/
Автор: Ачеркан Н.С. Ермаков В.В. Какойло А.А. Гаврюшин А.А. Игнатьев Н.В.
Теги: формообразование со снятием стружки молоты и прессы разделительные операции без образования стружки, дробление и измельчение, обработка листового материала, изготовление резьбы машиностроение металлорежущие станки обработка металлов станкостроение
Год: 1965
Текст
Н. С. АЧЕРКАН, А. А. ГАВРЮШИН, В. В. ЕРМАКОВ, Н. В. ИГНАТЬЕВ,
А. А. КАКОЙЛО, В. А. КУДИНОВ, А. А. КУДРЯШОВ, Н. М. ЛИСИЦЫН,
Ю. Е. МИХЕЕВ, В. Э. ПУШ, О. Н. ТРИФОНОВ, А. А. ФЕДОТЕНОК, В. С. ХОМЯКОВ
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ
станин
Том 2
Под редакцией
Засл, деятеля науки и техники РСФСР
д-ра техн, наук проф.
Н. С. АЧЕРКАНА
ВТОРОЕ ПЕРЕРАБОТАННОЕ ИЗДАНИЕ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МАШИНОСТРОЕНИЕ»
Москва 1965
УДК 621.90 (022)
Данная монография «Металлорежущие станки» состоит из
двух томов. В первом томе помещены разделы: I — Общий
курс металлорежущих станков; II —Станки инструментального
производства; III — Кинематика станков; IV — Гидравлический
привод металлорежущих станков.
Во втором томе помещены разделы: V. Расчет и конструиро-
вание металлорежущих станков; VI. Станки-автоматы и авто-
матические линии и VII. Испытание и исследования металло-
режущих станков.
Книга предназначена главным образом для инженеров-
машиностроителей, занятых проектированием, изготовлением
и эксплуатацией разнообразного станочного оборудования.
Книга может быть использована также студентами маши-
ностроительных вузов, особенно специальности «Технология
машиностроения, металлорежущие станки и режущий инстру-
мент».
Рецензент инж. В. И. Абанкин
РАЗДЕЛ V
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
ГЛАВА I
КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА СТАНКОВ. ИСХОДНЫЕ
ПОЛОЖЕНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СТАНКОВ
§ 1. КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА СТАНКОВ
Непрерывное развитие социалистического хозяйства ставит перед
конструктором, проектирующим новый металлорежущий станок, все
более высокие требования к качеству станка. Основными критериями
качества являются: безопасность и легкость обслуживания; точность
работы; эксплуатационная надежность; производительность; материало-
емкость; технологичность; себестоимость; уровень эксплуатационных
расходов. Не все эти критерии могут быть выражены в настоящее время
в форме количественного показателя.
Конструктор должен обеспечить прежде всего полную безопасность
работы на станке, максимальные легкость и удобство управления, лег-
кость установки, закрепления заготовок и снятия со станка обработан-
ных деталей.
Надежное предохранение оператора не только от травм, но и от чрез-
мерного утомления — обязательное условие, при невыполнении которого
опытный образец нового станка не может быть допущен к серийному
производству.
Обслуживание станка тем проще и легче, чем выше уровень (степень)
автоматизации его. Повышение этого уровня вплоть до полной автомати-
зации всего цикла работы, включая контроль размеров обрабатываемой
заготовки, автоподналадку станка, его питание и выгрузку готовых дета-
лей или полуфабрикатов, является одной из наиболее ярко выраженных
тенденций современного станкостроения (см. раздел VI, стр. 243, 259 и др»)
Необходимая и достаточная точность работы, станка должна соот-
ветствовать в течение всего срока его службы заданным показателям
точности (допускам) размеров и формы обработанных на нем деталей.
Эксплуатационная точность станка определяется его геометрической кине-
матической и динамической точностью (разделы V и VII), т. е. способ-
ностью достаточно устойчиво сохранять свою форму и размеры неизмен-
ными при действии наибольших сил резания, веса обрабатываемой
заготовки и вызываемых ими реактивных сил и моментов. Требуемая
точность работы станка достигается правильной компоновкой его, доста-
точными жесткостью узлов и целого станка и виброустойчивостью.
Эксплуатационную надежность станка, как и всякой другой системы,
можно определить как способность обеспечить выполнение задания в уста-
новленном объеме, обусловленную главным образом безотказностью и
ремонтопригодностью. Количественно надежность должна определяться
вероятностными характеристиками и параметрами. Однако пока еще нет
практически приемлемого метода вычисления этого показателя ни для
л
4
КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА СТАНКОВ
отдельного станка, ни для автоматической или полуавтоматической линии.
Эксплуатационная надежность станка практически зависит как от его
конструкции, в частности — от степени сложности его кинематической
структуры и технологичности, так в еще большей степени от качества
изготовления и сборки.
Производительность станка характеризуется возможностью обработки
на нем в единицу времени определенного количества деталей, отвечающих
заданным техническим условиям, или определенной площади поверхности
заготовки.
Абсолютная производительность (по В. И. Дикушину, [23]) опреде-
ляется полезно расходуемой в станке мощностью, приходящейся на
одного обслуживающего станок рабочего, и может быть представлена
в виде выражения
= кет, (v.D
\l==l 1=1 /
где Np, Ne — мощности, затрачиваемые соответственно на резание и на
вспомогательные операции, в кет;
Рр, vp — соответственно сила в н и скорость в м/мин при каждом
рабочем движении в станке;
Рв, v* — соответственно сила в н и скорость в м/мин при вспомо-
гательных движениях;
Tpii Tet — продолжительность соответствующего движения в мин;
Тц — общая продолжительность цикла в мин.
Современные станки характеризуются большой абсолютной производи-
тельностью (до 100 кет и больше).
Расчет абсолютной производительности, требующий предварительного
определения всех полезных сил, действующих в станке, сложен; поэтому
для сравнительной оценки производительности станков обычно исполь-
зуют другие приближенные показатели.
Производительность резания характеризуется количеством металла
или другого материала (в весовых или объемных единицах), срезаемого
с заготовки в единицу времени. Этот показатель производительности
может быть использован для приближенной сравнительной оценки стан-
ков общего назначения, предназначенных для выполнения черновых
Т
операций при большой величине отношения , где Тр и Тц имеют те же
значения, что и в формуле (V, 1).
Производительность формообразования определяется площадью поверх-
ности, обрабатываемой на станке в единицу времени. Этот показатель
удобен для сравнительной оценки производительности станков общего
назначения, предназначенных для выполнения отделочных работ.
Штучная производительность (теоретическая), измеряемая количе-
ством деталей, обработанных на станке в единицу времени, является
наиболее удобным показателем для оценки производительности станков
специальных и специализированных узкого назначения. Количество дета-
лей, обработанных на станке в единицу времени, подсчитывается по
формуле
Q = = zf—шт/мин.
* Ц * р~г 1 в
(V, 2)
Материалоемкость конструкции станка (или металлоемкость, что
почти то же самое, поскольку доля неметаллических материалов
КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА СТАНКОВ
5
в массе станка пока еще очень мала) принято у нас оценивать количе-
ством металла, затрачиваемого на единицу мощности .станка, используе-
мой для процесса резания:
М — н!квт, (V, 3)
где G — вес станка в н;
Nр — мощность привода главного движения в кет.
В современных станках общего назначения материалоемкость в зави-
симости от типа станка лежит обычно в пределах примерно 2—10 кн!квт.
Этот показатель качества конструкции используется для сравнительной
оценки однотипных станков.
По мере совершенствования конструкции станков и уточнения методов
расчета (что позволяет уменьшать действительные коэффициенты запаса
прочности, жесткости и т. д.) материалоемкость их должна умень-
шаться.
Технологичность конструкции станка (как и всякой другой машины и
сооружения) характеризуется степенью сложности изготовления и сборки
его узлов, агрегатов и всего станка. Грубая ориентировочная оценка тех-
нологичности конструкции станка производится по количеству оригиналь-
ных деталей и деталей, стандартизованных ГОСТами, нормалями машино-
строения (МН) и, если завод-изготовитель известен, — нормалями завода.
Технологичность конструкции зависит от многих факторов, в числе кото-
рых масштаб производства (размер серии) и «технологическая культура»
завода-изготовителя, а кроме того, изменяется во времени в связи с внедре-
нием новых, прогрессивных технологических процессов.
Важнейшей задачей конструктора является обеспечение минимальной
себестоимости проектируемого станка при удовлетворении всех заданных
технических требований. Это достигается: правильной компоновкой станка;
выбором оптимального варианта конструкции; выбором материалов, обла-
дающих необходимыми и достаточными физико-механическими свойствами,
без злоупотребления, например, качественными сталями, цветными метал-
лами ит. п.; назначением необходимых и достаточных размеров деталей
на основе возможно точных расчетов при разумно ограниченных запасах
надежности. Заводская себестоимость зависит и от организации произ-
водства на заводе-изготовителе.
В последнее время больше внимания стали уделять внешнему оформле-
нию станков. При правильной компоновке проектируемого станка, т. е.
правильном относительном расположении его узлов и агрегатов, станок
будет иметь и достаточно хорошие — с точки зрения технической эсте-
тики — формы. Они могут быть еще улучшены отработкой переходов
между наружными поверхностями, формы поверхностей крышек и т. п.
Однако все эти мероприятия не должны неблагоприятно отражаться ни на
эксплуатационных качествах станка, в частности на удобстве его обслужи-
вания и управления им, ни на технологичности. Эстетическим требованиям
должна соответствовать и окраска станка, если при этом будут удов-
летворены и психо-физиологические требования. Удовлетворение требо-
ваний технической эстетики не должно отразиться ни на заводской себе-
стоимости станка, ни на эксплуатационных расходах.
Из всех перечисленных эксплуатационных качеств спроектированного
станка решающими являются, наряду с полной безопасностью обслужи-
вания, его высокая производительность, достаточные точность и чистота
поверхности деталей, обработанных на станке.
6
КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА СТАНКОВ
Новая модель должна соответствовать утвержденному типажу металло-
режущих станков, а ее технические характеристики — ГОСТам «Основ-
ные параметры и размеры», «Нормы точности» и «Нормы жесткости»
станков соответствующего типа и класса точности (см. раздел VII).
Помимо перечисленных требований, общих для всех металлорежущих
станков, в техническом задании на проектирование новой модели могут
быть поставлены особые требования, которые влияют на компоновку и
конструкцию станка и поэтому должны быть учтены конструктором.
Особенно часто такие дополнительные требования предъявляются к спе-
циальным и специализированным станкам.
Если материалы деталей проектируемого станка выбраны правильно,
с учетом условий эксплуатации, и расчет их выполнен достаточно
точно, такие качества, как износостойкость элементов, от которых
зависит качество работы станка (направляющие, шейки шпинделей в под-
шипниках скольжения, шпиндельные подшипники скольжения и каче-
ния, ходовые винты и гайки и т. п.), и достаточная долговечность его
будут обеспечены.
§ 2. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ СТАНКОВ
Общая тенденция развития современного станкостроения может быть
охарактеризована как стремление к возможно более высокой производи-
тельности при условии обеспечения необходимой и достаточной точности,
а для чистовых и отделочных станков — также необходимой и достаточной
чистоты обработанной поверхности. Следствия этого — стремление:
а) к сокращению штучного времени; б) к предупреждению таких дефор-
маций системы СПИД, которые во время работы могли бы вызвать откло-
нения размеров и геометрической формы обработанной детали от заданных,
ограниченных соответствующими допусками; в) к предотвращению таких
вибраций этой системы, результатом которых явилась бы чрезмерная
шероховатость поверхности обработанных на станке деталей.
Отсюда вытекает ряд важнейших характерных для современного стан-
костроения частных тенденций:
1. Повышение скоростей движения резания и подач с целью сокраще-
ния основного технологического (машинного) времени и как следствие
этого — увеличение относительного количества моделей станков для
скоростной обработки.
2. Возрастание мощности привода станков, как результат увеличения
скоростей резания, а нередко — и сечения снимаемой стружки, и коли-
чества одновременно работающих инструментов.
3. Распространение таких систем бесступенчатого регулирования
скоростей движения резания и подач, которые позволяют устанавливать
оптимальный режим обработки, изменяя его на ходу станка, и таким обра-
зом снижать основное технологическое время.
4. Оснащение станков разнообразными вспомогательными устрой-
ствами с целью сокращения вспомогательного времени, не совмещенного
с машинным временем. Сюда относятся устройства для быстрой смены
режущего инструмента; механизированные приспособления для быстрого
изменения положения заготовки; устройства для автоматического актив-
ного контроля обрабатываемой заготовки; устройства для облегчения
загрузки заготовки и снятия обработанной детали со станка и др.
Многие станки снабжаются устройствами, расширяющими диапазон
использования станка и часто исключающими необходимость в обработке
заготовки последовательно на нескольких станках.
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ СТАНКОВ
7
5. Автоматизация рабочего цикла станков с целью создания принуди-
тельного, постоянного при данной настройке, ритма работы и сокраще-
ния, таким образом, вспомогательного времени, а также обеспечения необ-
ходимой точности обработки независимо от квалификации обслуживаю-
щего станок рабочего. В связи с этой тенденцией большое развитие полу-
чили различные способы и средства автоматизации, в том числе и в осо-
бенности системы программного управления станками. Оснащение станка
такой системой оказывает значительное влияние на его конструкцию
(см. раздел VI, гл. IX—XV).
6. Упрощение обслуживания станков, достигаемое в основном автома-
тизацией цикла и соответствующей системой управления с применением
блокировочных устройств (см. стр. 172—199 и раздел VI).
7. Повышение статической и динамической жесткости и виброустой-
чивости станков как условие увеличения скоростей рабочих движений
и мощности привода при высоких в то же время требованиях в отношении
точности формы и размеров и качества обработанных поверхностей.
8. Широкое, постоянно возрастающее использование электротехники,
электроники, гидравлики и пневматики для выполнения разнообразных
функций можно полагать, что в станках получит применение также
пневмоника благодаря ее компактности, быстродействию, простоте изго-
товления, следовательно, и дешевизне при серийном производстве.
9. Максимальное использование стандартных и нормализованных (МН)
деталей и узлов с целью сокращения сроков проектирования и освоения
производства новой модели и удешевления ее.
Наиболее важное принципиальное и практическое выражение эта
тенденция получила в агрегатных станках, создаваемых сочетанием
стандартных и нормализованных узлов и деталей с добавлением в каждом
отдельном случае некоторого количества специальных устройств. Эта тен-
денция выражается, в частности, в переходе к узловым конструкциям стан-
ков, которые получаются как сочетания законченных целевых узлов,
используемых для выполнения определенных одинаковых функций в раз-
личных по назначению станках. Применение принципов узловой конструк-
ции позволяет создавать разнообразные специализированные и специаль-
ные станки на общей основе одного базового станка; вследствие унификации
узлов в базовом станке и в его производных модификациях освоение новых
моделей сильно облегчается и требует меньшей затраты времени.
10. Возрастание относительного количества станков для экономически
выгодной многоинструментной обработки, например, многорезцовых токар-
ных, многошпиндельных сверлильно-фрезерно-расточных (агрегатной кон-
струкции) и др.
11. Стремление к более полному использованию станков, особенно
таких, которые дорого стоят, обслуживаются рабочими высокой квали-
фикации и занимают много места в цехе. Это относится в особенности
к тяжелым станкам. Отсюда — стремление к повышению эксплуата-
ционной приспособляемости («гибкости») таких станков.
В качестве примеров можно привести: продольно-фрезерные станки,
на которых можно работать и на режимах строгания; продольно-стро-
гальные станки, на которые можно устанавливать фрезерные головки;
большой карусельный станок, стол которого может совершать не только
вращение в одном направлении, но и получать возвратно-вращательное
движение, что позволяет резко сократить время на обработку, например,
больших секторов сложной формы. Этот карусельный станок может быть
использован также в качестве круговой делительной машины.
8
КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА СТАНКОВ
12. Оснащение станков для скоростной обработки, снимающих боль-
шое количество металла с заготовки, устройствами для автоматического
отвода горячей стружки, которая не только опасна для рабочего и затруд-
няет обслуживание станка, но и может повредить направляющие и другие
важные части станка.
Наблюдаются также тенденции, ясно выраженные лишь в отдельных
группах станков. Так, в станках прецизионных и повышенной точности
все шире применяются оптические устройства для наиболее точной уста-
новки относительного положения инструмента и заготовки и для отсчета
координат (координатно-расточные, профилешлифовальные, некоторые
фрезерные станки). Все шире применяются устройства для активного
контроля на шлифовальных станках. В группе доводочных станков —
притирочных и хонинговальных — наблюдается стремление к увеличению
размера снимаемой стружки и т. д.
Как видно из сказанного, сильное влияние оказывают на развитие
конструкций станков требования технологии массового производства.
Этим же фактором объясняется и возрастание удельного веса специальных
и специализированных станков в парке металлорежущего оборудования
современных машиностроительных заводов.
Одна из наиболее характерных особенностей развития современного
станкостроения — это создание автоматических групп станков, линий
и целых автоматических цехов и заводов для поточно-массового произ-
водства деталей (см. раздел VI, гл. XVI—XXI).
Высокие требования в отношении безопасности и облегчения труда
обслуживающего станок рабочего, научная разработка и постоянное
обновление типажа станков, непрерывное повышение технического уровня
станкостроения, внедрение принципов стандартизации и нормализации,
принципов агрегатирования станков, комплексная автоматизация отдель-
ных машин-орудий и их групп являются теми основными чертами развития
нашего станкостроения, которые характеризуют его быстрый прогресс.
В нашей стране создаются модели станков, не уступающие по техниче-
скому уровню лучшим зарубежным образцам,.а часто и превосходящие их.
Необходима, однако, еще усиленная работа станкостроителей, особенно
конструкторов, проектирующих новые модели металлорежущих станков,
чтобы превзойти технический уровень, достигнутый в этой области маши-
ностроения за рубежом, во всех создаваемых у нас машинах.
§ 3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СТАНКОВ
В основу расчета станков наряду с технико-экономическими показа-
телями принимаются также общие критерии работоспособности основных
узлов и деталей. К числу таких критериев работоспособности относятся
статическая и усталостная прочность, износостойкость, жесткость, вибро-
устойчивость, температурный режим.
При проектировании и расчете отдельных узлов станка необходимо
предварительно определить величину, направление и характер сил,
действующих в различные периоды работы станка, в частности — в периоды
неустановившегося движения (пуска, торможения, реверсирования). Это
дает возможность составить расчетную схему и произвести расчет отдель-
ных механизмов и узлов станка.
При составлении расчетной схемы необходимо учитывать следующие
действующие в станке нагрузки:
I. Движущие силы привода. Величина этих сил принимается при
расчете по номинальной мощности или допускаемому двигателем моменту.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА СТАНКОВ
9
Выбор мощности приводного двигателя изложен ниже (стр. 21—24). Дви-
жущие силы привода зависят от характеристики примененного в станке
электрического, гидравлического или пневматического привода.
2. Силы резания представляют в виде трех составляющих Р2, Рх
и Ру, определения их известны из курса «Резание металлов» \
В подавляющем большинстве случаев все действующие силы (за исклю-
чением сил веса для не слишком тяжелых заготовок с небольшим при-
пуском) переменны, и амплитуды колебаний их величин могут быть до-
вольно значительными. Это обстоятельство учитывается тем, что в выра-
жения для соответствующих расчетных сил и моментов вводятся динами-
ческие коэффициенты, т. е. принимают
Ррасч ЬрдинРст И ^расч ^Мдин^ст'» (V, 4)
где
И kMdaH=l+^!L- (V.5)
г ст J¥lcm
здесь Рст и Рдин — соответственно статическая и динамическая силы;
Мсгп и Мдин — соответственно статический и динамический моменты.
Поэтому ответственные детали станков рассчитываются на усталостную
прочность.
Когда силы резания для проектируемого станка не известны и могут
варьировать в довольно широких пределах (станки общего назначения),
возможно их приближенное определение по формулам
Рг = k (а + 0,4с) b «;
п Г—2---2 (V, 6)
PN= У Р1 2 + Р2у = k(0,4a-\~c)b н,
где Р2 и PN — составляющие силы резания в я;
k — характеристика обрабатываемого материала в н!мм2 (для
стали k 1200 ч-1800 в зависимости от твердости, для
чугуна k 900 ч-1100);
а и b — соответственно толщина и ширина срезаемого слоя ме-
талла в ММ]
с — ширина площадки контакта по задней поверхности режу-
щей кромки, которую при расчете можно принимать
равной половине допустимого износа по задней поверх-
ности, в мм.
Соотношение между составляющими Рх и Ру определяется формой
режущей кромки.
При некоторых видах обработки (фрезеровании, зубонарезании) силы
резания имеют резко выраженный переменный характер. Например, при
нарезании зубчатых колес червячной фрезой изменения сил резания дости-
гают 50%, а иногда и более (фиг. V, 1). Переменность сил в процессе реза-
ния обычно характеризуют отношением амплитуды изменения силы к ее
среднему значению.
3. Силы трения обычно при расчете станков принимают пропорцио-
нальными нормальной нагрузке на трущихся поверхностях. Соответ-
ствующие коэффициенты трения зависят от многих факторов и прежде
всего от материала и состояния трущихся поверхностей, условий смазки,
скорости скольжения. При отсутствии смазки (сухое трение) коэффициент
1 Величина и характер изменения во времени составляющих сил резания зависят
от процесса стружкообразования и подробно рассматриваются в том же курсе.
10
КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА СТАНКОВ
трения f — 0,2-т-0,3 (иногда и более), в случае полужидкостного трения
/^0,034-0,2, в условиях полного жидкостного трения f < 0,0024-0,05.
Трение качения часто характеризуется отношением коэффициента трения
качения к радиусу тела качения. Для закаленной стали это отношение
весьма мало.
4. Инерционные нагрузки учитываются при переходных процессах
(пуске, торможении). Приведенный к валу двигателя момент инерции
может быть вычислен по формуле (если пренебречь потерями на трение)
<v'7>
k i
где JK и — соответственно момент инерции и угловая скорость вра-
щающихся масс;
znz и — соответственно масса и линейная скорость поступательно
движущихся масс;
©1 — угловая скорость вращения
вала двигателя.
Обычно достаточно учи-
тывать массы двигателя и
исполнительного органа стан-
ка (шпинделя, стола, план-
шайбы), пренебрегая массами
промежуточных передаточ-
Фиг. V, 1. Осциллограммы крутящего момента
при зубофрезеровании
ных механизмов.
5. Реакции на опорных
поверхностях определяются
из уравнений равновесия, и
в случае необходимости при * 6
Фиг. V, 2. Схема двухмассовой сис-
темы с упругой связью
статически неопределимых задачах (многоопорные шпиндели и валы, пря-
молинейные направляющие) составляются дополнительные уравнения
деформаций.
В большинстве случаев допустимо с практически достаточной точностью
рассматривать реакции, как сосредоточенные силы.на основе линейного
закона распределения давлений. При сравнительно небольшой протяжен-
ности опорных поверхностей принимают распределение давлений равно-
мерным, т. е. равнодействующие силы считают приложенными посере-
дине.
6. Силы при пуске и торможении. В большинстве случаев при расчете
пусковых и тормозных моментов кинематическую цепь привода станка
можно свести к расчетной схеме, состоящей из двух масс, соединенных
упругой связью (фиг. V, 2). Если при этом к массе с моментом инерции Jх
приложен внешний пусковой (тормозной) момент Мк1, а к массе с J2
МЕТОДИКА РАСЧЕТА СТАНКОВ
11
приложен дополнительный момент Мк2 от сил трения, то уравнения дви-
жения при пуске (торможении) примут вид
Л'фх + с^!— + &(?!—<р2)==мк1;
Лф2 — С (ф! — Фа) — k (фх — <р2) = ± мк2.
где фх и ф2 — углы поворота масс с моментами инерции соответственно
J1 И J
с — коэффициент затухания;
k — жесткость вала.
Нижний знак перед М.к2 соответствует пуску, а верхний — тормо-
жению.
Деля первое из этих уравнений на Jb а второе — на J2 и вычитая
затем из первого уравнения второе, получим
ф + с j-- ф + 6 - \+Л Ф = А , (V, 9)
гдеф = фх — ф2 — угол закручивания вала.
Решение полученного уравнения для случая Мк х = const, Мк 2 =
— const дает
ф = +(C1 sin nt + Ci cos nZ)’ (V> 10)
где п = у --Jj — собственная частота колебаний двухмассовой
упругой системы по фиг. V, 2, а 6 характеризует затухание.
Обозначим для краткости
± Мк 2^1 __ Я.
МЛ + Л) ’
ф — А 4- (Сг sin nt 4- С2 cos nt).
Из начальных условий ф<==о = 0 и ф<=0 = 0 получается
С2 = — А и С1 = С2— = — Л —
- 1 z п п
и уравнение (V, 12) принимает вид
Г e~6t 1
ф = А 1---------— (6 sin nt + п cos nt) .
Введем обозначения В и 0, определяемые из условий
S = —В sin 0 и п — В cos 0,
т. е.
в = tgp = — 4—
Тогда
Г е~^ 1
ф — А 1---------—В (— sin nt sin 0 4 cos nt cos 0) =
-Г. |Лда 4 ri* —Ы z / . D4]
= A 1 —-—---------e -cos (nt 4- 0)
(V, 11)
(V, 12)
(V, 13)
(V, 14)
tV, 15)
(V. 16)
12
КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА СТАНКОВ
и окончательно
I _ Мк 1 «/2 2«Л Г 1 1 /V $ i Г Л—б/ ___ / / | О\
* —k(jl + j2) L1 - И (—) + 1 е cos <п/ + Р>] *
(V, 17)
где 0 = arctg (-—) .
Если отношение характеристики затухания к частоте собственных
колебаний ~~+0> то у + 1 -> 1> 0 -* 0, и тогда
= AW2±AW! (j _ -6t cos nt^' (V 18)
T ft (Jl 4- J2) 7
Полученное выражение дает возможность определить истинное зна-
чение крутящего момента, передаваемого при пуске и торможении
Фиг. V, 3. График крутящего момента по
уравнению (V, 19)
через кинематическую цепь при-
вода:
м /ИК1^±МК2А х
т Лтл
X (1 —e~6t cos nt). (V, 19)
Написанное уравнение предста-
влено графически на фиг. V, 3.
Уравнение (V, 19) может быть
использовано для определения наи-
большего момента, возникающего
при пуске в кинематической цепи
привода. Действительно, если не учитывать затухания (S =0), то из
последнего уравнения получится для пуска
Г Q Мк 1^2 К 2^1
к max Ji + J2
(V, 20)
Если, например, J2 Ji (для большинства тяжелых станков), то
Мктзх^2МкЪ (V, 21)
т. е. наибольший крутящий момент, возникающий при пуске в упругой
системе привода, равен удвоенному моменту двигателя.
Приведенные общие уравнения движения привода могут быть исполь-
зованы для расчета узлов станка при различных переходных процессах.
При расчетах на прочность, жесткость и износостойкость составление
расчетной схемы с учетом всех действующих сил позволяет определить
напряжения, деформации, а также давления на трущихся поверхностях
и сравнить их с нормативами.
Определение деформаций производится с учетом жесткости подвижных
и неподвижных соединений отдельных деталей и узлов станка. При этом
статическую жесткость (отношение нагрузки к создаваемой ею деформа-
ции) соединений и общую жесткость упругой системы обычно принимают
постоянными. Это предположение подтверждается практикой расчета и
экспериментальными данными (фиг. V, 4) о приблизительно линейной
зависимости между силами и деформациями в сложных упругих системах.
При сравнении найденных расчетом величин с допустимыми значе-
ниями обычно вводится коэффициент запаса, величина которого учитывает
степень точности расчета.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА СТАНКОВ
13
Температурные деформации определяют при рабочей температуре,
предварительно найденной из уравнения теплового баланса.
Далеко не все элементы станков могут быть рассчитаны с достаточной
надежностью по формулам. Это обусловлено, с одной стороны, слож-
ностью конфигурации многих деталей станков, с другой — сложностью
системы действующих сил и моментов и их колебаниями по величине и
направлению во время работы станка. Поэтому для определения достаточно
надежных и вместе с тем экономных размеров подобных деталей (это
особенно важно для специальных и для тяжелых станков) в последние
годы все чаще прибегают к экспериментальным
исследованиям выполненной в масштабе модели
интересующей детали станка. Полученные из
экспериментов результаты переносят затем на
деталь, пользуясь формулами теории механи-
ческого подобия, основанными на известной
зависимости, связывающей масштабы подобия:
Xpt-V1 = 1, (V, 22)
где X — масштаб линейных размеров;
р, — масштаб масс;
т — масштаб времени;
Ф — масштаб сил.
Переводной множитель для искомой харак-
теристики или параметра, а также зависимости
между масштабами для условий эксперимента
определяют исходя из соответствующих уравне-
ний и размерности этой характеристики. Напри-
Фиг. V, 4. График упругих
отжатий суппорта в зависи-
мости от нагрузки:
1—нагрузочная кривая; 2—раз-
грузочная кривая
мер, исходное уравнение для определения деформации изгиба детали,
если ее можно приближенно рассматривать как брус,
<Ру _ М
dx* EJ *
где у — f (х) — уравнение изогнутой оси детали (бруса) в координа-
тах х, у,
М — изгибающий момент;
Е — модуль продольной упругости материала детали;
J — момент инерции ее поперечного сечения.
Следовательно, для модели (индекс м)
<Рум _ Мм dx^ EMJM (V, 23а)
для натуры (индекс н) <Рун _ _ Мн dx2H EHJH (V, 236)
Так как
Ун У'-Ум-'
то последнее уравнение можно написать в виде
1 <РУм _ Ч>Мм 4гУм ______________________________ф Мм
X dx2M EH^JM или dx2 & EHJM
(V, 23в)
14
КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА СТАНКОВ
и из уравнений (V, 23а) и (V, 23в) следует, что масштаб сил ср и масштаб
линейных размеров X связаны в данном случае соотношением
Ф = Л2-^. (V, 24)
Если модель и натура — из одного материала, то масштаб нагрузки
ср = X2. Выбор обоих масштабов независимо один от другого ограничи-
X2
вает выбор материала для изготовления модели условием Ем — — Ен.
При соблюдении указанных условий эксперимента прогиб детали станка
будет ун ~ кум, где ум — экспериментально установленный прогиб
модели в том же (гомологичном) сечении.
Аналогично, используя закон динамического подобия для детали,
которая может рассматриваться как вал круглого сечения, для определе-
ния частоты собственных крутильных колебаний можно исходить из
уравнения
d29 _ q д20
дх2 G di2 9
(V, 25)
где 0 — угол закручивания;
q — плотность материала;
G — модуль
t — время.
Для модели
сдвига;
и натуры соответственно
д2Ьм
С учетом масштабов
Ям и д2Ьн = д2вн
Ом &м
м п п
уравнение (V, 256) можно написать
1 1
М G“‘ та ’ ^2м ’
(V, 25а и б)
(V, 25в)
и из уравнений (V, 25а) и (V, 25в) вытекает необходимое соотношение
между масштабами линейных размеров X и времени т:
т = (V, 26)
г Он Ям
Для определения изгибной жесткости, измеряемой, как известно, отно-
шением силы к деформации (размерность ее н/мкм), переводный множи-
тель равен у; для частоты колебаний (размерность ее сект1) переводный
множитель равен т"1, и т. д.
Многочисленные эксперименты показали, что, например, для предска-
зания деформаций спроектированной детали станка, ее изгибной и кру-
тильной жесткости, частоты (основной) собственных колебаний, форм
колебаний метод механического моделирования дает для практики доста-
точно точные результаты.
Инженерные методы расчета наиболее сложных и ответственных частей
и узлов станков — станин и стоек, направляющих скольжения, качения
и гидростатических, шпиндельных узлов с опорами скольжения, качения,
гидро- и аэростатических, ходовых винтов с гайками скольжения и каче-
ния, основанные на теоретическом анализе и экспериментальных иссле-
дованиях соответствующих элементов, разработаны в ЭНИМСе. Некото-
рые из этих методов приведены ниже.
ГЛАВА II
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
§ 1. ВЫБОР ПРЕДЕЛЬНЫХ СКОРОСТЕЙ РЕЗАНИЯ И ПОДАЧ
Выбор предельных скоростей резания и подач для обработки заготовок
предельных размеров на проектируемом станке производится на основе
анализа технологического процесса. При проектировании станков общего
назначения исходным является технологический процесс для типовых
деталей, подлежащих обработке на этом станке.
Предельные скорости резания и подачи следует выявить для всех опе-
раций при работе различными инструментами. Анализ технологического
процесса имеет целью не только определение пределов изменения чисел
оборотов шпинделя и подач (кинематических характеристик), но также
выявление операций и режимов обработки, требующих наибольшей мощ-
нбсти привода, наибольших крутящих моментов на шпинделе и наиболь-
ших тяговых сил подачи (силовых характеристик).
Предельные значения характеристик проектируемого станка опре-
деляют на основании предельных значений немногих характеристик
режимов обработки, но взятых для различных операций. Например, для
токарно-револьверного станка наибольшую мощность привода определяют
при черновом обтачивании инструментами, оснащенными пластинками
твердого сплава, наибольший крутящий момент на шпинделе — при
черновом обтачивании резцами из быстрорежущей стали, наибольшую
тяговую силу подачи револьверного суппорта — при сверлении.
Поэтому определение предельных скоростей резания и подач для
различных операций нужно связывать с определенными характеристи-
ками проектируемого станка. Вместе с тем при выборе предельных значе-
ний скоростей резания и подач необходимо учитывать прогресс технологии
обработки и совершенствование режущих инструментов и предусмотреть
надлежащие возможности в характеристиках проектируемого станка.
При оценке полученных предельных значений скоростей резания и
подач и соответствующих характеристик проектируемого станка нужно
учитывать его место в типаже станков данной группы и возможности
обработки заготовок предельных размеров с предельными скоростями
резания и подачами на станках смежных типоразмеров этой группы.
§ 2. РЯДЫ ЧИСЕЛ ОБОРОТОВ ШПИНДЕЛЕЙ СТАНКОВ
Для станков с вращательным главным движением предельные числа
оборотов шпинделя nmax и nmin могут быть определены, если известны
предельные диаметры резания dmax и dmin и найдены предельные скорости
16 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАНКА
резания omat и omin, применяемые при данных диаметрах резания, по
формулам
„ __ lOOOPmax . ~ _ IQOOOmin
га“- Jtdmin- ’ Лйтах *
Диапазон (область) регулирования чисел оборотов шпинделя
77 __ птзх
Дп «min *
Следовательно,
ту ___ птзх ____ ртах , ^тах ____ П П
П nmin ^tnin dmin °
(V, 27)
(V, 28)
(V, 29)
если обозначить через До — и Д* — ’has.,
umin a min
Как видно, диапазон Дп регулирования оборотов шпинделя проекти-
руемого станка зависит только от отношений предельных диаметров
и предельных скоростей резания, применяемых при обработке. Учитывая
совершенствование режущего инструмента и прогресс технологии, зна-
чение Дп, полученное из выражения (V, 29), увеличивают примерно
на 20—25%.
Чтобы в указанных пределах иметь возможность обрабатывать заго-
товки любого диаметра d с наивыгоднейшей скоростью резания и, необ-
ходимо, чтобы всегда число оборотов шпинделя станка п = ,
где о — в м/мин, d — в мм, т. е. необходимо бесступенчатое (плавное) регу-
лирование п. Оно достигается применением соответствующих систем при-
вода— механического, электрического или гидравлического (стр. 71—78).
Однако пока еще современные станки имеют в большинстве случаев при-
воды со ступенчатым (прерывным) рядом чисел оборотов шпинделя.
Вопрос о наивыгоднейшем распределении ступеней чисел оборотов
шпинделей между предельными значениями пт1п и птах впервые был
решен русским акад. А. В. Гадолиным- в 1876 г. на основе следующих
соображений. Он обосновал целесообразность геометрической структуры
рядов чисел оборотов шпинделей исходя из условия постоянства величины
(До)тах — абсолютной потери экономически выгодной скорости резания —
для всех интервалов ряда чисел оборотов. При этом для геометрического
ряда п относительная потеря скорости А .= — также постоянная
величина, так как при знаменателе ряда ф = — const
(V, 30)
А = = -2=1 = const.
» Л/+1 + Hj ф + 1
Если в качестве желательной скорости о выбрано наибольшее значение
скорости резания, допускаемое совокупностью условий обработки, в част-
ности стойкостью инструмента, то абсолютная потеря скорости резания
До = о — о,,
и максимальная относительная потеря
. _ / At>\ ___ n!+i — ni _ ф — 1
max — /mjC£ ~ Л/+1 ~ ф ’
(V, 31)
РЯДЫ ЧИСЕЛ ОБОРОТОВ ШПИНДЕЛЕЙ СТАНКОВ
17
или в процентах
Araax=-^-100%, (V, 31а)
т. е. максимальная относительная потеря скорости резания зависит
только от ф — знаменателя ряда чисел оборотов шпинделя.
Как было указано (стр. 4), производительность Q формообразования
характеризуется площадью поверхности, обработанной в единицу времени,
т. е. величиной
ndns = lOOOso мм*/мин,
где s — подача в мм/об (при точении, сверлении), или величиной
Bns = В sv мм*/мин (при фрезеровании),
В — ширина фрезерования в мм.
Следовательно, при неизменной подаче производительность Q про-
порциональна скорости резания. При геометрическом ряде чисел оборо-
тов шпинделя максимальная относительная потеря производительности
формообразования
(V, 32)
будет постоянна.
В прямоугольных координатах d, v геометрический ряд представляется
лучевой диаграммой. Для такого ряда чисел оборотов имеет место сле-
дующая основная зависимость:
пг — (V, 33)
где z — число ступеней скорости вращения шпинделя, пг — птях и п.-± =
^min*
Отсюда
Г 1 (V 341
,-ц 1gД» _lg(4„<P) k ’ ’
‘ lg(p lg<p
При вычислении z по последней формуле полученная величина округ-
ляется до целого числа; соответственно изменяется диапазон регули-
рования Дл.
Кроме экономического преимущества, геометрический ряд чисел обо-
ротов шпинделя обладает также преимуществами, имеющими большое
значение при разработке привода проектируемого станка (см. стр. 25).
Поэтому геометрический ряд чисел оборотов шпинделей получил очень
широкое распространение в приводах станков.
§ 3. СТАНДАРТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ЗНАМЕНАТЕЛЯ <р.
СТАНДАРТНЫЕ РЯДЫ ЧИСЕЛ ОБОРОТОВ ШПИНДЕЛЕЙ
Стандартные значения знаменателя ф нормальных рядов чисел обо-
ротов шпинделей станков установлены на основании следующих сооб-
ражений:
1. В приводах шпинделей станков часто применяют двухскоростные
электродвигатели трехфазного тока, у которых отношение синхронных
18 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАНКА
чисел оборотов равно 2, например 3000/1500 или 1500/750. Поэтому, если
в ряде чисел оборотов есть член пх, то должен быть также член пу — 2пх>
причем пу = пхфЕ, где Е — целое число. Отсюда следует
е _
п/ря =. 2пх; ф = /2. (V, 35)
2. Должен быть учтен ГОСТ 8032—56 «Предпочтительные числа и
ряды предпочтительных чисел» и нормаль станкостроения Н11-1, уста-
навливающая предпочтительные величины и градации параметров в стан-
костроении.
Ряды предпочтительных чисел построены в виде геометрических про-
грессий, знаменатели которых должны удовлетворять требованию
е__
<р - /10, (V, 36)
где Е — целое число.
Таким образом, стандартные значения ф должны удовлетворять
условиям
Ф - /2 = /ТО. (V, 37)
Следовательно, Ех = ЗЕ' и Е2 = 10Е', где Е' — произвольное целое
число.
1
Отсюда и с добавлением значений ф = /2 = 1,41, ср = /2 = 2
4 _____
и ф = /10 = 1,78 был получен ряд стандартных значений знаменателя ф,
указанный в табл. V, 1.
Таблица V, 1
ф 1,06 1,12 1,26 1,41 * 1,58 1,78 2
Е К2 12 К 2 6 /2 3 Г 2 Г 2" (rri
Е V ю 40 К ю 20 К ю 10 V ю (Тто) 5 V ю 4 V ю (Тш)
л =JLz_Lioo% ~5 10 20 30 40 45 50
Согласно нормали станкостроения НН-1 допускается составление
производных рядов путем пропуска части чисел нормальных рядов.
Числа оборотов шпинделей могут отклоняться от табличных значений
не более, чем на ±10 (ф — 1)%.
Геометрическая структура рядов и те же значения знаменателя при-
няты для чисел двойных ходов станков с возвратно-поступательным глав-
ным движением и для рядов подач. От такой структуры рядов приходится
отступать в тех случаях, когда этому препятствуют особенности меха-
низма, используемого для изменения чисел ходов или подач (храповой
механизм в приводе подач), либо когда отступление от геометрической
структуры ряда обусловлено специальными требованиями (например,
с целью получения ряда подач для нарезания резьб).
ВЫБОР ЗНАЧЕНИЙ ЗНАМЕНАТЕЛЕЙ РЯДОВ ЧИСЕЛ ОБОРОТОВ
19
§ 4. ВЫБОР ЗНАЧЕНИЙ ЗНАМЕНАТЕЛЕЙ РЯДОВ ЧИСЕЛ ОБОРОТОВ
ШПИНДЕЛЕЙ, ЧИСЕЛ ДВОЙНЫХ ХОДОВ И ПОДАЧ
После того, как для проектируемого станка определены предельные
числа оборотов (или двойных ходов) пх и пг и, следовательно, диапазон
Дп = —, необходимо установить z — число ступеней скорости (что рав-
посильно выбору знаменателя
ф). Последнее связано с диапазо-
ном регулирования Дл и знаме-
нателем ф соотношением (V, 34),
из которого следует, что при
заданном Дп число ступеней ско-
рости быстро растет с уменьше-
нием ф (фиг. V, 5). Таким обра-
зом, при выборе ф и z требуется
экономически выгодно сочетать
стремление к уменьшению поте-
ри скорости резания и обусло-
вленное этим усложнение конст-
рукции станка. При этом нужно
учитывать следующее:
1. При ступенчатом регули-
ровании для подавляющего боль-
шинства станков общего назна-
чения достаточно хорошие эксп-
луатационные условия обеспе-
чиваются приф = 1,26 или 1,41.
2. Если в кинематической це-
пи привода предусмотрена наст-
ройка сменными зубчатыми коле-
сами, то при проектировании
станка для серийного или для
массового производства можно
принимать ф = 1,12 или 1,26
(автоматы или полуавтоматы
всех типов).
3. Геометрический ряд оказывается излишне насыщенным в области
высоких чисел оборотов (используемых особенно при обработке малых
диаметров). Действительно, наибольший интервал Ху диаметров, обслужи-
ваемых при постоянной скорости резания двумя смежными членами ряда,
составляет (фиг. V, 6)
, . V V V
X; — —— — ——-------------------
I 1-* { тиг I nrij nrij^
Фиг. V, 5. Связь между диапазоном регулирова-
ния чисел оборотов, числом ступеней скорости
и знаменателем ряда чисел оборотов
П/-1
Если принять, во избежание чрезмерной насыщенности ряда, что
интервал х,- диаметров не должен быть меньше интервала Ad стандартных
диаметров прутковых заготовок или режущих инструментов (например,
сверл), то
отсюда xi = ^/-1^ > Ad,
dj-i = М. (V, 39)
20 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАНКА
Из этого соотношения получаются минимальные диаметры прутковых
заготовок и инструментов для станков с различными значениями ф и,
наоборот, минимальные значения <р, допустимые для станков с различ-
ными минимальными диаметрами обработки. Поэтому в небольших стан-
ках с малыми диаметрами обработки применяют большие знаменатели
(ф = 1,58, иногда ф = 1,78), а в крупных станках — меньшие (ф = 1,26,
Ф = 1,12, иногда ф = 1,06).
4. Желательно, чтобы число z ступеней скорости представляло про-
изведение множителей 2 и 3, т. е. чтобы было
z = 2b‘-3£2, (V, 40)
где Ег и Е2 — целые числа.
Этому требованию удовлет-
воряют значения: г=2; 3; 4; 6;
8; 9; 12; 16; 18; 24; 27; 32; 36.
Особенно часто применяют числа
ступеней
г-3; 4; 6; 8; 12; 18; 24. (V,41)
Это требование обусловлено
причинами, указанными ниже
в гл. III; при настройке смен-
ными колесами оно отпадает.
Нормаль станкостроения
Н11 -1 рекомендует применять
при проектировании станков
ряды скоростей и подач с знаменателями ф = 1,26, 1,41 и 1,58.
Диапазоны регулирования чисел оборотов шпинделей Дп и подач Д5,
числа ступеней скорости главного движения г и подач zs колеблются
в очень широких пределах. Для каждого отдельного типоразмера станка
значения этих характеристик зависят от его назначения, характера тех-
нологического процесса, рода инструмента и особенно сильно от требуе-
мой степени универсальности. Чем более универсален проектируемый
станок, чем больше варьирует используемый на нем инструмент (твердо-
сплавный, из быстрорежущей стали, минералокерамический), тем больше
диапазоны Дп иД51 необходимые для рационального использования станка.
Влиянием указанных факторов объясняется то обстоятельство, что,
например, для круглошлифовальных станков, у которых v const,
а диаметр шлифовального круга варьирует в пределах Дл < 2, диапа-
зон чисел оборотов шлифовального шпинделя Дп < 2; в горизонтально-
расточных станках диапазон регулирования подач, напротив, очень велик,
достигая в отдельных моделях значений 1000, а иногда и больше.
В станках с вращательным главным движением большей частью
г < 36, если в приводе не использован бесступенчатый вариатор. Также
и число ступеней подачи zs < 36; токарно-винторезные станки, предназна-
ченные для нарезания резьб разнообразного шага, имеют механизмы
подач с zs == 484-60 и больше.
В станках с прямолинейным главным движением диапазоны регули-
рования чисел двойных ходов Дп или скоростей рабочего хода Д„ варьи-
руют в более узких границах, чем диапазоны Дп в станках с вращательным
главным движением.
У станков специализированных, а особенно у специальных, значе-
ния ДЛ, Д5, z и zs должны быть много меньшими, чем в универсальных
станках.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
21
§ 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
Определение мощности электродвигателей проектируемого станка
часто представляет большие трудности. Они вызываются главным образом
недостаточной изученностью: 1) закономерностей, которым подчиняются
силы резания и подачи при различных процессах снятия стружки, особенно
в периоды неустановившегося движения (пуска, реверсирования); 2) усло-
вий эксплуатации станков, особенно общего назначения; 3) потерь на тре-
ние в приводе, особенно при высоких скоростях вращения. Поэтому по-
лезную мощность привода и потребную мощность электродвигателя
не всегда можно установить расчетом с достаточной точностью; иногда
приходится определять ее опытным путем или по аналогии с мощностью
существующих станков.
Мощность привода главного движения определяют по полезной мощ-
ности, подсчитанной при наиболее эффективном режиме резания. Полез-
ную мощность подсчитывают при проектировании специальных станков —
для заданных операций, а при проектировании специализированных
станков — для нескольких деталей, типичных для проектируемого станка.
При проектировании станков общего назначения полезную мощность
вычисляют для предельных режимов резания. Ввиду того, что условия
эксплуатации станков общего назначения одной и той же модели сильно
различаются у разных потребителей, потребную мощность определяют
также сопоставлением мощностей нескольких станков современной кон-
струкции, по типоразмеру близких к проектируемому станку.
По установленной полезной мощности N необходимую мощность
электродвигателя N3 определяют исходя из зависимости
N, = N Nn = + N* 4- Nd,
где Nn — мощность, потерянная на трение; она слагается из постоянной
мощности холостого хода Nx, которая приравнивается под нагрузкой
постоянной части полных потерь, не зависящей от нагрузки, и из мощ-
ности Nd, представляющей дополнительные потери, зависящие от нагрузки
(нагрузочные потери).
Общий к. п. д. привода главного движения станка
„ = Л**
и если он известен, то мощность двигателя может быть определена из
соотношения
(V, 42)
(V, 43)
(V, 44)
3 п
Величина к. п. д. т] меняется в зависимости от полезной нагрузки,
чисел оборотов, кинематической схемы привода, конструкции его элемен-
тов и качества их изготовления, о чем можно судить по фиг. V, 7, на ко-
торой приведены полученные Г. А. Левитом экспериментальные значе-
ния т) для привода револьверного станка мод. 1М36 в зависимости от
нагрузки, числа оборотов шпинделя и числа оборотов приводного вала
коробки скоростей.
