверных головок, поворотных головок, поворотных столов, каруселей и других узлов, в станках-автоматах и автоматических линиях.

      Цель  работы:

      По  полученным исходным данным и приведённому в [1] и [2] алгоритму произвести проектировочный и проверочный расчёты мальтийского креста с использованием ПК MathCAD.

      Весь  расчёт, выполненный в MathCAD представлен в приложении.

 

       Исходные данные 

      Таблица 1

Индивидуальные  данные по расчётному заданию

 

 

1. Кинематический  анализ и расчёт мальтийских  механизмов

 

1. Основные  особенности и  принцип действия мальтийских механизмов

 

      Наиболее  широко применяют “правильные” мальтийские  механизмы с внешним и внутренним зацеплением, а также сферические, обеспечивающие поворот узлов на равные углы с постоянной продолжительностью периодов простоя и движения. Мальтийские механизмы состоят из следующих основных элементов: мальтийского креста, кривошипа (поводка) с пальцем. Кривошип вращается с постоянной скоростью w0, а палец входит поочередно в радиальные пазы креста, поворачивая его каждый раз на 1/z оборота, где z-число пазов креста. После выхода пальца (ролика) из паза крест останавливается, и его положение фиксируется каким-либо устройством. Время поворота подвижного узла соответствует времени холостого хода, а время простоя – времени обработки в цикле технологического процесса.

      Мальтийские механизмы отличаются высоким КПД  и простотой конструкции. Они  обеспечивают достаточную плавность  и быстроту поворота при высокой надежности в работе. К их недостаткам  относятся непостоянство скорости креста и связанных с ним деталей, большие пики ускорения (особенно при малом числе пазов), что вызывает повышенные инерционные нагрузки. Для обеспечения плавной работы механизма угловая скорость креста должна быть равна нулю в момент входа пальца кривошипа в паз креста и в момент выхода из него. Для этого центр кривошипа должен быть расположен так, чтобы в момент входа и выхода пальца вектор его скорости был направлен вдоль оси паза креста.  

2. Определение углов поворота и  коэффициентов времени  работы мальтийских  механизмов

 

      Расчётная схема мальтийского механизма с  внешним зацеплением показана на рис.1, где 2α - угол поворота креста, 2β - угол поворота кривошипа, R_к- радиус креста, А - межосевое расстояние, z - число пазов креста, r - радиус кривошипа.

      

Рис.1. - Расчётная схема мальтийского механизма: 1 – мальтийский крест; 2 – кривошип; 3 – палец

     Полный  угол поворота креста:

     Тогда: , ;

     Время движения креста:  .

     Следовательно, частота вращения вала кривошипа:

     Угловая скорость вращения кривошипа:

     Время простоя (останова):  ;

     Время полного оборота кривошипа:

     Коэффициент  времени работы мальтийского механизма:  

3. Определение угловой скорости и углового ускорения  мальтийского креста

      

     Угловая скорость креста: 

где  - угловая скорость кривошипа;

 - текущий угол поворота кривошипа;

- передаточное отношение мальтийского механизма.

      Максимальных значений угловая скорость креста и передаточное отношение   достигают при                                     

 

Рис. 2. – График зависимости угловой скорости поворота мальтийского креста от угла поворота кривошипа 

     Угловое ускорение креста: 

где - коэффициент ускорения креста.

      Значения  углового ускорения креста в моменты  начала и конца его поворота определяются по формуле при :

   

 

Рис. 3. – График зависимости углового ускорения мальтийского креста от угла поворота кривошипа 

2. Определение основных параметров мальтийских механизмов

 

     Радиус  креста:    

     Длина кривошипа:

     Диаметр ролика предварительно выбирают из соотношения: Примем

      Длина паза креста:

      Практически длина паза берётся на 2…3 мм больше, т.е. l = 107 мм.

      Наружный  диаметр креста:

где с = 2 мм – фаска.

    Диаметр вала креста принимаем конструктивно  = 65 мм при соблюдении условия:

      Диаметр вала кривошипа  принимаем конструктивно = 25 мм при соблюдении условия:                

3. Силовой расчёт мальтийских  механизмов

 

      Силовой расчёт заключается в определении моментов и  усилий, действующих в механизме, и мощности, необходимой для поворота креста. Кроме того, выполняют проверочные расчёты на прочность элементов, выбранных конструктивно (ось ролика, вал кривошипа и вал креста). 

1. Определение моментов и усилий, действующих в  механизме

      Статический момент сил трения в опорах карусели: 

где к₁ = 0,004 мм - коэффициент трения качения;

D₀ = 82,5 мм - диаметр окружности центров шариков (средний диаметр упорного подшипника 8213 ГОСТ 6874-75 [3]);

d_ш = 14,49 мм - диаметр шариков подшипника;

      Момент  инерции карусели:  

где r_k - приведённый радиус карусели; 

 

      Максимальное  усилие на ролике кривошипа:

где а = 1,35; b = 0,422 - безразмерные коэффициенты, зависящие от числа пазов креста [1].

      Максимальный  момент сопротивления на валу креста

где -

      Средний крутящий момент на валу кривошипа:                                         

где q = 0,2; m = 0,0465 - безразмерные коэффициенты, зависящие от числа пазов креста z;

 η_м = 0,95 - КПД мальтийского механизма (вал креста на опорах качения).

      Средняя мощность, необходимая для вращения кривошипа:

      Максимальный  крутящий момент на валу кривошипа:

где- V = 1,73 - коэффициент перегрузки, зависящий от числа пазов z [1]. 

2. Проверка  на прочность деталей  механизма

 

      Ролик кривошипа проверяется на прочность  при изгибе: 

где М_и - изгибающий момент, действующий на ролик кривошипа,

[ ] – допускаемое напряжение при изгибе материала ролика (для стали 20Х, цементированной и закалённой до твёрдости HRC_э = 56-62, [ _и] = 200 Н/мм² [1]).

 

где l₁ = 50 мм (принято конструктивно) - расстояние от места заделки до точки приложения силы Р_pmax на оси ролика кривошипа.

  

      В нашем случае диаметр ролика (30 мм) удовлетворяет условию прочности.