Для определения необходимой мощности приводного электродвига-
теля достаточно знать к. п. д. т], соответствующий условиям полной эффек-
тивной нагрузки кинематической цепи. При отсутствии опытных данных
ориентировочная оценка т] может привести к ошибкам, особенно большим
22
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАНКА
в случае быстроходных станков (пшКинд 1000 об/мин для расчетного
режима обработки). Для станков с вращательным главным движением
общий к. п. д. станка т] = 0,70^-0,85 при одномоторном приводе.
Ориентировочной оценки к. п. д. привода станка можно избежать,
если условно определить его как произведение
П = (V, 45)
/
где т); — частные к. п. д. отдельных элементов и передач, образующих
кинематическую цепь привода. Величины т)7 могут быть приняты по дан-
Фиг. V, 7. Экспериментальные значения
к. п. д. привода станка в зависимости от
нагрузки и чисел оборотов шпинделя и
приводного вала (по Г. А. Левиту)
Фиг. V, 8. График баланса мощности при-
вода главного движения станка в зависи-
мости от сечения снимаемой стружки
ным курсов «Детали машин», в которых они даются для полной расчет-
ной нагрузки передач.
При работе с той же мощностью на более высоких скоростях вращения
шпинделя и промежуточных валов, чем при расчетной цепи передач,
элементы передач привода будут работать в условиях недогрузки по
сравнению с расчетной мощностью, допустимой при увеличенных скоро-
стях вращения, и выражение т/ = Пт\: будет давать преувеличенные зна-
/
чения к. п. д.
На фиг. V, 8 приведена полученная опытным путем диаграмма баланса
мощности привода главного движения токарного станка для различных
сечений стружки. Если бы все линии этой диаграммы были прямыми
(штриховые прямые а' и &'), можно было бы написать
= -Jrhr = = const’ (V> 46)
если в к. п. д. ц" условно учитывать только нагрузочные потери, но не
потери холостого хода.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
23
Отсюда
(V, 47)
По экспериментальным данным т)" = 0,88-7-0,90. Мощность холо-
стого хода шестеренных приводов, не зависящую от нагрузки, можно
определить для различных чисел оборотов шпинделя по эмпирической
формуле, предложенной Г. А. Левитом (см. стр. 53).
Формула (V, 47) позволяет определить мощность Na не только при
различных числах оборотов шпинделя, но и при различных значениях
полезной мощности Af, т. е. в условиях недогрузки привода шпинделя.
Если двигатель обслуживает несколько кинематических цепей станка,
то его мощность
N, = y.-^ + Nx, (V, 48)
i
где N{ — эффективная мощность, потребляемая конечным звеном отдель-
ной кинематической цепи;
tv — к. п. д. этой цепи, принятый равным 0,88—0,90 или установлен-
ный опытом.
Если в правую часть уравнения входит мощность привода цепи подач,
то в токарных, сверлильных и шлифовальных станках эта мощность
настолько мала, что ею можно пренебречь.
Мощность, потребная на привод подач, может быть подсчитана по тяго-
вой силе Q подачи и скорости подачи с учетом к. п. д., который для при-
вода подач обычно невелик (порядка 0,15—0,20, а иногда и меньше).
Тяговые силы подачи могут быть определены по следующим практическим
формулам, рекомендуемым нормалью станкостроения Н48-61, разработан-
ной Д. Н. Решетовым и Г. А. Левитом: для продольных суппортов токар-
ных станков с призматическими или комбинированными направляющими
Q = kPx f'(P2 ф G); , (VI, 49)
для продольных суппортов токарных и револьверных станков и столов
фрезерных станков с прямоугольными направляющими
Q = kPx Ф Г (Р2 Ру О; (V, 50)
для столов фрезерных станков с направляющими в форме ласточкина хвоста
Q = kPx f (Рг 2РУ ф G); (V, 51)
для шпинделей сверлильных станков
Q = (l+0,5f)Px + f^^Px + /^; (V,52)
здесь Рх — составляющая силы резания в направлении подачи;
Рг — составляющая силы резания, прижимающая каретку суппорта
или стол к направляющим;
Ру — составляющая силы резания, отрывающая каретку или стол
от направляющих;
G — вес перемещаемых частей;
А4К — крутящий момент на шпинделе;
24 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТАНКА
d — диаметр шпинделя;
f — приведенный коэффициент трения на направляющих;
f — коэффициент трения между пинолью и кареткой и на шлицах
или шпонках шпинделя;
k—коэффициент, учитывающий влияние опрокидывающего момента.
При нормальной смазке принимают: для токарных станков с призмати-
ческими и комбинированными направляющими k = 1,15, f = 0,15-5-0,18;
для токарных и револьверных станков с прямоугольными направляющими
k = 1,1, f =0,15; для столов фрезерных станков k = 1,4, f = 0,2;
для пинолей сверлильных станков f — 0,15.
Способы определения мощности электродвигателей станков с цикли-
ческим характером рабочей нагрузки, с большими пусковыми моментами,
с высокой частотой пусков, остановок и реверсирования рассматриваются
в книгах по электрооборудованию металлорежущих станков.
ГЛАВА HI
РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
§ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ МЕХАНИЗМОВ
КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
Основные кинематические зависимости для привода шпинделя
Кинематическая цепь передач привода шпинделя должна обеспечи-
вать градацию чисел оборотов п шпинделя по геометрическому ряду
с выбранным знаменателем ср ряда и заданные предельные числа оборотов
шпинделя nmin = пх и nmax = пг. Кинематический расчет привода дает
способы решения этих задач.
Фиг. V, 9. Привод с последовательным включением групп передач:
а — кинематическая схема; б — структурная схема
Какая-либо закономерность в ряде чисел оборотов п есть результат
существования подобной закономерности в ряде величин передаточных
отношений i передач привода.
При настройке чисел оборотов шпинделя при помощи только одной
группы передач, т. е. путем переключения только одной совокупности
передач между двумя валами, можно создать любой ряд чисел оборотов
шпинделя — для этого достаточно подобрать соответствующий ряд пере-
даточных отношений для группы передач.
При настройке привода при помощи последовательно включенных групп
передач (фиг. V, 9) из закономерных рядов можно осуществить только
геометрический ряд чисел оборотов.
Такой способ настройки позволяет: 1) увеличивать число ступеней
скорости шпинделя; 2) увеличивать диапазон регулирования привода
и 3) уменьшать число передач, необходимое для настройки привода.
Это конструктивное преимущество геометрического ряда, наряду с его
экономическими преимуществами, сделало геометрический ряд чисел обо-
ротов шпинделей основным в станкостроении.
26 РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
1. Число ступеней скорости вращения. При настройке последовательно
включенными групповыми передачами (фиг. V, 9), с количеством передач
в группах, равным соответственно ра, ръ, рс. . . число ступеней скорости
вращения шпинделя z определится из выражения
z = PaPbPc • • -Pr- (V, 53)
Например, при схеме привода по фиг. V, 9
2 = РаРьРс = 3-3-2 = 18.
2. Диапазон регулирования привода. При последовательном включении
цепи передач общее передаточное отношение привода равно произведе-
нию передаточных отношений отдельных передач цепи. Применяя это
положение для наибольшего fmax и
Фиг. V, 10. Структур-
ная схема привода с
диапазоном регулиро-
вания Дк
Фиг. V, 11. Введение
множительной группы
из р передач для уве-
личения диапазона ре-
гулирования привода
свыше Дк
наименьшего fmin передаточных
отношений привода, получим
^max mxtf'b msJ'c max • • • X
Х^гтах» (V, 54)
min ” min^d min^c min • • • X
X if min» (V, 55)
где индекс а вместо pa, индекс b
вместо pb и т. д.
Отсюда диапазон регулиро-
вания привода
__ ^тах _ *тах __
/7 /
«тт *пип
^ДаДьДс...Дг, (V, 56)
где Да = и аналогично Дь,
la min
Дс — диапазоны регулирования
групповых передач.
3. Уравнение настройки привода. Возможность применения для наст-
ройки последовательно включенных множительных групп передач яв-
ляется основным свойством, присущим только приводам с геометрическим
рядом чисел оборотов. Поэтому кинематические условия настройки таких
приводов определяются кинематическими свойствами множительной
группы передач.
Для выявления этих общих свойств множительной группы положим,
что в цепь одиночных,' постоянных передач включена коробка передач
с диапазоном регулирования Дк чисел оборотов (фиг. V, 10), дающая
настройку чисел оборотов шпинделя по данному геометрическому ряду
в пределах этого диапазона от пг до пк.
Для расширения ряда чисел оборотов шпинделя к одной из одиночных
передач (передача 1 на фиг. V, 11) прибавляем ряд передач (2, 3, . . , р),
образующих множительную группу передач с передаточными отношениями
G» *з» • • » ip- При включении передачи с ц коробка скоростей может
изменять числа оборотов пу шпинделя по геометрическому ряду
п2, . . . , пк.
(V, 57)
Для продолжения этого ряда чисел оборотов шпинделя переключаем
множительную группу с передачи 1 на передачу 2, чтобы коробка скоростей
давала последующие члены геометрического ряда чисел оборотов шпинделя:
^к+1, ^/с+2> • • •> ^2/с* (V, 33)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ МЕХАНИЗМОВ
27
Следовательно,
£2 z=. П2К ~ П2К~1 — ... — n*+1 = Пк(^ 77 сп /V 59)
G пк ~~ пКА пг ~~ 1 ’ 7
Для дальнейшего увеличения чисел оборотов шпинделя по геометри-
ческому ряду каждое переключение передач множительной группы произ-
водится после того, как будет исчерпано переключение всех передач ко-
робки с диапазоном Дк. Поэтому между передаточными отношениями
передач множительной группы должна быть следующая зависимость:
л
Фиг. V, 12.
закономерность
Ч *4 • *3..^р • ^л+1 • ^2к+1 * ^Зл+1..^(р-1) к+1
=«i: «1Дф: «1 (Дф)2 П1 (Дк<?)3: ... : пх (Дф)р~*. (V, 60)
Эти соотношения показаны на фиг. V, 12, где числа
оборотов нанесены в логарифмической шкале. Интер-
валы между отметками соседних чисел оборотов равны
Ig ф, а интервал между отметками пк и nlf равный Ign*—
— lg = 1g — = 1g Дк, представляет диапазон регу-
Л1
лирования коробки передач. Таким образом, переда-
точные отношения множительной группы передач обра-
зуют геометрический ряд передач с знаменателем ф^фД*
h : i2.. Лр = 1: : (фД)2:...: (фД)р-1; (V, 61)
здесь Дк—диапазон регулирования совокупности пере-
дач, по отношению к которым данная группа является
множительной и поэтому последующей в кинематиче-
ском порядке распределения групп. Так как каждая
группа передач является множительной для совокуп-
ности групп передач, кинематически ей предшествую-
щих, то уравнение (V, 61) выражает основную общую
для настройки всех групповых передач привода шпинделя.
4. Характеристика группы передач. Знаменатель ряда передаточных
отношений групповой передачи можно выразить следующим образом.
фр = Д-Ф = Ф2*-1 -ф = ф2< = Ф*. (V, 62)
где zK — число ступеней скорости совокупности передач с диапазоном
регулирования Дк, кинематически предшествующих данной
группе. Показатель степени х называется характеристикой
группы.
[ Таким образом, характеристика группы равна числу ступеней скорости
I совокупности групповых передач, кинематически предшествующих дан-
! ной группе.
Общему уравнению настройки групповых передач (V, 61) можно при-
дать следующий вид:
ix : i2 : «з : . . . : ip = 1 : <рл : <р2х : . . . : <р(р-1) х. (V, 63)
Первая в кинематическом порядке распределения группа — так назы-
ваемая основная группа — является множительной для совокупности
одиночных передач, дающих zK = 1 и соответственно xt = zK = 1.
Для второй (в том же смысле) группы передач — так называемой первой
переборной, zK = Pi и х2 = Pi, где рг — количество передач в основной
группе.
28 РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА_________
\
Для третьей группы передач — второй переборной — zK = р2 и х8 =
= Р1Р2, где Р2 — число передач в первой переборной группе, и т. д.
Уравнения (V, 61) и (V, 63) позволяют по передаточному отношению i
одной передачи определить значения остальных передач группы.
5. Формула структуры привода. Для применения уравнения наст-
ройки (V, 63) нужно определить характеристики всех групп, следова-
тельно, место каждой группы в кинематическом порядке распределения
и числа передач в группах, кинематически ей предшествующих. Поэтому
в формуле (V, 53) для числа г ступеней скорости удобно индексом при р
обозначать номер группы в кинематическом порядке распределения, а по-
рядок расположения групп в этой формуле принимать соответствующим
порядку их конструктивного расположения вдоль цепи передач от электро-
двигателя к шпинделю./При таком способе обозначений формула (V, 53)
превращается в формулу структуры привода.
Аналитический метод определения передаточных отношений
При кинематическом расчете привода шпинделя исходными данными
являются: ряд чисел оборотов п шпинделя с определенным знаменателем ср
ряда передаточных отношений и определенным числом г ступеней ско-
рости от nmin — пх до птах = пг и число оборотов электродвига-
теля пэ.
В соответствии с этим намечают: формулу структуры (V, 53) привода;
количество одиночных передач, необходимых для конструктивной компо-
новки привода; их расположение среди групповых передач. Строят кине-
матическую схему привода, применительно к которой производится рас-
чет, и по ходу расчета схему уточняют.
Нормальное передаточное отношение. Всем ва-
лам привода даются при расчете по возможности нормализованные числа
оборотов (по нормали станкостроения Н11-1). Так как все нормальные ряды
чисел оборотов содержатся в самом тонком ряде, с ср = 1,06, то в общем виде
нормальное передаточное отношение любой из передач привода выражается
так:
iH = 1,06±£, (V, 64)
где Е — целое число.
Вычисления упрощаются, если все передаточные отношения выразить
через знаменатель ср ряда чисел оборотов шпинделя проектируемого
привода.
Предельные передаточные отношения. Во избе-
жание чрезмерно больших диаметров ведомых зубчатых колес и увеличения
по этой причине радиальных габаритов, для передач коробки принято огра-
ничивать передаточное отношение величиной Пред = Для наиболь-
2
шего передаточного отношения принимают значения tmaxnped = — при
2 5
прямозубом зацеплении и imaxnped = -р при косозубом. При плавном
вращении ведущего вала (вал электродвигателя или вал с приводом гибкой
4
связью от электродвигателя) в малых станках допускают im3xnoed = — •
Для коробок подач (тихоходные передачи, малые диаметры колес)
допускают -g- < i < -j-.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ МЕХАНИЗМОВ
29
Таким образом, предельный наибольший диапазон регулирования
двухваловой групповой передачи
Дпрей == 8- (V.65)
£min пред
При необходимости осуществить в групповой передаче больший диа-
пазон регулирования (в крайнем случае больше 10—12) применяют
переборные устройства с последовательным включением понижающих
передач.
Передаточные отношения передач привода определяют следующим
образом:
1. По формуле структуры групповых передач привода (V, 53) опреде-
ляют характеристики групповых передач.
2. По уравнению настройки (V, 63) для каждой группы передач опре-
деляют относительную связь между передаточными отношениями группо-
вых передач, необходимую для градации чисел оборотов шпинделя по за-
данному геометрическому ряду.
3. Определяют Zmin — наименьшее передаточное отношение всего
привода, выражая его в виде степени знаменателя ф ряда чисел оборотов
шпинделя:
i .
m,n - Пэ “
(V, 66)
Показатель степени q определяют по таблице Н11-1 нормальных рядов
чисел в станкостроении.
4. Учитывая значения iminnped и im^nped» а также особенности отдель-
ных одиночных и групповых передач, по уравнению (V, 55) намечают пере-
даточные отношения одиночных передач и минимальные передаточные от-
ношения групповых передач так, чтобы в произведении получить imin
всего привода. Для этого все передаточные отношения выражают в форме
i = так, чтобы в уравнение (V, 55) алгебраическая сумма показа-
телей U была равна q.
5. Получив таким образом значения = £min для всех групповых
передач, определяют значения i для остальных передач каждой группы
при помощи соотношений (V, 63).
Графоаналитический метод определения передаточных отношений
Как видно из предыдущего, передаточные отношения, градация их
и чисел оборотов всех валов привода могут быть выражены в форме степе-
ней знаменателя ф ряда чисел оборотов шпинделя. Поэтому кинематиче-
ские связи привода удобно изображать графически на логарифмических
шкалах с постоянным интервалом между соседними точками шкалы, рав-
ным 1g ф («цена деления» шкалы).
Структурная сетка. Формула (V, 53) структуры группо-
вых передач и уравнение (V, 63) настройки отражаются в особом графике —
структурной сетке.
Для построения структурной сетки проводят ряд параллельных пря-
мых, например, горизонталей с интервалами, равными 1g ф в количестве,
равном числу ступеней z скорости вращения шпинделя, и ряд вертикалей
с произвольными (примерно одинаковыми) расстояниями между ними
30 РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
(фиг. V, 13). Для каждой группы передач отводится поле между двумя
смежными вертикалями в порядке конструктивного расположения группы
вдоль цепи передач, как это сделано на фиг. V, 13 для привода по схеме
фиг. V, 14 со структурной формулой
г=Рв-Р6-Р<;=Р1р2рз=3^32-2з.
По структурной формуле вычис-
ляем характеристики х; всех групп
и записываем их над полем каждой
группы.
На левой вертикали поля первой
(в порядке конструктивного распо-
ложения) группы наносим отметку
(точку), расположенную симметрично
относительно горизонталей (точка О
на фиг. V, 13). Против этой отметки
на правой вертикали поля группы рас-
полагаем симметрично столько отме-
ток, сколько передач имеет группа,
с расстояниями, равными характери-
стике этой группы, выраженной в до-
лях 1g ср. Полученные точки соеди-
няем прямыми лучами с точкой О
на левой вертикали поля группы.
В поле второй группы из каждой отметки на левой вертикали поля
проводим симметрично столько лучей, сколько передач в группе, с расстоя-
ниями между концами лучей, равными х2 интервалам 1g ср; в данном при-
Фиг. V, 14. Кинематическая схема привода
мерех2 = 3. Подобным же образом из каждой отметки на левой вертикали
поля последней группы проводим симметрично по два (р3 = 2) луча с рас-
стояниями между концами по девять (х3 — Pip2 = 3-3) интервалов 1g ср
между горизонталями.
Как видно из самого построения, структурная сетка содержит следую-1
щие данные о приводе: количество групп передач; число передач в каждой I
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ МЕХАНИЗМОВ
31
тов для группы пере-
дач
из групп; относительный порядок конструктивного расположения групп
вдоль цепи передач; порядок кинематического распределения групп,
т. е. их характеристики и связь между передаточными отношениями;
диапазон регулирования каждой группы передач и всего привода; число
ступеней скорости вращения всех валов механизма передач.
Все кинематические соотношения в структурной сетке выражаются
через степени знаменателя <р.
Построение структурной сетки равносильно применению уравнений
(V, 53), (V, 56) и (V, 63).
Структурная сетка дает относительные связи между передаточными
отношениями групповых передач, но не дает конкретных значений этих
величин. Поэтому структурная сетка характеризует
ряд конкретных приводов в общей форме.
График (картина) чисел оборотов.
Конкретные значения величин передаточных отно-
шений всех передач привода и чисел оборотов всех
его валов определяют путем построения графика
(картины) чисел оборотов. Он строится в соответст-
вии с кинематической схемой привода. Каждому валу
отвечает вертикальная прямая графика. Горизон-
тальные прямые с одинаковыми интервалами (они
применяются равными 1g <р) между ними имеют
отметки чисел оборотов соответствующего вала
в пределах от минимального до максимального числа
оборотов.
Наличие передачи, включенной при определенных
числах оборотов ведущего I и ведомого II валов
(фиг. V, 15), выражается на графике лучом, соеди-
няющим отметки этих чисел оборотов на линиях
валов.
Передаточное отношение передачи выражается в
число интервалов между горизонталями, перекрытых лучом.
Если числа оборотов наносятся — в порядке возрастания — снизу
вверх, то для ускорительной (повышающей) передачи, т. е. i > 1, т > О,
луч направлен вверх (считая всегда от ведущего вала к ведомому); для
замедлительной (понижающей) передачи, т. е. i << 1, т < 0, луч направ-
лен сверху вниз. Для передачи i — 1 показатель степени т = 0 и луч
горизонтален^ Так, для передачи, включенной при и1 = п7 и и11 = п10
(см. фиг. V, 15), луч направлен вверх, перекрывает три интервала, пере-
даточное отношение iI/n = — = ср3. Для передачи, включенной при
п7
п1 = п7 и пп = пх, луч перекрывает шесть интервалов, направлен вниз,
Л/П _ П1 _ 1
П7 ф6 ’
Для привода шпинделя токарного станка по схеме на фиг. V, 14 с <р =
= 1,26 построение картины чисел оборотов показано на фиг. V,
16 и 17.
Соответственно кинематической схеме этого привода наносим шесть
вертикальных линий, обозначенных I — VI, так же, как валы на
фиг. V, 14. Учитывая особенности отдельных передач и значения предель-
. . 11. 2 3
иых передаточных отношении tmiDnped =— = — и zmax/wd = Т = <Р3»
виде <рт, где т
32 РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
строим цепь передач для снижения чисел оборотов от м1 = 1410 об/мин
до ну1 = 16 об/мин (см. фиг. V, 16).
Для групповых передач проводим лучи для передач гтах, используя
диапазоны регулирования, выраженные в структурной сетке (фиг. V, 13)
числами интервалов 1g ср. Все эти лучи остаются в пределах “
= 2 = <р3. При, выборе значения Z^/vi £> (т. е. если бы луч этой
\ -V/VI
передачи перекрыл меньше шести интервалов) луч передачи гтаХ пере-
крыл бы больше трех интервалов, И получилось бы /шах1 > ^тах пред = 2,
что нежелательно (см. стр. 28).
чисел оборотов для привода, по-
казанного на фиг. V, 14
Для окончания построения графика чисел оборотов используется
структурная сетка. Для этого поле каждой группы совмещают с соответ-
ствующим полем графика чисел оборотов так, чтобы нижние лучи сетки
совпадали с лучами цепи передач imin, но расстояния между концами
лучей сохранялись бы такими же, как на структурной сетке (сравните
фиг. V, 17 и 13).
Такое построение отразит включение всех групповых передач при всех
ступенях скорости шпинделя (и валов привода) при сохранении неизмен-
ными соотношений между передаточными отношениями, нужных для
настройки привода на геометрический ряд чисел оборотов шпинделя.
График (картина) чисел оборотов содержит все то, что содержится
в структурной сетке, но, кроме того, выявляет количество одиночных пере-
дач, требуемое для конструктивной компоновки привода и для снижения
от числа оборотов электродвигателя до чисел оборотов шпинделя; относи-
тельное расположение одиночных передач среди групповых; передаточные
отношения всех передач и всего привода при всех числах оборотов шпинделя;
числа оборотов всех валов механизма при всех включениях передач.
Таким образом, график (картина) чисел оборотов содержит структуру
привода, все кинематические связи и расчетные величины, выраженные
через знаменатель <р ряда в комплексной и удобообозримой форме. В этом
заключаются большие преимущества графоаналитического метода расчета
при проектировании.
ОСОБЕННОСТИ ПОДБОРА ПЕРЕДАТОЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ
33
Аналитический метод кинематического расчета применяют для исследова-
ний и для предварительных расчетов при проработке вариантов привода.
Трудоемкость этого метода сильно уменьшается при умелом исполь-
зовании нормали Н11-1 для выражения диапазонов регулирования и пере-
даточных отношений через степени знаменателя ср.
§ 2. ОСОБЕННОСТИ ПОДБОРА ПЕРЕДАТОЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ
ПРИ ПРИВОДЕ ОТ МНОГОСКОРОСТНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
В приводах со ступенчатым регулированием чисел оборотов шпинделя
находят применение многоскоростные короткозамкнутые асинхронные
электродвигатели/и электродвигатели постоянного тока с параллельным
возбуждением (шунтовые), причем последние часто имеют привод по
системе «генератор — двигатель» (система Леонарда) и применяются
преимущественно в тяжелых станках. Применение таких двигателей позво-
ляет упростить механическую часть привода. Но упрощение кинематики
привода далеко не всегда экономически оправдывает применение более
дорогих многоскоростных двигателей.
Возможность переключения скоростей на ходу является большим пре-
имуществом многоскоростных электродвигателей, вследствие чего они
часто применяются в приводах небольших станков в комбинации с переда-
чами, также быстро переключающимися на ходу (переключения зубчатых
передач при помощи механических, электромагнитных и гидравлических
фрикционных муфт, бесступенчатые вариаторы скорости). Цель этого —
уменьшение вспомогательного времени при малой длительности машин-
ного времени, а также возможность автоматической настройки скорости
шпинделей и величин подачи во время рабочего цикла в автоматизирован-
ных станках различных размеров.
В отношении настройки привода на геометрический ряд чисел оборотов
С многоскоростной электродвигатель со ступенчатым регулированием числа
оборотов можно условно рассматривать как группу («электрогруппу»)
из рэ передач с знаменателем ряда передаточных отношений фр = фэл .
Асинхронные электродвигатели, для синхронных чисел оборотов кото-
рых <рэ #= const, при комбинации с коробкой скоростей не допускают об-
щего решения и здесь не рассматриваются. Для возможности получения
геометрического ряда чисел оборотов должно быть [см. уравнение (V, 62) ]
ФР = ф5 = Ф2/с = фЧ
откуда
(V ,67)
где zK — число ступеней скорости совокупности передач в группах, пред-
шествующих электрогруппе в кинематическом порядке распределения
групп.
Если zK = 1 и ф9 = ср, то электрогруппа является основной группой.
Это бывает при электродвигателях постоянного тока с шунтовым регули-
рованием, когда рэ положений регулирующего устройства (р3 контактов
регулирующего реостата) дают градацию чисел оборотов двигателя с фр =
= 1,12 = ф. При этом рэ = р± = 11, и Дэ = 1,1210 = 3,15, и увязка
с механическим приводом производится обычным путем на основе соотно-
шений (V, 53), (V, 63) и (V, 67).
Для асинхронного электродвигателя при фр = фэ = 2
(V, 68)
2 Ачеркан. Зак. 659
34 РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
Чтобы было zK = 1 и электрогруппа являлась основной группой,
нужно, чтобы ф = 2; это практически довольно редкий случай.
При ф = 1,26 и ф = 1,41 из последнего соотношения получается zK =
~ хэ — 3, соответственно 2. В этих случаях электрогруппа служит пер-
Фиг. V, 18. Структурные схемы при-
вода с трехскоростным электродви-
гателем в качестве первой перебор-
ной группы передач:
Фиг. V, 19. Построение поля неравномерной
группы:
а — для шести передач в группе; б — для четырех
передач в группе
а — при Ф = 1,26; б — при Ф = 1,41
вой переборной группой (что бывает наиболее часто), а в основной группе
должно быть соответственно рг = 3 при <р = 1,26 или рх = 2 при <р =
= 1,41 (фиг. V, 18, а и б).
Если из выражения (V, 68) для гк получилось число, разлагающееся
4 —
на два множителя (например, zK = хэ = 4 или 6 при <р = у 2 = 1,19
6.—
или ф — у 2=1,12), то возможны два варианта решения: zK = х3 = рг—
предыдущий случай и zK = х3 = рхр2,
когда электрогруппа является второй
переборной группой.
Фиг. V, 21. Структурная сетка для
комбинации двухскоростного элект-
родвигателя с неравномерной груп-
пой:
а — в шесть передач; б — в четыре
передачи
Фиг. V, 20. Поле неравномерной группы:
а — в шесть передач; б — в четыре передачи
при двухскоростном электродвигателе в качестве
первой переборной группы передач
Кинематические возможности применения многоскоростных асинхрон-
ных электродвигателей могут быть значительно расширены путем приме-
нения неравномерных групп. Такие группы образуются при сложении
двух групп несмежных в кинематическом порядке распределения: второй
переборной и основной.
ОСОБЕННОСТИ ПОДБОРА ПЕРЕДАТОЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ
35
На фиг. V, 19, а и б сложенная группа (см. стр. 38) показана штри-
ховыми лучами.
В исходной равномерной структуре электрогруппой может быть
первая переборная группа рэ = р2 — 22, если ее в конструктивном по-
рядке расположить первой группой. В этом случае для неравномерной
группы могут быть установлены определенные расстояния между концами
лучей (фиг. V, 20, а и б).
При сочетании неравномерной группы с многоскоростным электродви-
гателем (фиг. V, 21, а и б) сильно упрощается структура привода (осо-
бенно в небольших быстроходных станках с малой степенью редукции
чисел оборотов); вместо трех групп при структуре по фиг. V, 19, а и б
требуется лишь одна группа механических передач.
Структуры, отклоняющиеся от нормальной равномерной структуры
Из формулы (V, 62) следует, что для последней переборной группы,
состоящей из рт передач, характеристика хт = zK = РгР^Рз • • • Рт-г-
Так как число ступеней скорости привода z = Р1Р2Р3 • • • то
г = хтрт и хт = -^~. (V, 69)
Рт
Диапазон регулирования последней переборной группы:
z 2
Дт = ф*т (₽от-1) = ф Рт- (V, 70)
! Отсюда видно, что диапазон регулирования последней переборной
1 группы будет наименьшим при наименьшем р„{ = 2:
'__Z_ Z
Дт = Ч 2=Ф2- (V, 71)
Чтобы иметь возможность не вводить переборного устройства, диапазон
регулирования Дт должен быть не больше Дпред, обусловленного предель-
ными передаточными отношениями:
пред
z
При рт — 2 из формулы (V, 71) следует <р 2 < С, откуда
р2
(V, 72)
При <р = 1,26 предельное значение диапазона регулирования привода
Дпоив = — = Г26^ 50- При дальнейшем увеличении Дприв привод шпин-
деля усложняется введением переборного устройства в последнюю перебор-
ную группу.
Применение в станках широкого назначения инструментов с пластин-
ками твердого сплава наряду с инструментами из быстрорежущей стали
потребовало увеличения диапазона регулирования привода в 2—4 раза
ГТ 64
выше предельного значения Цпри<> = —.
36 РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
В этих условиях, чтобы избежать введения переборного устройства
(что целесообразно приводит к сложенной структуре привода z = z0 (1 +
+ 1) или z == Zq (1 + 2), например перебор разделенного привода (см.
стр. 39 и 56), отказываются от нормальной равномерной структуры при-
вода. В подобных случаях
для уменьшения диапазона регулирования
последней переборной группы при-
меняют: 1) перекрытие (повторе-
ние) части ступеней скорости шпин-
деля; 2) приводы с ломаным гео-
метрическим рядом; 3) сложенную
структуру привода.
Фиг. V, 22. Структурная сетка привода с перекрытием части сту-
пеней скорости:
а — при Ф — 1,26 и б - при Ф — 1,41
Перекрытие ступеней скорости. Увеличение диа-
пазона регулирования привода свыше предельного значения Дприв == —
при перекрытии части ступеней скорости может быть достигнуто двумя
способами.
Первый способ „состоит в( уменьшении характеристики последней пере-
борной группы на несколько единиц по сравнению с расчетной величиной.
При числе передач в последней переборной группе рт = 2 (более выгодный
вариант, чем рт — 3), при диапазоне регулирования каждой из групп
привода не свыше Дпреэ — 8 и при общем количестве передач в группах,
только на одну передачу большем минимального числа передач при нор-
мальной равномерной структуре, максимальный общий диапазон регули-
рования привода получается при <р = 1,26 равным Дтах 400 при наи-
большем числе ступеней скорости z — 27 (фиг. V, 22, а), а при ф = 1,41
максимальный диапазон регулирования Дтах % 360 при числе ступеней
скорости z = 18 (фиг. V, 22, б).
ОСОБЕННОСТИ ПОДБОРА ПЕРЕДАТОЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ
передач при ломаном гео-
метрическом ряде чисел
оборотов
При втором способе перекрытие ступеней скорости происходит вслед-
ствие сдвига ряда ступеней скорости при переключении передач группы
сдвига. Для получения достаточно большого числа ступеней скорости
(до z — 24 при <р = 1,26) общее число передач в группах увеличивается
при этом на четыре-пять передач по сравнению с нормальной структурой.
Ломаный геометрический ряд. Академик А. В. Га-
долин предложил геометрический ряд чисел оборотов для шпинделей
станков (см. стр. 16) исходя из равной вероят-
ности работы на всех ступенях скорости враще-
ния шпинделя станка в пределах всего диапазона.
Для того чтобы ориентировать привод шпинделя
на обработку средних по размеру заготовок и
учесть возможность передачи заготовок, близких
по размерам к предельным, для обработки на смеж-
ные станки (гаммы станков того же типа) приме-
! няют ломаный геометрический ряд со знаменателем
Ф1 для средних и с ф2>ф^ для крайних ступеней
диапазона скоростей станка. При этом уменьша-
ются число ступеней скорости и число передач
(по сравнению с нормальной равномерной струк-
турой), упрощается конструкция и становится воз-
можным увеличить диапазон регулирования при-
вода шпинделя, сохраняя неизменными рамки
предельных передаточных отношений и не вводя
переборного устройства.
После совокупности передач, дающих сту-
пеней скорости со знаменателем ф2, включаем
множительную группу в две передачи с такой
характеристикой х', отнесенной к знаменателю ф2,
что получается симметричный ломаный ряд (фиг.
V, 23), у которого (и + 1) средних членов со знаменателем ф! — ]Лр2.
Диапазон регулирования привода (см. фиг. V, 23)
л.“Ч>Г'фГ = фГ~”'й2 «рГ.
(V, 73)
откуда
(zK- 1) + х' = (х' — 0,5)2 +-у-
И
(V, 74)
% 2 к 2~’
Число ступеней скорости привода г — zK*2, так как в множительной
группе приняты две передачи. Отсюда zK ~ у и из последнего соотно-
шения
Х 2
(V, 75)
Из этих выражений определяется характеристика множительной
группы.
Максимальный диапазон регулирования
привода с учетом предельных передаточных
отношений. При двух передачах в последней переборной группе
максимальный диапазон регулирования чисел оборотов совокупности
38 РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
в гк ступеней скорости со знаменателем ряда <р2 ограничен величиной
[см. формулу (V. 72)]
с2
ф2‘
Если принять С — q>2 > то ф** < ф^, и
гк < 2г.
(V, 76)
Для множительной группы, состоящей из двух передач, предельный
диапазон регулирования
И множ “ ф2 < С — ф2’
откуда х' < г.
Фиг. V,25. Структур-
ная сетка для привода
со структурной фор-
мулой г = г0 (2 -Ь 2)
Сложенная структура привода шпинделя. Сло-
’ женная структура образуется как сумма структур двух приводов, один
из которых предназначен для высших, а другой — для низших ступеней
скорости вращения.
Структурная формула сложенного привода имеет следующий вид:
z = z0 (z' + z"),
где zQ — число ступеней скорости в общей части слагаемых приводов;
г' — число ступеней в скоростной части слагаемых приводов;
г" — число ступеней в тихоходной части слагаемых приводов.
В отношении общего количества передач в группах сложенные приводы,
построенные по структурным формулам z — z0 (1 + z") (фиг. V, 24) и z =
= z0 (2 + 2) (фиг. V, 25), могут быть так л<е выгодны, как и приводы с нор-
мальной множительной структурой при том же числе ступеней скорости.
Наибольший диапазон регулирования без введения переборного уст-
ройства для привода z = z0 (1 + z") = z0 + zoz", У которого zoz" ступе-
ней — в основной части и z0 ступеней — в приложенной части привода,
будет
Дтах = ДоснЧДприл <₽*' • (V« 77)
ОСОБЕННОСТИ ПОДБОРА ПЕРЕДАТОЧНЫХ ОТНОШЕНИЙ
39
Например, при <р = 1,26 и г0 — 6
р2 р2
Дт_ <— 1,26е = 4 —
тах ф ’ ф
т. е. в 4 раза больше, чем для нормального множительного привода.
Примерами применения структуры сложенного привода может служить
разделенный привод шпинделя токарно-винторезного станка мод. 1616,
приводы шпинделей станков мод. 1А62 и 1К62.
На фиг. V, 26 до V, 28 показан пример сложенной структуры привода
шпинделя крупного токарного станка.
Фиг. V, 27. Структур-
ная сетка привода,
представленного на
фиг. V, 26
40 РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
Преимуществами сложенного привода являются: расширение диапазона
регулирования без введения переборного устройства-//укорочение цепи
передач на высоких ступенях скорости/ а также и на средних ее ступенях
(фиг. V, 27 и V, 28) в крупных станках, что уменьшает потери на трение
и облегчает разгон и торможение привода; ^возможность применять пере-
дачи на шпиндель различного типа для высоких и для низких ступеней
скорости!—ременную и зубчатую при разделенном приводе, косозубую
и с внутренним зацеплением в приводах шпинделей крупных станков
(фиг. V, 26).
§ 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЕЛ ЗУБЬЕВ КОЛЕС ГРУППОВЫХ ПЕРЕДАЧ
Модули всех передач группы одинаковы
При неизменном межосевом расстоянии и одинаковом модуле зубчатых
колес группы должно быть
zf + z’j — S2 — const, (V, 78)
где zjt z'j — числа зубьев соответственно ведущего и ведомого колес пары
и / = 1, 2, 3 . . . , р;
— сумма чисел зубьев обоих колес.
Передаточное отношение этой пары
(V, 79)
г/
Из уравнений (V, 78) и (V, 79) следует
Пользуясь этими формулами, находят числа зубьев всех колес группы
по заданной сумме зубьев 5г.
Определение S2 производится обычно методом наименьшего крат-
ного.
_ . г/ а/
Если ij = — = , где Oj и — взаимно простые целые числа,
то соотношения (V, 80) можно написать в следующем виде:
a/S2
Zi~ aj + ЬГ
г\ = b'Sz ,
/ а/ +
(V, 81)
Следовательно, чтобы z;. и z'. были целыми числами, необходимо, чтобы
число 5г было кратным сумме
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЕЛ ЗУБЬЕВ КОЛЕС ГРУППОВЫХ ПЕРЕДАЧ
41
Для группы, состоящей из р зубчатых передач с передаточными отно-
шу
шениями if = , где / = 1, 2, . . р, наименьшая сумма зубьев S2min
будет равна Я — наименьшему кратному сумм
01 + blf а2 + bZt . . . , ар + bp9 (V, 82)
$z min ” К-
Если при значении Sz min, найденном таким способом, число зубьев
малого колеса передачи с i = G, т. е. при принятых выше обозначениях
число Zi = а S2 получится недопустимо малым, то число зубьев
этого колеса увеличивают в целое число Е раз до приемлемой величины
~ ^min^ ~ G1 . । ^S2 min
(V, 83)
и соответственно этому принимают сумму зубьев равной
— ESZ min EK*
(V, 84)
При решении рассмотренной задачи следует иметь в виду, что на выбор
числа зубьев наибольшего колеса влияют соображения, связанные с наи-
большей допустимой окружной скоростью; при заданном наибольшем
числе оборотов в минуту она, очевидно, пропорциональна диаметру на-
чальной окружности зубчатого колеса.
। тыре передачи
при Sz min = К = 18 получается zmin = *i = угу18 = 6-
Пусть поставлено условие, чтобы в проектируемой коробке скоростей число зубьев
22
у каждого из колес было не меньше 22. В таком случае Е у > 3, т. е. следует при-
нять Е = 4. Следовательно,
SZ=ESZ mm = 4.18 -72.
По этой сумме зубьев легко найти числа зубьев всех колес, пользуясь форму-
лами (V, 81).
Значение Sz == 72 представляет интерес в том отношении, что при этой сумме чисел
зубьев колес пары в пределах передаточных отношении от tmin ~ -у Д° *тах = у арифме-
тическому ряду чисел зубьев ведущих, а следовательно, и ведомых колес с разностью d — 1
отвечает с практически достаточной точностью геометрический ряд передаточных отноше-
ний со знаменателем <р — 1,06; поэтому, пользуясь этим значением Sz, можно получить
любое нормальное передаточное отношение i — 1,06±£ в указанных пределах Л
42
РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
Модули передач группы различны
В этом случае число зубьев ведущего колеса выражается через межосе-
вое расстояние А следующим образом:
2Д <4
- mi а, + bi 9
(V, 85)
где nij — торцовый модуль зубчатого колеса г,-, а а} и bj имеют значения,
указанные на стр. 39.
Число zz будет целым лишь при условии 2А = Ет1 (а; + &,•), где
по-прежнему Е — символ целого числа. Следовательно, наименьшее уд-
военное межосевое расстояние 2А равно наименьшему кратному произве-
дений /И; (а, + &,). Если оно получается чрезмерно большим, то находят
наименьшее кратное модулей и, увеличив его в некоторое целое число раз,
принимают полученное число за удвоенное межосевое расстояние (в мм).
Тогда суммы чисел зубьев S2 = —----целые числа, но вычисленные
2А
значения zz- = — • получаются дробными,
и их приходится
округлять.
Определение чисел зубьев колес косозубых передач. Для всех зубча-
тых передач группы нормальный модуль тп одинаков; углы ₽, наклона
зуба у колес отдельных передач могут быть различными. Межосевое рас-
стояние
тп +
2 cos р/
(V, 86)
Числа зубьев сопряженных колес
_ 24 а/cos ₽/ 2А 6/cosp;
’ тпСц + Ь/’- Zi- mnaf + bj-
Возможны два основных случая. •
1. Если поставлено требование Pz = const = Р (колеса нарезаются
на зубодолбежном станке, и имеется лишь один направляющий копир
или смена копира нежелательна, то сумму S2 чисел зубьев колес нахо-
дят как величину, кратную суммам я. + bft и по ней определяют меж-
осевое расстояние и числа зубьев колес:
Л = ЛА е ; Z' = S2—Х7Г- (V, 88)
2 cos р / 2 а/ + 6/ / 2 a,j + bj v '
2. Если задано межосевое расстояние Д, то находят К — наименьшее
кратное сумм а}- + Ь/. Для каждой передачи группы принимают соответ-
ствующую сумму зуоьев S2/ = КЕ;, подбирая целые числа Ef так, чтобы
mnKEj
при определении искомых углов р7 величина cos р, = —— не от-
клонялась слишком сильно от единицы и угол наклона зуба не получался
чрезмерно большим. Числа зубьев колес
KEjai KEjbj
i a I + bi i aj + bj 9
(V, 89)
очевидно, получатся теперь целыми.
УКАЗАНИЯ ПО РАЗРАБОТКЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
43
§ 4. УКАЗАНИЯ ПО РАЗРАБОТКЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
Варианты структуры кинематических схем
Варианты структуры кинематических схем с геометрическим рядом
чисел оборотов связаны с различными решениями двух основных общих
вопросов кинематики привода: а) настройки чисел оборотов или подач
в пределах заданного диапазона; б) уменьшения (редукции) или увеличе-
ния (мультипликации) чисел оборотов исходного вала привода до заданного
наименьшего (или наибольшего) числа оборотов последнего рабочего вала
привода.
Различным структурам настройки отвечают различные виды структур-
ной формулы и различные варианты структурных сеток.
При заданном или выбранном числе т групп передач и заданных коли-
чествах передач в группах структурная формула и структурные сетки
будут иметь конструктивные варианты, различающиеся порядком кон-
структивного расположения групп вдоль цепи передач:
2 = РаРьРс . ... рг = рьрарс . . . Pr ~ РсРаРъ • • • Рг =
= PcPbPa • • Рг=--' (V, 90)
Количество таких конструктивных вариантов равно числу перестано-
вок из т групп, т. е. т\ — 1-2-3 . . . т.
Если имеется q группу одинаковыми числами передач в каждой, то
т\
количество конструктивных вариантов равно .
Каждый из индексов a, Ь, с, . . ., г, обозначающих в выражении (V, 90)
номер группы в кинематическом порядке распределения групп, может иметь
различные значения от 1 до т. Каждая группа может быть основной, пер-
вой, второй или любой другой переборной вплоть до последней. Поэтому
для каждого конструктивного варианта структуры настройки может
быть т\ кинематических вариантов. Следовательно, общее количество
вариантов будет
1-2-3
4-zn! = -^.
g! g!
Например, для структуры z = 12 = 3-2-2, для которой т — 3 и
q = 2, количество конструктивных вариантов
т\ __ 1-2-3 _ q
q\ ~ 1-2 ~~6‘
Для каждого из них возможны 3! = 6 кинематических вариантов.
Следовательно, общее количество вариантов
(З!)2 __ 36 _
2! ~ 2
(V, 91)
Минимальное число передач
Общее число передач в группах 8Р = ра + рь + рс + . . . + рг
для заданного числа ступеней скорости z = рарьрс. . . рг получится ми-
нимальным, если
Ра = РЬ Рс= = Pr = Vz =-р. (V, 92)
44 РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
Можно доказать, что если tn — число групп передач — заранее не
обусловлено, то наименьшее число передач получится при условии
р = 2 или р = 3. (V, 93)
Таким образом, число передач в группе выгодно принимать р = 2
или р = 3, а так как 24-2 = 2x2 = 4, то также и р = 4,
Такие количества передач в группе обычно и примени бтся при пере-
движных (скользящих) блоках колес, когда количество колес равно удвоен-
ному числу передач. На случай настройки сменными колесами, когда
возможно также обратное включение пары колес, указанное положение
не распространяется. Применение ломаного геометрического ряда значи-
тельно уменьшает число передач.
Минимальное количество групп передач
Минимальное количество групп передач, необходимых для получения
заданного диапазона регулирования Дп = ДаДьДс .... Дп получится
в том случае, когда
Да = Д& = Дс = ...=дг = д (V.94)
*min пред
Так как для любой групповой передачи <рр = Дкф и диапазон регули-
рования Др = фр~* = (ДЛ-ф)р-1, то равенство (V, 94) может быть удов-
летворено, если ф = 1, Дк = Дт = Дпред и р — ръ = 2, т. е. если при-
вод состоит из группы с бесступенчатым регулированием (ф -> 1), имеющей
диапазон регулирования, равный Дпред, и переборной группы из двух
передач. Такая комбинация дает самую простую структуру настройки.
Так, вариатор .скорости с диапазоном регулирования Дг — Дпред
и переборная группа, состоящая из двух передач, дадут диапазон регули-
рования Дп = Д|Д2 = Дпред- Например, при Дпред = 8, Дп = 64 (см.
стр. 35).
Следующее место в отношении возможности упрощения структуры
настройки и получения наибольшего диапазона регулирования при от-
сутствии переборных устройств занимает комбинация переборной группы
из двух передач и группы со сменными колесами, для которой количество
передач в группе конструктивно не ограничено осевыми габаритами; оно
лимитируется предельными передаточными отношениями (см. стр. 28).
Если при этом р2 = 2 и Д2 = Дпред = 8, то
п Лпред 8 ту п п 64
Д1 = ~ и ДпД1Д2 — ф ’
Приводы с настройкой равномерными группами с количеством передач
в группах р = 2 или 3 дают наименьшее общее количество передач в груп-
пах, но вместе с тем требуют наибольшего количества групп. Таким обра-
зом, для уменьшения количества зубчатых колес приходится увеличивать
количество валов, подшипников и расточек в корпусе коробок скоростей,
необходимых для образования групповых передач. Эти элементы группо-
вых передач во многих случаях используются для образования цепи
редукции. Поэтому при сравнительной оценке вариантов настройки
по количеству нужных для этого передач, зубчатых колес, валов и дру-
гих конструктивных элементов следует принимать в расчет цепь передач,
необходимую для редукции.
УКАЗАНИЯ ПО РАЗРАБОТКЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
45
При длинной цепи редукции (крупные станки) следует применять
настройку равномерными группами с наименьшим общим количеством
передач в группах при числе передач в группах р = 2, 3 или 4. При ко-
роткой цепи редукции (небольшие быстроходные станки) выгоднее упро-
щенная структура настройки с наименьшим количеством групп, с приме-
нением неравномерных групп (см. фиг. V, 19, V, 20 и V, 21).
Учет веса привода
Размеры элементов передач привода возрастают с увеличением расчет-
ного крутящего момента, действующего на валах привода.
Из выражения для крутящего момента
Л4К = 955-lO3-^ т) н-сл, (V, 95)
где мощность У — в кет, получается
lg п + Ig Мк = 1g (955 • 103) + 1g ЛГ + 1g п • (V, 96)
Отражая эти соотношения в логарифмическом графике чисел оборотов
привода (фиг. V, 30), построим на расстоянии 1g 955 000 + lg Af от гори-
Фиг. V, 30. Комплексный график чисел
оборотов, передаваемой мощности и кру-
тящих моментов
Фиг. V, 31. Крутящие моменты
при различных вариантах цепи
передач редукции чисел оборотов
зонтали 1g 1 = 0 линию АВ мощности, передаваемой без потерь от вала /
к валу V. Если к. п. д. передач между валами одинаковы, то наклонная
прямая АС будет линией передаваемой мощности с учетом потерь на пути
передачи.
Отрезок линии вала между линией АС и отметкой какого-либо числа
оборотов вала дает в логарифмической шкале величины крутящих момен-
тов, передаваемых валом, как это показано для моментов, нагружающих
вал III.
При построении цепи передач редукции от п1 до nv (фиг. V, 31) для дан-
ной передаваемой мощности (линия Л С) расчетные крутящие моменты на
первом и последнем валах имеют вполне определенные значения.
46 РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
Расчетные моменты на промежуточных валах будут зависеть от построе-
ния цепи передач редукции. Если построить ее по линии aqe (фиг. V, 31),
применив в начале цепи передачи с а в конце цепи — с im^nped>
то расчетные крутящие моменты на промежуточных валах получатся наи-
большими. Такая расчетная цепь передач будет самой невыгодной.
Если применить обратное расположение передаточных отношений
по типу линии ake, то расчетные моменты на промежуточных валах будут
наименьшими, и вес конструкции привода может получиться наименьшим,
но при этом в первых двух звеньях нельзя применить групповые передачи.
Поэтому практически выгодно цепь передач редукции строить по типу,
характеризуемому ломаной линией abode', передаточные отношения умень-
шаются тем сильнее, чем ближе передача к шпинделю, если принять
у шпинделя предельно минимальное значение. Для уменьшения веса
привода выгодно применять такой вариант структуры, при котором число
передач в группах уменьшается вдоль цепи передач от электродвигателя
к шпинделю. Так, если
2 PaPbPc • • •
то рекомендуется брать
Ра Pb Рс Рг*
Одиночные передачи следует располагать ближе к шпинделю.
При таком конструктивном варианте структуры привода при задан-
ном общем количестве передач получится больше передач с малым весом
деталей и меньше передач с большим весом деталей, так как расчетные
крутящие моменты валов увеличиваются вдоль цепи передач от электро-
двигателя к шпинделю.
Общие соображения о выборе кинематического варианта
структуры привода
В общем случае из всех кинематических вариантов структуры наивыгод-
нейшим является такой, при котором характеристика групп увеличивается
от электродвигателя к шпинделю, т. е. номер группы в кинематическом
порядке распределения групп соответственно возрастает.
Так, если
Z = PaPbPc ••• Рг,
ТО
& • • • <г,
или иначе
г = Р1Р2Рз ••• Рт и х1<х2<х3...<хот. (V.97)
Преимущество такой последовательности характеристик групп состоит
в том, что при тех же наименьших числах оборотов промежуточных валов
их максимальные числа оборотов получаются меньшими. Этим можно
понизить требования к точности изготовления деталей передач; умень-
шаются динамические нагрузки в передачах; уменьшается опасность воз-
никновения вибраций; уменьшается износ деталей; уменьшается часть
потерь на трение, не зависящая от нагрузки; увеличивается к. п. д. при
высоких числах оборотов шпинделя.
Учет условий, относящихся к габаритам. Уменьшение ра-
диальных габаритов. Кинематическим средством для умень-
шения радиальных габаритов групповых передач служит условие
minimax
УКАЗАНИЯ ПО РАЗРАБОТКЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
47
в графике (картине) чисел оборотов оно приводит к симметричному рас-
положению лучей в поле данной группы.
Другим средством для уменьшения радиальных габаритов служит сов-
мещение осей валов смежных групп передач.
Уменьшение осевых габаритов. Уменьшение осе-
вых габаритов требуется, как правило, в тех случаях, когда шпиндельная
бабка перемещается по направляющим, перпендикулярным к оси шпин-
деля (радиально-сверлильные, продольно-фрезерные, расточные станки);
для устойчивости бабки на направляющих и предупреждения вибраций
желательно располагать быстровращающиеся детали в зоне направ-
ляющих.
Для уменьшения осевых габаритов привода используют: а) располо-
жение одиночных передач среди групповых и б) связанные колеса, т. е. та-
кие колеса, которые служат ведомыми в одной группе передач и веду-
щими — в последующей. Применение связанного колеса уменьшает общее
число колес двух смежных групповых передач.
Применение одного связанного колеса в группе не вносит никаких
кинематических ограничений; применение двух связанных колес в одной
и той же группе ограничивает общее передаточное отношение двух смеж-
ных групп передач. При трех связанных колесах в одной группе осущест-
вление геометрического ряда чисел оборотов становится невозможным при
полном (без перекрытия) числе ступеней скорости.
Уменьшение потерь на трение в приводе. Размеры элементов привода
определяют при включении цепи передач, дающей наименьшее число п
оборотов шпинделя из всех ступеней скорости, при которых используется
полная мощность, развиваемая электродвигателем. При более высоких п
элементы передач способны передать мощность, большую мощности элек-
тродвигателя, поэтому работают с недогрузкой; при увеличении п недо-
грузки возрастают, в связи с чем растет доля потерь на трение, не завися-
щих от нагрузки. Это ведет к снижению к. п. д. на высоких ступенях ско-
рости, особенно заметному в универсальных станках с широким диапазоном
регулирования скоростей вращения шпинделя.
Для уменьшения этих потерь стремятся сократить цепь передач при
высоких числах п оборотов шпинделя, строя кинематическую схему так,
чтобы при этих и выключалась часть цепи передач, не нужная для полу-
чения данного числа оборотов шпинделя.
Такое сокращение цепи передач и исключение из нее лишних звеньев
облегчает динамические условия разгона и торможения привода. Это
имеет существенное значение для универсальных станков с широким
диапазоном скоростей вращения шпинделя.
Основным средством для сокращения цепей передач на высоких сту-
пенях скорости вращения шпинделя служит применение сложенной
структуры привода. Она получила довольно широкое применение в не-
больших и средних по размеру станках в виде разделенного привода с ре-
менной передачей к шпиндельной бабке и зубчатым перебором в ней;
структурная формула такого привода
z = z0 (1 + z") = z0 (1 + 1) или z = z0 (1 + 2).
При высоких ступенях скорости перебор выключается и шпиндель
вращается от ременной передачи.
Пример шестеренной коробки скоростей со сложенной структурой для
крупного токарного станка приведен на фиг. V, 26, стр. 40.
48 РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО СТАНКА
Привод шпинделя токарно-винторезного станка мод. 1А62 (см. фиг. V, 35
стр. 59) построен по формуле z = z0 (1 + z") = 2-3 (1 +2-2 — 1) — 1 =
— 23, так как одна ступень скорости перекрывается в последней перебор-
ной группе и одна — при сложении структур.
Учет назначения станка. Значимость различных соображений, под-
лежащих учету при разработке кинематической схемы проектируемого
станка, определяется назначением станка. По общим соображениям
(см. стр. 46) в структуре привода z = Р1Р2Р3, • • • Рт выгодно прини-
мать Pi р2 р3 pmf X} <5 • • • < *lmin
Jasmin > • • • zmin пред- Отклонения от оптимального варианта струк-
туры привода вызываются особенностями назначения станков. Поэтому
учет этих отклонений является хорошим методом выявления специфиче-
ских особенностей приводов станков различных типов при сопоставлении
их конструкций. Характерны шпиндельные передачи.
Для черновой обработки заготовок большого диаметра или с исполь-
зованием режущих инструментов большого диаметра характерно приме-
нение зубчатой передачи с внутренним зацеплением, вынесенной за пре-
делы шпиндельной бабки. Для уменьшения веса привода передаточное
1 1
отношение такой передачи берется возможно малым, примерно отдо
Для черновой обработки с большими крутящими моментами и с повы-
шенными числами оборотов (средние диаметры обработки на многорезцо-
вых станках, обдирка твердосплавным инструментом) применяют цилин-
дрические косозубые колеса с передаточным отношением работаю-
щие с высокими расчетными напряжениями, для уменьшения окружной
скорости колес и увеличения плавности хода.
Для скоростной чистовой обработки, требующей плавного вращения
шпинделя, применяют встроенные электродвигатели, ременные передачи
с разгрузкой шпинделя от натяжения ремня, пневматические турбинки,
а также и другие передачи, которые перечислены ниже в порядке умень-
шения скорости вращения шпинделя: ременная передача без разгрузки
от натяжения ремня; передача косозубым пластмассовым колесом в со-
пряжении с чугунным или стальным колесом с твердостью поверхности
зубьев не ниже Я/?С40; ускорительная передача косозубыми цилиндри-
ческими колесами; передача коническими колесами с криволинейным
зубом; понизительная передача косозубыми или прямозубыми коле-
сами.
Пределы изменения режимов обработки влияют на тип шпиндельной
передачи. Если характер режима обработки не меняется, то применяется
передача, соответствующая этому режиму. При изменении режима в отно-
сительно небольших пределах применяют одну передачу на шпиндель,
приспособленную к этому диапазону измерения; например, в токарно-
винторезном станке мод. 1Д62 — передачу цилиндрическими косозубыми
колесами с передаточным отношением 1 : 2 во избежание больших ско-
ростей вращения ведущего вала и больших окружных скоростей зубчатого
колеса шпинделя.
При изменении характера режима обработки в широких пределах
применяют две передачи на шпиндель, например: ускорительную и за-
медлительную передачи цилиндрическими зубчатыми колесами; зубчатую
понизительную передачу и ременную передачу с разгрузкой шпинделя
от натяжения ремня; передачи цилиндрическими зубчатыми колесами
с внутренним и с наружным зацеплением.
УКАЗАНИЯ ПО РАЗРАБОТКЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
49
В отдельных случаях последняя переборная группа имеет специфи-
ческие особенности.
В токарно-винторезных станках диапазон регулирования этой группы
Дт используется не только для увеличения диапазона регулирования
привода шпинделя, но также и для увеличения шага резьб, и должен
быть равен Дт — 2В, где Е — целое число. G той же целью последнюю
переборную группу располагают около шпинделя.
В токарно-револьверных станках желательна возможность быстро
переключать последнюю переборную группу на ходу фрикционными
муфтами; эта группа не должна располагаться в конце цепи, где дейст-
вуют большие крутящие моменты.
Подобным же образом система переключений и структура других
групповых передач зависят от назначения станка.
При малых величинах основного времени также и вспомогательное
время на переключение передач должно быть малым. Переключение пере-
дач должно производиться на ходу или с предварительным набором ско-
рости. Система переключений передач отражается на структуре привода
и должна приниматься во внимание при разработке кинематической схемы.
ГЛАВА IV
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ.
БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ И ДВИЖЕНИЙ ПОДАЧ
§ 1. КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ СТАНКОВ
Общие положения. Требования к коробкам скоростей
Устройство коробки скоростей неразрывно связано со всей структурой
привода шпинделя (см. гл. III).
Коробка скоростей может быть встроена в корпус шпиндельной бабки;
в этом случае коробку скоростей называют шпиндельной бабкой, и наобо-
рот, шпиндельную бабку называют коробкой скоростей. Если коробка
скоростей расположена в отдельном корпусе и связана со шпиндельной
бабой какой-либо передачей, то коробку скоростей называют или редук-
тором, или коробкой скоростей, независимо от того, вынесена ли послед-
няя переборная группа в шпиндельную бабку или нет.
Разработка схемы устройства коробки скоростей производится сов-
местно с построением схемы всего привода шпинделя. При этом общие
требования, перечисленные выше (стр. 46—49) применительно к кинема-
тической схеме, должны учитываться в меру их относительного значения,
которое определяется назначением станка. Например, плавность враще-
ния шпинделя имеет для отделочного станка относительно большее зна-
чение, чем для обдирочного.
Коробка скоростей должна давать рассчитанный ряд чисел оборотов
шпинделя от nmin до nmax по нормали Н11-1 с отклонениями не свыше
предусмотренных этой нормалью (см. стр. 18) и передавать мощность,
обусловленную назначением станка. Плавная и бесшумная работа пере-
дач, точное без вибраций вращение шпйнделя необходимы для получения
заданной точности и чистоты обработанной поверхности.
Эти свойства шпиндельной бабки обеспечиваются достаточной жест-
костью корпуса, валов, шпинделя и их опор, целесообразным располо-
жением электродвигателя, качеством изготовления элементов привода
и его сборки.
Необходимая точность изготовления деталей привода повышается
с увеличением максимальных чисел оборотов промежуточных валов и
наибольших окружных скоростей зубчатых колес, особенно шпиндельных
передач. Степень точности зубчатых колес должна соответствовать их
максимальной окружной скорости. Выбор классов точности подшипников
качения должен быть обоснован. Так как стоимость этих подшипников
сильно растет с повышением класса точности (см. стр. 85), то во всех
случаях следует применять шарико- и роликоподшипники наиболее низ-
кого из возможных классов точности.
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ СТАНКОВ
51
Управление коробкой скоростей должно удовлетворять ряду условий,
указанных на стр. 173—174.
Механизмы коробки скоростей должны быть легко доступны для
наблюдения за их работой, периодических осмотров в целях предупреди-
тельного ремонта, для регулирования подшипников, муфт, тормозов,
деталей системы управления.
Корпус коробки скоростей должен быть уплотнен в местах выхода
валов и в стыках всех крышек так, чтобы из него не вытекало масло, а
внутрь не попадали грязь, абразив и смазочно-охлаждающая жидкость.
Технологические требования к коробкам скоростей подробно рассма-
триваются в книгах по технологии машиностроения; поэтому здесь
кратко указываются лишь важнейшие из этих требований:
1. Возможная простота конструкции, которая характеризуется в зна-
чительной степени общим количеством валов, зубчатых колес, муфт,
подшипников и деталей системы управления.
2. Удобная механическая обработка деталей, особенно корпуса ко-
робки, как наиболее трудоемкой детали. Количество отверстий с несов-
мещенными осями должно быть возможно малым. Диаметры отверстий,
расположенных на одной оси, должны уменьшаться в одну сторону, чтобы
их можно было обработать, не поворачивая корпус на 180°. Это требова-
ние не обязательно при обработке корпуса с двух сторон на агрегатных
станках при крупносерийном производстве или на поворотном столе рас-
точного станка при единичном или мелкосерийном производстве. Выступы
на наружных поверхностях корпуса желательно располагать в одной
плоскости для возможности сквозного фрезерования или строгания одно-
временно нескольких корпусных деталей. Внутренние подрезки и нареза-
ние резьбы в расточенных отверстиях осложняют обработку, и их реко-
мендуется избегать.
3. Уменьшение количества оригинальных деталей за счет относитель-
ного увеличения нормальных деталей; ограничение числа посадок, моду-
лей зубчатых колес, технологичная конфигурация больших зубчатых колес
♦значительно уменьшают трудоемкость изготовления коробки скоростей.
4. По тем же соображениям желательны унификация конструкции
и внедрение ранее освоенных заводом подузлов.
5. Простота сборки при минимальном объеме пригоночной работы.
Желательна независимая сборка отдельных подузлов и всей коробки с по-
следующим монтажем ее на станке.
6. Конструкция стыка корпуса со станиной должна обеспечивать
удобную выверку коробки скоростей или шпиндельной бабки. Не должно
быть зазоров в стыках в местах расположения крепежных винтов.
Технические условия
Корпус коробки скоростей обычно отливают из чугуна марки СЧ 15-32
по ГОСТу 1412—54, а в некоторых случаях из чугуна более высокого
качества, например СЧ 28-48. При сложной и ажурной конфигурации
корпуса следует подвергать отливку старению для снятия внутренних
напряжений.
В некоторых моделях прецизионных станков корпус шпиндельной
бабки и коробку скоростей отличают из сплава инвар (36% Ni, осталь-
ное — Fe), у которого коэффициент теплового расширения равен (1 ч-2) X
х 10"6, т. е. в 5—10 раз меньше, чем у обычных чугунов, с целью устра-
нить влияние температурных деформаций бабки на точность работы
станка.
52
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ, БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
Для зубчатых передач вводятся допуски на предельные отклонения
расстояний между осями валов. Отверстия под подшипники валов обычно
выполняются по 2-му классу точности. Отклонения формы отверстия
не должны превышать 1/3~н1/2 поля допуска не неточность диаметра.
Допуски на неточность отверстий под подшипники шпинделя устанав-
ливают в зависимости от требований, предъявляемых к точности и шеро-
ховатости поверхностей деталей, обработанных на станке, большей
частью — по 1-му классу точности.
Для обработанных поверхностей корпуса, перпендикулярных к осям
отверстий, допускаемые отклонения ограничиваются обычно 0,01—0,03 мм
на 100 мм радиуса. Предельные отклонения на расстояния между этими
поверхностями составляют 0,2—0,5 мм, так как точное осевое положение
валов не имеет значения для работы коробки, тогда как перекос крышек,
базирующихся на торцовые поверхности корпуса, может вызвать одно-
стороннее прилегание торцов крышек к наружным кольцам подшипников
качения и перекос.
Ось шпинделя должна быть параллельна основанию корпуса шпин-
дельной бабки. Оси валов должны быть взаимно параллельны. Отверстия
под подшипники шпинделя должны быть соосны.
В современных моделях станков все зубчатые колеса коробки скоро-
стей подвергают закалке и шлифуют.
Расчетные цепи передач коробок скоростей
Коробка скоростей, как и весь привод шпинделя, имеет две расчетные
цепи передач, соответствующие наименьшему числу оборотов шпин-
деля nmin при обработке инструментами с пластинкой из твердого сплав'а
и инструментами из быстрорежущей стали. Вторая цепь должна быть
рассчитана на мощность в 2—3 раза меньшую, чем первая цепь.
В станках общего назначения наименьшее число оборотов шпинделя
используется на операциях, не требующих полной установленной мощ-
ности электродвигателя, — таких, как нарезание резьбы, развертыва-
ние и т. п. В станках этого рода на установленную мощность электродви-
гателя не рассчитываются цепи передач для получения всей первой чет-
верти ряда скоростей вращения шпинделя, если станок предназначается
для обработки инструментами из быстрорежущей стали. Для станков,
предназначенных для обработки инструментами, оснащенными пластин-
ками твердого сплава, подобные нормативы пока окончательно не уста-
новлены.
Для шестеренной коробки скоростей мощность, подсчитанная по сла-
бому звену, увеличивается с числом оборотов шпинделя.
к. п. д. коробок скоростей
Недогрузка привода, по сравнению с допустимой расчетной мощностью,
на высоких ступенях скорости вращения шпинделя является одной из
основных причин низкого к. п. д. привода на этих скоростях. Поэтому
сокращение цепи передач на высоких числах оборотов с целью увеличе-
ния к. п. д. привода (см. стр. 47) желательно производить так, чтобы
оставалось возможно меньше передач, недогруженных по сравнению с до-
пустимой расчетной мощностью, т. е. цепь нужно укорачивать за счет
последних ее звеньев, имеющих большие размеры.
Примером такого решения может служить выключение перебора
у шпиндельной бабки токарно-винторезного станка с разделенным при-
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ СТАНКОВ
53
водом (фиг. V, 32), а также переборная группа шпиндельной бабки станка
мод. 1А62 (см. фиг. V, 35 на стр. 59).
В результате исследований, выполненных в ЭНИМСе Г. А. Левитом,
предложена следующая полуэмпирическая формула для ориентировоч-
Фиг. V, 32. Развертка передней бабки токарно-винторезного станка мод. 1620
кого определения мощности холостого хода коробки скоростей при раз-
ных скоростях вращения шпинделя:
d
Nx 955Лоз +-----Ь Спшп) кет, (V, 98)
где Км = 30 4-50 — коэффициент, имеющий тем меньшую величину, чем
лучше условия изготовления, смазки и конструкция
в отношении потерь на трение в элементах привода;
dcp — средний диаметр валов цепи передач (не считая
диаметра шпинделя) в см\
ti\9 Пц, пць • • • — числа оборотов в минуту валов привода, включенных
в цепь передач при данном значении пшп\
Пшп — число оборотов шпинделя, при котором опреде-
ляется мощность холостого хода;
С = кшп -------коэффициент; для шпинделей на подшипниках ка-
чения kMn = 1,5, а для шпинделей на подшипниках
скольжения kMn = 2.
Об учете потерь на трение см. также стр. 47.
54
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ. БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
§ 2. типы коробок скоростей
Коробки скоростей различают-по компоновке и способу переключения
скоростей.
Компоновка коробок скоростей
На компоновке коробки скоростей проектируемого станка отражаются
как общие условия компоновки всего станка, т. е. пространственные
и габаритные связи между отдельными узлами, так и пространственные
связи между собственно коробкой скоростей и шпиндельной бабкой, вклю-
чающей в себя шпиндель с его опорами и передачами.
Компоновка коробки скоростей, как и всего станка, в значительной
степени определяется назначением станка и его типоразмером. Этим
объясняется разнообразие конструктивных компоновок коробок скоро-
стей, несмотря на ограниченность конструктивных элементов, из которых
они состоят.
Принятая при проектировании станка компоновка коробки скоростей
должна быть обстоятельно обоснована.
I. Шестеренные коробки скоростей, встроенные в шпиндельную бабку.
Такие коробки скоростей применяются в большинстве станков средних
и крупных размеров. Преимуществами такой компоновки являются: ком-
пактность привода шпинделя; концентрация управления; меньшее коли-
чество корпусных деталей: меньший объем^работ пр пригонке стыковых
поверхностей^ на сборке? ’
Недостатки компоновки: возможность распространения вибраций ко-
робки скоростей на шпиндель; нагревание шпиндельной бабки теплом,
выделяющимся в коробке скоростей; конструктивные трудности приме-
нения, наряду с зубчатой передачей на шпиндель, также передачи гибкой
связью.
В современном станкостроении находят применение следующие виды
габаритных компоновок шпиндельных бабок со встроенными коробками
скоростей:
1. Шпиндельные бабки с уменьшением4 осевых габаритных размеров
иногда за счет развития радиальных габаритных размеров (фиг. V, 33).
Компоновка этого рода применяется при перемещении шпиндельной
бабки по направляющим, перпендикулярным к оси шпинделя, с целью
уменьшить возможность вибраций, вызванных консольным расположе-
нием двигателя и других вращающихся масс привода (радиально-свер-
лильные, продольно-фрезерные станки). Применяются подобные шпин-
дельные бабки также в вертикальных конструкциях станков с верхним
приводом шпинделя для уменьшения общей высоты станка и увеличения
виброустойчивости (особенности структуры таких приводов см. на стр. 46).
2. Шпиндельные бабки с уменьшением радиальных габаритных раз-
меров за счет развития осевых габаритных размеров применяются в тя-
желых горизонтальных станках токарной группы и в других для умень-
шения поперечных размеров станка (и вызванного этим увеличения ши-
рины пролета цеха) (см. стр. 46—47).
3. Шпиндельные бабки с нормальным соотношением между осевыми
и радиальными габаритными размерами применяются в большинстве
горизонтальных станков малых и средних размеров..
Для структуры их привода характерно совместное и умеренное при-
менение средств для сокращения осевых и радиальных габаритных раз-
меров. Так, для уменьшения осевых габаритных размеров применяют
ТИПЫ КОРОБОК СКОРОСТЕЙ
Фиг. V, 33. Фрезерная головка со встроенным двухскоростным электродвигателем типа МА 203КН V4 ВД
56
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ, БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
обычно одно, а не два связанных колеса, для сокращения радиаль-
ных габаритов совмещают оси валов не всех смежных групповых пе-
редач.
II. Коробки скоростей с разделенным приводом. Шпиндельная бабка
и коробка скоростей выполняются в виде отдельных узлов, соединенных
ременной передачей. Преимущества разделенного привода в этом случае
следующие: шпиндельная бабка не нагревается теплом, образующимся
от потерь на трение в коробке скоростей; вибрации, возникающие в ко-
робке скоростей, не передаются шпиндельной бабке.
При соединении коробки скоростей и шпиндельной бабки ремен-
ной передачей с устройством для разгрузки шпинделя от силы натяжения
ремня к указанным преимуществам нужно добавить следующие: а) плав-
ность хода шпинделя при высоких скоростях вращения, что имеет боль-
шое значение для чистоты обрабатываемой поверхности и стойкости
инструментов при чистовой обработке; б) при переборном устройстве
в шпиндельной бабке получаются две передачи различного типа на шпин-
дель: ременная с разгрузкой шпинделя от натяжения ремней — для
чистовой обработки (большие п шпинделя) и зубчатая — для черновой
обработки; расширяется диапазон режимов обработки, что важно для
скоростного резания; в) в последнем случае при выключении перебора
сокращается цепь передач для высоких ступеней скорости вращения
шпинделя, что увеличивает к. п. д. привода и облегчает условия пуска
и торможения.
Для удобства надевания ремня (ремней) применяется консольное рас-
положение шкива у конца шпинделя.
Способы переключения передач коробок скоростей
Способ переключения передач коробки скоростей в основном опреде-
ляется назначением станка и зависит прежде всего от частоты переклю-
чений и длительности рабочих ходов.
Если какое-либо из переключений скоростей коробки требуется часто,
его желательно производить быстро и на ходу. Так, в токарно-револьвер-
ных станках малых и средних размеров вторая переборная группа пере-
ключается чаще других соответственно чередованию сверления и разверты-
вания, сверления или обтачивания и нарезания резьбы; поэтому пере-
ключения передач этой группы предпочтительно производить фрикцион-
ными муфтами.
При малой величине основного времени рабочего перехода скорости
желательно переключать быстро на ходу, чтобы относительная доля
вспомогательного времени не была большой.
I. Коробки скоростей со сменными колесами. Числа оборотов настраи-
вают путем смены колес’Групповой передачи между смежными валами
при неизменном расстоянии между их осями.
Преимущества настройки сменными колесами:
1. Малые осевые габариты. Количество передач в группе конструк-
тивно не ограничено — оно лимитируется лишь предельными передаточ-
ными отношениями (см. стр. 28) при максимальном диапазоне регулиро-
вания группы Др = - = 84-10.
2. Если необходимый диапазон регулирования привода не превосходит
указанных величин, то настройка чисел оборотов производится только
одной группой передач.
ТИПЫ КОРОБОК СКОРОСТЕЙ
57
Таким образом, структура и конструкция привода при применении
в нем сменных колес упрощаются (см. например, привод шпинделя много-
резцовых станков).
3. При сменных колесах возможность аварийных включений передач
исключается без применения каких-либо блокирующих устройств.
Для передач с обратными значениями передаточных отношений
и возможно обратное включение одной и той же пары колес.
Благодаря этому уменьшается общее количество зубчатых колес группо-
вой передачи. Все же при малых значениях знаменателя <р ряда и боль-
шом числе ступеней скорости иногда бывает целесообразно для умень-
шения числа сменных колес вместо одной группы ввести две последова-
тельные группы со сменными колесами.
Недостаток сменных колес — сравнительно большая затрата вре-
мени на смену их. Для ускорения этой операции применяют посадку
сменных колес на шлицевых валиках, реже — на конических шейках
валов с врезными шпонками (фиг. V, 33, стр. 55).
В осевом направлении сменные колеса фиксируются на валу быстро-
съемными поворотными шлицевыми кольцами с фиксаторами или быстро-
съемными шайбами с прорезью, благодаря которой шайба легко снимается
(в сторону) без полного свинчивания крепежной гайки или винта. Размер
гайки или головки болта берется таким, чтобы они свободно проходили
через отверстие фасточку) сменного колеса.
Нередко сме&ые колеса удерживаются на месте выступами крышки,
смонтированной с малым осевым зазором. Недостатком сменных колес
является трудность уплотнения без прокладок закрывающей их крышки
при горизонтальном расположении валов.
Для устранения утечки масла применяют конструкции с отбортовками
стенок и отражателями.
Сменные колеса используют при относительно редкой настройке при-
вода шпинделя на операцию (а не на переходы операции) при массовом
и серийном производстве, в автоматах, полуавтоматах, специальных и
операционных станках, а также для поднастройки универсальных станков
на партию деталей.
II. Коробки скоростей с передвижными (скользящими) колесами. Груп-
повые передачи с передвижными блоками колес могут передавать большие
крутящие моменты и мощности при относительно малых радиальных
габаритах. Как и у всякой группы передач с зубчатыми колесами, радиаль-
ные габаритные размеры могут получиться при данном модуле наимень-
шими при условии
ip тах^р min = 1 >
гДе и *pmin — наибольшее и наименьшее передаточные отношения
передач группы.
В коробках этого типа колеса, не участвующие в передаче мощности
шпинделю, не находятся в зацеплении, поэтому они не изнашиваются
в это время.
Вследствие указанных преимуществ переключение скоростей передвиж-
ными блоками колес получило широкое применение в коробках скоростей
станков, преимущественно — универсальных, несмотря на свойственные
таким колесам нижеперечисленные недостатки.
1. Сложность переключения передач—для этого необходимо вы-
ключить привод коробки скоростей, притормозить валы коробки до
58
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ, БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
медленного вращения, переключить скользящие блоки колес, растормо-
зить привод и включить привод коробки.
2. Возможность аварий при переключении передвижных колес на
быстром ходу или при одновременном включении между смежными ва-
лами двух передач одной группы. Поэтому необходима блокировка, не
допускающая аварийных включений (см. стр. 190—191).
3. Относительно большие осевые габариты групповой передачи. Осе-
вая протяженность группы I 2Ьр, где р — число передач в группе,
а Ь — ширина зубчатого венца колес этой группы. Для уменьшения осе-
вых габаритов принимают b = (4 4-8) /п, где т — модуль.
4. Относительно большие осевые габариты не позволяют применять
больше р = 4 передач в группе со скользящими блоками колес. В отдель-
ных редких случаях при вынесении деталей передач, смежных с группой
таких колес, за пределы корпуса коробки скоростей возможна группа
с р = 6 передачам.
Такое ограничение числа передач в группе и увеличение числа групп
передач не осложняет структуру привода шпинделя только в тех слу-
чаях, когда для редукции чисел оборотов электродвигателя до наимень-
шего числа оборотов шпинделя требуется цепь передач с числом звеньев,
достаточным для размещения потребного числа групп передач с пере-
движными колесами.
Длинная цепь редукции обычно бывает в приводах шпинделей уни-
версальных станков, имеющих широкий диапазон регулирования. В при-
водах этих станков передвижные колеса являются Основным типом
групповых передач.
Большие силы для переключения крупных передвижных блоков колес
ограничивают их применение в тяжелых станках с ручным управлением
коробкой скоростей.
Передвижные блоки колес монтируют на зубчатых (шлицевых) валах;
как правило, в них применяют прямозубые колеса.
III. Коробки скоростей с кулачковыми муфтами. В коробках скоростей
современных станков кулачковые муфты часто выполняют в виде зубча-
тых муфт, не требующих ручной пригонки при изготовлении и дающих
более равномерное распределение- сил сцепления на больших рабочих
поверхностях, чем у кулачковых муфт других типов.
Преимуществами переключения передач кулачковыми муфтами яв-
ляются малые осевые перемещения таких муфт при переключениях,
возможность передачи косозубыми и шевронными колесами, а также
меньшие усилия для переключения, чем у передвижных блоков колес,
что имеет значение для коробок скоростей тяжелых станков.
Недостатки переключения передач кулачковыми муфтами: а) возмож-
ность поломки кулачков или зубьев муфты при включении передач на
ходу при большой разности скоростей вращения; это вызывает необхо-
димость выключать и притормаживать привод при переключении скоро-
стей или вводить синхронизаторы для предварительного уменьшения
разности скоростей вращения сцепляемых половинок муфты; б) холостое
вращение колес включенных зубчатых передач вызывает потери от трения
в зацеплениях и в опорах колес на валах.
При опорах скольжения в некоторых коробках (со ступенями возврата)
эти потери сильно снижают к. п. д. и вызывают самоторможение зубчатых
передач. Но даже и при опорах качения холостое вращение зубчатых ко-
лес вызывает потери, особенно заметные на высоких ступенях скорости
шпинделя.
ТИПЫ КОРОБОК СКОРОСТЕЙ
59
Эти недостатки ограничивают применение переключений кулачковыми
муфтами в коробках скоростей современных станков. Наиболее удачными
являются комбинации зубчатых муфт с передвижными колесами, исклю-
чающие или ограничивающие холостое вращение зубчатых колес. Сюда
относятся переборные устройства шпиндельных бабок токарных станков
со шпинделем, разгруженным от натяжения
ремня, и шпиндельные передачи, выпол-
ненные по схеме фиг. V, 34, исключающей
холостое вращение колес при высоких ско-
ростях вращения шпинделя (фиг. V, 35).
Переключение передач зубчатыми муф-
тами иногда применяют в коробках ско-
ростей тяжелых станков, чтобы избежать
больших усилий, нужных для переклю-
чения тяжелых блоков передвижных колес.
Фиг. V, 34. Схема переключения
шпиндельных передач
IV. Коробки скоростей с фрикционными муфтами. Возможность бы-
строго и плавного переключения передач на ходу делает фрикционные
муфты эффективным средством для сокращения времени, затрачиваемого
Фиг. V, 35. Развертка коробки скоростей токарного станка мод. 1А62
на управление станком. Кроме того, такой способ переключения позво-
ляет применять в коробке косозубые и шевронные передачи.
Ограниченная величина крутящего момента, большие радиальные и
осевые габариты, затрудняющие применение больше двух передач в группе
и больше трех групп в коробке скоростей, потери и износ при холостом
вращении постоянно сцепленных передач, а также снижение к. п. д.
вследствие трения в выключенных муфтах являются основными недо-
статками коробок скоростей с переключением фрикционными муфтами.
60
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ, БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
Фиг. V, 36. Коробка скоростей токарно-
ТИПЫ КОРОБОК СКОРОСТЕЙ
61
револьверного автомата мод. 1Б136
62
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ, БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
Иногда к этим недостаткам прибавляются эксплуатационные неполадки —
буксование и нагревание муфт, необходимость их частой регулировки,
передача тепла от муфт шпиндельному узлу, что неблагоприятно отра-
жается на точности работы станка.
Переключение групповых передач фрикционными муфтами приме-
няется преимущественно в небольших и средних токарно-револьверных
станках, иногда в сочетании с многоскоростным электродвигателем.
В крупных токарно-револьверных станках применяется переключение
фрикционными муфтами передач второй переборной группы.
Благоприятные перспективы имеют коробки скоростей с электромагнит-
ными дисковыми (см. фиг. V, 32) и с порошковыми эмульсионными муф-
тами, позволяющими применять дистанционное и автоматическое управ-
ление коробками скоростей. В качестве примера можно привести токарно-
револьверный станок венгерского производства (мод. RT80P), в котором
скорости шпинделя (пх = 28 или 35, /г12 =1250 или 1600, М = 14квт)
переключаются при помощи семи электромагнитных муфт, управляемых
посредством перфокарты или лимба преселективной настройки.
На фиг. V, 36 приведена развертка коробки скоростей токарно-револь-
верного автомата мод. 1Б136 с шестью электромагнитными муфтами (по-
стоянного тока, 24 в). Как видно из чертежа, при каждой установленной
паре сменных зубчатых колес A/В можно иметь, переключая соответст-
вующие муфты, три правые и три левые скорости вращения шпинделя.
Конструкции управления механизмами коробок скоростей рассмотрены
в гл. XI, стр. 172—189.
§ 3. КОРОБКИ ПОДАЧ
Основные элементы механизма подач
Коробка подач является частью механизма подачи, состоящего из
следующих отдельных элементов:
1. Привод механизма подач — от отдельного электродвигателя или от
шпинделя посредством зубчатой, цепной или ременной передачи. Тип
передачи зависит от максимальной скорости nmax шпинделя, от наиболь-
шего крутящего момента Мкта на шпинделе, нужного для привода
механизма подач, от необходимой жесткости кинематической связи между
шпинделем и тяговым валом механизма подачи.
При бесступенчатом регулировании скорости вращения шпинделя во
время обработки детали привод механизма подач от шпинделя обеспе-
чивает сохранение постоянства величины подачи на один оборот шпин-
деля. С этой целью электродвигатель привода подач иногда питается
от генератора, ротор которого сцеплен с валом регулируемого электро-
двигателя привода шпинделя.
2. Устройство для включения механизма подач в виде кулачковых
муфт, передвижных колес или фрикционной муфты. Располагается в на-
чале цепи подач и у начала ее разветвлений в рабочей зоне станка.
3. Устройство для реверсирования подач — располагается в рабочей
зоне или управляется из нее.
4. Предохранительное устройство от перегрузки механизма подач —
располагается в той части цепи подач, где изменение крутящего момента
определяется только возрастанием тяговой силы, т. е. между тяговым
устройством и последним ведомым валом коробки подач.
5. Одиночные передачи цепи рабочих подач. Одиночные передачи, слу-
жащие для редукции, располагаются между коробкой подач и тяговым
КОРОБКИ ПОДАЧ
63
устройством с целью уменьшения крутящих моментов на валах коробки
подач. Между шпинделем и коробкой подач располагаются одиночные
передачи, нужные для конструктивной компоновки всего механизма
подач.
6. Цепь передач для быстрых (ускоренных) ходов суппортов, стола
и т. п. с приводом от отдельного электродвигателя или от первого вала
привода шпинделя — сопрягается с цепью рабочих подач в конце этой
цепи, близ тягового вала после одиночных передач, осуществляющих
редукцию.
7. Коробка подач. Располагается в начале одиночных передач, служа-
щих для редукции, с целью уменьшения крутящих моментов. С другой
стороны, коробку подач желательно помещать ближе к рабочей зоне,
особенно при частой смене подач и при независимой настройке подач
отдельных суппортов и их салазок.
8. Тяговое устройство механизма подач. Структурные свойства его
сильно влияют на структуру механизма подач.
Основные механические связи между элементами механизма подачи
Степень редукции. Общее передаточное отношение цепи механизма
подач определяется при приводе от шпинделя уравнением
откуда
(V, 99)
где s — подача в мм/об шпинделя;
t — шаг тягового вала в мм;
is/uin — передаточное отношение цепи от шпинделя до тягового вала.
Здесь шаг тягового вала рассматривается как величина подачи, при-
ходящейся на один оборот тягового вала (шаг винтовой линии резьбы
ходового винта, барабанного кулачка, подъем архимедовой спирали пло-
ского кулачка, длина окружности реечного колеса).
При приводе от индивидуального электродвигателя
SM ^a^s/эЛ
откуда
Zs/э-^, (V, 100)
Пэ*
где sM — подача в мм/мин\
пэ — число оборотов электродвигателя в минуту;
is/9 — передаточное отношение цепи от электродвигателя до тягового
вала.
Следовательно, при данной подаче шаг тягового устройства опреде-
ляет степень редукции и соответственно длину цепи передач. Ходовой
винт с малым шагом резьбы дает возможность получить наиболее короткую
цепь передач с наибольшим передаточным отношением и с наименьшим
редуцированием.
Уравнение работ для механизма подач. Для
определения крутящих моментов, действующих на отдельных валах меха-
низма подач, удобно использовать уравнение работ
64
КОРОБКИ скоростей и подач, бесступенчатый привод
где Q — тяговая сила подачи,
Л4Л/ — крутящий момент на j-м валу;
Zy/S == —--передаточное отношение цепи от /-го вала до тягового;
T|//s — к. п. д. цепи передач от /-го вала до тягового;
t — имеет прежнее значение.
Отсюда
д/ . _ Qtii/s _________________________________
к' 2nt)//s 2nt]//s
Q
— si’
(V, 102)
где Sj = tij/s — подача на один оборот /-го вала.
Таким образом, крутящий момент на любом валу механизма подач
при прочих одинаковых условиях прямо пропорционален s, — подаче,
приходящейся на один оборот этого вала, или i//s — передаточному отно-
шению цепи передач от данного вала до вала тягового устройства. Из этого
следует, что в отличие от привода шпинделя расчетной цепью передач
механизма подач является цепь максимальных ускорительных передач.
Наибольший крутящий момент получится на самом тихоходном валу цепи
максимальных ускорительных передач, а не вообще самом тихоходном.
Применяя уравнение (V, 102) к шпинделю, получим
М —_______—____
кшп 2^Mn/s ’
(V, 103)
где Мк шп — крутящий момент на шпинделе, необходимый для привода
механизма подач;
fliun/s — к. п. д. цепи передач от шпинделя до тягового вала.
Выражения (V, 102) и (V, 103) объясняют, почему в токарно-винто-
резных станках, у которых smax достигает 200 мм/мин, иногда и больше,
привод подач делается более сильным, чем у многорезцовых станков та-
кого же размера, у которых применяются цепные и даже ременные пере-
дачи от шпинделя к механизму подач.
Для тягового вала уравнение (V, 102) принимает вид
(V. 104)
где MKS — крутящий момент на тяговом валу;
*»ls — к. п. д. тягового устройства.
Значения для ходовых винтов в сочетании с гайкой скольжения
или с шариковой гайкой приведены в гл. VI, стр. 103—105.
Несмотря на малый к. п. д. пары винт—гайка скольжения, крутя-
щий момент как на ходовом винте, так и на валах части цепи подач от
тягового вала (т. е. винта) до последнего ведомого вала коробки подач
будет небольшим по сравнению с другими видами тяговых устройств
с большим шагом. Это не исключает возникновения очень больших крутя-
щих моментов в части цепи подач от шпинделя до ведущего вала коробки
подач, где подачи, приходящиеся на один оборот вала, бывают очень боль-
шими при нарезании многозаходных червяков и винтов с большим ходом
(многозаходные винты).
Требования к коробкам подач
В зависимости от назначения станка, к коробке подач и ко всему ме-
ханизму подач могут предъявляться различные требования в отношении:
а) количества ступеней подач; б) диапазона подач; в) закономерности
ТИПЫ КОРОБОК ПОДАЧ
65
их ряда (нормально — геометрический ряд, для токарно-винторезных
станков — приблизительно арифметический); г) характера движения
подачи (непрерывное или периодическое); д) вида привода (от шпинделя
или от отдельного электродвигателя); е) абсолютных значений скоростей
подач; ж) необходимой точности настройки подач; з) допускаемого на-
копления погрешностей отдельных передач (для нарезания высокоточных
резьб кинематическая цепь должна быть возможно короткой); и) на-
грузки коробки подач; к) частоты переключений передач для настройки.
Перечисленные, а также некоторые другие факторы влияют на структуру
и конструкцию коробок подач. Этим вызвано большое их разнообразие
в существующих и вновь создаваемых моделях станков.
Жесткость кинематической связи шпинделя с тяговым валом, нормы
точности на детали коробки и всего механизма подач устанавливаются
в зависимости от назначения станка с учетом влияния погрешностей изго-
товления и сборки механизма на точность работы проектируемого станка.
На корпусы коробок подач и детали их передач в основном распростра-
няются технические условия, применяемые к аналогичным деталям
коробок скоростей.
§ 4. ТИПЫ КОРОБОК ПОДАЧ
Коробки подач различают по видам механизмов с зубчатыми переда-
чами, служащими для настройки подач.
Коробки подач со сменными колесами при неизменном расстоянии
между осями валов
При малых осевых габаритах такие коробки допускают большое
количество подач, ограниченное лишь предельными передаточными отно-
шениями. Они применяются при редкой настройке в автоматах, полу-
автоматах, операционных и специальных станках, используемых в се-
рийном и массовом производствах.
Коробки подач с передвижными колесами
Коробки этого типа приспособлены к частому переключению передач
значительно лучше, чем коробки со сменными зубчатыми колесами,
поэтому широко применяются в универсальных станках (фиг. V, 37).
Возможность передавать большие крутящие моменты (по сравнению
с другими конструкциями, см. ниже) и работать с большими скоростями
без холостого вращения зубчатых передач делает коробки этого типа
удобными для применения в приводах подач от отдельного электродви-
гателя, в крупных токарных, фрезерных, карусельных и в различных
быстроходных станках.
Недостаток коробок этого типа — практическая невозможность при-
менения косозубых колес для получения ряда точных передаточных
отношений.
Коробки подач со встречными ступенчатыми конусами колес
и вытяжными шпонками
Компактность конструкции, возможность расположить в одной группе
до 8—10 передач, возможность применения косозубых колес для полу-
чения ряда точных передаточных отношений, управление переключе-
ниями всех передач пары конусов одной рукояткой составляют основные
достоинства коробок этого типа (фиг. V, 38).
3 Ачеркан. Зак. 659.
66
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ, БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
Возможность перекоса вытяжной шпонки, недостаточная жесткость
шпоночного валика, ослабленного продольным пазом, вращение колес
с чрезмерно большой скоростью, если шпоночный валик работает как
Фиг. V, 37. Коробка подач продольно-фрезерного станка
ведущий, — все эти недостатки не позволяют применять коробки данного
типа для передачи больших крутящих моментов и при больших ско-
ростях валов.
Фиг. V, 38. Коробка подач токарно-револьверного станка мод. 1330
Коробки подач с вытяжными шпонками находят применение в не-
больших, а иногда и в средних по размеру сверлильных и токарно-револь-
верных станках.
Недостаточное базирование узких зубчатых колес на валиках ограни-
чивает диаметр колес. Поэтому механизмы с вытяжными шпонками обычно
используют в качестве основной группы передач коробки подач.
ТИПЫ КОРОБОК ПОДАЧ
67
Нортоновские коробки
Благодаря наличию паразитного накидного колеса в передвижной
каретке (z0 на фиг. V, 39) выбор чисел зубьев колес нортоновской коробки
(см. стр. 68) не связан условием постоянства суммы чисел зубьев. Это
расширяет возможность точного осуществления требуемых передаточных
отношений, что особенно важно для настройки подач 2к
винторезных станков.
При постоянном зубчатом колесе на одном из
валов для всех передач (г на фиг. V, 39) диапазон
регулирования группы передач Др < 4, и при гео-
метрической структуре ряда число ступеней подач
получается небольшим. При арифметическом ряде
подач, удобном для нарезания стандартных резьб,
число ступеней подачи при приемлемых осевых габа-
ритах коробки достигает 10—11. При этом такое
большое количество передач группы переключается
одной рукояткой, перемещающей и фиксирующей
каретку с накидным колесом.
В силу указанных особенностей нортоновскую
коробку применяют часто в токарно-винторезных
Фиг. V, 39. Кинемати-
ческая схема нортонов-
ской коробки
станках.
Преимуществом коробок этого типа является малое число зубчатых
колес: К f 2 колес при Л передачах в коробке. Серьезные недостатки
нортоновских коробок — недостаточно жесткое и точное сопряжение
включенных колес, ненадежная смазка и возможность засорения передач
Фиг. V, 40. Коробка подач токарно-винторезного станка мод. 1А62
через вырезы в корпусе коробки. Поэтому в современных конструкциях
станков применяют нортоновские коробки закрытого типа и стремятся
увеличить жесткость базирования каретки накидного колеса, как это
сделано, например, в коробке подач закрытого типа станка мод. 1А62
(фиг. V, 40).
Нортоновскую коробку целесообразно включать в цепь передач ме-
ханизма подач так, чтобы при нарезании метрической резьбы движение
передавалось с конуса зубчатых колес на вал каретки, а при нарезании
дюймовых резьб — в обратном направлении; тогда числа зубьев колес
68
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ, БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
конуса будут прямо пропорциональны величинам шага метрической
резьбы и числам ниток на дюйм — резьбы дюймовой. Действительно,
при передаче с конуса колес на вал каретки (см. фиг. V, 39)
S ^cx — t,
j 1 г
откуда
г, = ^-8}. (V, 105)
При передаче с вала каретки на конус колес
= (V’106)
где Сх и С8 — постоянные передаточные отношения соответствующих
кинематических цепей;
S/ — подача в мм!об шпинделя, равная шагу резьбы, в мм;
tij — число ниток на 1" нарезаемой резьбы;
t — шаг ходового винта в мм.
Коробки подач в форме гитар сменных колес
Гитары сменных колес дают возможность производить настройку
подачи с любой степенью точности. При значительном расстоянии между
осями валов, связанных сменной передачей, гитары сменных колес по-
Фиг. V, 41. Гитара сменных колес
ТИПЫ КОРОБОК ПОДАЧ
69
зволяют применять передаточные отношения до imin = что увеличи-
вает диапазон настройки и упрощает структуру и конструкцию привода
подач. Подвижна^, устанавливаемая доска гитары (приклон) позволяет
компенсировать неточности в расположении осей соединяемых валов.
Эти свойства гитар со сменными колесами делают их удобными для
применения в станках различных типов, особенно в станках, предназна-
ченных для серийного и массового производства.
Гитары сменных колес широко используют в резьбонарезных и зубо-
обрабатывающих станках (см. ~
раздел II). Гитара дает возможность
работать на токарно-винторезном
станке при короткой цепи подач, ми-
нуя коробку подач, как это требуется
для повышения точности шага наре-
заемой резьбы.
П
aj
2345676
1
Фиг. V, 43. Схема меандра с пере-
движной шестерней
б)
П —
Ш —
Фиг.
V, 42. Схема меандра с накид-
ной шестерней
Устройство гитары токарно-винторезного станка показано на фиг. V, 41.
В подавляющем большинстве случаев для получения требуемых по-
дач достаточна либо однопарная, либо двухпарная гитара. Лишь в редких
случаях, когда необходимы особенно малые передаточные отношения или
требуется особенно высокая точность настройки этих отношений (для
получения, например, шага резьбы), прибегают к трехпарной гитаре.
В качестве примера можно привести затыловочный станок мод. 1810,
имеющий трехпарную гитару сменных колес в цепи подач.
Механизмы типа меандра
Меандром называется трехваловый механизм, составленный из ряда
одинаковых блоков по два зубчатых колеса и передвижной каретки с на-
кидной шестерней (фиг. V, 42, а). Однорычажное управление, малые
осевые габариты и большой диапазон регулирования делают меандр
удобным для образования первой переборной группы в механизме подач.
Для этой цели меандр широко применяют в токарно-винторезных станках.
К недостаткам, обусловленным наличием накидного колеса (см.
стр. 67) в меандре, прибавляется вращение всех блоков колес на валах,
в том числе и блоков, не участвующих в передаче движения.
Накидное колесо заменяют передвижным (фиг. V, 43), которое может
сцепляться только с большими колесами блоков. Благодаря этому увели-
чивается жесткость конструкции, но при том же числе ступеней скорости
механизма требуется большее количество блоков колес.
70
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ, БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
с = 1, и zr = 2г2;
о 2 1 1
НИИ — ; —;
Монтаж блоков на подшипниках качения осложняет конструкцию;
поэтому в быстроходных станках меандр предпочитают заменять трех-
валовой коробкой с передвижными колесами, хотя это связано с услож-
нением системы управления. •
Для меандра по схеме фиг. V, 42, а в зависимости от положения ка-
ретки и накидного колеса вращение передается через различные числа
ступеней возврата (фиг. V, 42, б); если обозначить = с, то передаточ-
ные отношения образуют следующий ряд (см. фиг. V, 42):
<&2 ~ \ 21 / Z
21 г' С \ h ) ’ 4 Zi ‘ z' С\ ?! J ’
z2 z2 г2 гг / z2 V
к = — — • — -—7- = с t — ) ит. д.
5 ?i Zi Zi z' \ Zi J
Обычно в токарно-винторезных станках принимают z = z , т. е.
в этом случае меандр дает ряд передаточных отноше-
1
4 » • • •
i3 —
§ 5. МЕХАНИЗМЫ БЫСТРЫХ ПОДАЧ
В современных станках, особенно в работающих по автоматическому
циклу, холостые хода рабочих органов — столов, кареток, головок про-
изводятся с повышенной скоростью с целью увеличения производитель-
ности станка. Скорости быстрых (ускоренных) холостых ходов при ме-
ханическом приводе составляют 2—12 м/мин, чаще всего 4—8 м/мин.
Структура механизма быстрых подач определяется свойствами сле-
дующих его основных элементов: тягового устройства привода подач;
привода цепи быстрого хода; устройства для сопряжения цепей быстрого
и рабочего ходов.
Как известно из теории механизмов и машин, применение в качестве
тягового устройства кулачковых механизмов позволяет варьировать
скорость подачи в течение одного цикла и изменять направление подачи.
Эти свойства кулачковых механизмов позволяют в небольших прутковых
автоматах обходиться без цепи быстрых подач.
При тяговых устройствах с постоянным шагом (винт и гайка, шестерня
и рейка) для получения быстрых прямых и обратных ходов необходимы
цепь быстрого хода и устройство для ее реверсирования. Эта цепь при-
водится или от быстроходного валика, вращающегося с постоянной
скоростью, в начале цепи привода станка, или от отдельного двигателя,
если требуется — реверсивного. Индивидуальный электродвигатель упро-
щает структуру и управление быстрыми подачами.
Сопряжение цепей рабочего и быстрого ходов производится в боль-
шинстве станков при помощи муфты обгона односторонней или двусторон-
ней (реверсивной), что позволяет не выключать привод цепи рабочих
подач при включении быстрого хода и обеспечивает автоматическое вклю-
чение рабочего хода при выключении быстрой подачи. Это упрощает си-
стему управления (см., например схемы автоматов и полуавтоматов
в разделе VI).
Подобными структурными свойствами обладает также дифференциал,
приспособленный в большей мере, чем муфта обгона, к большим инер-
БЕССТУПЕНЧАТЫЕ ПРИВОДЫ В СТАНКАХ
71
ционным нагрузкам, возникающим при реверсировании быстрого хода
больших масс в случае применения тяговых устройств с постоянным шагом
в крупных станках.
В устройстве по схеме фиг. V, 44 при включении электродвигателя I
привода рабочих подач передаточное отношение от его вала к валу А
1Раб = —Ь—» (V> 107)
рао z2 b d z4 ?8
так как валик сателлитов удерживается
самотормозящейся червячной передачей.
При включении электродвигателя II
быстрых ходов передаточное отношение
цепи
Фиг. V, 44. Схема привода рабочих
и быстрых (ускоренных) подач
= ——-2-^-. (V, 108)
хол *10 z12 z8 v
В этом случае коническое колесо гъ
дифференциала неподвижно, сателлиты
обкатываются вокруг него, и передаточ-
ное отношение дифференциала (^=2.
В современных моделях станков зна-
чительно реже применяется сопряжение
цепей рабочей подачи и быстрого хода
при помощи сдвоенной кулачковой муфты, так как в этом случае конст-
рукция привода подач и система управления усложняются.
Во избежание перебегов после выключения быстрого хода при неса-
мотормозящихся тяговых устройствах в ряде случаев требуется тормо-
жение привода подач.
Значительно проще и совершеннее осуществляются быстрые подачи
при применении гидравлического привода (см. т. 1, разд. IV).
§ 6. БЕССТУПЕНЧАТЫЕ ПРИВОДЫ В СТАНКАХ
Эксплуатационные преимущества бесступенчатого привода станков
Бесступенчатый привод главного движения и движений подачи полу-
чил довольно значительное распространение в современных металлорежу-
щих станках. Основные преимущества его — возможность настройки
режима обработки с большей точностью, чем при ступенчатом (прерыви-
стом) приводе, и, что практически еще важнее, — возможность изменения
скорости главного движения или подачи во время работы станка без оста-
новки его для переключений. Вследствие этого оператор может установить
или подобрать наиболее целесообразный режим обработки в каждом от-
дельном случае. При обтачивании ступенчатых валиков, фасонных дета-
лей, торцовых поверхностей и при отрезке бесступенчатое регулирование
дает возможность сохранять постоянную скорость резания (при наличии
автоматического управления вариатором) путем изменения угловой ско-
рости в зависимости от поперечного перемещения суппорта.
Сохранение постоянства скорости резания способствует повышению
не только производительности, но и долговечности режущего инструмента,
особенно минералокерамического и оснащенного пластинками твердого
сплава (чувствительного к варьированию скорости), а также однородности
качества обработанной поверхности. Возможность работы на оптимальной
скорости резания важна потому, что при превышении скорости затраты
72
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ, БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
времени на смену инструмента и средств на замену его возрастают, а при
работе со скоростью резания ниже оптимальной снижается производитель-
ность, а некоторые твердые сплавы выходят из строя быстрее, чем при ра-
боте с оптимальной скоростью резания.
Легкость и плавность изменения скорости на ходу станка позволяют
также выходить из области резонансных колебаний.
Применяемые в станках фрикционные бесступенчатые вариаторы рабо-
тают значительно спокойнее и тише, чем зубчатые и цепные передачи; при
нормальном состоянии и должном уходе такие передачи работают практи-
чески бесшумно.
В тех случаях, когда требуется тонкая градация ступеней скорости
(ф = 1,06 или 1,12), конструкция привода получится нередко более ком-
пактной и дешевой, если вместо сложной многоступенчатой шестерен-
ной коробки передач применить простую коробку этого типа в сочета-
нии с устройством для бесступенчатого варьирования скорости.
Начиная со знаменателя ф=1,26, замена ступенчатого регулирования
бесступенчатым дает ощутимый выигрыш в скорости резания (скорости
подачи), следовательно, и в величине машинного времени. Возможность
быстрого изменения скорости на ходу обеспечивает экономию вспомога-
тельного времени на управление станком. Вследствие этого применение
в станках бесступенчатого привода способствует повышению производи-
тельности.
Способы бесступенчатого регулирования скоростей
резания и подачи
В станках применяют различные способы бесступенчатого регулиро-
вания скоростей рабочих движений. Выбор способа зависит от многих
факторов: назначения станка (станок общего назначения, специализиро-
ванный, специальный; для черновой, чистовой, отделочной обработки);
требуемой мощности резания и вида механической характеристики; необ-
ходимого диапазона регулирования; допустимого удорожания станка и
др. Каждое из возможных решений —электрическое, гидравлическое, ме-
ханическое, комбинированное регулирование — имеет свои специфические
эксплуатационные достоинства и недостатки и соответственно этому свою
область предпочтительного применения.
Электрическое регулирование
Электрическое регулирование производится изменением числа оборо-
тов электродвигателя, который приводит в движение соответствующую
цепь станка.
Двигатели постоянного тока с шунтовым регулированием применяют
главным образом в крупных станках. Для тяжелых станков удобен привод
по системе генератор—двигатель с диапазоном регулирования Д =
- 104-15.
Применение электромашинных усилителей в системе генератор —двига-
тель (система Леонарда) позволяет сильно расширить диапазон регулиро-
вания скоростей привода. Эти системы привода особенно пригодны для
таких станков, где требуются большие диапазоны регулирования — по-
рядка 500, 1000 и выше.
Электроприводы с бесступенчатым регулированием позволяют автома-
тизировать управление скоростями главного движения и подач.
Недостаток указанных систем — относительно большие габариты и
себестоимость.
БЕССТУПЕНЧАТЫЕ ПРИВОДЫ В СТАНКАХ
73
Бесступенчатое регулирование при помощи гидравлического привода
Для бесступенчатого регулирования скоростей прямолинейных дви-
жений в станках широко используют гидравлический привод, главным
образом подач, но также и главного движения (в строгальных, долбежных,
протяжных станках).
Для бесступенчатого регулирования скорости гидравлический привод
имеет ряд существенных преимуществ: широкий диапазон регулирования,
быстрое изменение величины и направления скорости, плавное реверсиро-
вание, удобство дистанционного управления и его автоматизации, автома-
тическое предохранение от перегрузок, самосмазываемость.
Недостаток гидравлического привода — недостаточно жесткая харак-
теристика вследствие утечек и влияния температуры на вязкость масла.
При малых скоростях (v = 124-15 мм/мин) работа гидравлического при-
вода становится неустойчивой.
Для вращательного движения гидравлический привод применяют
в станках редко ввиду высокой его стоимости и снижения к. п. д. при
износе. Он уступает здесь место другим видам приводов с бесступенчатым
регулированием.
Вопросы гидравлического регулирования скоростей движений в станках
рассмотрены в разделе IV, т. 1.
Регулирование при помощи механических вариаторов
Большинство механических вариаторов, применяемых в станках,
относится к типу фрикционных, поэтому работа их связана с потерями
на трение.
Различают следующие виды таких потерь:
а) вызванные неблагоприятными кинематическими условиями в зоне
контакта и возникающей поэтому разностью скоростей в сопряженных
точках рабочих поверхностей. Кинематические потери на трение умень-
шаются, если рабочие поверхности в зоне контакта приближаются по форме
к двум цилиндрам с параллельными осями или к двум конусам с общей
вершиной;
б) вызванные деформациями рабочих поверхностей в зоне контакта;
эти потери невелики (2—3%) и уменьшаются при увеличении модуля упру-
гости материала контактирующих тел, например, при замене пластмассы
сталью;
в) вызванные проскальзыванием рабочих тел вариатора (буксование),
аналогичным проскальзыванию в ременных передачах; эти потери увели-
чиваются при уменьшении запаса силы сцепления рабочих тел вследствие
непостоянства силы резания, влияния сил инерции при пуске и реверси-
ровании привода и т. п.
Как упоминалось, возможность регулирования скорости вращения
ведомого вала на ходу является большим преимуществом бесступенча-
тых механических вариаторов, но оно обычно связано с невозможностью
или затруднительностью установки скорости при остановленном вариа-
торе.
К недостаткам механического бесступенчатого регулирования отно-
сятся также нежесткая кинематическая характеристика фрикционных
вариаторов и изменение максимальной передаваемой мощности при регу-
лировании скорости у большинства вариаторов.
74
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ, БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
Способы увеличения диапазона бесступенчатого регулирования
скорости приводов
Диапазон регулирования механических бесступенчатых вариаторов
зависит от схемы и конструкции вариатора и может составлять от Дб
2-Т-4 (вариаторы с широким клиновым ремнем и раздвижными кону-
сами) до Дб 10-7-25 (цепные, шариковые вариаторы). Чаще всего
Дб = 4ч-6. Такой диапазон регулирования позволяет заменить вариатором
основную и первую переборные группы передач приводов со ступенчатым
регулированием (см. стр. 44); поэтому применение устройств с бесступен-
чатым регулированием значительно упрощает (подобно группам со смен-
ными колесами) структуру привода, что также является преимуществом
устройств с бесступенчатым регулированием.
Хотя в некоторых случаях диапазон Дб > 4 ч-6, все же для получения
необходимого диапазона Д регулирования всего привода требуется бес-
ступенчатое устройство дополнить переборным устройством со ступенча-
тым регулированием в таком диапазоне Дс, чтобы выполнялось условие
ДбДс = Д- (V, 109)
С другой стороны, уравнение (V, 62) (стр. 27).
фр = Лф
для комбинации бесступенчатого устройства со ступенчатой коробкой ско-
ростей, когда для ряда чисел оборотов шпинделя ф 1, принимает вид
Ч>Р = ДК- (V, НО)
Для ступенчатой переборной коробки скоростей, содержащей группы
передач от первой переборной до последней, знаменатели ряда передаточ-
ных отношений будут:
для первой группы
Ф2 — Дб>
для второй группы
фз = ДбД2 = Дбф2р2-1 = дрбг = ф?2;
для третьей группы
ф4 = ДбД2Дз = Дбф! 2~'ф?’~‘ = ДбД^-'Д? = Дрб’р’ - Ф?2Ра •
Как видно отсюда, ступенчатая переборная коробка скоростей настраи-
вается как обычная коробка со знаменателем ряда чисел оборотов:
Ф' = Дб, (V, 111)
при этом
дс = 4 = ф'(г-° =дг'. (V, П2)
J-16
Вследствие переменного скольжения в электродвигателях, ременных
передачах и фрикционных вариаторах скорости фактический диапазон
регулирования бесступенчатого устройства может оказаться меньше Д6;
поэтому во избежание разрыва бесступенчатого ряда оборотов принимают
ф' = (0,94-ь 0,96) Д6.
Иногда для получения удобного целого числа ступеней скорости пере-
борной коробки z требуется уменьшение ц>’ <^Дб и перекрытие бесступен-
чатого ряда при переключении передач коробки. С другой стороны, в целях
БЕССТУПЕНЧАТЫЕ ПРИВОДЫ В СТАНКАХ
75
упрощения структуры привода и уменьшения z иногда принимают ср' >> Дб,
допуская некоторый разрыв бесступенчатого ряда чисел оборотов шпин-
деля.
Пусть, например, Д = 60, Д6 = 3 и Д' = = 20. Принять
z = 3 здесь нельзя, так как значение Д' = 20 сильно превышает предель-
ный диапазон регулирования одной групповой передачи. Принимаем z =
= 4 = 2-2; тогда Д' = ср'2-1 = <р'3, откуда
о __ 3
<р' = /Д' = /20 % 2,71 < Дб = 3.
Получается перекрытие бесступенчатого ряда при переключении
передач коробки.
Пусть Д = 48 и Дб = 6; тогда Д' = -^ =-^- = 8. Такой диапазон
регулирования можно получить при одной переборной группе. Для упро-
щения структуры привода принимаем число передач в этой группе р' = z =
= 2 и получаем Д' = 8 = ср'2-1 = ср' >> Дб = 6. Это соотношение
вызывает разрыв бесступенчатого ряда. Для того чтобы иметь ср' < Дб,
нужно принять р' = z = 3; это осложнит структуру привода.
Конструкции механических вариаторов, применяемых в станках
В станках применяют разнообразные механические вариаторы, пре-
имущественно фрикционные, различающиеся как по конструкции, так и
по эксплуатационным парамет-
рам, к числу которых относят-
ся: тип, мощность N9 и число
об/мин пэ приводного электро-
двигателя; предельные скорости
вращения выходного (ведомого)
вала nmax, nmin, следовательно,
и диапазон регулирования Д;
значения мощности Nmax и 2Vmin
на ведущем валу при nmin и
nmax; величина к. п. д. tj; габа-
ритные размеры и вес. На осно-
вании сопоставления техничес-
ких характеристик и выбирают
тип и типоразмер вариатора,
наиболее подходящего для про-
ектируемого станка.
Из большого числа сущест-
вующих моделей механических
вариаторов в современных стан-
ках используются:
1. Вариаторы с непосред-
ственным контактом ведущего
и ведомого элементов, в том
числе лобовые вариаторы с веду-
щим роликом или ведущим дис-
ком и вариаторы, регулируемые
изменением угла между осями
Фиг. V, 45. Лобовой вариатор привода подач
тяжелого поперечно-строгального станка мод.
КУ-39
76
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ, БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
Фиг. V, 46. Продольный разрез вариатора, встроенного в привод
4 главного движения зубофрезерного станка мод. 5К301
дисков за счет поворота шарнирно подвешенного электродвигателя.
Для примера на фиг. V, 45 показан лобовой вариатор в приводе подач
тяжелого поперечно-строгального станка мод. КУ-39 Коломенского за-
ву
Фиг. V, 47. Вариатор с одним раздвижным шкивом
БЕССТУПЕНЧАТЫЕ ПРИВОДЫ В СТАНКАХ
77
вода тяжелого станкостроения (КЗТС). Привод подач бабки ползуна со-
стоит из асинхронного двигателя, трехступенчатой коробки подач с диапа-
Фиг. V, 48. Передняя бабка круглошлифовального станка
Фиг. V, 49. Торовый вариатор системы ЦНИИТМАШ (В. А. Светоза-
рова) в исполнении завода «Красный пролетарий»
зоном регулирования Дк = 16 и бесступенчатого вариатора с Дб — 4;
таким образом получается необходимый диапазон регулирования подач
Д* = 64.
2. Вариаторы с двумя парами раздвижных конических дисков, обра-
зующих попарно шкивы с регулируемым рабочим диаметром, связанные
78
КОРОБКИ СКОРОСТЕЙ И ПОДАЧ, БЕССТУПЕНЧАТЫЙ ПРИВОД
ремнем. Ряд типоразмеров подобного вариатора с широким клиновым рем-
нем разработан ЭНИМСом [16]. Они имеют диапазон регулирования чисел
оборотов выходного вала Дп = 4 (nmax/nmin = 3000/750 или 2000/500) и
Дп = 2 (nmax/nmin = 3000/1500). Мощность на ведущем валу при nmin
составляет для разных типоразмеров от 2,8 до 7 кет. Предусмотрены ва-
рианты для работы с постоянной мощностью или с постоянным моментом
на ведомом валу. На фиг. V, 46 [16 ] дан продольный разрез такого вариа-
тора, встроенного в привод главного движения зубофрезерного станка
мод. 5К301.
В некоторых конструкциях вариаторов этой группы раздвижной сделана
лишь одна пара дисков, другой шкив—обычного типа (фиг. V, 47, а, б).
3. Вариатор с двумя парами раздвижных конических дисков, обра-
зующих шкивы с регулируемым рабочим диаметром, связанные вместо
ремня стальным кольцом. Такой вариатор, встроенный в переднюю бабку
круглошлифовального станка, показан на фиг. V, 48. Он применен также
в приводе подач координатно-расточного станка мод. 2В440.
4. Торовый вариатор с наклоняющимися роликами системы ЦНИИТ-
МАШа (В. А. Светозарова). В исполнении завода «Красный пролетарий»
(фиг. V, 49) вариатор нашел применение в одной из моделей токарно-винто-
резных станков этого завода.
В некоторых моделях станков зарубежных фирм для бесступенчатого
регулирования скоростей используется вариатор, основными частями
которого являются две пары раздвижных конических желобчатых дисков
и цепь специальной конструкции с выдвижными в поперечном направле-
нии пластинками (вариатор P1V}. В отечественном станкостроении вариа-
тор этого типа распространения не получил.
Описания конструкций бесступенчатых вариаторов различных типов
и методика их расчета приводятся в курсах «Деталей машин», расчет-
ные формулы — в справочниках.
ГЛАВА V
ШПИНДЕЛИ И ИХ ОПОРЫ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ШПИНДЕЛЬНЫМ УЗЛАМ
Точность обработки на многих станках определяется в значительной
мере точностью вращения шпинделя, передающего движение закреплен-
ному в нем инструменту или обрабатываемой детали. В связи с этим к шпин-
дельным узлам станков предъявляются следующие основные требования:
1. Точность вращения — характеризуется обычно биением переднего
конца шпинделя. Для большинства станков общего назначения допускае-
мые величины биения переднего конца шпинделя — радиального и осе-
вого — стандартизованы; для специальных станков они назначаются с уче-
том требуемой точности обрабатываемой на станке детали.
2. Жесткость — определяется правильностью положения шпинделя
под действием рабочих сил. Слишком большие деформации шпинделя не-
благоприятно отражаются на точности обработки и на работоспособности
опор шпинделя и его привода.
3. Виброустойчивость — это требование предъявляется к шпинделям
скоростных станков, особенно — предназначенных для выполнения отде-
лочных операций.
4. Износостойкость трущихся опорных поверхностей, если они преду-
смотрены на шпинделе, при наличии опор скольжения или при относи-
тельном продольном перемещении элементов привода и шпинделя (на свер-
лильных, расточных и других станках).
Указанные требования обеспечиваются правильным выбором материа-
лов и конструкции шпинделя и его опор.
§ 2. МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ ШПИНДЕЛЕЙ
Для большинства шпинделей основным требованием является доста-
точная жесткость, зависящая, в частности, от модуля упругости материала
шпинделя. В связи с тем, что модуль упругости различных сталей практи-
чески одинаков, нет оснований применять для шпинделей легированные
стали, если применение их не диктуется иными требованиями; поэтому
в качестве основного материала для изготовления шпинделя используют
среднеуглеродистую конструкционную сталь 45 с последующим улучше-
нием (закалка с высоким отпуском до твердости HRC 22—28).
При повышенных требованиях к шпинделю и необходимости обеспече-
ния высокой твердости его поверхности (или отдельных участков ее) при-
меняют иногда сталь 40Х с закалкой и отпуском до HRC 40—50. Лучшие
результаты дает в этих случаях закалка т. в. ч., которая обеспечивает
поверхностную твердость шеек шпинделя (при применении подшипников
скольжения) до HRC 48—60 и значительно меньшие деформации при тер-
мической обработке. При особо высоких требованиях к поверхностной
80
ШПИНДЕЛИ И ИХ ОПОРЫ
твердости шеек шпинделя применяют также малоуглеродистые стали типа
20 X с последующей цементацией, закалкой и отпуском до HRC 56—62.
Для слабонагруженных шпинделей особо точных станков применяют
сталь 35ХМЮА, подвергая ее азотированию с последующей закалкой и
отпуском до твердости HV 850—1000, что обеспечивает особо высокую по-
верхностную твердость при очень малых деформациях.
Для шпинделей тяжелых станков применяют марганцовистые стали
типа 50Г2 с последующей нормализацией (слабо нагруженные шпиндели)
или закалкой и высоким отпуском до HRC 28—35.
В отдельных случаях для изготовления полых шпинделей большого
диаметра в расточных и некоторых других станках целесообразно приме-
нять серый чугун СЧ 15-32 или СЧ 21-40, или высокопрочный чугун с ша-
ровидным графитом в литой структуре.
Конструктивная форма шпинделя определяется характером закрепле-
ния в нем инструмента или обрабатываемой заготовки, посадками эле-
менте® привода и типом применяемых опор (см., например, фиг. V, 50).
РАСЧЕТ ШПИНДЕЛЯ
81
Концы шпинделей станков общего назначения стандартизованы
(табл. V, 2), чем и предопределяется в значительной степени конструкция
шпинделя в целом.
Таблица V, 2
Основные типы концов шпинделей станков
Конструктив- ная форма конца шпин- деля Станки Стандарт Конструктив- ная форма конца шпин- деля Станки Стандарт
1 Токарные ОСТ 428 4 Сверлильные и расточные ГОСТ 2701—44
2 Револьверные, токарные много- резцовые, шли- фовальные и др. ГОСТ 2570—58
5 Шлифовальные ГОСТ 2323—51
6 ГОСТ 2324—43
3 Фрезерные ГОСТ 836—62
§ 3. РАСЧЕТ ШПИНДЕЛЯ
Расчет на жесткость сводится к определению деформаций
изгиба и в отдельных случаях — деформаций кручений.
При составлении расчетной схемы шпиндель обычно заменяют балкой
на шарнирных опорах. Такое допущение справедливо при наличии в опо-
рах по одному подшипнику качения. Нес-
колько подшипников в одной опоре при уточ-
ненных расчетах следует рассматривать как
упругую опору, а шпиндель на подшипни-
ках скольжения — как балку на упругих
основаниях. Последний случай может быть
также условно сведен к балке, лежащей на
шарнирных опорах с добавлением реактив-
ного момента М в опоре (фиг. V, 51), вели-
чина которого колеблется по опытным дан-
ным в пределах от нуля (при незначитель-
ных нагрузках —отделочные станки) до 0,3 —
0,35 от внешнего момента, действующего
в среднем сечении шпинделя на опоре.
При приближенных расчетах прогибы и
углы поворота сечений шпинделя могут быть
определены аналитически. Например, для
расчетной схемы пофиг. V,51 прогиб на конце
шпинделя и угол поворота в передней опоре:
у = ~^Ё1 [^1а2 (° + 0 — О.бРгай/ х
X (1 ——Ma/]; (V, 113)
Фиг. V, 51. Схема к расчету
прогибов шпинделя:
/—теоретическая линия изгиба оси
шпинделя на ножевых опорах; 2—
действительная упругая линия изги-
ба оси шпинделя; 3—теоретическая
линия изгиба оси шпинделя при
жесткой заделке в передней опоре
0 = -4т \Pyal — Q,5P^al(l — — М/1,
oLJ Ц \ / J
(V, 114)
где J — среднее значение момента инерции сечений шпинделя, а М <
< 0,35 Р,а.
82
ШПИНДЕЛИ И ИХ ОПОРЫ
При уточненных расчетах целесообразно полностью строить упругую
линию оси шпинделя, пользуясь для этого графоаналитическим способом.
С учетом упругих деформаций опор прогиб конца двухопорного шпин-
деля, разгруженного от действия привода (фиг. V, 52, [801) может быть
определен по формуле [80]
а I L Л/о /ок IB 1л1
(V, 115)
где / — жесткость шпиндельного узла;
/0 = —условная жесткость шпинделя в пролете между опорами;
3EJ2
1ок — "аз —условная жесткость шпинделя на его консоли;
1 а »
k = ----отношение длины консоли к длине межопорнои части
шпинделя;
Р — нагрузка на конце шпинделя;
Jv> J2 — осредненные моменты инерции сечения шпинделя соответственно
в пролете и на консоли; »
/в» 1а — жесткости соответственно передней и задней опор шпинделя;
Е — модуль продольной упругости материала шпинделя.
Если в последнее уравнение вместо жесткости j ввести податливость
1
Фиг. V, 52. Схема к расчету шпинделя
с учетом податливости его опор
= —, то оно примет вид
У ~ Р Н- к + (1 +
+ Е)2св + k2cA]9 .(V, 115а)
более удобный для вычислений.
В развернутом виде
.уР (“з/F \7Г 7?) +
+ (1+ ^)2св + ^л). (V, 1156)
Отсюда легко найти оптимальное — с точки зрения жесткости шпин-
дельного узла — расстояние I между опорами шпинделя [80].
Допускаемый прогиб на конце шпинделя принимают с учетом требова-
ний, предъявляемых к точности обработки на станке. При этом прогиб
на конце шпинделя ограничивают некоторой долей (обычно V3) допуска
на биение конца шпинделя. Прогибы и углы поворота в других сечениях
шпинделя ограничиваются требованиями удовлетворительной работы
передач и подшипников. По исследованиям Д. Н. Решетова, например,
нормальная работа зубчатой передачи может быть обеспечена, если угол
взаимного поворота осей колес не превышает значения
9 max < “lb5Z>2 ' (V, 116)
где Р — окружная сила в н\
b — длина зуба в мм\
С — коэффициент, учитывающий характер распределения нагрузки
по длине зуба (С 5-^ 15).
РАСЧЕТ ШПИНДЕЛЯ
83
Как ориентировочные нормативы в практике станкостроения получили
распространение следующие значения наибольших допустимых прогибов
и углов поворота.
Ут^< 0,0002Z; 0тах < 0,001 рад. (V, 117)
где / — расстояние между опорами (см. фиг. V, 52).
При расчете шпинделя с насаженным на него ротором электродвига-
теля наибольший прогиб между опорами ограничивается значением
^<0,16, * (V, 118)
где S — средняя ширина воздушного зазора между ротором и статором.
В последнем случае учитывается, кроме прочих сил, также нагрузка от
одностороннего магнитного притяжения.
Расчет на виброустойчивость, который предусмат-
ривает определение собственной частоты шпинделя с целью избежания
Фиг. V, 53. Схема к расчету шпинделя на виброустой-
чивость
резонансных колебаний, рекомендуется производить для быстроходных
шпинделей.
Собственную частоту колебаний можно определять любым из методов,
рассматриваемых в курсах теоретической механики. При отсутствии зна-
чительных масс, расположенных на консоли, целесообразно применять
графический способ (фиг. V, 53—для шпинделя токарно-револьверного
станка).
Последовательность расчета при этом сводится к следующему. Строят
упругую линию оси шпинделя под действием собственного веса. Затем
задаются произвольной угловой скоростью вращения шпинделя соо и
84
ШПИНДЕЛИ И ИХ ОПОРЫ
строят новую упругую линию под действием центробежных сил, возни-
кающих в каждом сечении шпинделя:
(V, 119)
где Fx — площадь сечения шпинделя;
q — плотность материала;
ух — прогиб в данном сечении;
Этот способ основан на том, что построенные упругие линии с доста-
точной точностью геометрически подобны, т. е. у\ = const r/ц (см. Фиг- V, 53),
и критическая угловая скорость определяется при этом выражением
(V, 120)
г Ук
Для устранения опасности резонанса обычно
ставят условие
L*0? > о,25 ч- 0,3,
(д
где со — наибольшая угловая скорость враще-
ния шпинделя.
Расчет на прочность используется
как проверочный для тяжело нагруженных
шпинделей. При этом проверяется запас проч-
Фиг. V, 54. Схема к расчету ности п при знакопеременных напряжениях по
шлицевых участков шпин- формуле
делей п = , (V, 121)
10/(аМ)2+ (акМк)* V
где d — наружный, a d0 = Id — внутренний диаметры шпинделя;
а— предел выносливости при изгибе с симметричным циклом
напряжений;
М и Мк — средние значения изгибающего и крутящего моментов.
Коэффициентами а и ак учитываются концентрация напряжений и
переменность моментов; они определяются выражениями
а — (1 + ак — + kxCK^ 1
°т J
(У, 122)
где ka, kx — динамические коэффициенты концентрации напряжений для
нормальных и касательных напряжений (при ориентировоч-
ных расчетах ko % kx я» 1,74-2);
<гт — предел текучести.
Коэффициенты С = Ск — определяются отношением ампли-
туды момента к его среднему значению и, следовательно, зависят от харак-
тера обработки, выполняемой на станке. Например, для отделочных опе-
раций С як Ск ях 0; для чистового точения и сверления С як Ск =к 0,1 4-
4-0,2, при фрезеровании и обдирочных работах с большой неравномер-
ностью припуска С ^Ск як 0,34-0,5. Для запаса прочности обычно при-
нимают значение п— 1,34-1,5.
Кроме приведенных основных видов расчета, зубчатые (шлицевые)
участки шпинделей следует проверять на удельное давление (фиг. V. 54)
Р = — 123)
ОПОРЫ ШПИНДЕЛЕЙ
85
где Мк — наибольшее значение крутящего момента;
Dad- наружный и внутренний диаметры зубчатого участка;
L — длина соединения;
г — число зубьев.
Коэффициент ф учитывает неравномерность использования рабочей
поверхности зубьев, обусловленную погрешностью при изготовлении;
обычно принимают ф — 0,75.
Допустимые значения расчетных удельных давлений приведены ниже;
при отсутствии термической обработки эти значения должны быть умень-
шены примерно вдвое.
Допустимое расчетное
„ * удельное давление
Тип зубчатого соединения в «/л^2
Неподвижное.......................... 120—200
Подвижное не под нагрузкой........... 40—70
» под нагрузкой ......................... 10—20
§ 4. ОПОРЫ ШПИНДЕЛЕЙ
К опорам шпинделей предъявляются следующие специфические для
металлорежущих станков требования:
1) Точность направления (радиального и осевого) шпинделя; в связи
с этим в опорах шпинделей допускаются незначительные зазоры при боль-
шой жесткости опор.
2) Приспособляемость к переменным условиям работы; во многих
станках опоры шпинделей должны воспринимать различные нагрузки
в широком диапазоне скоростей и при частых пусках и остановках.
Кроме того, к опорам шпинделей предъявляются также требования
общие для опор валов, — достаточная долговечность, малые габариты,
простота изготовления (подшипников скольжения), простота и удобство
сборки, регулирования и разборки и т. д.
В качестве опор шпинделей станков используют подшипники качения
и подшипники скольжения.
Подшипники качения в опорах шпинделей
Высокие требования в отношении точности вращения шпинделей
большинства станков обусловливают частое применение в их опорах
подшипников качения повышенных классов точности (П, В, А, С, а также
промежуточных по ГОСТу 520—55). Кроме того, для уменьшения вредного
влияния зазоров и повышения жесткости опор обычно применяют предва-
рительный натяг, увеличение числа тел качения в подшипнике и др.
При выборе класса точности подшипников следует учитывать значи-
тельное увеличение их цены с уменьшением допусков на радиальное и осе-
вое биения. Если принять цену подшипника нормального (Н) класса точ-
ности за единицу, то для повышенных классов точности цена подшипника
будет соответственно:
н п вп в АВ А СА с
1 1.3 1,7 2 3 4 7 10
Поэтому при назначении класса точности подшипников целесообразно
исходить из биения переднего конца шпинделя, которое определяется по
схеме (фиг. V, 55) из соотношения
б Ч- Cz _ а 1
С1 + с2 I ’
86
ШПИНДЕЛИ И ИХ ОПОРЫ
или иначе
6 = С1 (1 +-2-) +c2-f-;
(V,124)
здесь с2 — радиальные биения соответственно передней и задней опор
шпинделя.
Принимая
6 = 4-, (V. 125)
О
где А — допуск на радиальное биение конца шпинделя, и
ci (i + -у-)=^4”’
получим
А
а
т
(V,126)
Одним из основных средств повышения точности подшипников каче-
ния в опорах шпинделей станков
является предварительный их натяг.
При этом устраняются зазоры между
кольцами и телами качения и, кроме
того, создаются упругие деформа-
ции, повышающие общую жесткость
шпиндельного узла.
В радиально-упорных шарико-
подшипниках и конических ролико-
подшипниках при парной их уста-
новке предварительный натяг соз-
дается регулировкой во время сборки
и не требует специальных конструктивных мероприятий (фиг. V, 56 и 57).
В радиальных шарикоподшипниках предварительный натяг можно
создать осевым смещением внутренних колец относительно наружных.
Практически это осуществляется за счет сошдифовывания торцов внутрен-
Фиг. V, 56. Шпиндель агрегатного станка
него кольца (фиг. V, 58, а) или простановкой втулок между кольцами под-
шипников (фиг. V, 58, б). Относительное смещение колец может быть также
достигнуто применением пружин (фиг. V, 58, в). Последний способ является
более совершенным, так как обеспечивает постоянство силы предвари-
тельного натяга и позволяет точнее отрегулировать его.
В роликоподшипниках с цилиндрическими роликами предваритель-
ный натяг создается за счет деформации внутреннего кольца при затяжке
его на коническую шейку шпинделя (фиг. V, 58, г).
В опорах быстроходных шпинделей нашли применение специальные
конструкции подшипников качения с предварительным натягом, который
ОПОРЫ ШПИНДЕЛЕЙ
87
Фиг. V, 57. Узел шпинделя токарного полуавтомата:
а — до модернизации; б — после модернизации
Фиг. V, 58. Способы создания предваритель-
ного натяга
Фиг. V, 59. Шарикоподшипники с пред-
варительным натягом при сборке подшип-
ника
Фиг. V, 60. Узел шпинделя круглошлифовального станка
88
ШПИНДЕЛИ И ИХ ОПОРЫ
создается при сборке самого подшипника. Так, в подшипнике, показан-
ном на фиг. V, 59, а, предусмотрено разъемное наружное кольцо. При сбли-
жении половинок кольца устраняются зазоры и создается предваритель-
ный натяг, после чего полукольца фиксируются (например, анкерными
кольцами) в стянутом состоянии. Сходную конструкцию имеет двухрядный
Фиг. V, 61. Узел шпинделя координатно-расточного станка
шариковый подшипник на фиг. V, 59, б, однако здесь для создания пред-
варительного натяга применяют специальные средства при изготовлении
подшипника и его сборке.
Для повышения жесткости подшипников качения в опорах шпинделей
стремятся увеличить число тел качения. С этой целью стандартизированы
шпиндельные шарикоподшипники с увеличенным против нормального
числом шариков. В последнее время в опорах шпинделей широко приме-
няют двухрядные роликоподшипники с шахматным расположением роли-
ков (см. том 1, фиг. I, 7 на стр. 20 и фиг. V, 60 [66]). Число точек контакта
по окружности при этом удваивается.
Очень высокая точность вращения может быть достигнута при исполь-
зовании компенсаторов в размерной цепи шпиндель—опоры—корпус.
Например, кольца роликоподшипника по фиг. V, 61 обрабатывают со-
ОПОРЫ ШПИНДЕЛЕЙ
89
вместно со шпинделем и гильзой. При этом выдерживают жесткие
допуски на геометрическую форму беговых дорожек (овальность, конус-
ность) в случае возможности изменять диаметр в довольно широких
пределах. После обработки диаметры колец
точно измеряют и ролики подбирают с точ-
ностью до 1 мкм (полуразность диамет-
ров).
Подшипники качения получили также
I-
почти исключительное применение в качестве
упорных подшипников для шпинделей. При
этом оба упорных подшипника располагают
возможно ближе друг к другу у одной опоры
слишком больших температурных деформаций
Фиг. V, 62. Расположение под-
пятников шпинделя
(фиг. V, 62) во избежание
при разогреве узла.
Особенности расчета подшипников качения для опор шпинделей
Долговечность подшипников качения рассчитывают по формуле,
С = 0,1 (Rkt + mA) (nh)0’3 k6kK, (V, 127)
где С — коэффициент работоспособности;
Rkx + mA = Q — приведенная нагрузка в я;
п — число оборотов в минуту;
h — заданный срок работы подшипника в ч\ при расчете
станков обычно принимают h = 5000 ч.
k6, kK — коэффициенты, учитывающие характер нагрузки и вра-
щение— внутреннего или наружного кольца.
Расчет подшипников шпинделей отличается следующими особенно-
стями:
1. Подшипники шпинделей станков общего назначения используют
для работы при различных h и Q. В этом случае в последнюю формулу
следует подставлять значение эквивалентной нагрузки
ю
(V,128)
где hj — число часов работы подшипника при числе оборотов п7- и на-
грузке Qj.
Однако в связи с тем, что практически трудно учесть число часов ра-
боты подшипника при различных режимах, часто приближенно принимают
Q? 0,8Qmax,
а h3 берут соответственно нагрузке Qmax.
2. Подшипники высокооборотных шпинделей (внутришлифовальных
и других станков) следует рассчитывать с учетом того, что у них п об/мин
может превышать указанное в ОСТе предельное ппр об/мин. В этом случае
в правую часть основной расчетной формулы вводится коэффициент kni
определяемый по фиг. V, 63.
3. При определении силы предварительного натяга пользуются
обычно формулой, предложенной Д. Н. Решетовым,
Ao = kR ± 0,5А, (V, 129)
90
ШПИНДЕЛИ И ИХ ОПОРЫ
где £=0,54-0,6—для радиальных шарикоподшипников с повышенными
зазорами и шпиндельных, и k = 0,654-0,8—для шарикоподшипников
радиально-упорных. В этом выражении знак плюс берется, если дейст-
вующая осевая нагрузка уменьшает натяг,
и знак минус, если она увеличивает натяг.
Фиг. V, 63. Поправочный коэф-
фициент Кд
Фиг. V, 64.
Ми
О 2,0 4.Z7 6.0 8.0 10,0 12.0
Материалы для подшипников скольжения в опорах шпинделей
При выборе материала подшипников скольжения для шпиндельных
опор следует учитывать износостойкость, теплопроводность, коэффициент
трения, коэффициент линейного расширения, иногда и некоторые другие
свойства антифрикционных сплавов.
Ориентировочный выбор материала производится с учетом
окружной скорости v и удельного давления р (фиг. V, 64).
Фиг. V, 65. Узел шпинделя плоскошлифовального станка
А-А
в-в
ОПОРЫ ШПИНДЕЛЕЙ
91
Чугуны обладают плохой прирабатываемостью, в связи с чем тре-
буется тщательная отделка поверхностей вкладыша и закаленной шейки
шпинделя. Для предупреждения кромочных давлений необходима доста-
точная жесткость шпинделя.
При малых окружных скоростях (десятые и сотые доли м/сек) чугунные
подшипники способны выдерживать давления до 20—30 н/мм* [(20—30) X
X 10е яЛи2].
Бронзы — ввиду сравнительно высокой цены применяются для
подшипников в виде биметаллических втулок. При этом стальной или
чугунный вкладыш заливают тонким (после обработки мм) слоем
бронзы (фиг. V, 65). Благодаря замене цельных вкладышей из бронзы
биметаллическими втулками расход цветных металлов уменьшается не-
редко в 4—5, а иногда и в 9—10 раз, цена подшипника — в 2,5—3,5 раза,
а долговечность его возрастает, особенно при заливке тонким слоем.
В практике станкостроительных заводов заливка производится обычно
центробежным способом.
Оловянные бронзы следует применять только в случаях, обоснованных
расчетом или опытными данными.
Баббиты — применяются для вкладышей крупных подшипников
в виде биметаллических втулок; обладают хорошей прирабатываемостью,
в связи с чем могут работать в паре с незакаленной шейкой.
Конструкции опор скольжения
Нерегулируемые подшипники применяются в каче-
стве опор шпинделей сравнительно редко в тех случаях, когда условия
работы позволяют рассчитывать на практически полное отсутствие износа
в течение длительного срока эксплуатации (тихоходные и слабо нагру-
женные шпиндели отделочных станков и т. п.). Размеры цельных нерегу-
лируемых втулок, изготовляемых из чугуна или бронзы, стандартизованы.
Более широкое распространение в качестве опор шпинделей получили
подшипники скольжения, в конструкции которых предусмотрена возмож-
ность периодического (ручного) или непрерывного (автоматического)
регулирования зазора (производится обычно пружинами или гидравличе-
ским поджимом).
Подшипники с радиальным регулированием
зазора. В этом случае вкладыш состоит из двух, трех, иногда большего
92
ШПИНДЕЛИ И ИХ ОПОРЫ
числа частей; некоторые из них неподвижны, остальные передвигаются
в радиальном направлении, за счет чего и регулируется зазор между шей-
кой шпинделя и подшипником (фиг. V, 66). Основное преимущество
конструкций этого типа — удобство сборки и разборки шпиндельного
а/ б/
Фиг. V, 67. Подшипники скольжения с осевым регулированием зазора
Фиг. V, 68. Многоклиновой подшипник с некруглым отверстием
Фиг. V, 69. Многоклиновой подшипник с самоустанавливающимися вкладышами
ОПОРЫ ШПИНДЕЛЕЙ
93
узла, в связи с чем они получили наибольшее распространение в качестве
опор шпинделей тяжелых станков.
Подшипники с осевым регулированием за-
зора. Вкладыш снабжается сквозной прорезью по всей длине (фиг. V,
67, а) или выполняется цельным (фиг. V, 67, б). Зазор в подшипнике регу-
лируется осевым перемещением вкладыша. При регулировании по пер-
вому способу (фиг. V, 67, а) цилиндрическая форма вкладыша несколько
искажается. Неизбежным недостатком второго способа является наруше-
ние регулирования зазора в подшипнике при осевых смещениях шпинделя.
Подшипники с несколькими
клиньями (многоклиновые подшипники) обес-
печивают высокую точность вращения за счет
центрирования шпинделя гидродинамическими
давлениями, создаваемыми в нескольких зонах
по окружности. Клиновые пространства создаются
в подшипниках этого типа либо неравномерным
деформированием вкладыша (фиг. V, 68, а, б),
либо применением вкладыша из нескольких само-
устанавливающихся частей (фиг. V, 69, [791), рав-
номерно расположенных по окружности.
Гидростатические подшипники-
предусматривают подвод масла под значительным
давлением в несколько карманов (фиг. V, 70), из
которых оно вытесняется через зазор между шейкой шпинделя и под-
шипником. Гидростатические подшипники способны создавать режим
Фиг. V, 70. Схема гидро-
статического подшипника
жидкостного трения при сколь угодно малых скоростях вращения.
Подшипники с воздушной смазкой могут использовать
аэродинамические давления при больших скоростях вращения, либо они
выполняются как аэростатические опоры с большим избыточным давле-
нием подводимого к ним воздуха. Особенностью воздушных подшипников
являются меньшая по сравнению с гидравлическими подшипниками жест-
кость и меньшие потери на трение. И то, и другое обусловлено тем, что
вязкость воздуха примерно в 2000 раз менее вязкости масла индустриаль-
ного 20.
ГЛАВА VI
МЕХАНИЗМЫ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ
§ 1. СПОСОБЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ
В СТАНКАХ
Прямолинейное движение в приводе станков может осуществляться
следующими основными способами:
1. Применением гидравлических устройств с парой поршень—цилиндр
в качестве двигателя прямолинейного движения. Гидравлический привод
этого типа обладает рядом достоинств, благодаря которым он получил
широкое распространение в различных станках как в приводе главного
движения, так и в приводах подач и в приводах вспомогательных пере-
мещений. Особенности гидравлического привода подробно рассматри-
ваются в разделе IV (т. 1)J
2. Использованием электромагнитных устройств типа соленоидов.
Ограниченная длина хода этих устройств и работа с ударами позволяют
применять их только в приводе систем управления в качестве вспомога-
тельных устройств.
3. Применением механизмов, преобразующих вращательное движение
в прямолинейное, таких, как, например, пара зубчатое колесо—рейка,
червяк—рейка, винт—гайка и др.
Первые два способа осуществления прямолинейного движения рас-
сматриваются в разделах гидрооборудования (т. I, раздел IV) и электро-
оборудования станков. Поэтому ниже рассматриваются основные осо-
бенности механизмов третьей группы применительно к использованию
их в приводах металлорежущих станков.
§ 2. ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО И РЕЙКА
Следующие особенности пары зубчатое колесо—рейка являются наи-
более существенными для привода станков:
1. Большое передаточное отношение —за один оборот зубчатого ко-
леса (реечной шестерни) рейка перемещается на длину начальной окруж-
ности колеса. Поэтому пару зубчатое колесо—рейка удобно использовать
в приводе главного движения и в приводе различных вспомогательных пе-
ремещений.
2. Неравномерность передаточного отношения, обусловленная боль-
шим влиянием ошибок зубчатого зацепления на скорость перемещения
рейки. Особенно трудно обеспечить парой зубчатое колесо—рейка равно-
мерность медленных движений в приводе подач высокоточных станков.
3. Высокий к. п. д. этой пары дает возможность использовать ее
в приводах, передающих значительную мощность, как, например, в при-
воде главного движения продольно-строгальных и долбежных станков.
ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО И РЕЙКА
95
4. Отсутствие самоторможения в паре зубчатое колесо—рейка затруд-
няет ее применение для вертикальных установочных перемещений. Однако
благодаря отсутствию самоторможения эта пара может применяться парал-
лельно с приводом другого вида — с ходовым винтом.
5. Простота изготовления и относительно низкая цена пары зубчатое
колесо—рейка.
Материалы элементов реечной передачи
Большие реечные колеса и рейки продольно-строгальных станков из-
готовляют из серого чугуна марок СЧ 21-40, СЧ 28-48 и СЧ 38-60 или из
стали 45, термически улучшенной с отпуском до НВ 230—260.
В механизмах подач стремятся сделать диаметр реечного колеса и,
следовательно, шаг тягового устройства возможно малыми, чтобы полу-
чить меньшие крутящие моменты на тяговом валу (валу реечного колеса) и
более короткую цепь редукции привода подач. С этой целью для изготовле-
ния реечного колеса применяют легированную сталь, а для рейки — леги-
рованную сталь или сталь 45. Термическую обработку назначают, имея
в виду повышение сопротивляемости зубьев не только изгибу, но и поверх-
ностному смятию, нередко деформирующему зубья незакаленной рейки.
Ввиду склонности реек деформироваться в результате термической обра-
ботки для них удобна поверхностная закалка зубьев с нагревом т. в. ч.
Рейки длиной до 1000—1200 мм фрезеруют на рейконарезном или на
горизонтально-фрезерном станке, оснащенном приспособлением для точ-
ного перемещения стола на шаг. При большей длине рейки ее делают со-
ставной из отдельных секций. Рейку фиксируют штифтами и прикре-
пляют к соответствующей части станка винтами.
Рейку для подачи сверлильного шпинделя нарезают иногда непосред-
ственно на шпиндельной втулке.
Указания по расчету
Реечные передачи привода главного движения, работающие при зна-
чительных скоростях и нагрузках, рассчитывают методами, применяемыми
для зубчатых колес. Эти методы расчета известны из курса «Детали машин».
Реечные передачи приводов подач обычно нет надобности проверять
на износостойкость — достаточна проверка зуба на изгиб и на смятие.
Проверочный расчет поверхностной прочности зубьев на смятие для
реечной передачи производится по формуле
Q = 1,4 • 10-V н, (V, 130)
где Q — окружная сила на реечном колесе, равная тяговой силе подачи,
в н;
q — максимальное напряжение смятия при контакте рейки с колесом
по делительной окружности в н!мг\
z — число зубьев реечного колеса;
а — угол зацепления зубчатой передачи;
т — модуль в мм\
b — длина зуба колеса в мм\
Е — модуль упругости в н!м\
Допускаемое напряжение смятия принимается равным q < ЗаГ1
где аг — предел текучести материала.
96
МЕХАНИЗМЫ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ
§ 3. ЧЕРВЯК И РЕЙКА
В отличие от пары зубчатое колесо—рейка червячно-реечная передача
позволяет осуществлять малые передаточные отношения. При этом плав-
ность движения существенно повышается. Однако червячно-реечная пере-
дача сложнее в изготовлении, нежели обычная реечная передача, и имеет
более низкий к. п. д., сравнимый с к. п. д. червячной пары.
Материалы и особенности конструкции
В связи с большим скольжением материалы червяка и рейки должны
обладать хорошими антифрикционными свойствами. Обычно червяк
изготовляют из стали 15Х или 20Х с последующей цементацией и закал-
кой, а рейку — из антифрикционного чугуна. В наиболее ответственных
дит к более интенсивному его износу. Однако замена износившегося
червяка значительно проще и дешевле, чем замена червячной рейки, изго-
товление которой связано с применением специального инструмента и
оборудования.
В станках получили применение следующие конструкции червячно-
реечных передач:
1. Пара червяк—зубчатая рейка. В этом случае имеет место точечный
контакт зубьев червяка и рейки. Такая конструкция используется чаще
всего для вспомогательных движений.
ХОДОВОЙ ВИНТ И ГАЙКА
2. Пара червяк — червячная рейка при расположении оси червяка под
углом к оси рейки (фиг. V, 71). Зубья рейки подобны зубьям червячного
колеса, и характер зацепления соответствует обычной червячной паре.
3. Пара червяк—червячная рейка при параллельном расположении
осей червяка и рейки (фиг. V, 72). Характер зацепления соответствует вин-
Фиг. V, 72. Червячно-реечный привод подач в продольно-фрезерном
станке
товой паре при коротком винте и гайке с неполным охватом. При таком
конструктивном оформлении наружный диаметр зубчатого колеса в при-
воде червяка должен быть меньше внутреннего диаметра червяка. В силу
этого обстоятельства иногда применяют червяк с нарезанными на нем
зубьями колеса.
§ 4. ХОДОВОЙ ВИНТ И ГАЙКА
Пара винт—гайка получила широкое применение в приводе прямоли-
нейного движения станков в связи со следующими ее особенностями:
1) Малое передаточное отношение при однозаходной резьбе, что дает
возможность осуществлять медленные движения в приводе подач.
2) Высокая плавность и точность движения, обусловленные постоян-
ством передаточного отношения в паре винт—гайка. Степень точности и
плавности движения определяется главным образом точностью изготов-
ления ходового винта и гайки.
3) Низкий к. п. д. пары винт—гайка скольжения препятствует ее
применению в приводе главного движения, но не является столь сущест-
венным недостатком для привода подач и для привода вспомогательных
движений. О к. п. д. пары ходовой винт—гайка качения см. ниже.
4) Самоторможение в винтовых парах скольжения облегчает их ис-
пользование для установочных движений и в случае вертикальных пере-
мещений.
Технические условия
Нормаль станкостроения ТУД 22-2 устанавливает для ходовых винтов
пять классов точности: 0-й (наиболее точный), 1-й, 2-й, 3-й и 4-й; для каж-
дого класса эта нормаль устанавливает наибольшие допускаемые: а) откло-
нения шага (в пределах одного шага и наибольшие накопленные ошибки
на различных длинах резьбы); б) отклонения половин угла профиля резьбы,
в) отклонения по овальности на среднем диаметре резьбы; г) биение по
окружности наружного диаметра.
Для гаек ходовых винтов нормаль допускает отклонения в плюс от но-
минального размера по среднему диаметру.
4 Ачеркан. Зак. 659.
98
МЕХАНИЗМЫ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ
Для точной работы и уменьшения износа пары винт—гайка требуются
также: а) ограничение биения резьбы ходового винта относительно его
опорных шеек; б) параллельность осей подшипников винта соответствую-
щим направляющим; в) отсутствие торцового биения винта при вращении;
г) соосность гайки и ходового винта.
Материалы ходовых винтов и гаек
Материалы для изготовления ходового винта и гайки выбирают в зави-
симости от назначения винта, класса его точности (см. ниже) и требуемой
термической обработки. Нормаль станкостроения ТУД 22-2 рекомендует:
а) для ходовых винтов 0-го класса точности, применяемых в прецизионных
станках (например, координатно-расточных), — инструментальные угле-
родистые стали марок У10 и У12; б) для ходовых винтов 1-го класса точ-
ности с высокой поверхностной твердостью после термической обработки
(для резьбошлифовальных станков) — стали ХВГ или ХГ при твердости
HRC 50-56 и сталь 65Г при HRC 35-45; в) для ходовых винтов 2-го класса
(для токарно-винторезных станков нормальной точности), 3-го класса (для
фрезерных и строгальных станков) и 4-го класса (для установочных пере-
мещений) точности, не подвергаемых термической обработке на высокую
твердость, — стали 45 и 50 нормального состава, сталь 45 с 0,15—0,50%
свинца и холоднотянутую автоматную сталь А40Г, содержащую 1,20—
1,55% марганца. При нарезании винтов из стали двух последних типов
поверхность винта получается гладкой, без задиров. Сталь подвергается
специальной термообработке для уменьшения деформаций заготовки винта
при его последующей обработке.
Гайки скольжения ходовых винтов изготовляют обычно из оловянных
бронз. Нормаль станкостроения ТУД 22-2 рекомендует делать гайки
винтов 0-го, 1-го и 2-го классов из оловянных бронз Бр. ОФ 10—0,5 и
Бр. ОЦС 6-6-3. Для ходовых винтов 3-го и 4-го классов гайки изготовляют
также из антифрикционного чугуна.
Конструкции ходовых винтов и гаек
Профиль резьбы. Ходовые винты обычно выполняют со стандартной
(ГОСТ 9484-60) трапецеидальной резьбой с углом профиля 30°. Трапеце-
идальная резьба по сравнению с прямоугольной имеет следующие преиму-
щества: а) возможность фрезерования и шлифования резьбы для подреза-
ния профиля; б) более легкое замыкание маточной гайки (оно невозможно
при полном охвате винта маточной гайкой с резьбой прямоугольного про-
филя). Недостаток трапецеидального профиля — возникновение погреш-
ностей шага нарезаемой резьбы при радиальном биении ходового винта.
Поэтому в высокоточных резьбонарезных станках иногда применяют
ходовые винты с прямоугольной резьбой или с трапецеидальной резьбой
с меньшим углом профиля (10—15°).
Опоры ходовых винтов. Опоры ходовых винтов не должны вызывать
чрезмерных осевых и радиальных биений винта, которые ведут к искаже-
нию нарезаемой резьбы.
Упорные подшипники должны быть расположены так, чтобы нагрева-
ние винта не вызывало опасных тепловых напряжений и деформаций винта.
Поэтому ходовой винт фиксируется в осевом направлении большей частью
лишь в одной опоре. Только сильно нагруженные ходовые винты, которые
должны работать на растяжение, фиксируют обеими опорами.
ХОДОВОЙ ВИНТ И ГАЙКА
99
Подшипники скольжения в виде втулок из бронзы или антифрикцион-
ного чугуна применяют для ходовых винтов чаще, чем опоры качения, так
как имеют следующие преимущества: более легкое достижение малого
биения, малые радиальные габариты (что особенно важно, если салазки
должны проходить над опорой), простота конструкции (фиг. V, 73).
Подшипники качения применяют большей частью в опорах сильно
нагруженных ходовых винтов средней точности.
Фиг. V, 73. Узел ходового винта токарно-винторезных станков:
а и б — нормальной точности; «иг — повышенной точности
Для продольной фиксации ходовых винтов применяют упорные шари-
коподшипники повышенной точности или подпятники скольжения
(фиг. V, 73, а и в). Последние предпочтительнее в прецизионных станках.
Для уменьшения осевого биения диаметры опорных поверхностей делают
возможно малыми и применяют самоустанавливающиеся упорные кольца
со сферической опорой (фиг. V, 73, г).
Конструктивные способы уменьшения деформаций изгиба ходовых
винтов. Для уменьшения прогиба ходовых винтов пользуются различ-
ными конструктивными средствами; к ним относятся:
а) увеличение жесткости опор винта путем применения в них подшип-
никовых втулок с повышенным отношением длины втулки к ее внутреннему
диаметру, т. е. к диаметру шейки ходового винта, что позволяет при ко-
ротких ходовых винтах ограничиваться одним подшипником; в качестве
второй опоры используется гайка; при средней длине винта необходимо
применять две опоры;
*
100
МЕХАНИЗМЫ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ
б) применение дополнительных опор для длинных ходовых винтов,
причем если винт не очень тяжелый, опоры выполняются в виде расто-
ченных точно по наружному диаметру винта втулок достаточной длины,
перемещающихся вместе с гайкой; в конструкции по фиг. V, 74 втулка 3
закреплена в каретке 1 и имеет вырез для гайки 2;
Фиг. V, 74. Дополнительная
опора ходового винта быстроход-
ного токарного станка
Фиг. V, 75. Откидная опора длинного ходового винта
проходе, или постоянные опоры с неполным охватом ходового винта
(фиг. V, 75); гайка ходового винта при этом также делается открытой
с неполным охватом, что является недостатком конструкции, так как
эксцентричное приложение тяговой силы создает момент, изгибающий
винт.
Фиг. V, 76. Примеры конструкций размыкаемых маточных гаек
Для уменьшения момента, перекашивающего каретку или стол в гори-
зонтальной плоскости, ходовой винт располагают между направляющими
в средней плоскости станины. Такое расположение винта применяется в вы-
сокоточных винторезных станках с целью повышения точности обработки
и в тяжелых токарных, продольно-строгальных, фрезерных и других стан-
ках для облегчения условий работы ходового винта и направляющих.
Конструкции гаек скольжения ходовых винтов. Ходовые винты рабо-
чих подач, как правило, делают одно- или двухзаходными с небольшим ша-
гом (малым углом подъема резьбы), следовательно, самотормозящимися.
Поэтому при наличии в станке, наряду с ходовым винтом, также другого
ХОДОВОЙ ВИНТ И ГАЙКА
101
Фиг. V, 77. СамоценТ-
рирующаяся неразъем-
ная гайка
тягового устройства (например, реечного привода подач в токарно-винто-
резных станках) гайку ходового винта необходимо делать разъемной
(фиг. V, 76, а и б). Если ходовой винт применен как единственное тяговое
устройство, то гайку делают неразъемной. Простейшая конструкция такой
гайки показана на фиг. V, 77. Здесь возможна выверка соосности винта и
гайки в одной плоскости, но не возможна в другой,
что является недостатком этой конструкции.
Для регулирования зазора в резьбе и уничтоже-
ния мертвого хода гайку скольжения нередко выпол-
няют из двух половин; одну из них неподвижно кре-
пят к салазкам, другая может смещаться в осевом
направлении при помощи клина (фиг. V, 78), уста-
новочной гайки (фиг. V, 79), пружины (при малых
нагрузках винта, в шлифовальных станках, фиг. V,
80, а) или гидравлического давления (фиг. V, 80, б).
Конструкции последнего типа применяют во фрезер-
ных станках при фрезеровании по подаче. При фре-
зеровании против подачи и холостом перемещении стола золотник соеди-
няет полости цилиндра с обеих сторон подвижной гайки и снимает с нее
нагрузку.
Коррекционные устройства к ходовым винтам. В станках, предназна-
ченных для нарезания точных резьб, погрешности шага ходового винта
автоматически компенсируются
Фиг. V, 78. Гайка с периодическим регулиро- Фиг. V, 79. Гайка с регулированием
ванием зазора в резьбе посредством клина: зазора посредством установочной гай-
/ — прижимные винты; 2 — регулирующий винт; КИ а
3 — клин
ционным (исправляющим) устройством (фиг. V, 81), работающим по прин-
ципу: а) дополнительных осевых смещений ходового винта (фиг. V, 81, а)
или чаще б) дополнительных поворотов маточной гайки (фиг. V. 81, б).
Эти устройства были рассмотрены на стр. 370 тома 1.
Погрешности шага ходового винта, вызванные температурными дефор-
мациями в процессе эксплуатации станка, носящие закономерный харак-
тер, исправляются при помощи прямолинейных поворотных «температур-
ных» линеек, устанавливаемых под надлежащим углом.
Расчет механизма винтовой передачи с гайкой скольжения
Размеры ходового винта и гайки устанавливают по расчету на износо-
стойкость, прочность и жесткость конструкции и на устойчивость ходо-
вого винта.
102
МЕХАНИЗМЫ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ
1. Расчет на износостойкость производят по среднему удельному
давлению на рабочих поверхностях резьбы, которое определяют по фор-
муле
п = __2_
Lz ndcpt^Lz ’
ftdcpt2 —
(V, 131)
где Q — наибольшая тяговая сила;
s — шаг винтовой линии резьбы;
/2 — рабочая высота витка;
L — длина гайки;
z — число заходов резьбы;
dco — средний диаметр резьбы.
а) В)
Фиг. V, 80. Гайки с автоматической выборкой зазора в резьбе
Обозначая отношение = X', получим
Qs
р — —А—>
я! d^pt2z
откуда
(V,132)
Для стандартных трапецеидальных резьб /2 — 0,5заменяя t2
в последней формуле этим выражением, окончательно получим
Фиг. V, 81. Схемы коррекцион-
ных устройств:
а — с дополнительным осевым сме-
щением винта; б — с дополнитель-
ным вращением гайки
зовой гайкой [р ] = 1200
[р ] = 800 н!см2 = 8 • 10е
<,«0,8 (V, 133)
Отношение X' = берется в пределах
1,5—4; для маточных гаек %' 3.
Допускаемое среднее удельное давление
[р ] имеет следующие значения: а) сталь-
ной ходовой винт с бронзовой гайкой, пред-
назначенный для точных подач (в винто-
резных, токарно-винторезных и резьбофре-
зерных станках) [р] = 300 н/см2=3-106 н!м2\
б) прочие ответственные ходовые винты
(фрезерные станки и т. п.) в паре с брон-
н/см2 = 12 • 106 н!м2, с чугунной гайкой
н/м2.
ХОДОВОЙ ВИНТ И ГАЙКА
103
2. Расчет ходовых винтов на прочность. Ходовой винт работает одно-
временно на растяжение (или сжатие) и кручение и рассчитывается на
прочность по приведенному напряжению
О„Р = Го2 + 4Т* = ]/(4)2 + 4 (-^)2 , (V, 134)
ndf
где г = —-----площадь поперечного сечения стержня винта;
Л4Ж
— крутящий момент, передаваемый винтом;
nd?
= —= F — момент сопротивления сечения при кручении
(влиянием витков на Wp пренебрегаем).
После подстановки получим
V Q +'Cdf) ’ <v>135>
Крутящий момент, передаваемый вин-
том 1см. формулу (V, 102) на стр. 64],
М.-Д, (V. 136)
где л — к. п. д. винтовой пары, вычисляе-
мый по формуле
Л tg(? + Q)-
Фиг. V, 82. Схема к расчету ходо-
вого винта на жесткость
(V, 137)
Здесь Р — угол подъема средней винтовой линии резьбы;
2 = 64-8° — угол трения в резьбе;
Q и s — имеют прежние значения (см. стр. 102).
Допускаемое приведенное напряжение назначают по пределу текучести
материала винта так, чтобы было
(УТ > (3-3,5) оД0. (V, 138)
3. Расчет на жесткость. В результате сжатия или растяжения ходо-
вого винта тяговой силы Q шаг резьбы винта изменяется на
Asq=±-^; (V, 139)
где Е — модуль продольной упругости материала;
s и F — имеют прежние значения.
Как видно из фиг. V, 82 (развертка на плоскость винтовой линии одного
витка резьбы), изменение шага резьбы, вызванное закручиванием ходо-
вого винта моментом МК) составляет
As = ±s-h-5—± s^-. (V, 140)
м “ 2л ф 2л v 7
Угол закручивания ходового винта на длине одного витка
поэтому
АзЛ = ±, (V,142)
где G — модуль сдвига материала;
Jp — полярный момент инерции сечения винта.
104
МЕХАНИЗМЫ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ
Анализ выражений (V, 139) и (V, 142) показывает, что Asw <
т. е. основную роль в искажении шага играет осевая деформация, и при
расчете ходового винта на жесткость изменением шага от кручения винта
можно пренебрегать.
Допускаемое искажение шага резьбы принимают, учитывая допуск на
неточность шага резьбы ходовых винтов соответствующего класса.
4. Расчет ходового винта на устойчивость. Если ходовой винт работает
на сжатие и длина его значительна сравнительно с диаметром, то он дол-
жен быть проверен на устойчивость как стержень, нагруженный цен-
трально действующей сжимающей силой Q — наибольшей тяговой силой.
Критическая тяговая сила определяется по формуле
= (V, 143)
где Е — модуль продольной упругости материала;
Jmin — наименьший момент инерции поперечного сечения;
v/ — приведенная длина.
Расчетная формула для запаса устойчивости пу:
п = — ?2£,/ mi" . (V 144)
q V2Q/2 ' '
Коэффициент v длины составляет: при обоих жестко заделанных кон-
цах v = -i-; при одном заделанном и одном шарнирном конце v —
при обоих шарнирных концах v = 1. Нормаль стацкостроения Н48-62,
разработанная Д. Н. Решетовым и Г. А. Левитом (ЭНИМС), рекомендует
определять характер заделки винта в опоре в зависимости от %оп==-^-,
“on
где 1т — длина опоры, a don — ее внутренний диаметр, следующим обра-
зом: при <1,5 — опора шарнирная; при h'on > 3 винт заделан в опоре
совершенно; при 1,5 << коп<3 винт заделан в опоре несовершенно. Для
последнего случая, если другой конец заделан совершенно, то v = -Д=.
F 2,8
Характер заделки для неразъемной гайки принимается, как и для опор,
в зависимости от отношения длины гайки к среднему диаметру резьбы.
Разъемная гайка рассматривается как опора с несовершенной заделкой.
Для запаса устойчивости принимают значения пу = 2,5 . . . 4, причем
большие значения берутся при действии на винт поперечных сил от при-
вода.
Проверку на устойчивость производят только для длинных ходовых
винтов при V/> (7,54-10).
Винтовые пары качения
В целях устранения вредного влияния скольжения в резьбе и связан-
ного с ним износа в станках все большее применение находят винтовые
пары качения.
Достоинством винтовых пар качения, помимо малых потерь на трение
и высокого к. п. д. (фиг. V, 83), является то, что в них могут быть полностью
устранены зазоры в резьбе за счет создания предварительного натяга.
Зазоры в винтовой паре крайне нежелательны при знакопеременных осе-
вых нагрузках и при реверсируемом точном движении (например, в при-
воде станков с программным управлением).
ХОДОВОЙ ВИНТ И ГАЙКА
105
к.п.д
80
60
40
20
Замена скольжения качением в винтовой паре возможна либо за счет
использования вместо гайки роликов, свободно вращающихся на своих
осях (фиг. V, 84), либо за счет применения тел
качения (шариков, а иногда и роликов), уло-
женных в резьбу между винтом, и гайкой
(фиг. V, 85, [53]), в специально предусмотрен-
ный канал возврата шариков. Первая из ука-
занных конструкций в связи со сложностью
изготовления и сборки не получила столь
широкого применения в станках, как шарико-
вые винтовые пары, нормализованные в станко-
строении (нормаль Н23-7).
В шариковых винтовых парах обычно исполь-
зуют резьбу полукруглого (фиг. V, 86, а)
или арочного (оживального) (фиг. V, 86, б)
профиля. В обоих случаях малая разность кри-
визн шариков и беговых дорожек увеличи-
вает площадь контакта и уменьшает величину
контактных напряжений.
Как правило, в шариковых парах приме-
няют устройства для выборки зазоров и соз-
дания предварительного натяга (фиг. V, 87).
Расчет шариковых винтовых пар предусматривает:
1. Расчет на статическую прочность по допустимым контактным на-
пряжениям. Для нормализованных винтовых пар предельно допустимая
статическая нагрузка на один шарик
Рст = 20<Й «,
где — диаметр шарика в мм.
о ' 4 6 грай
Угол наклона резьбы '
Фиг. V, 83. Потери на трение
в винтовых парах скольже-
ния и качения:
/—пара скольжения; 2—шари-
ковая пара с накатанной резь-
бой; 3 — шариковая пара со
шлифованной резьбой
(V, 145)
Фиг. V, 84. Винтовая
пара качения с резь-
бовыми роликами:
Фиг. V, 85. Шариковая винтовая пара
S)
Фиг. V, 86. Профили резьбы
шариковых винтовых пар:
а — полукруглый; 6 — арочный
1 — винт; 2 — ролик
106
МЕХАНИЗМЫ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ
2. Расчет на жесткость по осевому смещению гайки относительно винта
за счет упругих деформаций в резьбовом соединении. Предварительный
натяг существенно повышает контактную жесткость в резьбе и позволяет
принять деформацию пропорциональной нагрузке.
Фиг. V, 87. Способы создания натяга в шариковых винтовых парах:
а и б — осевым смещением полугаек; в — взаимным проворотом полугаек
Для винтовых пар по нормали Н23-7 жесткость
3 ,
1 —з~ н/мм,
z d±Pнагп
(V, 146)
где dr — диаметр шарика в мм\
z — расчетное число шариков;
Рнат — нормальная сила предварительного натяга на один шарик в н.
Расчетное число шариков с учетом влияния погрешностей изготовления
можно принимать равным
г = 0,7„ОЛ{, (V, 147)
где 2НО* — номинальное число шариков, воспринимающих нагрузку.
Шариковые ходовые винты, постоянно находящиеся в работе, целесо-
образно также подвергать дополнительной ‘проверке на долговечность.
§ 5. УСТРОЙСТВА ДЛЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Жесткость обычных механизмов типа реечной или винтовой пары ока-
зывается часто недостаточной для обеспечения очень точных малых пере-
мещений.
При определенных условиях медленное движение узла переходит
в скачкообразное с периодически чередующимися остановками и скачками.
Такого рода скачкообразное движение наступает при скоростях, меньших
критического для данной системы привода значения:
= м1сек» (v-148>
у tykm
где Д/ — разность коэффициентов трения покоя и движения;
N — нормальная сила на направляющих в н;
ф — относительное рассеяние энергии при колебаниях (безразмерная
величина);
k — приведенная жесткость привода в н/м\
т — масса передвигаемого узла в н. сек2/м.
УСТРОЙСТВА ДЛЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
W
В условиях граничного трения, характерного для направляющих сколь-
жения станков, А/ = 0,05 . . .0,15, а относительное рассеяние энергии
колебаний ориентировочно ф = 1 ...2.
В условиях скачкообразного движения линейная величина скачка
определяется значением
(V, 149)
где % > 1 — коэффициент, зависящий от затухания в приводе.
Избежать скачкообразного движения или уменьшить его вредное влия-
ние можно либо улучшением характеристик трения (использование гидро-
статических и аэростатических направляющих), либо повышением жест-
кости привода. Поэтому в станкостроении получили распространение спе-
циальные устройства, работающие без зазоров и обеспечивающие очень
высокую жесткость привода.
Термодинамический привод
В термодинамическом приводе в качестве двигателя используется тепло-
вой элемент, температурные деформации которого без всяких кинемати-
ческих звеньев создают малые перемещения передвигаемого узла. Прин-
цип действия термодинамического
привода был разработан Б. Т. Брее-
вым и использован в ряде конструк-
ций круглошлифовальных станков
для привода поперечных подач.
Термодинамический привод (фиг.
V, 88) представляет собой жесткий
полый стержень, один конец кото-
Фиг. V, 88. Схема термодинамического
привода
рого крепится к неподвижной части
станка (станине), а другой соединяется с подвижным узлом. При нагре-
вании свободный конец стержня перемещается на величину
Фиг. V, 89. Термодинамический привод подачи
шлифовальной бабки
। Д/^ = alAt,
где а — коэффициент линейно-
го расширения мате-
риала стержня;
I—длина стержня при на-
чальной температуре;
A t — приращение темпера-
туры.
Нагревание стержня осуще-
ствляется посредством спирали
или пропусканием электриче-
ского тока малого напряжения
и большой силы непосредственно
через стержень (фиг. V, 89).
Охлаждение стержня, необхо-
димое для возврата его в исход-
ное положение, осуществляется в термодинамическом приводе пропу-
сканием эмульсии из системы охлаждения станка.
Отрицательным свойством термодинамического привода является вы-
деление в нем тепла, что может привести к температурным деформациям
108
МЕХАНИЗМЫ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ
соседних узлов и снизить точность обработки. Недостатком привода этого
типа является также тепловая инерция, препятствующая его применению
для повторных частых перемещений.
Магнитострикционный привод
Магнитострикционный привод (фиг. V, 90) по принципу действия подо-
бен термодинамическому. Для создания необходимого удлинения свобод-
ного конца стержень, изгото-
вленный из магнитострикцион-
ного материала, помещают в
магнитное поле. При измене-
нии напряженности последнего
> / / / / / станка
V77777777777777777777777777777777/?777"
АС»
Фиг. V, 91. Относительное магнитострикцион-
ное удлинение стержней из разных материа-
лов:
Фиг. V, 90. Схема магнитострик-
ционного привода
/ — железо; 2 и 3 — кобальт; 4 — никель;
5 — пермаллой
Фиг. V, 92. Магнитострикционный привод с перехватами:
1 — передвигаемый узел; 2 — стержень; 3— катушка; 4—неподвижная часть станка; Л и П —со-
ответственно левый и правый зажимы
УСТРОЙСТВА ДЛЯ МАЛЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
109
длина стержня изменяется (фиг. V, 91). У одних материалов с увеличением
напряженности магнитного поля размеры увеличиваются (положительная
магнитострикция), у других уменьшаются (отрицательная магнитострик-
ция).
Удлинение стержня под действием магнитострикции
Мм = Л/,
где X — относительное магнитострикционное удлинение;
I — длина стержня.
Это удлинение стержня, а следовательно и величина перемещения
узла станка, ограничено для практически используемых материалов не-
большой величиной, порядка 6—7 мкм на 100 мм длины стержня, что су-
щественно ограничивает возможности использования магнитострикцион-
ного привода.
В целях устранения указанного недостатка предложен магнитострик-
ционный привод с перехватами, схема действия которого представлена
на фиг. V, 92. При определенной последовательности включения зажимов
и магнитного поля катушки малые перемещения узла могут быть повто-
рены многократно. Однако привод с перехватами усложняет конструкцию
и неизбежно связан с потерей жесткости.
Привод с упругим звеном
Фиг. V, 93. Схема привода
с упругим звеном
Для малых перемещений, величина которых сравнима с величиной
упругих перемещений, может быть использована деформация детали (упру-
гого звена), связанной с перемещаемым уз-
лом. Для значительных по величине линей-
ных перемещений применяют упругое звено
типа плоской пружины или рессоры. Так,
на фиг. V, 93 показана схема привода малых
перемещений с упругим звеном для попереч-
ной подачи шлифовальной бабки. Рессора
предварительно деформируется гидравличе-
ской системой. Затем по мере свободного
истечения масла из цилиндра через выпуск-
ное отверстие малого сечения рессора выпря-
мляется и свободным концом перемещает
шлифовальную бабку.
Недостатком привода с упругим звеном является ограниченная вели-
чина перемещения (в пределах упругих деформаций) и, как правило, пере-
менная жесткость.
ГЛАВА VII
МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ
(ПРЕРЫВИСТЫХ) ДВИЖЕНИЙ
§ 1. ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ В СТАНКАХ И УСТРОЙСТВА
ДЛЯ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Рабочий процесс некоторых станков построен так, что для получения
обработанной детали необходимо периодически изменять относительное
положение заготовки и инструментов. Периодическое перемещение соот-
ветствующего узла или детали станка происходит перед началом нового
хода или цикла и может быть: прямолинейным — всякий раз на определен-
ную длину или круговым —на определенный угол. Периодические переме-
щения последнего вида называются делительными или индексирующими.
К числу периодических движений относятся, например, движения
подачи в строгальных и долбежных станках, движения подачи на глубину
резания в шлифовальных станках, повороты револьверных головок, мно-
гие движения в автоматах и полуавтоматах, работающих по циклу.
Требования к точности периодических перемещений зависят от необ-
ходимой точности размеров или качества обрабатываемой поверхности.
Наиболее высокие требования в этом отношении предъявляются к механиз-
мам для поворота шпиндельных блоков, многопозиционных столов, ре-
вольверных головок и к делительным устройствам зубообрабатывающих
станков, работающих цо методу деления. Напротив, от механизмов подачи
строгального или долбежного станка нет оснований требовать особенно
высокой точности осуществляемых ими перемещений.
Независимо от выбранной конструкции устройство, выполняющее пере-
мещение соответствующей части станка, само по себе не гарантирует ни
высокой точности периодических перемещений, ни постоянства их вели-
чины. Это обусловлено погрешностями изготовления и сборки механизма,
зазорами в сопряжениях его деталей, действием сил инерции и пр. Поэтому,
если к точности перемещений предъявляются высокие требования, то
необходимо предусмотреть автоматически действующие фиксирующие меха-
низмы, которые обеспечивали бы точность положения периодически пере-
мещаемой части станка в конце каждого движения.
В современных станках периодические движения осуществляются:
1) кулачковыми механизмами различных типов; 2) механизмами с муф-
тами обгона; 3) храповыми механизмами; 4) мальтийскими механизмами;
5) электро-, гидро- и пневмомеханизмами. Некоторое применение получили
для этой цели магнитострикционные устройства (см. стр. 109) и шаговые
двигатели. Последние имеют особенно благоприятные перспективы, так
как позволяют регулировать величину периодической подачи в довольно
широком диапазоне, а также автоматически изменять ее в зависимости от
скорости резания.
ХРА ПОВ ЫЕ МЕХА НИЗМ Ы
Ill
В качестве примера применения кулачков для осуществления перио-
дических перемещений можно привести одно-, двух- и трехпроходные
плоские кулачки зубодолбежных станков. При
большой общей длине перемещения использова-
ние кулачков нередко бывает затруднительно.
Обгонную муфту удобно использовать в таких
цепях периодических перемещений, где движение
первого ведущего звена цепи — возвратно-поступа-
тельное: при движении его в одну сторону обгон-
ная муфта создает жесткую кинематическую связь
между соответствующими элементами цепи, при
движении этого звена в обратном направлении
муфта разрывает эту связь.
В механизме для индексирования шпиндельного
блока четырехшпиндельного автомата (фиг. V, 94)
использованы одновременно кулачки и обгон-
ная муфта. На распределительном валу 10 авто-
мата заклинены кулачки 9 и 11. с которыми
постоянно контактируют ролики 6 и 8 зубчатого
сектора 5. Кривые кулачков профилированы так,
что сектор 5 периодически совершает качатель-
ное движение на оси 7. Через зубчатые колеса 4
и 3 это движение передается венцу 2 шпиндель-
ного блока 1. В общей втулке колес 3 и 4 поме-
щена обгонная муфта, вследствие чего повороты
Фиг. V, 94. Механизм по-
ворота шпиндельного бло-
ка четырехшпиндельного
автомата
блока 1 могут происходить только в одном направлении — против часо-
вой стрелки.
§ 2. ХРАПОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Храповые передачи особенно удобно применять в тех случаях, когда
время, в течение которого перемещение должно быть завершено, ограни-
чено. Поэтому их используют часто в механизмах подач тех станков, в ко-
торых периодическая подача производится вр время перебега или быстрого
обратного холостого хода (в строгальных; долбежных, шлифовальных,
зубоотделочных станках).
В большинстве случаев храповые механизмы используют для прямо-
линейного перемещения соответствующего узла: собачка периодически
поворачивает на определенный угол храповик с наружными или внутрен-
ними зубьями, кинематически связанный с ходовым винтом, который и
осуществляет требуемое прямолинейное перемещение стола, суппорта и
т. п. При помощи храповой передачи осуществляются также и круговые
периодические перемещения.
Поворот храповика за одно двойное качание собачки достигает иногда
90—100°, в большинстве случаев он не превышает 45°.
Величина периодического перемещения, производимого посредством
храпового механизма, должна, как правило, допускать регулирование.
Оно производится: а) изменением угла качания (размаха) рычага, несу-
щего собачку, или б) при неизменном размахе этого рычага — перекрытием
зубьев храповика на части дуги, описываемой собачкой, или автоматиче-
ским подъемом собачки на части этой дуги.
Механические варианты первого решения показаны схематически на
фиг. V, 95, а—в. Размах рычага собачки регулируется перестановкой
112 МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ
ползушки В в пазу кривошипного диска (фиг. V, 95, а) или в.прорезях
кулисных рычагов (фиг. V, 95, бив). В гидрофицированных станках раз-
мах собачки регулируется изменением длины хода поршенька, сообщаю-
щего импульс собачке.
Фиг. V, 95. Регулирование периодических движений, осуществляе-
мых посредством храповых механизмов
or=const
Фиг, V, 96. Регулиро-
вание периодических
движений, осуществ-
ляемых посредством
храповых механизмов
Принцип конструкции устройств, позволяющих регулировать угол по-
ворота храповика при неизменном размахе собачки, поясняется фиг. V, 96;
щитком 1 можно перекрывать большее или меньшее число зубьев хра-
повика внутри угла а. Щиток удерживается в желаемом положении пру-
жинным фиксатором рукоятки 3, вставляемым в соответствующее отверстие
неподвижного сектора 2.
Для реверсирования периодических поворотов
храповика (например, в механизмах подач строгаль-
ных и долбежных станков) зубья его должны иметь
симметричный профиль, а собачка должна быть сде-
лана оборотной.
Число г зубьев храповика определяется из кине-
матического расчета цепи; в большинстве случаев
z = 124-250. Шаг зубьев t = пт, где т — модуль,
выбирается с таким расчетом, чтобы диаметр храпо-
вика был не слишком велик для узла, в который он
входит. Разработанная ЭНИМСом нормаль станко-
строения Н22-4 предусматривает для храповых пере-
дач с наружным зацеплением г=204-200, /п=0,б4-
= 2,5 мм, диаметр делительной окружности храпо-
вика D = 30 (zm — 50-0,6)4-200 (zm =200-1) мм,
для передач с внутренним зацеплением z=244-200,
модули — те же и D = 604-200 мм.
Формы зубьев храповиков показаны на фиг. V, 97 : а и б — для нере-
версируемых, виг — для реверсируемых храповиков. Рабочую грань
зуба нереверсируемых храповых колес целесообразно делать радиальной
или с небольшим поднутрением (по нормали Н22-4—10°).
Возможности использования в станках храповых передач для сообще-
ния движениям периодического характера иллюстрирует фиг. V, 98, изо-
бражающая делительное устройство шлицешлифовального полуавтомата
мод. 345.
Угол размаха собачки остается здесь постоянным (100°), и угол пово-
рота храповика, связанного со шпинделем изделия, регулируется перекры-
тием его зубьев.
ХРАПОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ
113
Устройство работает следующим образом. Перед началом рабочего хода
стола (вправо) масло под давлением поступает в правую полость цилинд-
ра 10 и подает влево поршень 11 с реечными зубьями, сцепленными с зубь-
ями сектора 9, несущего собачку 7. Сектор начинает поворачиваться по
часовой стрелке, собачка 7 скользит по периферии щитка 8. Кривая сек-
тора 9, воздействуя на ролик 3, выводит
плунжер-фиксатор 4 из впадины делитель-
ногодиска /, скрепленного с храповиком 6,
и таким образом освобождает последний.
Собачка 7 сходит со щитка 3, сцепляется
с храповиком 6 и поворачивает его на
требуемый угол, а вместе с ним — дели-
тельный диск, шпиндель заготовки и шли-
фуемый валик. Несколько ранее конца
поворота кривая сектора 9 освобождает
фиксатор 4, который под давлением масла
в цилиндре 5 западает в очередную впа-
Фиг. V, 97. Формы зубьев храпо-
вых колес, применяемых в станках
дину делительного диска.
Механизм возвращается в исходное положение переключением масла
в левую полость цилиндра 10. Кулачок 2, укрепленный на делительном
диске /, воздействуя на микроконечники, дает импульс механизму попереч-
ной подачи шлифовального круга после каждого прохода всех зубьев
Фиг. V, 98. Схема делительного устройства шлицешлифовального
полуавтомата мод. 345
(шлицев), т. е. после каждого полного оборота шпинделя заготовки,
а вместе с ним и делительного диска.
Храповые передачи применяют также в счетных механизмах станков,
в устройствах для автоматического ^включения станка после того, как
определенный элемент станка сделает установленное число двойных ходов
или полных оборотов.
114 МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ
z пазов
1 и=const
Фиг. V, 99. Схема пло-
ского мальтийского ме-
ханизма с внешним
зацеплением
§ 3. МАЛЬТИЙСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
Мальтийский механизм, состоящий из кривошипа и креста (фиг. V, 99),
не позволяет, в отличие от храповой передачи, изменять угол поворота.
Поэтому в станках эти механизмы применяют преи-
мущественно в делительных устройствах с постоян-
ным углом периодического поворота — для перио-
дических поворотов (индексирования) шпиндельных
блоков токарных автоматов и полуавтоматов, ре-
вольверных головок, многопозиционных столов и
т. п.
Если в кинематическую цепь между мальтийским
крестом и поворачиваемой им частью станка ввести
передачу с изменяемым передаточным отношением
(например, гитару сменных зубчатых колес), то
можно регулировать угол поворота этой части при
неизменном угле периодического поворота креста.
В современных станках используются, за ред-
кими исключениями, «правильные» («нормальные»,
т. е. с одинаковыми углами между смежными пазами
креста, как на фиг. V, 99) плоские мальтийские механизмы внешнего
зацепления с радиальным направлением пазов; поэтому ниже рассма-
триваются в основном только такие мальтийские механизмы.
Основные кинематические зависимости
Пусть кривошип передачи, который конструктивно оформляется либо
в виде рычага с цевкой (роликом или, реже, пальцем) на конце, либо в виде
цевочного диска, вращается с постоянной угловой скоростью со =
= *30 сек \ где п — число оборотов в минуту кривошипного вала. Поворот
мальтийского креста на угол 2 а между смежными пазами (фиг. V, 99)
происходит за время поворота кривошипа на угол 2р. В течение остальной
части поворота кривошипа на угол 2 (л — Р) крест остается в покое.
Если Т — время полного оборота кривошипа, td — время поворота
(деления) мальтийского креста и te = (Г — td) — время выстоя (пребы-
вания в покое) креста, то при <о = const
te _ 2(л-₽) _ 1 р
Т 2л 1 л
А = Л JL.
Т 2л л ’
(V,150)
Здесь а = —, где г — число
Чтобы поворот креста происходил без жестких ударов
в конце поворота, должно быть а + Р = т. е. Р = -у
Следовательно,
Р _ г-2
Т л 2г
60
или так как Т — — сек, то
п
пазов креста.
начале и
л (г — 2)
2г
_ 1 _ А =
т 1 Т 2z
(V, 151)
В
а =
. г —2 гр г —2 30
л — —_— т .---------------сек;
° 2г z п 9
, z 2 30
/ — ---!-------сек
в z п
(V, 152)
М АЛЬ ТИЙСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
115
и коэффициент времени работы креста
<v’l53>
Необходимое число оборотов равномерно вращающегося кривошипа
п — ----г- мин Ч (V, 154)
2 4g
Для сокращения потерь производительности, обусловленных перио-
дическими поворотами креста, нужно уменьшить время td. Так как время tQ
зависит от технологического процесса обработки, то при со = const это
возможно лишь за счет уменьшения числа пазов креста и включения в ки-
нематическую цепь передачи, отвечающей требуемому числу позиций
периодически поворачиваемой части. Такое решение невыгодно, а иногда
и неприемлемо, так как с уменьшением числа пазов при одинаковых про-
чих условиях возрастают инерционные моменты на кривошипе и на маль-
тийском кресте.
Другой способ сокращения времени td — увеличение скорости криво-
шипного вала в периоды поворота креста; однако возможность этого огра-
ничена увеличением инерционных моментов.
Более выгодные соотношения между td и te можно получить, остана-
вливая кривошип или замедляя его вращение на то время, пока перио-
дически поворачиваемая деталь должна оставаться в покое, и автомати-
чески включая кривошип незадолго до деления; при этом угловая скорость
кривошипа может быть выбрана настолько высокой, чтобы время td было
достаточно малым. Такое решение применяется в станках агрегатной кон-
струкции с приводом поворота многопозиционного стола от отдельного
электродвигателя через мальтийский механизм.
Если кинематическая связь между распределительным валом и криво-
шипом должна сохраняться неразрывной, задача может быть решена вклю-
чением в цепь между ними передачи, удовлетворяющей двум услсвиям: а) на
каждый полный оборот распределительного вала кривошип также делает
один оборот; б) за время поворота распределительного вала на некоторый
угол S, оставляемый на деление, кривошип поворачивается на угол 2р.
Следовательно, для этой цели может быть использована в принципе
любая передача со средним передаточным отношением icp = 1, ведомый
элемент которой вращается с переменной скоростью при постоянной угло-
вой скорости ведущего элемента, например, передача эллиптическими зуб-
чатыми колесами.
Другое решение — сочетание мальтийского механизма со звездчатым,
с кулисой и т. д. Однако такие конструкции технологически сложны или
ненадежны в эксплуатации, поэтому они нашли применение лишь в еди-
ничных моделях станков (см. стр. 124).
Так как время на поворот мальтийского креста td >> 0, то из фор-
мул (V, 151) или (V, 152) следует, что мальтийский крест не может иметь
меньше трех пазов.
Для произвольного положения мальтийского механизма, показанного
на фиг. V, 100,
tg^=.X?n<P > (V, 155)
где = 4г;
г — радиус кривошипа;
е — межцентровое расстояние.
116 МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЯ
Отсюда находится скорость мальтийского креста
__ dty*, X (cos ф — 1)
— dt = 1 — 2Xcos<p + l2
где ® — угловая скорость кривошипа или цевочного диска, постоянная
во время поворота креста, и угловое ускорение креста
+ 1(1 -I2) Sin <р g
* ~ - (1 — 21созф +А,2)2 ’
(V,156)
(V, 157)
половины поворота креста, где его угловая
О для второй половины поворота (фиг. V, 101).
причем ек > 0 для первой
скорость возрастает, и ек
Для того чтобы в начале пово-
рота креста, когда цевка входит
и углового ускорения трех пазового
мальтийского креста с внешним заце-
плением
Фиг. V, 100.
в зацепление с ним (положение
механизма, обозначенное штрихо-
выми линиями на фиг. V, 100), не было жесткого удара, должно быть
шкнач — 0. т. е. как следует из формулы (V, 156), при <р = 0 должно
быть выполнено условие cos 0 — X = 0; т. е. г = е cos 0 или
, г . .л
К = — = sin а = sin—,
(V, 158)
т. е. цевка должна входить в паз в радиальном направлении (см.
фиг. V, 99).
В этом случае формулы (V, 156) и (V, 157) принимают вид
я / я \
sm — (cos ф — sin — I
=-----z-\-----------Цг (v> 159>
1 — 2 sin — cos ф + sm2 —
z x z
л л
sin---cos2---sin ф
± t-------—л— ---------ту “2- <v-16°)
(1 — 2 sin —cosф + sin2 — \
На фиг. V, 101 даны вычисленные по этим формулам кривые и
для трехпазового мальтийского креста при угловой скорости криво-
шипа со = 1 сек"1 (или численно равные этим величинам отношения
МАЛЬТИЙСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
117
Приведенные выше формулы для угловой скорости а>ЛС и углового уско-
рения ек мальтийского креста относятся к теоретическому случаю, когда
во время поворота креста со = const, зависимость (V, 158) точно выдер-
жана, средние линии пазов креста направлены строго радиально, углы
между соседними пазами точно равны, цевка или ролик кривошипа при-
гнаны к пазу креста без зазора и т. д. В практике неизбежны отклонения
от такого идеального случая, в результате чего кривые а>к и еК9 получен-
ные экспериментально, более или менее значительно отличаются от теоре-
тических кривых.
Непостоянство со* во время поворота креста и обусловленные этим
инерционные влияния, вызывающие повышенный износ деталей повора-
чиваемого узла, являются одним из недостатков мальтийского меха-
низма.
Как видно из уравнений (V, 156) и (V, 157), сох — max при ф = О
в среднем положении поворота креста. Подстановка этого значения ф
в формулу (V, 156) дает
. л
f ю = 1 ~ ? зГ °’
‘ 1 — sin-
Следовательно, чем меньше пазов имеет мальтийский крест, тем больше
при одной и той же угловой скорости со кривошипа наибольшая скорость
креста тах.
Угловые ускорения креста в моменты начала и конца его поворота на-
ходятся из выражения (V, 160) при ср == (J ----а ~"2-----Г*
л , л
sin—«cos3 —
± /„ \ „ у _ ± i. (V, 162)
(1 — 2 sin2 ——sm2 — 1
Так как всегда tg -j- j> 0, то ек нач, кон + 0 — поворот мальтийского
креста всегда сопровождается ударом второго рода (®к = 0, ек + 0); этот
удар тем сильнее, чем меньше число пазов, как это видно из последней
формулы. Следовательно, в интересах увеличения срока службы фикса-
торов выгодно применять мальтийские механизмы с большим числом
пазов.
В середине поворота креста <р — 0, и из формул (V, 157) или (V, 160)
следует, что в этом положении ек = 0 — угловое ускорение меняет знак
(см. фиг. V, 101).
Наибольшее угловое ускорение ехтах мальтийского креста быстро
растет с уменьшением числа его пазов; например, максимальное ускоре-
ние трехпазового креста примерно в 23 раза больше, чем шестипазового
при одинаковой угловой скорости кривошипа, т. е. мальтийские меха-
низмы с малым числом пазов у креста невыгодны в динамическом отно-
шении. Поэтому при проектировании мальтийского механизма для пери-
одического деления трех- или четырехпозиционного стола, головки и
т. п. нередко будет более целесообразным применить пяти,- шести- или
даже восьмипазовый крест и ввести между ним и индексируемой частью
станка передачу с соответствующим передаточным отношением.
118 МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ
Требование, чтобы поворот мальтийского креста не сопровождался
жестким ударом, определяет соотношения между геометрическими разме-
рами механизма: помимо соотношения (V, 158) из фиг. V, 100 получается
= А = cos А- = (V, 163)
т. е. произвольно можно выбрать только один из размеров г, Rue.
Длина паза должна быть несколько больше величины
h = г + R —е = е ( sin + cos ---1) , (V, 164)
Чтобы кривошип или цевочный диск можно было закрепить на валу
между опорами по обе стороны мальтийского креста, диаметр этого вала
должен удовлетворять условию
d<2f = 2 (е— /?) = 2е ( 1 —cos ,
т. е. должно быть
А<2(1—cos^) = 4sin2-^-. (V, 165)
При больших z отношение мало, и чтобы не увеличивать чрезмерно
расстояние е, нередко оказывается неизбежным консольное крепление ве-
дущего элемента передачи.
Аналогично условию (V, 165) должно быть
A <2(l-sin4-) = 4sin2(^-^-), (V, 166)
где dK — диаметр вала, на котором заклинен крест.
Конструктивное оформление
Конструкция проектируемого мальтийского механизма зависит от при-
нятой схемы и от допустимого габарита его.
Ведущий элемент может быть сконструирован в виде рычага, цевочного
диска, зубчатого или червячного колеса,несущего цевку. Последняя имеет
форму ролика (втулки), надетого на палец непосредственно или на иглах;
иногда цевкой служит шарикоподшипник подходящего диаметра, наде-
тый на палец. В мальтийских механизмах станков применяют как одно-
опорные (консольные), так и двухопорные ролики. Предпочтения заслужи-
вает вторая, более жесткая конструкция.
Ведомый элемент изготовляется как цельная деталь в форме креста
или диска, либо собирается из отдельных секторов или планок, прикреп-
ленных к периодически поворачиваемой части станка так, что промежутки
между ними образуют пазы креста.
Материалом для изготовления роликов служит сталь типа ШХ15, зака-
ленная до твердости HRC 59—63, или сталь 20Х, цементованная и зака-
ленная до HRC 56—62.
Рабочие детали мальтийского креста изготовляют обычно из стали 40Х,
закаленной до HRC 45—50.
Примеры, иллюстрирующие устройство мальтийских механизмов, при-
меняемых в станках, приведены на стр. 275, 285.
МАЛЬТИЙСКИЕ МЕХАНИЗМ bl
119
Расчет плоских мальтийских механизмов
с внешним зацеплением
Q
Фиг. V, 102. Схема к рас-
чету мальтийского меха-
низма
Расчет проектируемого мальтийского механизма сводится к определе-
нию мощности, необходимой для поворота креста, к проверке деталей
механизма на контактные напряжения и кривошипного пальца или оси
ролика — на изгиб.
Точный расчет мальтийского механизма осложняется переменностью
его к. п. д. л» Для практических целей достаточно точные результаты дает
расчет при допущении т| = const.
На валу креста при каждом положении его во время поворота
(фиг. V, 102) действует момент М^с сил сопротивления движению пере-
мещаемых масс, связанных с крестом, и момент
Мк. ин сил инерции, обусловленный тем, что <оЛ
+ const. Суммарный момент на валу креста
МК=МК С + Мк ин = Мк С + Лк, (V, 167)
где J — момент инерции перемещаемых масс, при-
веденный к валу мальтийского креста;
ех — угловое ускорение последнего.
Можно принимать Мк с = const.
Следовательно, момент на валу кривошипа для
поворота креста
М = — = (Мк , + JeK) —. (V, 168)
* (D 1] х х. с i к/ (а Т] ' ’ '
Этот момент можно представить себе как алгебраическую сумму мо-
ментов
МС=Л4К с— — И
С Л. 6 (О Г|
Мин = Мк ««—— =
ин К* ин (0 ф
(V, 169)
из которых первый обусловлен моментом статических сил сопротивления
повороту, приведенным к валу креста, второй — моментом сил инерции.
Обычно Мс < Мин.
Выбрав значение ц (см. ниже), можно вычислить по формулам (V, 156)
и (V, 157) значения и ек для угла <р поворота кривошипа от 0 == —~
до 0 и, построив кривые Мк.ин, Мс и Мию получить достаточно полное
представление о величине этих моментов при различных положениях меха-
низма, если взять Лер ^34-5°. Так как принято Мк с = const, кроме того,
также со = const, то ординаты кривых и Мс пропорциональны
соответственно ординатам кривых гк и со* (см. фиг. V, 101). В выражение
для момента Мин входит произведение s^co^, следовательно, он изме-
няется по бол ер сложному закону, чем Мс, и имеет в отличие от последнего
различные знаки в первой и второй половинах поворота.
Мгновенная мощность на валу кривошипа
N = Мы н-м/сек или
Мы
N = ТооГ квт-
(V, 170)
120 МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИИ
Как видно из выражения (V, 169) для средний момент 7ЙМН = 0;
следовательно, суммарный средний момент М на валу кривошипа равен
среднему значению Мс момента сил сопротивления:
М = Я = ^-.2|Л4ей<р. (V, 171)
о
Если подставить сюда Мс из соотношения (V, 169), то вследствие того,
что Мк с — const и — —
к*с <о а<р
3 а
____ 1 Мк. С f ____ 1 Мк. С f Л |
м - Т~ J “Т~Г J
о о
(см. фиг. V, 102), и так как а = -у и 0 = я ^г~(см. стр. 114), то
окончательно
. (V, 172)
Среднюю мощность на привод кривошипа следует, однако, рассчиты-
вать для первой половины поворота, когда нагрузка больше вследствие
того, что поворачиваемые массы ускоряются (еЛ> 0). Для этой части по-
ворота средний момент
»-ткр...+-Й(-г^с)!»‘]-^- |Л'173’
Следовательно, средний момент Мим, обусловленный силами инерции,
зависит, помимо приведенного момента инерции J перемещаемых масс и
угловой скорости о» кривошипа, только от числа пазов креста ( % = sin у) :
М'ин = ~2 • 4 “2 V = A 9ST (т^т)2 • <V> 174>
Вычислив М' по формуле (V, 173), определим затем среднюю мощность,
расходуемую на привод поворотного устройства в первой половине обо-
рота: __
N — М'а) н. м/сек или N = кв/n. (V, 175)
Если мальтийский механизм приводится от отдельного двигателя (на-
пример, в станках с многопозиционными столами), то для выбора двига-
теля необходимо принимать в расчет наряду со средней мощностью N
также наибольшую мощность Nmax во время поворота креста, с одной сто-
роны, и способность двигателя переносить кратковременные перегрузки,
с другой. Определение наибольших крутящих моментов Мк тзх на валу
креста и Мтах на валу кривошипа необходимо также для расчета деталей
механизма.
Очевидно,
М = М • 4- М
/n«max 1vik. с ин max»
причем МКлС = const, а
мк.инат = Лкшхх = /±^(-^)2 = 0,011 (V, 176)
МАЛЬ THИСКИЕ МЕХАНИЗМ Ы
121
Наибольшие составляющие моменты на валу кривошипа
м = м —
max *Г1к. с w
MUH max ф (6/c®x)max *
(V, 177)
Отсюда видно, что момент Мс достигает наибольшей величины при сред-
нем положении креста во время поворота (<р = 0), когда <ок = сортах-
Пользуясь отношением легко вычислить Л4стах.
Момент Мин9 обусловленный силами инерции, достигает максимума
при угле <р, удовлетворяющем условиям
и
£(ЧЛ)=0
(V, 178)
(V, 179)
Определив из первого из этих соотношений величину угла <р = <рЛ,
отвечающего максимуму Мт, легко вычислить последний:
м — 12 (1 ~ >v2) (cos Фж — sin /fl2 J_
UH max — ц _ 2Х Cos <Ь, + X2)3 Т) '
Моменты Мс и Л1„н принимают свои наибольшие значения при различ-
ных величинах угла <р. Если кривые этих моментов построены, то Мт!а —
= (Мс 4- Мин)т!а находится построением результирующей кривой (Мс +
+ Мин) в функции угла <р для первой половины поворота. Если эти кри-
вые не построены, то так как всегда Мст1а < /Иичтах, можно определить
Мтах как сумму Muv та1! и того значения Мс, которое соответствует углу фЛ.
Обусловленная этим погрешность незначительна.
Наибольшая мощность на валу кривошипа
^тах = ^тах® Н-м/сек. ' ,
Д/ _ Мщах <0
/v max ЮОО К&ГГ1'
Отношение дк Минуты. тем больше, чем меньше число пазов. Оно
ы м
UH
достигает примерно 4 при z — 3, поэтому пиком мощности в приводе маль-
тийского механизма пренебрегать нельзя. Для асинхронных трехфазных
электродвигателей нормальных типов, применяемых в нашем станкострое-
нии, характеристика перегрузочной способности (коэффициент кратности
опрокидывающего момента)
= > 1,8 ч-2.
МН0М
или
(V, 180)
Следовательно, например для механизма с шестипазовым крестом
номинальную мощность двигателя можно брать лишь немногим (на 15—
20%) больше той, которая соответствует средней мощности на поворот
креста и связанных с ним частей станка; пиковую нагрузку, равную дву-
кратной средней, двигатель такой номинальной мощности безопасно вы-
держит. Напротив, для механизма с трехпазовым крестом номинальная
мощность двигателя должна быть по меньшей мере в 2,2—2,3 раза больше
той, которая соответствует средней расчетной мощности.
122 МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ
Действительная пиковая нагрузка электродвигателя получается не-
сколько меньше расчетной благодаря силам инерции деталей механизма
привода к кривошипу, ведущему мальтийский крест.
Силы Р и Рк (см. фиг. V, 102), необходимые для расчета деталей маль-
тийского механизма, находятся из соответствующих крутящих моментов:
рк=^т-; р = ^-, (V, 181)
где
I — 1/е2 — 2er cos q> + г2 = -£- У1 — 2% cos <р + Л2.
Л
Отсюда можно вычислить значения сил Р и Рк в виде функций Р =
= Л (Мк, <р) и Рк = Рк*с + Рк.ин = F2 (Мк, ср) и затем построить
кривые с и Рк. ин в зависимости от угла ф.
Чтобы не слишком осложнять расчет деталей мальтийского механизма,
принимая во внимание также переменность сил Р и Рк, расчет обычно ведут
по максимальным величинам этих сил. Сила Рк.с, обусловленная момен-
том Л4Л> с статических сопротивлений повороту креста, имеет наибольшее
значение в середине поворота, когда плечо момента Мк.с наименьшее
(см. фиг. V, 102):
^min = е — Г = (V1 — 1) Г.
При этом положении механизма
р*. ста = 1 Ч» <v- 182)
*min г 1 л
Сила Рк,ию обусловленная инерционным моментом, достигает макси-
мальной величины при значении угла ф, зависящем от числа z пазов креста.
Для различных значений z:
z............ 3 4 5 6 8
*
Лсинта*:—. . . 1,966 0,126 0,0318 0,0131 0,00424
Таким образом, силы Рк с и Рк ин достигают максимума при различ-
ных положениях механизма. Чтобы не осложнять расчет определением
максимума РКУ можно принимать с достаточной для практических целей
точностью, что Рк = Рктах, когда Рк_ин = Р*^^.
По найденным значениям Рки Р проверяют на смятие ролик и рабочую
поверхность паза и рассчитывают опоры валов креста и кривошипа.
Для к. п. д. мальтийского механизма можно принимать следующие
средние значения (за один поворот креста): если крест укреплен на валу,
который лежит в опорах скольжения, т| 0,8-и0,9, в опорах качения
т) 0,95; если крест составляет одно целое со шпиндельным блоком, бара-
баном ит. п., т. е. диаметр опорной поверхности больше наружного диа-
метра креста, т] 0,75.
Плоские мальтийские механизмы с внутренним зацеплением
Мальтийские механизмы с внутренним зацеплением применяются
в станках реже, чем те же механизмы с внешним зацеплением. Основные
кинематические и динамические соотношения выводятся аналогично для
тех и других.
МАЛЬТИЙСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
123
При обозначениях, принятых на стр. 114—117, для мальтийских меха-
низмов с внутренним зацеплением получаются следующие кинематические
зависимости:
id Т ~ z + 2 . 2z ’ ta _ Z — 2 T 2z (V, 151a)
или
J. — г + 2 30
z — сек; n
__ z — 2 30 (V, 152a)
t„ — сек,
z n
и коэффициент времени работы креста
(V, 153а)
Для произвольного положения мальтийского механизма с внутренним
зацеплением
. , X sin ф
8 Ф “ 1 4-1 cos ф
и отсюда угловая скорость <оЛ и
ускорение ек креста
m К (C0S + М
di “ 1 + 2Х cos ф + X2 ’
е/с
X (1 — X2) sin ф
(1 2Х cos ф + X2)2
Последние три формулы получаются из
соотношений (V, 155)—(V, 157) для мальтий-
ского механизма с внешним зацеплением под-
становкой угла (л — ф) вместо <р.
Аналогично предыдущему получается так-
же выражение для наибольшей угловой ско- t
рости креста
х
= (V, 161а)
(V, 155а)
угловое
(V, 156а)
(V, 157а)
Фиг. V, 103. График угловой
скорости и углового ускорения
четырехпазового мальтийского
креста с внутренним зацепле-
нием
В отличие от мальтийских механизмов с внешним зацеплением угловое
ускорение креста в мальтийских механизмах с внутренним зацеплением
достигает максимума в начале и в конце поворота (фиг. V, 103, 182]).
Значения ъКлНач кон вычисляются по формуле (V, 157а), в которой
<р==£1гЛ2).. (V, 183)
Силовые зависимости для мальтийских механизмов с внутренним за-
цеплением определяются аналогично тому, как это было сделано для
механизмов с внешним зацеплением.
Выбор между мальтийскими механизмами с внешним и с внутренним
зацеплением зависит от заданных условий работы соответствующего узла
проектируемого станка. Подробнее об этом см. [82], [21]. При одинако-
вом числе пазов и одинаковом значении времени поворота креста макси-
мальное угловое ускорение креста для мальтийского механизма с внутрен-
ним зацеплением значительно больше, чем для такого же механизма с внеш-
ним зацеплением. Это преимущество мальтийских механизмрв последнего
типа нередко является решающим критерием выбора.
124 МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ
Сферические мальтийские механизмы
Преимуществами сферических (пространственных) мальтийских меха-
низмов по сравнению с плоскими являются прежде всего возможность
передачи периодических движений между взаимно перпендикулярными
валами без применения промежуточных механизмов — конических зубча-
тых или червячных передач, а также компактность, меньшие инерционные
силы и моменты. Однако они получили в металлорежущих станках, главным
образом в агрегатных полуавтоматах и некоторых специальных станках
(например, в двухстороннем восьмишпиндельном горизонтально-расточ-
ном и резьбонарезном полуавтомате конструкции СКБ-1, мод. 1С285
для обработки секций отопительных радиаторов), лишь ограниченное при-
менение. Это относится как к отечественным, так и к зарубежным станкам
и объясняется тем, что плоские мальтийские механизмы сравнительно давно
освоены станкостроительной промышленностью, на ряде заводов нормали-
зованы. Благодаря этому часто бывает выгоднее применить плоский маль-
тийский механизм в комбинации с другой механической передачей, нежели
осваивать производство сферических механизмов.
§ 4. ДРУГИЕ МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ
ДВИЖЕНИЙ
Наряду с рассмотренными выше механизмами для осуществления пери-
одических движений, в металлорежущих станках нашли применение и
многие другие устройства — механические, гидравлические, пневматиче-
ские, пневмогидравлические, электрические — и сочетания их между собой
в пределах одной и той же или различных групп. Выбор комбинированных
механизмов определяется заданными условиями эксплуатации. Так, на-
пример, для уменьшения затраты времени на деление можно использовать
сочетание мальтийского механизма с некруглыми колесами, для измене-
ния передаточного отношения между ведущим и ведомым валами — соче-
тание того же механизма с передачей круглыми зубчатыми колесами и т. д.
Из механических устройств для осуществления периодических (пре-
рывистых) движений используются также, помимо кулачковых, храповых
и мальтийских механизмов:
Неполнозубые (неполные зубчатые) передачи, ведомое колесо которых
имеет полный зубчатый венец, а ведущее — зубья лишь на части окруж-
ности. Если ведущее колесо имеет зубьев, а ведомое — z2, то за один
полный оборот ведущего колеса ведомое колесо повернется, очевидно,
на угол у = 2л . Передача этого типа работает с ударами в моменты на-
чала и конца зацепления. Добавив к этой передаче пару специально про-
филированных перекатывающихся рычагов, можно сделать работу такой
передачи безударной.
Звездчатые механизмы применяются в станках редко, в основном —
вследствие трудности изготовления элементов таких передач.
Зубчатые и червячные передачи с приводом от индивидуального дви-
гателя.
О применении для указанной цели гидравлических, пневматических и
пневмогидравлических устройств в сочетании с различными механизмами
см. [19], [59], в т. I.
ГЛАВА VIII
РЕВЕРСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
§ 1. РЕВЕРСИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЙ В СТАНКАХ
В станках многих типов для обработки на них деталей необходимо более
или менее часто менять направление, по крайней мере, некоторых движе-
ний. Это обусловлено прежде всего тем, что в большинстве станков либо
главное движение, либо некоторые движения подачи прямолинейны;
такими же являются чаще и установочные движения. В строгальных и дол-
бежных станках прямолинейны оба движения — резания и подачи. Отсю-
да — необходимость реверсировать узлы станка, движущиеся прямолинейно.
При проектировании некоторых станков бывает нёобходимо преду-
смотреть реверсирование также некоторых вращательных движений,
чтобы сделать возможным выполнение на них всех работ, для которых эти
станки предназначаются. Введение реверсирующего устройства осложняет
конструкцию станка и управление им, иногда и технологию изготовления
или электросхему; поэтому реверсирующее устройство следует вводить
только в те кинематические цепи станка, где надобность в нем обусловлена
назначением и функциями цепи.
В некоторых станках реверсируются также и другие движения, что
может быть вызвано характером выполняемой операции, введением допол-
нительных движений, необходимых или желательных для получения более
высокого качества обработанной поверхности, большей стойкости инстру-
мента и т. п.
Должны допускать реверсирование также все установочные движения,
выполняемые при наладке станка или во время его работы.
§ 2. ТРЕБОВАНИЯ К РЕВЕРСИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВАМ
Критерии применимости различных систем реверсирования
Реверсирование движений в станках может быть осуществлено при
помощи средств электротехники или гидравлики, применением одних лишь
механических устройств, либо комбинированием тех и других. Выбор
варианта определяется требованиями, предъявляемыми к реверсирующему
устройству, с одной стороны, и тем, в какой степени этим требованиям
удовлетворяют возможные системы и варианты реверсирования, с другой.
Как обычно, при сравнении вариантов, эксплуатационно равноценных,
решающую роль играют технологические и экономические факторы.
Независимо от системы и конструктивного выполнения реверсирующее
устройство должно удовлетворять следующим основным требованиям:
а) оно должно быть способно передавать моменты наибольшей необхо-
димой величины в каждом из направлений движения; эти моменты часто
неодинаковы;
126
РЕВЕ PC ИР УЮЩИЕ УС ТРОЙСТВА
б) инерционные силы, действующие во время реверсирования, не
должны приводить к быстрому износу деталей устройства;
в) потери энергии на реверсирование должны быть возможно малыми,
особенно, если реверсирование происходит часто;
г) габариты реверсирующего устройства должны быть достаточно ма-
лыми;
д) если реверсирующее устройство работает не автоматически, то сила,
необходимая для управления им, должна быть тем меньшей, чем чаще
производится реверсирование, и во всех случаях не должна вызывать
утомления рабочего, обслуживающего станок.
Наряду с этим к реверсирующему устройству предъявляются требова-
ния в отношении частоты реверсирования, времени, затрачиваемого на
каждое реверсирование, и точности реверсирования по времени и месту.
Строгость этих требований зависит от функции реверсирующего устрой-
ства в проектируемом станке. Электрические, гидравлические и механи-
ческие решения удовлетворяют этим требованиям в различной степени.
К настоящему времени электрический реверс получил в станках осо-
бенно широкое применение. Он осуществляется, например, от двигателя
постоянного тока с параллельным возбуждением, достоинствами которого
являются не только интенсивное торможение в периоды реверсирования,
но также и возможность бесступенчатого регулирования скорости соот-
ветствующей части станка. Однако такой способ реверсирования не лишен
и недостатков (необходимость сети постоянного тока в цехе, сравнительно
большие потери энергии при каждом реверсировании и др.).
Предпочтительнее использование системы «генератор — двигатель»,
поскольку затраты на реверсирование здесь много меньше, чем при при-
воде двигателем постоянного тока с параллельным возбуждением.
Вопросы, связанные с электрическим реверсированием станков, под-
робно рассмотрены в специальной литературе.
Электрическое реверсирование заслуживает предпочтения в приводах
установочных движений, для перемещения тяжелых частей крупных стан-
ков (в том числе и тяжелых блоков зубчатых колес в механизмах уникаль-
ных станков), в механизированных устройствах для зажима различных
частей станков. В подобных случаях перемещение вручную утомительно
для рабочего; время, расходуемое на реверсирование, не имеет большого
значения; установка производится не часто, а требуемая окончательная
точность установки, если она выше гарантируемой двигателем, дости-
гается дополнительным устройством, например толчковым управлением,
или перемещением вручную отдельной части узла. В остальных случаях
нужно сопоставить показатели различных вариантов, оценивая при этом
каждое реверсирующее устройство вместе с его управлением. Реверсивный
электродвигатель окажется нередко наиболее удобным и экономичным.
Если при этом скорости прямого й обратного ходов должны быть различны,
можно применить двух- или многоскоростной двигатель.
При помощи гидравлического привода можно реверсировать с такими
высокими частотами и с такой большой быстротой, какие практически еще
недостижимы для привода от реверсивного электродвигателя. Это объяс-
няется прежде всего тем, что в последнем случае в процессе каждого ревер-
сирования необходимо сначала поглотить кинетическую энергию массив-
ного ротора, вращающегося с большой угловой скоростью, и затем разо-
гнать его до такой же или другой (однако тоже высокой) угловой скорости
в противоположном направлении. Одновременно тормозятся и разгоняются
в обратную сторону также детали реверсируемого узла станка, например
ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ ПРИ РЕВЕРСИРОВАНИИ
127
в продольно-строгальном станке — зубчатые колеса передач к рейке
стола, их валы и стол с обрабатываемой заготовкой. Решающую роль
играет ротор двигателя, на долю которого приходится 80—95% всей кине-
тической энергии реверсируемых масс.
Условия при гидравлическом реверсировании более благоприятны:
во всей гидросистеме нет возвратно-вращающихся деталей, обладающих
большой кинетической энергией в момент начала реверсирования. При
использовании гидравлического привода не применяют также более или
менее быстроходных возвратно-вращающихся зубчатых колес передач
к реверсируемой части станка. Периодически реверсируются, кроме
поршня, лишь малые по диаметру и легкие детали распределительного
устройства — золотники, краны и т. п., притом из состояния покоя,
вследствие чего на перемещение их требуется очень мало времени.
По причине сравнительно малых инерционных сил точность реверса,
достигаемая при гидравлическом реверсировании, очень высока и зависит
главным образом от инерции реверсируемых масс самого станка (гидра-
влические реверсирующие устройства рассмотрены в т. I, раздел IV).
Несмотря на большие достоинства, электрические и гидравлические
устройства могут быть использованы для реверсирования не везде и не
во всех станках. Ряд условий ограничивает применение реверсивных элек-
тродвигателей, а гидравлическое реверсирование удобно лишь в станках
с гидроприводом основных движений.
Частота реверсирования, возможная для механических устройств, мо-
жет быть очень высокой и ограничивается лишь силами инерции ревер-
сируемых масс.
От тех же факторов зависят и время т, затрачиваемое на реверсирова-
ние, и точность реверсирования. Если в кинематической цепи реверсируе-
мого узла имеются элементы или передачи, допускающие буксование,
например фрикционные муфты или ременные передачи, либо упругие
звенья, то время т будет больше, чем при отсутствии их в этой цепи.
Вследствие этого уменьшаются толчки при реверсировании, и оно проис-
ходит более мягко. При реверсировании посредством механизмов с одними
лишь жесткими связями между звеньями время т крайне мало. По мере
увеличения в механизме зазоров, обусловленных износом и автоматически
не компенсируемых (например, в шарнирах, в зацеплениях зубчатых и
червячных передач), время на реверсирование возрастает, и процесс ревер-
сирования сопровождается ударами в сопряжениях с зазорами; от вели-
чины и числа их сильно зависит также точность реверсирования по месту
и времени.
Улучшения важнейших эксплуатационных показателей реверсирую-
щего устройства (возможной частоты реверсирования, затрачиваемого на
него времени и точности) можно достигнуть целесообразной конструкцией
его, предусматривая в нем, в частности, элементы для уничтожения зазо-
ров, и уменьшением сил инерции, действующих во время реверсирования.
С этой целью детали, кинетическая энергия которых играет при реверси-
ровании решающую роль, изготовляют иногда из легких сплавов или свар-
ными.
§ 3. ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ ПРИ РЕВЕРСИРОВАНИИ
Процесс реверсирования с какой-либо угловой скорости со2 на ско-
рость oji вращения в противоположном направлении, (или с линейной ско-
рости и2 на обратную скорость t\) состоит из двух фаз — торможения
с (d2 до 0 и разгона в обратную сторону с 0 до ©х (аналогично —для
128
РЕВЕРСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
прямолинейного движения). Изменение скорости во время реверсирования,
вообще говоря, не следует линейному закону, как это принято, например,
на графике фиг. V, 104, на котором ускорение в периоды реверсирования
имеет постоянную величину.
При частом периодическом реверсировании какого-либо узла (напри-
мер, стола продольно-строгального станка) проблема уменьшения потерь
энергии и увеличения долговечности деталей реверсирующего устройства
приобретает серьезное значение. Анализ показывает, что торможение ре-
версируемого вала муфтой, вращающейся в противоположную сторону
со скоростью, равной скорости этого вала, сопровождается потерей энер-
гии, которая в 3 раза больше потери энергии при торможении отдельным
тормозом. Следовательно, в интересах
уменьшения расхода энергии и увели-
чения долговечности фрикционных дета-
лей или обкладок муфты целесообразно
конструировать реверсирующий меха-
низм таким образом, чтобы кинетиче-
ская энергия реверсируемого узла пог-
лощалась тормозом, а муфта произво-
дила лишь разгон на обратную ско-
рость. Если принять в расчет также
потери энергии при разгоне, то ока-
жется, что для случая, когда скорости
прямого и обратного ходов одинаковы,
Разгон* Торможение
Фиг. V, 104. Схема изменения ско-
рости реверсируемого узла
полная потеря энергии за весь период
реверсирования вдвое меньше, если процесс торможения осуществ-
ляется не муфтой, а тормозом (см., например, 11]).
Управление муфтами и тормозом реверсирующего механизма должно
иметь блокировку, которая делает невозможным переключение с одной
муфты на другую без промежуточного включения тормоза. Это достигается
проще всего при однорычажном (или однокнопочном) управлении реверси-
рующим устройством.
В связи с тем, что реверсирующие устройства с муфтами, в том числе
и электромагнитными, все более вытесняются в станках другими реше-
ниями, эти механизмы подробнее здесь не рассматриваются.
§ 4. КОНСТРУКЦИИ РЕВЕРСИРУЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ
В качестве элементарных реверсирующих механизмов в станках исполь-
зуются цилиндрические и конические трензели, планетарные и червяч-
ные механизмы. Довольно широко применявшиеся в прежних станках
ременные реверсирующие передачи в станках современных конструкций
почти не применяются, а поэтому ниже не описаны, как и применяемые
для этой цели в немногих станках цепные передачи.
Если возвратно-поступательное или возвратно-вращательное движе-
ние соответствующей части станка осуществляется при помощи криво-
шипно-шатунного, кулисного или кулачкового механизма, надобность
в особом реверсирующем устройстве отпадает.
Цилиндрические трензели. Для реверсирования вала,
параллельного ведущему, широко используются в станках механизмы,
состоящие из цилиндрических зубчатых колес,—цилиндрические трен-
зели. Реверсирование движения получается передачей его через четное
или нечетное число паразитных колес, чаще всего через одно такое колесо
КОНСТРУКЦИИ РЕВЕРСИРУЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ
129
при одном направлении вращения и непосредственным зацеплением колес
ведущего и ведомого валов, либо через два паразитных колеса — при про-
тивоположном направлении вращения.
Чаще всего применяют варианты цилиндрических трензелей; с пере-
движными зубчатыми колесами или передвижными двойными блоками
одинаковых колес; с колесами, находящимися в постоянном зацеплении
зь н-
20
п
а)
1 2
Zo z3 *z3
^2-
*> 7->
зь
z^_L-
— 2b’-
/о
0- -
ZI--"
rr
—\3b
— 2b\-
г)
Zj
L Zq Z2~ z2
l“=-z-L
z2
I- x --
ГтЧ/о
0
2Ь
2
LI
'2
Нейтральное
положение
" 20 ?3
L Zb
i=_Zi.~ZjL z±
L Zo z3 ъ
0
zoi z3 z3 Zqi
4 Z3
L01
Фиг. V, 105. Схемы цилиндрических трен-
зелей с передвижными колесами
I
1
. о
j JJ и
5)
Л
z0 22 3
и включаемыми
с накидными колесами, включаемыми посредству
посредством сцепных муфт или ст^ользящих шпонок;
: “ зрй поворота вокруг
неподвижной оси (плоские трензели).
На фиг. V, 105, а—д даны схемы трензелей первого вида. Паразитное
колесо везде обозначено z0, штриховыми линиями показано положение
передвижного зубчатого колеса при переключении трензеля на обратную
скорость. На каждой схеме указаны также' наименьшая строительная
длина трензеля, выраженная через ширину b ординарного зубчатого ко-
леса, и передаточные отношения при прямом и обратном вращении.
Цифрами / и/11 обозначены соответственно ведущий вал, вращающийся
в неизменном направлении, и ведомый — реверсируемый. Все схемы
по фиг. у/ 105 обратимы — валы / и II можно поменять местами.
Трензели, построенные по схемам фиг. V, 105, конструктивно очень
просты/Зубчатые колеса, сидящие на одном валу (например, колеса 1
и 2 в схемах фиг. V, 105, а и б), часто изготовляют в виде двухвенцового
блока; передвижные колеса и блоки помещают на зубчатых (шлицевых)
валах. В паразитные колеса, вращающиеся на осях вхолостую, запрессо-
вывают втулки, что удлиняет срок их службы.
Если в механизмах по фиг. V, 105 отказаться от передвижных
колес и заменить каждое из них двумя, которые находятся в постоянном
5 Ачеркан. Зак. 659.
130
РЕВЕРСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Фиг. V, 106. Схемы цилиндрических трензелей
со сцепными муфтами
зацеплении с сопряженными колесами и соединяются со своим валом
посредством муфты, получатся цилиндрические трензели, отнесенные
выше ко второму виду. Наиболее распространенные схемы таких трензе-
лей показаны на фиг. V, 106, а—в; они получаются из схем фиг. V, 105, а,
в, и д если видоизменить их указанным способом.
В механизмах подач токарных, карусельных, фрезерных станков
для переключения трензеля служат обычно кулачковые, реже — зубча-
тые муфты. Для шпиндельных бабок таких станков, которые требуют
частого реверсирования, на-
ходят применение конструкции
реверсирующего устройства с
двумя фрикционными муфтами
для правого и левого вращения,
если для этой цели не исполь-
зуется реверсивный электродви-
гатель (см. выше). Наиболее рас-
пространенные схемы таких ме-
ханизмов, понятные без поясне-
ний, даны на фиг. V, 107, а—в.
Примеры конструктивного вы-
полнения были приведены на фиг. V, 32 и V, 35. Чтобы уменьшить нагрев
и износ фрикционных поверхностей в результате буксования, целесо-
образно предусмотреть подвод к ним масла изнутри. Схемы по фиг. V, 107, б
и в применяют в тех случаях, когда число ступеней скорости шпинделя
при правом вращении должно быть больше, чем при левом (или наоборот).
Моменты инерции масс многодисковых фрикционных муфт, как пра-
вило, много больше моментов инерции зубчатых колес; отсюда следует,
Фиг. V, 107. Схемы цилиндрических трензелей
с фрикционными муфтами
что реверсирующие муфты этого типа выгоднее располагать на ведущем
валу, как показано на схемах фиг. V, 107. Если поместить эти муфты
на ведомом валу, то зубчатые передачи реверсирующего механизма будут
работать и при выключенных муфтах. Моменты инерции кулачковых
муфт меньше, чем у зубчатых колес, с которыми они сцепляются, поэтому
их располагают на реверсируемом валу.
Конические трензели, составленные из конических зубча-
тых колес, используются в станках самых различных типов — в меха-
низмах рабочих и быстрых подач, в механизмах обкатки и пр. Основное
преимущество конического трензеля — его универсальность в том отно-
шении, что он одинаково применим при любом относительном положении
ведущего и ведомого валов, недостатки — сравнительно большие габариты
при передаче больших крутящих моментов и более сильный шум, чем при
работе цилиндрических трензелей. Как видно из схем фиг. V, 108, на
КОНСТРУКЦИИ РЕВЕРСИРУЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ
131
которых I и II — ведущий и ведомый валы, причем первый вращается
в неизменном направлении, а второй должен реверсироваться, эти валы
могут быть соосны (фиг. 108, а), параллельны (штриховая линия на той
же схеме), взаимно перпендикулярны (фиг. 108, б) или расположены под
углом, отличным от 90° (фиг. 108, в). При одной и той же угловой скорости
ведущего вала угловые скорости ведомого могут быть одинаковы в обоих
Фиг. V, 108. Конические трензели
направлениях (фиг. 108, а и б) или различны (фиг. 108, в—е); однако
в последнем случае конструкция трензеля осложняется.
Так же как цилиндрические трензели, конические обратимы в том
смысле, что реверсируемым может быть сделан любой из валов I п II.
Если реверсируемый вал — тихоходный, практически безразлично,
на каком из двух валов располагать заклиненные зубчатые колеса; в про-
тивном случае холостые колеса и сцепную муфту следует распола-
гать по возможности на реверсируемом
валу.
Переключение с правого вращения на
левое и наоборот производится при помощи
кулачковой или фрикционной муфты либо
передвижением блоков конических кодес.
В станках для скоростной обработки с успе-
хом применяются для этой цели электро-
магнитные муфты.
Фиг. V, 109. Схема червячного ре-
версирующего механизма
В технологическом отношении конический трензель сложнее цилин-
дрического, поэтому в последние годы наблюдается тенденция заменять
конические трензели, где это возможно, более простыми в изготовлении
и дешевыми цилиндрическими, сохраняя первые только для реверсирова-
ния валов, оси которых перпендикулярны оси ведущего вала.
Планетарные реверсирующие механизмы поз-
воляют не только реверсировать вращение, но и осуществлять вместе
с тем любые передаточные отношения—и очень большие, и очень малые;
поэтому в станках они применяются главным образом в цепях подач, где
требуется большое замедление для получения рабочих подач и реверсиро-
вание на быстрый обратный холостой ход.
При сопоставлении варианта планетарного реверсирующего устрой-
ства с другими механизмами того же назначения необходимо принимать
132
РЕВЕРСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
в расчет потери энергии в планетарном механизме, которые зависят от
его схемы и исполнения и могут быть относительно велики. Низкий к. п. д.
механизма может не иметь практического значения при очень малой абсо-
лютной мощности привода. Следует считаться и с тем, что сборка плане-
тарных механизмов иногда довольно трудоемка.
Червячные реверсирующие механизмы находят
в современных станках ограниченное применение, поэтому подробно здесь
не рассматриваются. Принцип работы подобных устройств поясняется
схемой на фиг. V, 109, где цифрой / обозначен ведущий, а II — ведомый
реверсируемый вал. Управление муфтами а и Ь должно быть обязательно
сблокировано так, чтобы одновременное включение их было невозможно.
Фиг. V, НО. Схема реверсив-
ного зубчатого механизмадля
преобразования вращатель-
ного движения в возвратно-
\ поступательное
Фиг. V, 111. Схема реверсивного зубчатого меха-
низма для преобразования вращательного движе-
ния в возвратно-вращательное (качательное)
В некоторых моделях зубообрабатывающих станков нашли приме-
нение зубчатые механизмы, преобразующие вращательное движение
зубчатого колеса 1 (фиг. V, ПО и 111) в прямолинейное возвратно-по-
ступательное (фиг. V, ПО) или возвратно-вращательное (фиг. V, 111)
движение узла 2 станка — ползуна, салазок, стола, люльки и т. д. [61 ].
Ведущим элементом в этих механизмах является зубчатое колесо,
вращающееся, как правило, с неизменной скоростью в одном направ-
лении, ведомым — пара параллельных зубчатых реек, соединенных по
концам двумя полушестернями в механизмах первого типа (фиг. V, ПО),
или два концентричных зубчатых сектора, соединенных по концам такими
же полушестернями (фиг. V, 111). В обоих случаях зацепление может быть
либо внутренним (фиг. НО, а), либо наружным (фиг. 111, б).
При постоянной скорости ведущего зубчатого колеса реверсивный
механизм по схеме фиг. V, ПО обеспечивает равномерное возвратно-
поступательное движение ведомого узла станка на участках, соответствую-
щих зацеплению колеса с рейками, и реверсирование — на участках пути,
соответствующих зацеплению колеса с замыкающими полушестернями.
Механизм по схеме фиг. V, 111 обеспечивает равномерные, но различ-
ные по величине скорости вращения ведомого узла на участках, отвечаю-
щих зацеплению равномерно вращающегося ведущего колеса с зубчатыми
секторами (т. е. с зубчатыми венцами с центральным углом а) и реверсиро-
вание этого узла на участках, соответствующих зацеплению колеса с замы-
кающими концевыми полушестернями составного зубчатого элемента.
КОНСТРУКЦИИ РЕВЕРСИРУЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ
133
В механизмах первого типа (фиг. V, НО) скорость ведомого узла изме-
няется в периоды реверсирования по косинусоидальному закону, в меха-
низмах второго типа (фиг. V, 111) она изменяется в эти периоды плавно
между равномерными скоростями прямого и обратного вращения узла.
Реверсивный механизм по схеме фиг. V, 111 использован, например,
в цепи обкатно-делительного движения станков мод. 525 и 528 для нареза-
ния конических зубчатых колес с круговыми зубьями.
Формулы для кинематического расчета реверсивных зубчатых меха-
низмов этих типов, выведенные Н. Я. Нибергом, приведены в [61]. Для
динамического расчета их сохраняет силу методика, принятая для расчета
обычных зубчатых передач.
Реверсирующие устройства рекомендуется рассчитывать, принимая
во внимание переменность действующих во время реверсирования сил,
следовательно, вводя в расчет коэффициент срока службы и переменности
режима по общему методу, разработанному Д. Н. Решетовым.
При невозможности достаточно точной оценки этих величин для
проектируемого станка приходится вести расчет с запасом, исходя из
наибольших действующих сил, главным образом—сил инерции во время
реверсирования.
ГЛАВА IX
СТАНИНЫ. СТОЙКИ, столы.
ПОПЕРЕЧИНЫ (ТРАВЕРСЫ). СУППОРТЫ
§ 1. СТАНИНЫ
Основным требованием, предъявляемым к станине станка, является
длительное обеспечение правильного взаимного положения узлов и ча-
стей, монтированных на ней, при всех предусмотренных режимах работы
станка, что достигается не-
изменностью соответственно
расположенных на станине
базирующих поверхностей
для основных узлов станка.
Базирующие поверхности для
перемещающихся частей мо-
гут быть направляющими
движения или направляю-
щими перестановки.
Отсюда вытекает предъ-
являемое к станинам, наряду
с требованиями прочности,
технологичности, малой ме-
таллоемкости и достаточно
низкой стоимости, важнейшее
требование — неизменности
формы станины. Она дости-
гается: 1) выбором материала
станины и технологии ее изго-
товления; 2) такой статичес-
кой и динамической жест-
костью станины, при которой
ее деформации под действием
наибольших сил во время
работы станка не выходят
за пределы, сообразованные
с допусками на неточность
обработки; 3) достаточно вы-
сокой износостойкостью нап-
равляющих.
всего: 1) расположением на
ней направляющих для различных узлов станка; 2) весом, размерами и
длинами ходов основных частей и узлов станка; 3) необходимостью разме-
щения внутри станины различных механизмов; 4) необходимостью устрой-
станины
СТАНИНЫ
135
ства в стенках станины проемов, окон и т. п. для монтажа и демонтажа,
для осмотра, регулирования и смазки механизмов станка, а на стенках
станины — платиков и кронштейнов для различного рода устройств.
а) 5)
Фиг. V, 113. Открытые и замкнутые (рамные) компоновки станков
Работа высокопроизводительных станков часто сопровождается от-
делением больших количеств стружки — иногда сотен килограммов
в час. Требование быстрого удаления стружки — одно из серьезнейших
при проектировании современных скоростных станков — сильно влияет
на форму станины: в ней должны быть сделаны окна и проемы для свобод-
ного падения стружки, наклонные к задней стенке станины скаты и т. п.
Пример конструкции станины, в которой учтено указанное требование,
дан на фиг. V, 112 (многорезцовый токарный полуавтомат мод. 1722
136
СТАНИНЫ. СТОЙКИ. СТОЛЫ. ПОПЕРЕЧИНЫ. СУППОРТЫ
завода имени Орджоникидзе). В станинах современных высокопроизводи-
тельных станков нередко предусматривается место для встроенного шнека
или конвейера, непрерывно убирающего стружку.
При проектировании литой станины должны соблюдаться общие ли-
тейно-технические требования, имеющие целью облегчение формовки
и уменьшение усадочных напряжений.
Как упоминалось выше, станина должна быть достаточно жесткой.
Однако для обеспечения жесткости упругой системы станок—заго-
товка—приспособление—инструмент этого еще недостаточно — выбор
подачи и глубины резания, допустимых при требуемой точности, класса
чистоты обработанной поверхности и заданной стойкости инструментов,
зависит от жесткости всей указанной системы. Отсюда стремление свя-
зывать основные части станка так, чтобы они образовали замкнутую
раму (фиг. V. 113, а — открытые конструкции, б — замкнутые (рамные)
1109]), отливать станину заодно с корпусом передней бабки и применять
«монолитные» («моноблочные») конструкции.
Большое влияние на жесткость станины оказывают ребра, соединяю-
щие ее стенки или прилитые к ним. От расположения ребер, их числа,
формы и размеров сечения зависит их эффективность в отношении повыше-
ния жесткости конструкции (см. ниже). Опыты, проведенные в ЭНИМСе
X. М. Еникеевым на моделях станин различных форм, показали, напри-
мер, что расположение ребер, соединяющих стенки станины (перегородок),
в отношении вертикальной жесткости последней практически безразлично.
Чтобы увеличить вертикальную жесткость, целесообразно приливать
к стенкам ребра в виде продольных горизонтальных полок или диагональ-
ной сетки. Более поздние экспериментальные исследования, выполненные
у нас и за рубежом, в общем подтвердили выводы, вытекающие из опытов
X. М. Еникеева, и позволили получить дополнительные данные для обо-
снованного выбора оребрения при проектировании станин и других кор-
пусных деталей станков.
На горизонтальную жесткость станины расположение ребер и их
форма оказывают большое влияние. Наиболее эффективными являются
диагональные ребра (перегородки), а в некоторых случаях — перекрест-
ные связи между продольными стенками станины [35]. Благоприятное
влияние на горизонтальную жесткость оказывают и ребра в виде полок
или диагональной сетки, особенно при комбинировании их с перегород-
ками. Диагональные ребра повышают также жесткость станины на кру-
чение.
§ 2. МАТЕРИАЛЫ СТАНИН
Чугун серый. В большинстве случаев станины современных
станков отливают из обыкновенного серого чугуна, хотя все большее при-
менение получают и чугуны других типов (см. ниже). Решающее влияние
на выбор марки серого чугуна, если направляющие отлиты за одно целое
.с ней, оказывают прежде всего направляющие движения, которые дол-
жны обладать высоким сопротивлением истиранию (абразивному износу).
Влияет также и толщина стенок станины. Чаще всего используют чугуны
с пластинчатым графитом марок от СЧ 21-40 до СЧ 35-56, иногда СЧ 38-60
по ГОСТу 1412-54, в особо ответственных случаях — высокопрочные
чугуны с шаровидным графитом (ВЧ) по ГОСТу 7293—54. Для отливки
станин средних размеров не слишком сложной формы с толщиной стенок
10—30 мм рекомендуется чугун СЧ 21-40 с перлитной основной массой,
а при толщине стенок 20—60 мм — СЧ 28-40; для тяжело нагружен-
МАТЕРИАЛЫ СТАНИН
137
ных станин при толщине стенок свыше 20 мм — высокопрочный и
износостойкий чугун марки СЧ 32-52 с перлитной структурой или марки
СЧ 35-56. Для станин с привертными направляющими, а также наибо-
лее толстостенных и очень тяжело нагруженных станин рекомендуется
чугун СЧ 38-60.
Сталь. В современном станкостроении наблюдается тенденция
к замене литых станин сварными из прокатной стали; эта тенденция обу-
словлена рядом технических и экономических причин [103]. t
Как материал для изготовления станин, чугун обладает многими
достоинствами (возможность изготовления отливок почти любой формы,
хорошая обрабатываемость, более низкая цена станины при серийном
производстве станков). Однако следует принимать в расчет и ряд неудобств,
связанных с изготовлением станин литьем: а) удлинение срока изготов-
ления станка из-за необходимости предварительно изготовить модели
и стержневые ящики, а также выдержать отливку до начала механической
обработки и после обдирки в течение довольно длительного времени для
снятия внутренних напряжений; б) возможный брак литья, причем не-
которые пороки обнаруживаются лишь в процессе механической обработки;
в) необходимость оставлять на обрабатываемых поверхностях отливки
довольно большие припуски; г) при направляющих, составляющих одно
целое со станиной, чугун приходится выбирать соответственно требова-
ниям, предъявляемым к направляющим; д) при длительном вылеживании
отливок замедляется оборачиваемость оборотных средств предприятия
и возрастает стоимость незавершенной продукции; е) при малых се-
риях на себестоимости станка неблагоприятно отражаются расходы на
изготовление модели и стержневых ящиков; при крупносерийном произ-
водстве влияние этого фактора может быть настолько незначительным,
что им можно пренебрегать.
От всех этих недостатков свободны станины, выполненные сваркой
из предварительно нарезанных кусков прокатной стали.
Направляющие привариваются или прикрепляются болтами к станине,
поэтому станина может быть изготовлена из дешевой строительной угле-
родистой стали, например, Ст. 3 или Ст. 4 по ГОСТу 380—60.
Пределы упругости и механические свойства стали значительно выше,
чем у обычного чугуна (механические свойства чугуна с шаровидным гра-
фитом значительно выше, чем обычного чугуна с пластинчатым графитом);
поэтому расход материала на стальную сварную станину много меньше,
чем на чугунную, при одинаковых в обоих случаях силах и моментах,
если запас надежности и жесткость (т. е. и наибольшие допускаемые
деформации) обеих станин принять одинаковыми. При равной жесткости
вес стального элемента равен примерно 0,5—0,75 веса чугунного, т. е.
экономия металла составляет 50—25%. Практически экономия металла
при замене литой чугунной станины стальной сильно зависит от конструк-
тивного оформления обоих вариантов.
Решая вопрос о предпочтительности чугунной или стальной станины
для проектируемого станка, необходимо принимать в расчет всю сово-
купность технико-экономических показателей обоих вариантов. При
крупносерийном масштабе производства нередко более целесообразен
вариант литой станины, а при необходимости быстрого изготовления од-
ного или нескольких станков — стальная станина.
В отношении выброустойчивости сварные стальные станины обычно
не уступают чугунным, несмотря на то, что чугун, как материал, обладает
лучшей способностью демпфировать возникающие колебания, нежели
138
СТАНИНЫ. СТОЙКИ. СТОЛЫ. ПОПЕРЕЧИНЫ. СУППОРТЫ
сталь: исследование и опыт показывают, что в собранной конструкции
внутреннее трение материала практически пренебрежимо мало по срав-
нению с внешним трением, за счет которого и происходит демпфирование
колебаний. Виброустойчивость сварной станины обусловлена в известной
степени также влиянием сварных швов.
Для изготовления сварных станин станков можно пользоваться ли-
стовой сталью толщиной б > 3 мм. При малой толщине стенок (б <2 8 мм}
Фиг. V, 114. Поперечный разрез железобетонной станины тяжелого токарного станка
мод. 1660:
1 — опорный платик с отверстием под фундаментный болт? 2 — поперечные рабочие стержни; 3 —
металлическая сетка; 4 — хомуты; 5 — наклонные стержни; 6 — кондукторная полоса; 7 и 9 —
направляющие; 8 — металлическая облицовка диафрагмы; 10 — продольные рабочие стержни
необходимая жесткость станины может быть обеспечена достаточно боль-
шим количеством ребер и целесообразным размещением их. В результате
этого, а также большого числа и большой длины сварных швов может
оказаться, что та же станина, изготовленная из стали толщиной 10—12
или даже 15 мм, получается не более тяжелой и вместе с тем изготовление
ее проще.
Помимо перечисленных материалов, некоторое применение для изго-
товления станин получили также легированные чугуны и азотированный
чугун.
Бетон. Для изготовления станин тяжелых станков получил
некоторое применение (у нас и за рубежом) железобетон. На фиг.
фиг. V, 114 [5] показан поперечный разрез железобетонной станины
тяжелого токарного станка Краматорского завода тяжелых станков,
мод. 1660, для обработки заготовок размерами 0 1250 x 6300 мм и весом
до 30 т. Станина была спроектирована и выполнена совместно
НИИПТМАШем и заводом вместо обычной чугунной (СЧ 21-40) станины
(фиг. V, 115, [5]). Для оценки жесткости опытной железобетонной ста-
нины по сравнению с чугунной обе они были подвергнуты действию оди-
наковой горизонтальной распорной силы (6,5 т), приложенной между
направляющими станины над левой диафрагмой,' между диафрагмами
ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ СТАНИН
139
и над правой диафрагмой. Суммарные деформации балок в этих трех
местах оказались равными: для чугунной станины 0,26; 0,26 и 0,25 мм,
для железобетонной опытной станины—соответственно 0,167; 0,135 и
0,143 мм, т. е. на 36—45% меньше. Эти эксперименты [5] показали, что
замена металлических станин железобетонными может быть технически
целесообразной и экономически выгодной: достигаемое такой заменой
уменьшение металлоемкости и снижение себестоимости составляет при-
мерно 40—60%.
Фиг. V, 115. Поперечный разрез (по опорам) чугунной станины тяжелого токарного
станка мод. 1660:
1 и 3 — направляющие; 2 — диафрагма; 4 — опорный платик с отверстием под фундамент-
ный болт
Из железобетона были выполнены основание, обе стойки, а также
некоторые другие детали тяжелых двухстоечнйх токарно-карусельных
станков мод. 1563С и 1580С Коломенского завода тяжелых станков, ста-
нины и другие базовые детали тяжелого продольно-строгального станка
того же завода.
Однако из-за ряда причин, связанных с материалами (цемент), необ-
ходимым оборудованием для предварительного натяжения арматуры,
недостатком опыта у соответствующих станкостроительных заводов желе-
зобетонные станины (и другие корпусные детали) пока еще не получили
распространения в станках, хотя и имеют благоприятные перспективы.
Основным материалом для изготовления станин остается до настоящего
времени чугун.
§ 3. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ СТАНИН
В основе конструкций станин лежат некоторые общие принципы,
обусловленные следующими обстоятельствами.
На станину работающего станка действуют силы резания, силы веса
неподвижных и движущихся по станине деталей, вес заготовки и т. д.,
в некоторых станках — также силы инерции. Эти силы вызывают в мате-
риале станины напряжения и деформации, вид которых можно установить
на основании анализа системы сил, действующих на станок в про-
цессе резания. В ответственных случаях, особенно при проектировании
140
СТАНИНЫ. СТОЙКИ. СТОЛЫ. ПОПЕРЕЧИНЫ. СУППОРТЫ
тяжелых станков, необходимо подвергнуть анализу периоды ^устано-
вившегося движения — разгона и торможения, когда силы инерции и со-
противления трения играют особенно большую роль.
Точно определить расчетом деформации проектируемой станины,
имеющей большей частью сложную форму, невозможно, и необходимая
жесткость обеспечивается при конструировании практически проверен-
ными способами.
При растяжении и сжатии запас прочности п и жесткость S элемента
конструкции при прочих одинаковых условиях зависят только от площади
его поперечного сечения, но не от формы последнего. Следовательно,
в этих случаях расход материала
полностью определяется действую-
щими силами и выбранными зна-
чениями п и S. При изгибе же
и кручении, напротив, расход ме-
талла можно уменьшить целесо-
образным подбором формы попе-
речного сечения элемента за счет
увеличения моментов сопротивле-
ния и моментов инерции при неиз-
менной площади сечения, т. е. при
неизменном весе этого элемента
конструкции.
Легко доказать, что в отношении
жесткости при изгибе и особенно
при кручении наивыгоднейшим
является сечение в форме полого
прямоугольника. Так как и техно-
этой формы поперечного сечения,
Фиг. V, 116. Сечение станины токарного стан-
ка завода «Красный пролетарий»
логические соображения — в пользу
то чаще всего именно она и лежит в основе конструкций станин.
Форму вполне замкнутого или хотя бы закрытого с трех сторон пря-
моугольника выдержать по всей длине станины обычно не удается из-за
необходимости обеспечить свободное удаление стружки, разместить раз-
личные механизмы внутри станины и т. д., что сильно снижает жесткость
станины. Поэтому для увеличения жесткости в мощных станках стараются
сохранить продольное горизонтальное ребро жесткости (обычно корытооб-
разное) сплошным по всей длине станины. Чтобы облегчить удаление
стружки, его делают наклонным или снабжают окнами (фиг. V, 116).
Очень действенным и применяемым во всех станинах средством до-
стижения необходимой жесткости являются внутренние перегородки —
поперечные, связывающие продольные стенки станины, а также менее рас-
пространенные продольные перегородки.
Широко применяют в станинах станков поперечные перегородки,
расположенные так, как схематически показано на фиг. V, 117, а и б
(вид в плане). Превосходство диагональных перегородок над параллель-
ными очевидно -из фиг. V, 117 и было убедительно доказано эксперимен-
тами X. М. Еникеева с чугунными моделями станин. Диагональные пере-
городки широко применяют в современных станках средних (фиг. V, 118)
и больших размеров. Параллельные перегородки находят применение в тя-
желых и в средних станках различных типов, причем они делаются либо
сплошного сечения, либо полыми П-образной (арочной) формы
(фиг. V, 119). Нередко станину укрепляют комбинированной системой сте-
нок, перегородок и ребер жесткости. Примеры таких станин — горизон-
ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ СТАНИН
141
Фиг. V, 117. Схемы станины с параллельными (а) и диагональными (б)
перегородками
Фиг. V, 118. Станина токарно-винторезного станка мод. 1Д62 до модернизация
Фиг. V, 119. Станина токарного станка завода «Красный пролетарий»
142
СТАНИНЫ. СТОЙКИ. СТОЛЫ. ПОПЕРЕЧИНЫ. СУППОРТЫ
тальной и вертикальной — представлены на фиг. V, 120 и 121 (станина
и стойка фрезерных станков фирмы Керни-Треккер, США).
Станины тяжелых станков изготовляют часто составными. При проек-
тировании такой станины необходимо принимать конструктивные меры
для достижения жесткости стыков между ее частями.
Фиг. V, 121. Вертикальная станина
(стойка) фрезерного станка завода Кер-
ни-Треккер (США)
городок, раскосов и косынок,
отсеков. Пример станины такой
перегородками на отсеки, дан на фиг. V, 122.
Различие материалов, требующее и
различной технологии изготовления, не
позволяет при проектировании сталь-
ной станины копировать формы чугун-
ных станин станков, так как при таком
подходе экономия материала часто полу-
чится незначительной, а себестоимость
выше.
Основным материалом для изготов-
ления сварных станин служит листовая
сталь; поэтому такие станины ограни-
чены преимущественно плоскостями,
представляя более или менее сложный
многогранник. Жесткость стальной свар-
ной станины создается главным обра-
зом перегородками, косынками и дру-
гими креплениями, соединяющими ее
стенки; они изготовляются также из
листовой стали.
Толстые листы применяют для изго-
товления станин в тех случаях, когда
вваривание перегородок и других кре-
плений затруднено или невозможно.
В остальных случаях вполне можно при-
менять более легкие конструкции из
листовой стали толщиной 3—6 мм,
достигая необходимой жесткости систе-
мой целесообразно расположенных пере-
которыми станина разбивается на ряд
облегченной конструкции, разделенной
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА СТАНИН
143
На чертеже станины должны быть показаны все размеры, необходимые
для изготовления модели, если станина литая, или шаблонов — для свар-
ной стальной станины сложной формы.
§ 4. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА СТАНИН
СТАНКОВ
Для поверочного расчета спроектированной станины следует прежде
всего составить расчетную схему, упростив форму станины и назначив
величины и направления действующих на станок сил. В число последних
входят составляющие силы резания; веса узлов, находящихся на станине,
и обрабатываемой заготовки; силы, возникающие при закреплении за-
готовки на станине; инерционные силы, если они имеются (строгальные,
144
СТАНИНЫ. СТОЙКИ. СТОЛЫ. ПОПЕРЕЧИНЫ. СУППОРТЫ
долбежные станки); силы, действующие на станину со стороны фунда-
мента. После этого станины с приблизительно прямолинейной осью рас-
считывают как прямые балки переменного сечения, станины с криволи-
нейной осью — как кривые брусья.
Ввиду большой сложности формы станин (см., например, фиг. V, 112,
118, 119, 120 и др.) и переменности ее сечений как в поперечном, так и
в продольном направлениях, такие расчеты являются очень приближен-
ными. Тем не менее они могут быть использованы для сравнительной
оценки спроектированных вариантов станины, а также порядка величин
напряжений и деформаций ее.
М Олп наружной колонны
а) S)
Фиг. V, 123. Расчетные схемы и эпюры моментов для токарного (а)
и радиально-сверлильного (б) станков (по Д. Н. Решетову)
На фиг. V, 123 для примера даны расчетные схемы и эпюры изгибаю-
щего М и крутящего Мк моментов для токарного и радиально-сверлиль-
ного станков, полученные Д. Н. Решетовым [74].
Способ расчета напряжений от изгиба хорошо известен из курса
«Сопротивление материалов»; о напряжениях от кручения см. ниже.
Общепринятой системы показателей жесткости не существует. Для
жесткости на изгиб обычно принимают за показатель величину
р
S = -j- н!мм (или н!мкм), (V, 184)
где Р — действующая сила в н;
f — вызываемая ею деформация (или перемещение) в мм (или мкм}.
На жесткости сказываются упругие, свойства материала, т. е. при
изгибе — модуль продольной упругости Е\ форма поперечного сечения
балки, заменяющей в расчете станину, следовательно, момент инерции J
сечения, кривизна оси балки, изогнутой моментом М. Поэтому для по-
казателя жесткости иногда принимается величина
S = JE = Mq. (V, 185)
Жесткость на кручение характеризуется отношением
= (V, 186)
где Мк — крутящий момент;
01 — угол закручивания на единицу длины.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА СТАНИН
145
При этом жесткость на кручение SK и жесткость на изгиб S изме-
ряются в одинаковых единицах.
Сечения станины — некруглые, большей частью незамкнутые, со
стенками изменяющейся по контуру толщины. Поэтому точное вычисле-
ние угла закручивания станины и напряжений от кручения невозможно.
Для расчетов этого рода применяют приближенные методы, заменяя дей-
ствительные сечения станины более простыми и по всей длине ее одина-
ковыми или прибегая к моделированию (см. стр. 13—14).
Для станин с замкнутым полым сечением при обычных соотношениях
между размерами сечения и толщиной его стенок можно пользоваться для
тонкостенного замкнутого профиля произвольной формы формулой
Jrds = 2GF01, (V, 187)
где т — касательное напряжение;
ds — элемент контура, ограничивающего профиль;
G — модуль сдвига;
F — площадь, ограниченная контуром средней линии стенки;
0Х — угол закручивания на единицу длины.
Для тонкостенных замкнутых профилей можно считать касательные
напряжения т распределенными по толщине б стенки равномерно и опери-
ровать с вектором тб = const, направленным касательно к среднему
контуру стенки в поперечном сечении. При этом
тб = const = т “ 2Fi) г (V, 188)
(V, 189)
где Мк — действующий крутящий момент. Подставляя это выражение
для т в уравнение (V, 187), найдем
Интеграл по контуру, который входит в это выражение, заменяется
S;
приближенно распространенной на весь контур суммой отношений
Таким образом, угол закручивания станины длиной /, если сечения можно
считать замкнутыми,
А X1 _£L
° ~ 46Я д/ •
Для сечения в форме полого прямоугольника с наружными размерами а
и b и постоянной толщиной стенки S
F = (a—б)-(б—б); 2i7~= ' " ~б-------- ’
и формула (V, 190) для этого случая принимает вид
л, Мк(а-\-Ь — 2d)-/
2G (а — д)2 (Ь — д)26 ‘
Среднее напряжение от кручения составляет здесь
формулы (V, 188)
Мк _________Мк______
2F6 2 (а — д) (Ь — 6) 6 *
Угол закручивания станин с незамкнутыми сечениями может быть
вычислен лишь приближенно. В случае, если профиль состоит из очень
узких прямоугольников, угловое сопротивление кручению принимается
(V, 190)
(V, 191)
на основании
(V, 192)
146
СТАНИНЫ. СТОЙКИ. СТОЛЫ. ПОПЕРЕЧИНЫ. СУППОРТЫ
равным сумме угловых сопротивлений кручению прямоугольников,
образующих профиль. Для узкого прямоугольника с длинной стороной S/
и короткой 6/ погонный угол закручивания
01 = -т2Ч— <v’193>
-3-si^G
Пользуясь формулированным правилом выпрямления разомкнутого
сечения, можно написать
S-^3- <V’194)
где обозначения те же, что и выше,
Наибольшее касательное напряжение может быть вычислено по фор-
муле
(для элементарных профилей прямоугольной формы).
Наибольшее касательное напряжение получается на середине длинной
стороны прямоугольника с б; = бтах.
Учитывая приближенность применяемых методов расчета станин,
из осторожности принимают низкие допускаемые напряжения порядка
84-12 Мн/м2 для чугунных станин и 15-4-20 Мн/м2—для стальных.
Допустимость полученных расчетом деформаций следует оценивать ис-
ходя из влияния их на точность работы станка и на его виброустойчивость.
Задача точного научно обоснованного расчета проектируемой станины
еще ждет своего решения, как и многие другие вопросы, связанные с жест-
костью станков. Больше всего в этой области сделано трудами советских
исследователей: К. В. Вотинова (с 1930 г.), ряда научных сотрудников
ЭНИМСа — Д. Н. Решетова, X. М. Еникеева, В. В. Каминской, 3. М. Ле-
виной и др., А. П. Соколовского и его сотрудников в Ленинградском
политехническом институте. Наиболее полный и обстоятельный материал
по расчету станин — в работе [35].
§ 5. СТОЙКИ, СТОЛЫ, ПОПЕРЕЧИНЫ, СУППОРТЫ СТАНКОВ
Общие указания по их проектированию
Стойки, столы, суппорты, поперечины (траверсы), основания (плиты),
а также такие части, как консоли фрезерных, колонны радиально-свер-
лильных станков, колонны полуавтоматов ротационного типа и другие
корпусные детали отличаются чрезвычайным разнообразием форм, которые
зависят от того, с какими частями станка эти детали должны быть под-
вижно или неподвижно связаны, от расположения их в станке, величины
и направления действующих сил и других факторов. Разнообразны также
способы соединения таких частей с основанием или станиной станка. Для
примера на фиг. V, 124, а—д даны схемы пяти возможных вариантов ком-
поновки портальных станков (по работе П. Ф. Дунаева); жесткость этих
вариантов и степень их технологичности далеко не одинаковы, и при
выборе варианта конструктор должен учитывать это обстоятельство. При
всем разнообразии перечисленных деталей станков в отношении их наз-
начения и разнообразия конструкций можно выделить некоторые общие
характерные для них черты.
СТОЙКИ, СТОЛЫ, ПОПЕРЕЧИНЫ, СУППОРТЫ СТАНКОВ
147
Основные требования, предъявляемые к корпусным частям станков,
касаются их жесткости и виброустойчивости. Нередко эти требования
чрезвычайно высоки (например, для столов резьбошлифовальных и коор-
динатно-расточных станков, стоек плоскошлифовальных), так как от жест-
кости и виброустойчивости станка зависит точность его работы. Важное
значение имеют также точность поверхностей, которые являются базовыми
для приспособлений, несущих обрабатываемые заготовки, или для изме-
Фиг. V, 124. Схемы возможных вариантов компоновки
портальных станков
рительных устройств, правйльного прибора и т. д.; точность и правиль-
ность поверхностей, которыми данная часть станка крепится на нем;
износостойкость направляющих; простота изготовления и возможно
малый расход металла.
В качестве материалов для изготовления названных деталей станков
используются все те металлы, которые применяют в современном станко-
строении для станин (см. стр. 136—138). Более или менее крупные корпус-
ные детали станков делают, как и станины, не только литыми, но и свар-
ными. К сварным конструкциям таких деталей относится большая часть
сказанного выше (стр. 137—138) по поводу сварных станин.
Необходимая жесткость достигается, как и в станинах, коробчатой
формой сечений детали, системой ребер в литых конструкциях (фиг. V, 125)
или косынок, укосин и подобных креплений — в сварных [103].
Для современных станков типичны глубокие мощные сечения стоек,
поперечин и подобных им деталей при сравнительно малой толщине их
стенок. Целесообразное распределение металла устанавливается на ос-
нове анализа диаграмм действующих сил.
148
СТАНИНЫ. СТОЙКИ. СТОЛЫ. ПОПЕРЕЧИНЫ. СУППОРТЫ
Большое значение для жесткости конструкции таких деталей, как
столы и суппорты, имеют количество стыков и расположение их относи-
тельно действующих сил. Конструкция получается обычно тем более
жесткой, чем меньше число стыков. Однако по условиям использования
станка число стыков иногда нельзя уменьшить ниже определенного пре-
дела (см., например, фиг. V, 126 и 127). В подобных случаях нужно по
крайней мере развить контактирующие поверхности в направлении,
приблизительно перпендикулярном к направлению действующей силы,
чтобы уменьшить удельные давления, и предусмотреть возможность
прочного и надежного зажима тех частей, которые должны оставаться не-
подвижными во время работы. Такие зажимные устройства применяются,
например, для закрепления наружной колонны и рукава (поперечины)
радиально-сверлильных станков, поперечин карусельных, продольно-
строгальных, продольно-фрезерных станков и т. п. Они снабжаются управ-
лением ручным или от отдельного электродвигателя и устройством, кон-
тролирующим надежность зажима и выключающим привод в случае его
ослабления. Состояние зажима обычно сигнализируется цветными лам-
пами.
В отношении способов обеспечения необходимой жесткости рассма-
триваемых деталей при наименьшем расходе металла сохраняет в основном
силу сказанное ранее по этому вопросу применительно к станинам (замк-
нутые сечения определенных форм, возможное сокращение числа окон и
уменьшение их размеров, перегородки и прилитые ребра и пр.). Деформа-
ции этих деталей могут быть уменьшены также применением замкнутых
СТОЙКИ, СТОЛЫ, ПОПЕРЕЧИНЫ. СУППОРТЫ СТАНКОВ
149
Фиг. V, 126. Суппорт токарно-винторезного станка
150 СТАНИНЫ, стойки. СТОЛЫ. ПОПЕРЕЧИНЫ. СУППОРТЫ
конструкций — в виде рам и порталов, подпорок, контрподдержек и т. п.
В станках для точной работы движущийся стол не должен свисать с на-
правляющих станины даже в своих крайних положениях.
Если корпусная деталь перемещается по вертикальным направляю-
щим посредством кинематической цепи, не содержащей самотормозящихся
передач, то для облегчения установки ее и предохранения от самопроиз-
вольного опускания, когда она не зажата, деталь уравновешивается контр-
грузом или пружиной. На направляющих столов, поперечин, стоек и
прочих деталей этого рода делают смазочные канавки примерно такого
же вида, как на направляющих станины. Горизонтальные рабочие плоско-
сти корпусных деталей окружают корытом для стока смазочно-охлаждаю-
щей жидкости.
Рабочие поверхности столов снабжаются системой параллельных
или иногда взаимно перпендикулярных точно обработанных пазов Т-об-
разного профиля для установки и крепления различного рода приспособ-
лений. Размеры этих пазов стандартизированы (ГОСТ 1574-62).
ГЛАВА X
НАПРАВЛЯЮЩИЕ
Прямолинейное или круговое перемещение инструмента либо обраба-
тываемой заготовки и связанных с ними узлов станка обеспечивается
направляющими. В станках получили распространение направляющие
скольжения и направляющие качения с использованием промежуточных
тел качения (шариков или роликов). Основными характеристиками на-
правляющих являются:
1. Точность перемещения, которая зависит главным образом от точ-
ности изготовления направляющих и характеризуется соответствием дей-
ствительного перемещения узла станка строго прямолинейному (или кру-
говому) движению.
2. Долговечность направляющих — характеризуется их способностью
сохранять первоначальную точность перемещения соответствующих узлов
станка в течение заданного срока использования его.
3. Жесткость — характеризуется упругими смещениями вследствие
наличия контактов в направляющих под действием нормальной нагрузки.
§ 1. НАПРАВЛЯЮЩИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ
Эксплуатационные качества направляющих скольжения зависят как
от правильного выбора материалов сопряженных поверхностей, так и от
конструктивного оформления направляющих.
Материалы направляющих
Износ направляющих зависит в значительной мере от подбора мате-
риалов для направляющих станины и для направляющих подвижного
узла — стола, каретки, суппорта и т. д. Неудачный выбор этих материалов
может привести к усиленному и притом неравномерному по длине износу
направляющих, что неизбежно повлечет за собой потерю точности переме-
щения.
Исследования, проведенные А. С. Прониковым [70], установили пря-
мую связь между формой изношенной направляющей и погрешностями
формы обработанной на станке детали.
Износостойкость направляющих определяется в первую очередь фи-
зико-механическими свойствами их материала. Высокая поверхностная
твердость направляющих сама по себе еще не гарантирует их высокой
износостойкости. Многочисленные экспериментальные данные свидетель-
ствуют о том, что наименьший суммарный износ направляющих обеспечи-
вается при различной твердости сопряженных пар поверхностей вслед-
ствие приработки более мягкого материала пары. При этом в большинстве
152
НАПРАВЛЯЮЩИЕ
случаев целесообразно более твердый материал использовать для непод-
вижных направляющих (направляющих станины), так как их форма ко-
пируется при перемещении и, кроме того, ремонт направляющих станины
сложнее и дороже.
Наиболее распространенным материалом для направляющих является
серый чугун. Он используется в тех случаях, когда направляющие изго-
товляются как одно целое со станиной и соответственно, с подвижным
узлом. Износостойкость чугунных направляющих может быть повышена
за счет поверхностной закалки с нагревом или т. в. ч. В результате такой
термической обработки направляющих их твердость повышается: для се-
рого чугуна (СЧ)— до HRC 40—52, для чугуна с шаровидным графитом
в литой структуре (ВЧ) — до HRC 45—55.
Стальные направляющие в виде планок приваривают к сварной сталь-
ной станине либо крепят винтами или болтами к литой чугунной станине.
Чаще всего для этой цели используют сталь 40Х с закалкой т. в. ч. до
HRC 52—58 или сталь типа 15,20Х, которые после цементации и закалки
обладают твердостью порядка HRC 56—62. Иногда применяют для на-
правляющих сталь ШХ15. Применение стальных закаленных направляю-
щих в паре с закаленным чугуном обеспечивает наиболее высокую износо-
стойкость направляющих.
Перспективным материалом для направляющих являются пластмассы
в связи с их высокими противозадирными и антикоррозионными свойст-
вами. Текстолитовые планки в сочетании с чугуном применяют для на-
правляющих тяжелых станков, где относительно малая жесткость под-
вижных узлов приводит к значительной неравномерности распределе-
ния давления на направляющих и, как следствие этого, к опасности
заедания, особенно при недостаточной смазке. Недостатки текстолитовых
направляющих — малый по сравнению со сталью модуль упругости,
склонность к разбуханию при впитывании масла и низкий коэффициент
теплопроводности. В связи с этими недостатками более целесообразно
применение направляющих с тонким полимерным покрытием, нанесен-
ным посредством напыливания, наклеивания тонкой пленки или каким-
либо другим способом.
В отдельных случаях, оправданных расчетом, применяют для направ-
ляющих накладки из цинковых сплавов типа ЦАМ 10-5 или из бронзы.
Они обладают хорошей износостойкостью, однако дороги и иногда дефи-
цитны.
Технические условия на направляющие скольжения станков
ТУ на изготовление и приемку металлорежущих станков предусматри-
вают требования к направляющим в отношении твердости, качества обра-
ботки и точности.
Твердость направляющих, отлитых заодно со станиной, определяется
нормами для чугуна соответствующего класса. Колебания твердости в пре-
делах одной направляющей АНВ < 25 или 35 в зависимости от длины
направляющей. Для направляющих составных станин допускается
АНВ < 45 на всей длине направляющей. Значения НВ не должны выхо-
дить из границ, установленных для чугуна соответствующего класса.
Твердость стальных закаленных направляющих достигает значений
HRC 52 и больше, для азотированных — твердости по Виккерсу в преде-
лах HV 800—1000.
Качество обработки и сборки. Направляющие станин, а также стоек,
салазок и т. д. должны быть чисто обработаны шабрением, шлифова-
НАПРАВЛЯЮЩИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ
153
нием или другим способом, сообщающим поверхности по меньшей мере
такое же высокое качество (полирование, притирка пастой ГОИ). Зака-
ленные направляющие должны быть тонко отшлифованы.
При проверке шабренных направляющих на краску количество не-
сущих пятен на площади 25x25 мм2 должно быть: не меньше 25 для
направляющих прецизионных станков; не меньше 16— для направляю-
щих скольжения станков повышенной точности; не меньше 10 — для
направляющих скольжения при ширине b < 250 мм и направляющих
перестановки при b < 100 мм\ не меньше 6 — для направляющих сколь-
жения при b > 250 мм и направляющих перестановки при b > 100 мм.
Количество несущих пятен определяется как среднее на площади 100 см2.
Плотность прилегания сопряженных направляющих проверяется на
краску и шупом толщиной 0,04 мм.
Точность направляющих регламентирована стандартами «Нормы точ-
ности» для станков различных типов. Необходимые точность и класс
чистоты поверхности направляющих достигаются соответствующей тех-
нологией механической обработки их.
Конструкции направляющих скольжения
V б)
Фиг. V, 128. Направляющие скольжения:
а — закрытые; б — открытые
Прямолинейное движение узла станка (стола, каретки, суппорта и др.)
обеспечивается тем, что направляющие ограничивают возможность сво-
бодного перемещения этого узла по всем остальным направлениям. На-
правляющие, которые оставляют подвижному узлу одну степень сво-
боды, обычно называют закрытыми (фиг. V, 128, а) в отличие от
открытых направляющих (фиг. V, 128, б), предусматривающих замы-
кание внешней нагрузкой, действующей в определенном направлении.
Закрытые направляющие могут
быть образованы любой линейчатой
поверхностью (за исключением кру-
говой цилиндрической) с образую-
щими, параллельными направлению
требуемого движения.
По соображениям простоты изго-
товления и контроля из всех линей-
чатых , поверхностей наиболее целе-
сообразна трехгранная призма с тре-
мя направляющими плоскостями, которая и лежит в основе большинства
основных форм направляющих станков (фиг. V, 129, б и в). Значи-
тельно реже используют направляющие в форме двух круговых цилинд-
ров (фиг. V, 129, г).
Плоские направляющие (фиг. V, 129, а), горизонтальные или вертикаль-
ные, отличаются простотой изготовления и контроля правильности формы,
однако требуют устройств для регулирования зазора, склонны к загряз-
нению и сравнительно плохо удерживают смазку, когда они выполняются
как охватываемые.
Призматические треугольные направляющие (фиг. V, 129, б) сложнее
в изготовлении, чем плоские, но обладают свойством саморегулирования,
т. е. зазоры под действием нагрузки всегда выбираются автоматически.
Выполненные как охватываемые они не склонны к загрязнению и поэтому
не снабжаются, как правило, защитными устройствами. В таком виде они
плохо удерживают смазку в противоположность тому случаю, когда
они выполняются в форме охватывающих (V-образных) направляющих.
154
НА ПРАВЛ Я ЮЩИЕ
Призматические направляющие делают симметричными, например
при вертикальном направлении нагрузки от действия собственного веса
подвижного узла, и несимметричными с более развитой плоскостью одной
из граней, которая в этом случае располагается перпендикулярно на-
правлению равнодействующей внешней нагрузки. Последний случай
характерен для большинства токарных станков.
Направляющие в форме ласточкина хвоста (фиг. V, 129, в) отличаются
компактностью и относительной простотой регулирования зазора посред-
ством одного только клина или планки (см., напр., фиг. V, 132).
Цилиндрические (штанговые) направляющие (фиг. V, 129. г) применяют
в станках, несмотря на простоту их изготовления, сравнительно редко:
Охватываемые
Фиг. V, 129. Основные формы направляющих скольжения:
а — плоские; б — призматические; в — в форме ласточкина хвоста; г—цилиндрические
(штанговые)
их недостаток — малая жесткость вследствие того, что они связаны со
станиной только по концам. Кроме того, регулирование зазоров в цилин-
дрических направляющих требует применения довольно сложных уст-
ройств.
В станках очень часто используют комбинированные направляющие,
когда одна из них выполнена как плоская, а вторая — как призматиче-
ская, V-образная или в виде половины ласточкина хвоста. Такого рода
комбинированные направляющие сравнительно технологичны в изготов-
лении, и применение их особенно целесообразно при действии больших
опрокидывающих моментов.
При окончательном выборе конструктивного варианта направляющих
необходимо руководствоваться обеспечением их максимальной жесткости
под действием нагрузок, характерных для станка данного типа.
Устройства для регулирования зазоров
в направляющих скольжения
Оптимальную величину зазоров в направляющих, обеспечивающую
точность перемещения при минимальных потерях на трение, трудно
выдержать при изготовлении направляющих даже при взаимной пригонке
сопряженных поверхностей. Кроме того, первоначально установленные
величины зазоров изменяются в процессе износа трущихся поверхностей.
Поэтому направляющие снабжают устройствами для периодического
регулирования зазоров между сопряженными поверхностями.
НА ПРАВЛЯЮЩИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ
155
Наиболее общее решение задачи регулирования зазора в направляю-
щих показано на фиг. V, 130: зазор в стыках горизонтальных плоскостей,
воспринимающих вертикальное давление V, регулируется здесь кли-
ньями 1 и 2, а в вертикальных плоскостях, воспринимающих горизон-
тальное давление Н1 или и являющихся собственно направляющими
поверхностями, — клином 3.
Если каретка или салазки охватывают контур прямоугольных направ-
ляющих станины только с трех сторон (фиг. V, 131), необходимы прижим-
у| ные планки 1 и 2, прикрепляе-
I мые к салазкам винтами. Компен-
Фиг. V, 130. Регулирование зазоров в нап-
равляющих (общий случай)
сация износа горизонтальных гра-
ней требует шабрения; чтобы избе-
жать его, иногда применяют тон-
кие слоистые прокладки (см. де-
таль 1 на фиг. V, 134, б). Для
регулирования зазора в вертикаль-
ных плоскостях стыка направляю-
Фиг. V, 131. Регулирование зазоров Фиг. V, 132. Регулирование зазоров в нап-
в плоских направляющих равляющих по форме ласточкина хвоста
щих здесь служит планка 4 постоянной толщины; по мере надобности
ее поджимают несколькими винтами 3. Вместо планки также и здесь
можно применить клин.
Вариант регулирования направляющих в форме ласточкина хвоста
дан на фиг. V, 132.
Регулирующая зазор планка постоянной толщины должна быть по-
мещена в направляющих таким образом, чтобы давление воспринималось
непосредственно соприкасающимися гранями направляющих, т. е. со сто-
роны, противоположной нагруженному стыку последних (см. стрелку Н
на фиг. V, 131). При регулировании посредством клина он может быть рас-
положен с любой стороны (см. стрелки Н± и Я2 на фиг. V, 130).
Регулирующие клинья имеют обычно уклон в пределах от 1 : 40 до
1 : 100. Чем длиннее клин, тем меньшим делают его уклон. Для установки
клина необходимо иметь возможность перемещать его в обоих направле-
ниях. С этой целью применяют винты разнообразных конструкций; наи-
более распространенные варианты показаны на фиг. V, 133, а—в.
156
НА ПРАВЛЯЮЩИЕ
Различные формы поперечных сечений клиньев и планок, встречаю-
щихся в современных станках, показаны на фиг. V, 134—136, которые
не требуют пояснений.
Общий недостаток регули-
рующих клиньев—увеличение
числа стыков в сопряжении,
Фиг. V, 134. Способы регулирования планок
а)
б)
Фиг. V, 133. Способы регулирова-
Фиг. V, 135. Планки пос-
тоянной толщины для нап-
равляющих в форме лас-
ния клиньев
точкина хвоста
малая жесткость самих клиньев и в результате этого понижение
жесткости узла в отношении сжимающих сил. Ослабить это влияние
клиньев можно правильным расположением их и достаточно сильной
затяжкой клина винтами после того, как он отрегулирован.
ГИДРОСТА ТИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ
157
Накладные направляющие
Накладные направляющие, обычно стальные, а иногда изготовленные
из высококачественного легированного чугуна, выполняются в виде
планок, закрепляемых винтами к литой чугунной станине или привари-
ваемых к стальной сварной станине.
При механическом креплении накладной направляющей винтами
желательна такая конструкция крепления, которая не связана с по-
вреждением рабочей поверх-
ности направляющих, как
это показано на фиг. V, 137, а.
Когда по каким-либо конст-
руктивным соображениям не-
возможно применить крепле-
ние винтами снизу, следует
применять такое крепление,
которое не нарушает одно-
родности рабочей поверх-
ности направляющих. Напри-
мер, при способе крепления,
Фиг. V, 137. Накладные направляющие
показанном на фиг. V, 137, б, используются винты, изготовленные из того
же материала, что и накладная стальная планка. После завинчивания
ослабленная шейка винта срезается, а оставшуюся часть винта сошли-
фовывают заподлицо с плоскостью направляющей.
При креплении винтами накладные планки снабжаются выртупом
(фиг. V, 137, в), разгружающим винты от поперечных нагрузок и обеспе-
чивающим значительное увеличение поперечной жесткости направляющих.
Фиг. V, 138. Приваренные направляющие
Примеры накладных направляющих, приваренных к стальной сварной
станине, приведены на фиг. V, 138. Последний вариант (фиг. V, 138, в)
относится к тому случаю, когда к сварной станине крепится накладная
планка из чугуна или бронзы.
Пластмассовые направляющие крепят обычно винтами, а иногда при-
клеивают к станине.
§ 2. ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ
Направляющие, предусматривающие подвод масла к сопряженным
поверхностям под давлением^ обеспечивающим создание масляной подушки
по всей площади контакта, носят название гидростатических направ-
ляющих.
От насоса (фиг. V, 139) масло под давлением поступает через дрос-
сели с сопротивлением /?0 в карманы, сделанные на направляющих.
Из карманов масло вытекает через зазор h в направляющих, и давление
масла при этом изменяется по закону, который близок к линейному.
158
НАПРАВЛЯЮЩИЕ
Грузоподъемность гидростатических направляющих может быть под-
считана по формуле [56, 57 ]
Р = /hFa, (V, 196)
где pj — давление масла в карманах;
F — площадь направляющих;
a — коэффициент, учитывающий падение давления в зазоре и при-
ближенно равный (фиг. V, 140)
»=(т+^+та+зп) = 4-*4-- «V'197»
На фиг. V, 140 [56] приведены наиболее распространенные формы
карманов и места подвода к ним масла под давлением. Первый вариант
с одной продольной канавкой используется при малой ширине направляю-
щей, а варианты II и III целесообразны при значительной ширине
направляющей (более 50—60 мм). Основные конструктивные параметры
можно принимать на основе примерных зависимостей
аг 0,1В; a % 0,5af, a2^2av
По длине направляющей необходимо предусматривать несколько кар-
манов с независимым к ним подводом масла, так как в противном случае
невозможно обеспечить высокую жесткость под действием перекашиваю-
щих моментов,
Жесткость гидростатических направляющих прямо пропорциональна
нормальной силе и обратно пропорциональна зазору:
<v'198>
где рн — давление масла, подаваемого насосом (см. фиг. V, 139).
Следовательно, для обеспечения высокой жесткости гидростатических
направляющих необходимо стремиться к обеспечению минимально воз-
можных значений зазора Л, которые зависят от микро- и макропогрешно-
стей поверхности направляющих. При высоком качестве шабрения (16—
20 пятен на площади 25x25 лии2) минимальный расчетный зазор может
быть выдержан в пределах 15—25 мкм, что обеспечивает жесткость ги-
дростатических направляющих порядка 1000 н/мкм и более.
Гидростатические направляющие могут быть осуществлены при лю-
бой исходной форме направляющих. Так, например, в шлифовальных
станках для этой цели обычно используют комбинированные направляю-
щие — сочетание одной плоской и одной V-образной (фиг. V, 141).
РАСЧЕТ НАПРАВЛЯЮЩИХ СКОЛЬЖЕНИЯ
159
В станках используют иногда также аэростатические направляющие,
предусматривающие создание воздушной подушки в зазоре между сопря-
Фиг. V, 140. Способы подвода масла к гидростатическим
направляющим
женными поверхностями направляющих. Воздух от пневматической сети
через фильтр и стабилизатор давления поступает в карманы под давлением
(3—4)105 н!м2 через комбинированные отверстия малого диаметра (0,2—
р 0,5 мм), как это показано на
| фиг. V, 142.
d*(15...2O) ti
Фиг. V, 141. Схема аэростатических
направляющих Фиг, V, 142.
§ 3. РАСЧЕТ НАПРАВЛЯЮЩИХ СКОЛЬЖЕНИЯ
Износостойкость направляющей скольжения зависит от ряда условий;
одним из важнейших является условие возможно равномерного распреде-
ления давления по поверхности направляющей, причем среднее (условное)
удельное давление не должно превышать определенной величины, уста-
новленной на основе опыта эксплуатации станков (стр. 164). Удельное
давление определяется поверочным расчетом, в основе которого лежит
160
НАПРАВЛЯЮЩИЕ
допущение о линейном законе распределения удельного давления вдоль
направляющей; по ширине каждой грани направляющей удельное давле-
ние считается распределенным равномерно.
Научно обоснованный и практически достаточно надежный способ
расчета направляющих был впервые разработан в СССР Д. Н. Решетовым
(ЭНИМС) в 1942 г. Основы этого способа, принятого в настоящее время
в качестве нормали станкостроения (нормаль Н49-2МСС), изложены
дальше применительно к случаю комбинированных направляющих токар-
ного станка. Он может быть распространен с соответствующими изменения-
ми и на направляющие других форм.
Расчет состоит из следующих этапов:
1) определения суммарных давлений, действующих на каждую грань
направляющих;
2) определения среднего удельного давления на каждой из этих гра-
ней;
3) определения наибольшего удельного давления на них;
4) сопоставления полученных величин с наибольшими допускаемыми
значениями удельных давлений, известными из опыта.
Давления на грани направляющих станины или равные им по вели-
чине три реакции А, В, С (фиг. V, 143) можно найти из условий равнове-
сия суппорта. На суппорт действуют, помимо этих реакций: а) составляю-
щие Pzi РХ1 Ру силы резания; б) собственный вес Gсуппорта, рассматривае-
мый как сила, сосредоточенная в его центре тяжести; в) тяговая сила Q;
силы трения /Л, /В, fC, действующие на гранях направляющих в сторону,
противоположную движению суппорта.
РАСЧЕТ НАПРАВЛЯЮЩИХ СКОЛЬЖЕНИЯ
161
Составляющие PZf Рх, Ру вычисляются по формулам теории реза-
ния или принимаются по нормативам для режима, отвечающего полному
использованию станка. Вес G суппорта и его центр тяжести находятся
расчетом, а если возможно — по модели. Если вес обрабатываемой заго-
товки и вес приспособления воспринимаются направляющими, должны
учитываться также и эти силы.
Тяговая сила Q, необходимая для перемещения суппорта, при приводе
ходовым винтом направлена вдоль оси винта, следовательно, не имеет со-
ставляющих, параллельных силам Ру и Рг. В случае привода от ходового
валика через прямозубое колесо и рейку наряду с составляющей Qx,
параллельной усилию подачи PXi имеется еще составляющая
Qz = tg (а + q),
где а — угол зацепления;
р — угол трения на зубьях (q = 54-7°).
Оси координат х, yt z на фиг. V, 143 выбраны соответственно парал-
лельными составляющим Рх, Ру, Pz силы резания, а начало О координат —
в точке пересечения направлений реакций А и В, чтобы уравнения равно-
весия суппорта получились возможно более простыми. Пользуясь для
рассматриваемого случая схемой по фиг. V, 143, легко составить шесть
уравнений статики
2Х = 0; S Y - 0; SZ = 0; 1
2 М, = 0; 2 М, = 0: - 0. J
В левые части этих уравнений входят перечисленные выше силы,
в том числе и неизвестные 4, В, С и Q. Они могут быть определены из пер-
вых четырех уравнений системы (V, 199).
После того, как силы 4, В и С найдены, легко определяются средние
удельные давления:
Рл =4-; Рв =4-; Pc = (V, 200)
Аср aL ' вСр bL ’ rccp cL v
где L — длина направляющих каретки;
а, 6, с — значения рабочей ширины трех граней направляющих
(см. фиг. V, 143).
Для определения максимальных удельных давлений необходимо
найти три координаты хА, хв, хс точек приложения равнодействующих 4,
В, С. Неиспользованными же остаются лишь еще два последних уравнения
системы (V, 199). Они могут быть написаны в форм
Аха cos а + Вхв cos р 4- Схс = Му\
— Аха sin а 4- Вхв sin р = Мг,
где для краткости введены обозначения (см. фиг. V,
Л4^, — — РХ2Р + Р^Ср 4~ Gxq — Qx^q 4-
Qz%q — f (А + P 4~ C) s;
Mz ~ PхУр 4” PyXp 4~ Qxyq — f (A + P 4
Чтобы из уравнений (V, 201) можно было найти координаты хл,
хв, хс, необходимо установить распределение момента Му между перед-
ней (/ на фиг. V. 143, б) и задней (//) направляющими. Это распределение
6 Ачеркан. Зак. 659.
фиг.
(V, 201)
143)
С) t.
(V, 202)
162
НАПРАВЛЯЮЩИЕ
зависит от жесткости каретки, степени неравномерности нагрузки направ-
ляющих станины (по закону трапеции, треугольника или иному) и от формы
направляющих. Например, для плоских направляющих моменты М\ и
Л4П пропорциональны ширинам направляющих, для комбинированных
пропорциональны один момент — ширине плоской, другой — приведен-
ной ширине треугольной направляющей, и т. д. Подробнее об этом см.
в книге Д. Н. Решетова [75], который является автором излагаемого ме-
тода расчета.
Пусть распределение момента Му между передней и задней направ-
ляющими установлено, т. е. определены соответствующие моменты
в) О
Фиг. V, 144. Эпюры распределения давлений по длине направляющих
и ЛТП = Му — АГ]. Тогда первое из уравнений (V, 201) разбивается на
два, и получается система линейных уравнений
отсюда
Аха cos а + Вхв cos0 = Мр
== Л1ц9
— Aj?a sin а + Вхв sin 0 = Л12, ,
(V, 203)
_ Alj sin Р — Mz cos Р в
Ха~ A sin (а + 0) '
__ Af j sin а + Mz cos а.
Хв~ В sin (а + ₽) ’
_ Ми = Му- Мх
хс— с С
(V, 204)
При линейном распределении удельного давления вдоль грани направ-
ляющей отношения и определяют форму эпюр давления;
для наиболее общего случая — распределения давления по закону трапе-
ции (фиг. V, 144, а) — расстояние точки приложения, например, равно-
действующей А давлений рА от большого основания трапеции:
Ра max min . „ _ Ра max Р A min
2 А~ 3 ’ ₽Лтах + ₽Лпй»’ * 6 ₽Л max + ₽Л min
(V,205)
Отсюда следует, что если 0 < хА < , то эпюра удельного давле-
ния рА имеет форму трапеции.
РАСЧЕТ НАПРАВЛЯЮЩИХ СКОЛЬЖЕНИЯ
163
Такие уравнения получаются и для координат хв, хс центров давлений
рв, рс на остальных двух направляющих; поэтому в дальнейшем индекс А
опущен.
При х = 0 из формулы (V, 205) получим
Ртах Pmin>
т. е. удельное давление р распределяется вдоль направляющей по закону
прямоугольника (фиг. V, 144, б), т. е.
р = const.
Если х = -ф- , то из той же формулы следует
Ртах Pmin Ртах + Pmin >
т. е.
Pmin ~ 0
— распределение давления следует закону треугольника (фиг. V, 144, в).
Если, наконец, в результате расчета по формулам (V, 204) окажется,
что х > , откуда формально pmin < 0, то это значит, что направляющие
каретки и станины прилегают лишь на части длины L, как показано
на фиг. V, 144, г: левее точки Е стык направляющих разгружен вследствие
большого зазора между планкой и нижней гранью направляющей.
Вычислив средние удельные давления рср по формулам (V, 200) и зна-
чения координат х по формулам (V, 204) и зная, следовательно, форму
диаграммы удельного давления р из отношения , можно определить
наибольшее удельное давление ртах для каждой из граней. При распре-
делении р по закону трапеции (фиг. V, 144, а) из равенства pmax + pmin =
= 2рср и формулы ргаах — pmin = ^-2рср получим
Рта, = Рс, (1+49- (V’206)
При распределении р по треугольнику на части длины из диаграммы
фиг. V, 144, г следует
откуда
_ 2L
Ртах РсР\^Ь~Зх
ИЛИ
___ 4 1
Ртах Q Pep Y '
1 —2-£-
(V, 207)
Для распределения по треугольнику на всей длине L (фиг. V, 144, в),
которое можно рассматривать как предельный случай обоих предыдущих
распределений, формулы (V, 206) и (V, 207) при подстановке значения
~Г = 4 Аают
Ртах %Рср-
(V, 208)
164
НАПРАВЛЯЮЩИЕ
Если подставить в формулы (V, 206) — (V, 208) значения рср из соот-
ношений (V, 200), то для грани А получим
Af^.GxX L
Ра max ~ aL р + £ ) ПРИ х < 6
A 2L L
Ра max — aL 1>5£ _ При * > б ;
(V, 209)
Аналогичные формулы получаются ДЛЯ РВтах и рСтах.
Методика, аналогичная или сходная с кратко изложенной здесь,
применяется для поверочного расчета направляющих также и других
форм.
Для чугунных направляющих нормаль станкостроения Н49-2 допу-
скает следующие значения ртах:
а) при малых скоростях скольжения, порядка скоростей подачи (то-
карные, фрезерные станки), ршах = 2,5-ьЗ Мн/д2;
б) при больших скоростях скольжения, порядка скоростей резания
(строгальные, долбежные станки), ртах = 0,8 Мн/м2.
в) для направляющих специальных станков, работающих с постоян-
ными тяжелыми режимами резания, указанные значения ртах следует
уменьшить на —25%;
г) для направляющих тяжелых станков pmzx = 1 Мн!м2 при малых
скоростях скольжения и ртах = 0,4 Мн!м* — при больших.
Для направляющих шлифовальных станков можно принимать ртах =
- 0,05—0,08 Мн/м\
Если при выполнении поверочного расчета ограничиваются определе-
нием лишь средних величин удельного давления, то для них рекомен-
дуется допускать значения, не превышающие примерно половины ука-
занных выше величин ртах.
Сравнительно короткий опыт эксплуатации стальных направляющих
не позволил еще установить для них целесообразные значения ротах.
При работе стали по чугуну значения ртах примерно те же, что и для чу-
гуна по чугуну. При работе стальных направляющих по стальным эти
значения могут быть приняты больше на 20—30%.
§ 4. НАПРАВЛЯЮЩИЕ КАЧЕНИЯ
V
I—t-ч
Фиг. V, 145. Схема направляю-
щих качения
Основным достоинством направляющих качения является малое
трение, практически не зависящее от скорости движения, Это обеспе-
чивает высокую чувствительность точных перемещений и равномерность
медленных движений. Кроме того, направ-
ляющие качения обладают значительно более
высокой долговечностью по сравнению с нап-
равляющими скольжения.
К недостаткам направляющих качения
относятся их более высокая цена, необхо-
димость весьма точной обработки рабочих
поверхностей и, наконец, отставание тел каче-
ния от передвигаемого узла (фиг. V, 145),
следовательно, при проектировании направляющих качения необходимо
предусматривать при больших величинах хода возврат тел качения.
Подобно направляющим скольжения направляющие качения могут
быть открытыми и закрытыми.
НАПРАВЛЯЮЩИЕ КА ЧЕНИЯ
165
Сила трёния в открытых направляющих качения может быть выражена
зависимостью
т - пТа + Р, (V, 210)
Г пр
где TQ — постоянная составляющая, не зависящая от нормальной силы,
на одной грани направляющей;
п — число граней (дорожек) направляющей;
fK — коэффициент трения качения, равный ~0,001 см для стальных
шлифованных и ~0,0025 см для чугунных шабреных направ-
ляющих;
гпр — приведенный радиус тел качения в см (см. табл. 1);
Р — нормальная сила.
Для закрытых направляющих следует, кроме того, учитывать силу
предварительного натяга.
В табл. V, 3 приведены наиболее распространенные схемы направляю-’
щих качения и формулы для подсчета тяговой силы. Первые три типа
направляющих относятся к открытым, а последние три—к закрытым
направляющим. Сила трения в направляющих качения обычно не пре-
вышает 10—40 н.
Таблица V, 3
Открытые направляющие
Закрытые направляющие
Конструкции направляющих качения
Открытые направляющие качения с использованием шариков
(фиг. V, 146, а [51]) или роликов (фиг. 146, б, [52]) применяют обычно
в тех случаях, когда основная нагрузка создается собственным весом
подвижного узла и мало изменяется в процессе обработки на станке.
Закрытые направляющие качения (фиг. V, 147, а, б, в, [51], [52])
предусматривают создание натяга и обеспечивают более высокую жест-
кость направляющих. Натяг в этих направляющих создается клиньями
или регулируемыми планками подобно тому, как в направляющих сколь-
жения регулируются зазоры.
Фиг. V, 146. Открытые направляющие качения:
а — шариковые; б — роликовые
8
НАПРАВЛЯЮЩИЕ
s)
Фиг. V, 148. Направляющие качения с возвратом
тел качения
НАПРАВЛЯЮЩИЕ КАЧЕНИЯ
167
В целях устранения основного недостатка направляющих качения,
связанного с отставанием тел качения, применяют конструкцию с воз-
вратом шариков или роликов. В примере конструкции, представленной
на фиг. V, 148, а [51], шарики уложены сплошным рядом между четырьмя
цилиндрическими штангами, из которых две крепятся к неподвижной ста-
нине, а две — к подвижному узлу. По концам направляющих поставлены
отражатели /, по которым шарики поступают в канал 2 возврата. Во вто-
ром примере (фиг. V, 148, б [52 ]) использованы блоки с роликами. Блоки
устанавливаются по концам направляющих и обеспечивают возмож-
ность циркуляции роликов относительно тела блока.
Расчет направляющих качения
Расчет направляющих качения предусматривает проверку на проч
ность по контактным напряжениям, а при проектировании прецизи
онных станков — расчет контактной жесткости.
Расчет на прочность требует
предварительного определения
нагрузки на наиболее нагру-
женный шарик или ролик. Иссле-
дования Д. Н. Решетова, Е. И.
Ривина и 3. М. Левиной [50—
52] показывают, что для этой
цели можно использовать фор-
мулы расчета давлений в нап-
равляющих скольжения, т. е.
определять максимальную силу
сжатия тела качения как
Pmax = Pm«^ (V, 211)
где ртах — наибольшее давле-
ние в направляю-
щих скольжения;
t — шаг тел качения
. (фиг. V, 145);
I b — ширина направляю-
щих.
Допустимая по условиям
контактной прочности нагрузка
принимается для роликовых нап-
равляющих
Рдоп = (V, 212)
Рдоп = ° к d2
для шариковых направляющих
(V, 213)
aj
Фиг. V, 149. Влияние погрешностей направляю-
щих на распределение нагрузки между телами
качения:
а — разноразмерность тел качения; б — непарал-
лельность направляющих; в — непрямолинейность
направляющих
где ок — условное напряжение, относимое к площади сечения тела ка-
чения;
d — диаметр ролика или шарика;
b — длина ролика.
Величина условного напряжения ак допускается для шариковых на-
правляющих до 0,6 Мн/м2, при закаленных (HRC 60) стальных направля-
ющих и до 0,02 Мн/м2 при чугунных (НВ 200) направляющих. Роликовые
168
НАПРАВЛЯЮЩИЕ
Фиг. V, 150. Коэффициенты податливости направляю-
щих качения:
а — роликовые; б — шариковые; /, 2 — стальные шли-
фованные направляющие соответственно с короткими и
с длинными роликами; 3 — чугунные шабренные напра-
вляющие »
направляющие допускают напряжения 15—20 Мн/м2 —для стальных зака-
ленных направляющих и 1,5—2 Мн/м2—для чугунных направляющих.
Приведенный выше расчет направляющих качения на прочность по-
верхностных слоев не учитывает влияния погрешностей изготовления
направляющих (отклонение от прямолинейности) и разноразмерное™ тел
качения. Поэтому при не-
высокой точности изготов-
ления направляющих, ког-
да суммарное отклонение
от прямолинейности на
длине контакта — порядка
15—20 мкм и значения
следует принимать на 20—
30% меньше.
Расчет направляющих
качения на жесткость сос-
тоит в определении упру-
гих перемещений за счет
контактных деформаций
под действием внешней на-
грузки. При этом особенно
важно учитывать влияние
погрешностей изготовле-
ния на характер распреде-
ления нагрузки между те-
лами качения, поскольку
эти погрешности того же
порядка, что и сами упру-
гие перемещения. На фиг.
V, 149 [52] показано влия-
ние неточностей направ-
ляющих качения на расп-
ределение давлений между
телами качения.
При техническом расчете на жесткость упругие перемещения в направ-
ляющих качения могут определяться на основе зависимостей:
для роликовых направляющих
S = cpq
(V, 214а)
и для шариковых направляющих
6 — сшР.
(V, 2146)
Здесь 6 — упругое перемещение в мкм, ср и сш — коэффициенты подат-
ливости соответственно роликовых (в мкм-см/н) и шариковых (в мкм/н)
направляющих, q — погонная нагрузка на единицу длины ролика в н/см,
Р — нагрузка на один шарик в «. Значения коэффициентов податливости
направляющих качения при нормальной точности их изготовления при-
ведены на фиг. V, 150 [52].
Расчеты и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что
жесткость роликовых направляющих качения близка к жесткости направ-
ляющих скольжения, а вследствие предварительного натяга может быть
и выше в 3—4 раза. Жесткость шариковых направляющих при одинако-
КРУГОВЫЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ
169
вых размерах тел качения примерно в 2—2,5 раза ниже жесткости ролико-
вых направляющих.
Большое влияние на жесткость направляющих качения оказывает
шероховатость их поверхности. Поэтому к качеству шабрения направ-
ляющих предъявляются высокие требования. В наиболее ответственных
случаях направляющие качения прецизионных станков целесообразно
притирать.
§ 5. КРУГОВЫЕ НАПРАВЛЯЮЩИЕ
Круговые направляющие применяют в различных станках как для
главного движения (в карусельных станках) при скоростях порядка
скоростей резания, так и для движения подачи (в зуборезных и плоско-
шлифовальных станках), а иногда и для вспомогательных движений.
Фиг. V, 151. Плоские круговые направляющие карусельного
принципов выбора станка с текстолитовыми накладками
Общие принципы выбора типа направляющих и их конструктивное
оформление не отличаются существенно от прямолинейных направляю-
щих, рассмотренных выше.
По технологическим соображениям (с целью обеспечения простоты
изготовления и сборки) чаще всего применяют плоские направляющие
(фиг. V, 151 [18]). Их применение особенно оправдано в тех случаях,
когда центральный подшипник фиксирует ось поворота стола и направ-
ляющие воспринимают только вертикальную нагрузку.
При отсутствии центрального подшипника используют V-образные
круговые направляющие (фиг. V, 152 [58]) обычно несимметричного
профиля.
При очень больших размерах круглого стола применяют, например
в тяжелых карусельных станках, две пары круговых направляющих.
Это необходимо для уменьшения вертикальных деформаций стола за счет
создания промежуточных опорных поверхностей на направляющих.
170
НАПРАВЛЯЮЩИЕ
Фиг. V, 152. V-образные круговые направляющие карусельного станка
Фиг. V, 153.
Круговые
направляющие
качения
КРУГОВ ЫЕ НА ПРАВЛЯЮЩИЕ
171
В быстроходных карусельных станках, в поворотных столах при-
меняют круговые направляющие, качения (фиг. V, 153), обладающие
теми же особенностями, что и направляющие качения для прямолинейного
движения. Круговое движение ограничивает возможность использования
роликов в направляющих, поэтому чаще встречаются в станках шарико-
вые круговые направляющие.
Для разгрузки круговых направляющих в целях уменьшения давле-
ний на них и соответствующего износа применяют дополнительный регу-
лируемый подпятник качения и подачу смазки под давлением на рабочую
поверхность направляющих. При достаточном избыточном давлении смазки
и нескольких независимых карманах на направляющих можно создать
гидростатические круговые направляющие.
На фиг. V, 154 [72] показана, система смазки карусельного станка
мод. 1532 Коломенского завода тяжелого станкостроения с комбиниро-
ванной разгрузкой направляющих. V-образные направляющие станка
снабжены карманами с клиновыми скосами. Эти скосы при достаточно
больших скоростях обеспечивают гидродинамический режим смазки. При
пу^ке и останове станка наряду с основной включается и дополнительная
система смазки, которая подает в карманы масло с повышенным давлением,
достаточным для подъема планшайбы при гидростатическом режиме.
Расчет круговых направляющих существенно не отличается от рас-
чета направляющих прямолинейного движения (см. § 3, стр, 159).
ГЛАВА XI
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
§ 1. ФУНКЦИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К НИМ ТРЕБОВАНИЯ
Эксплуатационные качества станка, в частности его производитель-
ность, удобство и простота обслуживания и надежность работы, в большой
степени зависят от того, насколько удачно сконструирована система
управления им. В соответствии с характером выполняемого станком про-
цесса и обусловленной этим конструкции станка система управления
распадается на ряд цепей. Соответственно выполняемой функции одни
из цепей управления должны быть независимы от остальных, другие
должны быть взаимно связаны — сблокированы.
Система управления станком в целом представляет нередко сочетание
механических, электрических и электронных, гидравлических, пневма-
тических устройств, причем иногда в одном станке используются почти
все эти средства.
Степень автоматизации системы управления колеблется в современ-
ных станках в пределах между вполне автоматизированным управлением,
когда станок после пуска работает без всякого участия рабочего в управ-
лении, и полностью ручным управлением («ручные» станки). Общая тен-
денция современного станкостроения направлена в сторону автоматиза-
ции все большего количества операций управления и максимального
упрощения остальных операций, выполняемых вручную.
Решающее значение приобретают в станкостроении системы автомати-
ческого управления — централизованная (независимая, или система вре-
менного контроля) и система путевого контроля (зависимая). В системах
первого типа команда на управление исполнительным органом выпол-
няется независимо от его положения и от того, выполнена ли предыдущая
команда. В системах путевого контроля команда исполнительным органом
выполняется в зависимости от его положения.
Возрастает также число станков с программным управлением, т. е.
с принудительным автоматическим осуществлением цикла по определен-
ному закону посредством сменного элемента или элементов, задающих
этот закон. Для этой цели может быть применен, например, барабан,
сходный с контроллерным. На поверхности барабана прикреплены мед-
ные полоски, каждая из которых при вращении его замыкает соответствую-
щую электрическую цепь, выполняющую определенную функцию управ-
ления. Вместо такого барабана можно применить также перфорированную
ленту или карту, магнитную ленту, ленту (пленку) с оптической за-
писью и т. д. Все более широкое применение получают системы числового
программного управления, которые рассмотрены, как и другие системы
автоматического управления станками, в VI разделе.
ФУНКЦИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ
173
Важное значение приобретает задача автоматизации управления при
проектировании новых моделей станков в связи с широким распростра-
нением скоростных методов обработки металлов резанием, что требует
уменьшения вспомогательного времени на управление станком. Это не-
обходимо учитывать при разработке системы управления для станков
новых моделей всех типов.
К системе управления станком предъявляются следующие требования:
1. Безопасность управления. Для обеспечения безопасности и охраны
здоровья рабочего органы управления должны быть сконцентрированы
и расположены в удобных зонах управления, а если нужно, и дублиро-
ваны, чтобы рабочему не приходилось много ходить вокруг станка.
Необходимо избегать такой конструкции управления, при которой
некоторые из органов управления вращаются во время работы станка.
Электрические кнопки и поворотные переключатели должны быть
утоплены в крышке или защищены стенкой, кольцами и т. п.; это требо-
вание не относится к кнопкам «Стоп».
Для предупреждения аварий, которые могут быть вызваны неудачной
конструкцией системы управления или ошибками рабочего, применяют
следующие меры:
а) фиксируют органы управления в каждом из занимаемых ими поло-
жений;
б) блокируют механизмы управления, т. е. создают такие связи между
отдельными цепями управления, которые делают невозможным одновре-
менное включение двух несовместных движений, включение лишь одной
или нескольких определенных цепей (например, включение подачи стола
фрезерного станка при неподвижном шпинделе или выключение шпин-
деля при продолжающейся подаче стола);
в) ставят ограничители пути установочных перемещений;
г) используют сигнальные устройства.
При обработке радиоактивных и токсических материалов необходимо
применять дистанционное управление (см. § 7, стр. 187) и специальные
меры по технике безопасности.
2. Легкость и удобство манипулирования ручными органами управления.
При компоновке постов управления и размещении маховичков, рыча-
гов, ручек, поворотных рукояток, кнопок и других органов управления
необходимо учитывать физиологические факторы человека. Необходимая
для управления сила на рукоятках и маховичках механизмов передвиже-
ния не должна превышать 80 я, а при возможности производить эти пере-
движения также механическим путем — 160 я. Если возможно, лучше
принимать для предельной силы значение 60—65 я, а если операция управ-
ления производится часто, — 40—45 я.
Важными факторами удобства и легкости управления являются раз-
меры, форма и расположение той части органа управления, за которую
рабочий берется рукой, и зона, в которой расположены органы управления
станком.
Если органы управления, перемещаясь во время работы станка вместе
с узлом, на котором они установлены, уходят от рабочего в неудобную
для управления зону, то следует дублировать органы управления для
аварийной остановки станка; необходимо также дублировать по крайней
мере важнейшие органы управления. Эта задача решается удобнее всего
применением подвесных кнопочных станций (постов).
3. Быстрота управления. На операцию управления должно затрачи-
ваться тем меньше времени, чем чаще она производится.
174
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
4. Мнемоничность управления, которая достигается прежде всего со-
гласованием направления движения руки с направлением движения
управляемой части станка, в соответствии с правилами ГОСТа 9146—59,
«Направление движений в станках». В нем регламентированы направле-
ния движений органов управления для осуществления ручных или меха-
низированных движений перемещаемых элементов станка, связанных
с установкой взаимного расположения обрабатываемой заготовки и ин-
струмента.
Степень мнемоничности управления зависит от числа органов управле-
ния, которыми должен манипулировать рабочий при обслуживании станка:
запоминание управления тем труднее и затраты времени на переключения
тем больше, чем больше количество органов управления. Понятна поэтому
общая тенденция современного станкостроения в сторону уменьшения этого
количества. Наилучшей в этом отношении является такая система, при
которой для переключений приходится действовать лишь одним органом
управления (см. стр. 178) или при кнопочном управлении нажимать одну
кнопку.
Другой путь сокращения количества органов управления станком —
сосредоточение, например, в одной рукоятке или маховичке нескольких
различных, но одноименных или родственных функций. Объединение
управления разноименными функциями в одном органе допустимо, если
система управления автоматизирована настолько, что ошибки управления
практически исключены.
5. Точность системы управления. Точность перемещений, производи-
мых различными органами управления, может быть весьма различной.
В одних случаях достаточна точность, измеряемая миллиметрами (напри-
мер, при установке суппорта продольно-строгального станка на попере-
чине), в других необходимая точность перемещений измеряется микро-
метрами (например, на координатно-расточных станках).
В каждом конкретном случае необходимую точность работы цепи
управления следует определить исходя из ее назначения и выполняемой
ею функции.
§ 2. ВЫБОР СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЕЕ КОНСТРУКЦИИ
Система управления станка слагается из цепей независимых или сбло-
кированных. Каждая из этих цепей выполняет в станке определенную
функцию и состоит из: а) управляющего органа (элемента), получающего
в должный момент цикла команду от датчика; б) элементов и передач,
назначением которых является передача команды, полученной управляю-
щим органом, исполнительному органу, производящему необходимое
движение управления; эта передача сопровождается обычно преобразова-
нием перемещения управляющего органа по величине и по направлению,
а одновременно и силы, приложенной к этому органу; в) исполнительного
органа.
Датчиком команды может быть рука или нога рабочего, обслуживаю-
щего станок; упор, движущийся вместе со столом, салазками и т. п.;
кулачок на распределительном валу автомата; копир в форме модели,
эталона или графического шаблона («чертежа»); перфолента, перфокарта,
магнитная лента и т. д.
Для передачи команды исполнительному органу цепи управления
используются механические элементы и передачи, аппаратура электри-
ческая, электронная, гидравлическая и пневматическая в самых разно-
образных сочетаниях.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ
175
Исполнительный орган цепи управления, осуществляющий требуемое
перемещение соответствующей части станка, имеет в большинстве случаев
форму механического элемента (рычага, рейки, вилки). Иногда его функ-
цию выполняет масло под давлением или сжатый воздух, непосредственно
воздействуя на перемещаемую часть.
Если проектируемый станок предназначается для крупносерийного
или массового производства, то управление им должно быть, как правило,
полностью или почти полностью автоматизировано: станок должен быть
сконструирован как автомат или полуавтомат (см. раздел VI).
Применяя различного рода автоматизирующие элементы или устрой-
ства, иногда очень несложные, можно сократить число операций управле-
ния, выполняемых вручную, до минимума, а иногда и превратить неавто-
матический станок в полуавтомат или автомат.
Наивыгоднейшую степень автоматизации управления проектируемого
станка можно установить в каждом отдельном случае, сопоставляя обусло-
вленное автоматизацией осложнение конструкции, а отсюда увеличение
трудоемкости, себестоимости, иногда и уменьшение эксплуатационной
надежности станка, с одной стороны, с достигаемыми этой автоматизацией
экономическим эффектом и облегчением обслуживания, с другой.
Автоматические остановы в конце обработки в большинстве случаев
целесообразны, а иногда и необходимы (например, в сверлильных стан-
ках — при сверлении и нарезании глухих отверстий) и удорожают ста-
нок, как правило, незначительно.
Трудности представляет и следующий этап — выбор наиболее рацио-
нальной конструкции системы управления, что обусловлено разнообра-
зием возможных комбинаций средств механики, электротехники, электро-
ники, гидравлики и пневматики при решении этой задачи. Можно, напри-
мер, спроектировать систему вполне автоматического управления, ис-
пользуя только механические элементы и передачи, как это сделано во
многих современных токарно-револьверных автоматах.
Гидравлические системы управления заслуживают предпочтения, когда
проектируемый станок должен иметь гидравлический привод для подачи
или для главного движения: в таких случаях не. потребуется ставить на-
сссный агрегат для обслуживания одной лишь системы управления.
Электрические, гидравлические, электрогидравлические и электро-
пневматические системы очень удобны для дистанционного управления
станками.
Для многомоторных станков электрическое управление обычно наи-
более удобно. Возможности его чрезвычайно широки и непрерывно возра-
стают. В настоящее время можно, например, синхронизировать управле-
ние двумя копировально-фрезерными полуавтоматами так, что по одному
и тому же копиру один из них будет изготовлять правый, другой в то же
время левый штампы.
Применение пневматики в системах управления ограничено прежде
всего необходимостью наличия пневматической сети в цехе, где будет
установлен станок.
§ 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ИХ ОСНОВНЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ
Система управления может быть построена так, что для перехода
от одного числа оборотов к какому-либо другому (или от одной подачи
к какой-либо другой) необходимо пройти через все промежуточные числа
176
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
оборотов (или подачи). Недостатки таких систем последовательного пере-
ключения скоростей — большая затрата времени на переключения, чем
при других типах механизмов управления, большой износ зубьев колес
с торцов — в коробках с передвижными блоками и износ кулачков —
в коробках с кулачковыми муфтами.
Этих недостатков нет в системах избирательного, или селективного
переключения, которые позволяют перейти от одной скорости к произ-
вольной другой, минуя все промежуточные скорости (числа оборотов,
подачи), см. стр. 185—187.
Еще большее сокращение времени на переключение достигается при
применении систем управления с предварительным набором (выбором)
скорости, или преселективных систем (см. стр. 183—184).
Всем трем названным системам переключения присущ тот недостаток,
что если торцы зубьев передвижных блоков колес или кулачков (зубьев)
Сйепных муфт упрутся в торцы зубьев или кулачков сопряженных деталей
при включенных валах коробки, то произвести переключение невозможно.
В подобных случаях приходится сообщать валам коробки небольшой
поворот — вручную, или от толчковой кнопки, или, наконец, посредством
толчковых включений фрикционной муфты, если она имеется; все это
связано с лишней затратой времени.
Выбор типа системы управления зависит главным образом от того,
как часто приходится производить переключения, следовательно, на-
сколько управление будет утомительно для рабочего и насколько велика
доля вспомогательного времени на переключения чисел оборотов, подач
и т. д., в общем штучном времени.
Органы ручного управления и педали
Формы органов ручного управления, применяемых в современных
станках, довольно разнообразны; наиболее распространенные махо-
вички со спицами и без спиц, вращающиеся рукоятки, ручки рычагов
управления, кнопки поворотные — нормализованы в СССР (нормали
машиностроения МН 4-58—12-58); их следует применять, во всех
случаях, где особые условия не требуют специальных форм этих
органов.
Съемные органы управления, вообще говоря, нежелательны — они
нередко теряются. Однако иногда их приходится применять, например,
с целью взаимной блокировки этим простейшим способом несовместных
движений управления.
Как уже упоминалось, крайне нежелательно допускать вращение
маховичков и рукояток во время работы станка, особенно при быстрых
ходах, когда и эти органы управления вращаются быстро, что пред-
ставляет опасность для рабочего; маховичок должен автоматически (на-
пример, пружиной) отсоединяться от валика, на котором он сидит, на все
время автоматического движения управляемой им части станка.
Ножное управление используется в станках значительно реже ручного.
Чаще всего педали служат для управления зажимными устройствами,
например пневматическими или электрическими патронами, так как при
снятии обработанной детали и загрузке новей заготовки нередко бывают
заняты обе руки рабочего.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ
177
Передачи от управляющего органа к исполнительному механизму
Исходное движение управляющего органа в большинстве случаев
вращательное, движение управляемого элемента или части станка —
чаще прямолинейное, чем вращательное. Поэтому в цепях управления
используются все механические передачи, при помощи которых враща-
тельное или, реже, прямолинейное движение преобразуется в иное прямо-
линейное или во вращательное.
Из механических передач чаще других применяются рычажные, рееч-
ные и винтовые передачи, в системах однорычажного управления —
кулачковые, кулисные и мальтийские механизмы.
Фиг. V, 155. Применение реечных передач в
механизме управления коробкой скоростей
Основное достоинство реечной передачи — возможность произволь-
ного расположения рейки в плоскости реечного колеса или зубчатого
сектора, сцепляющегося с рейкой; это позволяет перемещать деталь,
связанную с рейкой, в любой плоскости. Одно и то же реечное колесо
можно вводить в зацепление с несколькими рейками, как это может по-
надобиться в избирательных системах управления; при этом становятся
ненужными специальные блокирующие элементы. Для примера на
фиг. V, 155 показано устройство управления коробкой скоростей, которая
имеет пять передвижных деталей на двух параллельных валах — два
двойных блока и три зубчатых колеса. Перемещения их производятся
тремя рукоятками 6, 7 и 8, которые укреплены на одной общей оси и при
помощи зубчатых секторов могут передвигать в осевом направлении пять
тяг 1—5 с вилками, по числу передвижных элементов коробки.
Недостаток этого решения — «многорычажность», делающая в данном
случае управление недостаточно удобным.
Передача винтом с гайкой особенно удобна для точных перемещений.
Комбинируя ее с сильно редуцирующей передачей, можно сделать очень
малые, измеряемые микрометрами перемещения от руки, требуемые,
например, при периодической подаче на глубину резания в шлифовальных
станках. Достоинство винтовой передачи заключается в том, что она по-
зволяет создать в конце цепи управления большую силу, необходимую,
например, для перемещения тяжелого узла станка без включения в эту
цепь промежуточных передач. Иногда имеет значение то обстоятельство,
что реечная передача позволяет перемещать соответствующий узел станка
быстрее, нежели винтовая. Это различие между обеими передачами исче-
зает, если применить винт большого шага (фиг. V, 156).
178
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
Передачи мальтийские, цевочные, кулачками и неполнозубыми коле-
сами удобны для управления посредством одного маховичка или рукоятки
несколькими передвижными блоками колес, муфтами и т. д. (см. ниже).
Фиг. V, 156. Деталь управления передвижным бло-
ком колес коробки подач продольно-строгального
станка
Для переключения ско-
ростей шпинделя или подач
широко используется про-
стейший рычажный меха-
низм в виде валика с вил-
кой, на наружном конце
которого закреплены ру-
коятка, маховичок и т. п.
Вилка связана с переме-
щаемой деталью лишь в
осевом направлении и не
мешает ей вращаться. При
повороте рукоятки вилка
переводит муфту или блок
вдоль валика в должное
положение. Если путь пе-
ремещения велик, то во избежание перекосов вилки необходимо
предусмотреть для нее направляющую, например, в виде планки,
круглых стержней, шлицевого (зубчатого) валика.
§ 4. МНОГОРЫЧАЖНЫЕ И ОДНОРЫЧАЖНЫЕ (ОДНОРУКОЯТОЧНЫЕ)
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Цепи управления деталями одного и того же узла можно сделать
независимыми друг от друга. Подобное решение приводит обычно к гро-
моздкой многорычажной (многорукояточной) системе управления, не-
удобной для обслуживания станка, неэкономичной в отношении затрат
времени на управление и утомительной для рабочего.
Значительно лучше их однорычажные (однорукояточные) системы,
в которых каждый узел управляется при помощи лишь одного-двух
ручных органов. Такие системы представляют одну из характерных тен-
денций конструирования современных станков, в которых операции руч-
ного управления играют еще существенную роль. Механизмы однорычаж-
ного управления получаются нередко довольно сложными и дорогими.
Поэтому при проектировании нового станка нужно сопоставить варианты
обеих систем управления и оценить, насколько оправдывается осложнение
конструкции и удорожание станка эксплуатационными преимуществами
и экономическими выгодами, достигаемыми при однорычажной системе
управления.
Если машинное время операции исчисляется многими часами, то
экономия секунд или немногих минут при выполнении операций ручного
управления не играет роли; в подобных случаях однорычажное управле-
ние может быть оправдано стремлением предупредить возможность такой
ошибки при наладке или обслуживании станка, которая могла бы повлечь
за собой брак обработанной детали. Напротив, однорычажная система
заслуживает предпочтения перед многорычажной во всех случаях, когда
оператору приходится манипулировать органами ручного управления
сравнительно часто, как, например, при работе на станках средних и
малых размеров.
Наиболее распространенные системы однорычажного управления можно
разделить на две основные группы:
МНОГОРЫЧАЖНЫЕ И ОДНОРЫЧАЖНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
179
1. Однорычажные системы управления с постоянными связями между
органом управления и управляемыми деталями. Все перемещения по-
следних осуществляются за счет выбранной структуры и конструкции
цепи управления. В этих цепях широко используются барабанные и пло-
ские кулачки, кулисные передачи, мальтийские механизмы, а также
гидравлические, пневматические, электрогидравлические и другие устрой-
ства.
2. Однорычажные системы управления, в которых один и тот же
управляющий орган можно связывать с несколькими различными цепями
управления. Управляющий орган принимает в таком случае форму ры-
чага или маховичка, который переставляется вдоль своего валика, форму
шаровой рукоятки с неизменным центром вращения и т. п.
Принципы конструирования систем однорычажного управления по-
ясняются приведенными ниже примерами.
В конструкции по фиг. V, 157 рукоятку 3 можно поворачивать как
в горизонтальной плоскости вместе с валиком 4, так и в вертикальной,
вокруг пальца 1. При повороте ее в горизонтальной плоскости длинное
колесо 10, составляющее одно целое с валиком 4, передвигает ползун
с рейкой 11 и вилкой, и трехвенцовый блок 12 перемещается вдоль' ва-
лика 9 вправо или влево. Если поворачивать рукоятку 3 в вертикальной
плоскости, валик 4 перемещается вверх или вниз, круглая рейка 8 пово-
рачивает зубчатое колесо 7 с валиком 6, на котором оно закреплено.
Вилка 14, заклиненная на валике 6, перемещает при этом вдоль валика 5
двойной блок /3. Шесть вырезов в планке (селекторе) 2 соответствуют
шести ступеням скорости, которые дают все возможные комбинации ра-
бочих положений тройного и двойного блоков. Когда рукоятка 3 нахо-
дится вне этих вырезов, оба блока занимают нейтральные положения.
На фиг. V, 158 показана схема устройства однорычажной системы управ-
ления 16 ступенями скорости шпинделя фрезерного станка. Числа оборо-
тов шпинделя переключаются здесь посредством четырех передвижных
двойных блоков колес а, Ь, с и d. Для построения разверток кривых на
барабанах 1 и 3, из которых первый управляет блоками колес с и d, а вто-
рой— блоками а и ft, достаточно располагать структурным графиком
коробки скоростей, который наглядно указывает порядок переключений.
Пользуясь таким графиком, легко построить развертки канавок на
управляющем барабане, как это сделано для данной коробки
на фиг. V, 159.
Размеры х, у, z и т. д., ширина и форма канавок определяются соот-
ветственно величинам путей перемещения блоков, диаметрам роликов,
которые входят в канавки, и т. д.
В конструкции по фиг. V, 158 валы обоих барабанов связаны маль-
тийской передачей 5—4 с четырехпазовым крестом. Таким образом,
барабан 1, управляющий блоками end, делает полный оборот за каждые
четыре оборота барабана 3, который управляет блоками а и ft, соответ-
ственно структурной формуле коробки: 16 = 4-2-2. Поэтому на барабане 3
канавка для блоков а и ft должна иметь лишь по одному правому и левому
рабочему положению (отрезок К разверток на фиг. V, 159), так же как
канавка для блока d на барабане 1 (см. фиг. V, 158); канавка на бара-
бане 1 для блока с должна иметь два правых и два левых рабочих поло-
жения (фиг. V, 159).
Рабочие положения описанного устройства фиксируются диском 2.
Плоские кулачки с закрытыми кривыми обладают по сравнению
с барабанными кулачками преимуществом большей компактности, что
tea
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
Фиг. V, 158. Пример системы однорычажного
управления с барабанными кулачками
и мальтийской передачей
Фиг. V, 157. Пример системы одноры-
чажного управления
Работают
передачи
а’ Т6 ~
ъ % ~
"3 ~ 58
_ 53_
П“ 52
„ 35 _
nS 70
30
74
31
74
31
74
31
74
58
52
58
52
58 23
52
58
52
30
74
30
14
30
74
30
74
58
52
58
52
23_
102
23
112
23
102
23
162
23_
102
23
102
nJ5 —
% —
❖7
5S
53
52
58
52
102
23
102
74
51
74
51
24
51
21
51
21
51
74
5Г
74
ЗГ
74
51
Положение
блокоб
а ь с д
Дев 0 Прав Прав
Прав 0 -м- —и—
0 Лев —п— —и—
0 Прав -н-
Лев 0 Лев —п^
Прав 0 —и— —и—
0 Лев —ft— —II—-
0 Прав —ii- —II—
Лев 0 Лрав Лев
Прав 0 —п— —и—
0 Лев —п— —и—
0 Прав -н-
Лев 0 Лев —н—
Прав 0 -а- -IF-
0 Лев —н—
0 Орав -в—
Развертки канавок
для блоков
Фиг. V, 159. Построение разверток кривых барабанов 1 и 3 механизма
управления по фиг. V, 158
МНОГОРЫЧАЖНЫЕ И ОДНОРЫЧАЖНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
181
обусловлено малой толщиной их и возможностью расположения управ-
ляющих кривых на обеих сторонах каждого диска. Пример применения
плоских кулачков в системе однорычажного управления скоростями
шпинделя фрезерного станка приведен на фиг. V, 160 [1 ]. Как это видно
из кинематической схемы коробки, шпиндель имеет здесь 4-2-1-2= 16
ступеней скорости. Коробка скоростей сходна по устройству с изобра-
женной на фиг. V, 158, и управление ею отличается лишь тем, что два
барабана заменены здесь двумя дисками. Диск 1 управляет двумя двух-
гч
"г
Пз
В
ча Л6
Развертки
канавок для болтов
Фиг. V, 160. Пример системы однорычажного управления с дисковыми (плоскими) кулач-
ками и рычажными передачами
| "о
§ Пт
<3
5
=> П13
Пн
#16
венцовыми блоками end обеих переборных групп передач и имеет для
этого две канавки — по одной с каждой стороны. Диск 2 имеет только одну
канавку*для обоих двухвенцовых блоков а и Ь. Ролики а' и Ь', отвечаю-
щие этим блокам, расположены в этой канавке на расстоянии 180° один
от другого.
Если бы управление всеми блоками было объединено на одном плоском
кулачке, то ролики а' и Ь' должны были бы быть смещены на -2 = 45°,
как это видно из сравнения разверток двух канавок для блоков а и Ь.
Следовательно, при выбранной конструкции механизма управления кула-
чок 2 должен делать = 4 оборота за один оборот кулачка /; в этом
отношении конструкция механизма не отличается от описанной выше
(фиг. V, 158). Это достигается здесь соответствующей передачей между
кулачком 2, непосредственно связанным с рукояткой, и кулачком 1.
Установленное число оборотов шпинделя указывается на циферблате
стрелкой, связанной с кулачками.
182
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
При помощи одной рукоятки или одного маховичка можно перемещать
большое количество деталей механизмов станка, следовательно, управ-
лять большим числом скоростей главного движения, подач, быстрых
(ускоренных) и установочных движений. Используя средства электро-
техники, гидравлики и пневматики, особенно удобные для дистанционного
управления, можно рукоятку или маховичок системы однорычажного
управления отделить от самого станка, поместив их на подвесном или
переносном пульте.
Выбор комбинации механических и других средств, наиболее целе-
сообразной в эксплуатационном и технологическом отношениях, должен
8 11 10 4 7
Фиг. V, 161. Четырехпозиционная
шаровая рукоятка
быть сообразован в каждом конкретном
случае проектирования с повышением про-
изводительности, достигаемым примене-
нием однорычажного управления, с одной
стороны, и удорожанием станка, обуслов-
ленным более сложной системой управле-
ния, с другой. При оценке сравниваемых
вариантов однорычажного управления не
следует упускать из виду существенного
недостатка многих из них — необходимости
пройти при переключении скорости или
подачи через все промежуточные значе-
ния их. Это влечет за собой не только
непроизводительные потери времени, но и
повышенный износ деталей системы упра-
вления. Поэтому, если переключения
придется производить часто, то вариан-
ты с такого рода особенностью нежела-
тельны.
Шаровые рукоятки. Шаровые
рукоятки, которые могут поворачиваться
в двух или нескольких плоскостях, обла-
дают тем преимуществом, что их не прихо-
дится переводить через все промежуточ-
ные положения. Принцип использования
шаровой рукоятки поясняет фиг. V, 161.
Два передвижных блока колес 7 и 8, соп-
ряженных с четырьмя зубчатыми колесами
ведомого вала 12, можно перемещать посредством вилок 6 и 9, укреп-
ленных на тягах 5 и 10. Обе тяги вместе с вилками перемещаются одной
рукояткой 1, укрепленной в крышке коробки на шаровом шарнире 2.
Рукоятка имеет на конце шарик 3, который можно завести в гнездо
колодки 4 или //; при повороте рукоятки 1 она передвигает эту колодку
вместе с ее тягой вдоль оси последней и одновременно соответствующий
блок колес.
Когда тяги 5 и 10 находятся в среднем положении (при этом оба блока
занимают нейтральное положение), гнезда колодок 4 и 11 расположены
одно против другого, и шарик 3 рукоятки можно завести в любое из них.
После того, как один из блоков займет рабочее положение, ввести шарик 3
в другое гнездо уже невозможно.
Одной и той же шаровой рукояткой, включая ее в различные цепи
управления, можно управлять большим количеством скоростей или
подач.
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С ПРЕДВА РИТЕЛЬНЫМ НАБОРОМ СКОРОСТИ 183
§ 5. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ НАБОРОМ СКОРОСТИ
ГЛАВНОГО ДВИЖЕНИЯ ИЛИ ПОДАЧИ
Затраты времени на переключения могут быть уменьшены, если систему
управления сконструировать так, чтобы большая часть манипуляций,
необходимых для переключения, производилась в то время, когда станок
работает, без изменения установленного для данной операции режима
работы. После окончания этой операции скорость переключается очень
быстро одним движением рукоятки или нажатием кнопки. Такие системы
управления называются системами с предварительным выбором, или, точ-
нее, набором скорости (подачи), или также преселективными системами
Фиг. V, 162. Пример системы управления с предварительным набором
скоростей
управления. Эти системы экономически оправдываются в таких станках,
характер работы которых требует сравнительно частого изменения ско-
рости главного движения или подачи (например, в револьверных станках).
Если машинное время на отдельные операции значительно (например,
при обработке крупных деталей на больших станках), то обосновать
экономическую целесообразность таких систем управления нельзя. Вопрос
о рациональности применения преселективной системы управления дол-
жен решаться в каждом отдельном случае на основе технико-экономиче-
ского расчета.
Число различных систем управления с предварительным набором
скорости, получивших применение в современных станках, довольно
велико. В конструктивном отношении эти системы могут существенно
различаться, но общими для них остаются принцип разрыва цепи управ-
ления на время подготовки очередной скорости и применение переклю-
чающих фасонных кулачков, аналогичных кулачкам или барабанам систем
однорычажного управления.
Понятие об устройстве систем управления с предварительным набором
скорости дает фиг. V, 162. Прежде всего поворачивают рукоятку /; при
этом деталь 2 перемещает в противоположные стороны по направляющим
штангам 4 и 10 вилки 3 и 11, которые охватывают выточки фасонных
кулачков 5 и 12, Затем маховичком поворачивают валик 6, на шлицах
которого сидят эти кулачки. Скорость переключается поворотом руко-
ятки 1 в противоположную сторону. При этом выключается главная фрик-
ционная муфта, валики коробки скоростей притормаживаются, сблизив-
шиеся кулачки 5 и 12, воздействуя выступами на пальцы рычагов 7 и S,
184
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
поворачивают их вокруг осей 9, и вилки на концах этих рычагов переводят
соответствующие блоки колес в новые положения.
В качестве второго примера на фиг. V, 163 дана схема гидрофицирован-
ной системы управления скоростями шпинделя и подачами радиально-
сверлильного станка. Система работает следующим образом.
Насос 1 нагнетает масло в аккумулятор 2. После заполнения аккуму-
лятора необходимым объемом масла открывается отверстие, через которое
Фиг. V, 163. Схема гидрофицированной системы управления с предварительным набором
скоростей 1
масло под давлением (1,0-е-1,2) • 106 н/л2 (10—12 ат) отводится к местам
смазки подшипников и зубчатых колес сверлильной головки.
Подготовка необходимого переключения блоков зубчатых колес в ко-
робке скоростей и коробке подач производится маховичками 6 и 7, которые
через конические передачи 8 и 9 повертывают в должные положения вну-
тренние втулки избирательных цилиндров 5 й 10. При этом полости дав-
ления цилиндров окажутся соединенными с верхними и нижними поло-
стями двухпозиционных цилиндров 4 и трехпозиционного 11, поршеньки
которых жестко связаны с рычагами вилок, переключающих блоки колес.
Пока главный золотник 3 закрыт и полости избирательных цилиндров
не находятся еще под давлением, все блоки остаются в прежних положе-
ниях. Перемещения блоков произойдут, как только золотник 3 будет
соединен с гидросистемой управления рукояткой 12, которая включает
многодисковую муфту станка.
Сопоставление существующих конструкций систем управления с пред-
варительным набором скоростей дает основания считать, что дальнейшее
развитие их пойдет главным образом в направлении использования в них
средств гидравлики, пневматики и электротехники при одновременном
упрощении механической части.
СИСТЕМЫ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО (СЕЛЕКТИВНОГО) ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
185
§ 6. СИСТЕМЫ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО (СЕЛЕКТИВНОГО) ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
Фиг. V. 164. Принципиальная схема селектив-
ного переключения четырех скоростей однору-
кояточным механизмом горизонтально-расточ-
ного станка мод. 262Г Станкозавода
им. Свердлова
Выше (стр. 176) упоминалось об эксплуатационных недостатках систем
последовательного переключения и о преимуществах избирательного,
или селективного способа переключения. Эти преимущества тем значи-
тельнее, чем больше число переключений, т. е. число ступеней скорости
шпинделя или скоростей подачи. Принцип работы селективных механиз-
мов переключения поясняется фиг. V, 164—168 139, 60].
На первой из них изображена принципиальная схема однорукояточ-
ного селективного механизма переключения скоростей, разработанного
Станкозаводом им. Свердлова и
примененного в горизонтально-
расточных станках этого завода
[39]. Для включения одной из
четырех возможных скоростей
ведомого вала 7 нужно ручкой 1
оттянуть селекторный диск 2
на себя, отодвинув его таким
образом от реечных толкателей
3, попарно сцепленных с зубча-
тыми колесами 1Г, затем повер-
нуть диск в соответствующее
положение, руководствуясь при
этом указателем с риской (по
шкале), после чего продвинуть
диск вперед до отказа. Селек-
торный диск передвинет вперед
соответствующую пару реечных
толкателей, и вилки рычагов 5
и 10 переведут в требуемые
положения двухвенцовые блоки 6 и 9. Электрический элемент 4 служит
здесь для автоматического толчкового включения электродвигателя 8
при контакте сопряженных колес в зоне невключения.
Селективный механизм переключения скоростей, схема которого пред-
ставлена на фиг. V, 165 [60], имеет так же, как предыдущий механизм,
лишь один селекторный диск и отличается от него только большим коли-
чеством реечных толкателей, посредством которых перемещаются двух-
венцовые блоки 1—4 для переключения 4-2-2 — 16 скоростей. Основные
геометрические размеры механизмов такой конструкции определяются
из очевидных соотношений: при обозначениях, принятых на фиг. V, 165—
167 [60].
Расстояние между осями пары реечных толкателей
С — 2г + d — 2т,
(V, 215)
где т — модуль реечных колес гг—z4 (фиг. V, 165).
Диаметр концентричных окружностей, на которых расположены от-
верстия под цапфы реечных толкателей:
D,
С________с
В . ka ’
sm -%- sin-g-
(V, 216)
186
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
здесь k — целое число, а а =---------, где п •— число требуемых
переключений. Следовательно,
Фиг. V, 165. Принципиаль-
ная схема однодискового ме-
ханизма селективного пере-
ключения 16 скоростей
D —
. £.180°
sin-----
п
(V,217)
Величина перемещения толкателей зависит от
ширины Ь зубчатых венцов передвижных блоков
и отношения , где R( — радиус рычага,
Фиг. V, 166. К определе-
нию геометрических раз-
меров элементов механиз-
ма по схеме фиг. 165
Г—С
Фиг. V, 167. К опре-
делению геометриче-
ских размеров эле-
ментов механизма по
схеме фиг. V, 165
передвигающего соответствующий блок. Обычно Rt — (3-ь5)г [60].
Селективный механизм переключения скоростей по фиг. V, 168 [60]
отличается от описанных выше тем, что имеет два селекторных диска
а
Фиг. V, 168. Принципиальная
схема двухдискового механизма
селективного переключения
16 скоростей
вместо одного. Остальные отличия этого меха-
низма от изображенного на фиг. V, 165 не тре-
буют пояснений.
Обладая важным эксплуатационным достои-
нством — возможностью переходить от любой
скорости к любой другой, минуя все промежу-
точные, эти селективные механизмы не лишены
и недостатков: конструктивно и технологически
они довольно сложны, блоки зубчатых колес,
расположенные на одном валу коробки, должны
быть обеспечены блокирующим устройством, не
допускающим одновременного включения двух
блоков, и др. Селективный механизм двухдис-
ковый компактнее однодискового, в остальном
они практически равноценны. Подробный ана-
лиз их конструкции и усовершенствованный
вариант механизма селективного управления
дан в работах М. X. Молдавского ([60] и др.).
Анализ показывает, что число повторных
отключений и включений блокируемых блоков
зубчатых колес, зависящее от конструкции се-
лективного механизма и способа блокировки,
ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
187
может быть довольно значительным и вызывать не только излишние
потери времени при переключениях* скоростей, но и повышенный износ
торцов зубьев колес. В этом отношении селективные механизмы с балан-
сирами (применяемые, например, в станке мод. 679 для фрезерования
канавок спиральных сверл) или с поворотными пальцевыми толкателями
(в универсальных фрезерных станках мод. 675 и 676) лучше механизмов
с реечными толкателями: они не требуют повторных, кинематически
не обоснованных включений.
§ 7. ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Широко применяется в современных станках дистанционное управле-
ние, позволяющее оператору производить большую часть необходимых
операций управления, оставаясь на более или менее значительном
расстоянии от управляемых узлов станка. Такие системы управления
во многих случаях удобны, а для крупных и в особенности уникальных
станков необходимы. Станки, предназначенные для обработки мате-
риалов, обладающих естественной или искусственной (радиоизотопы)
радиоактивностью, снабжаются дистанционными системами управления
всеми операциями — от закрепления заготовки на станке до съема с него
обработанной детали или полуфабриката. Это тем более необходимо, что
станки этого назначения бывают установлены в отдельном помещении,
изолированном от оператора, или работают погруженными в глубокий
колодец, заполненный водой.
Дистанционным управлением оснащаются также станки для обработки
заготовок, от бериллия, опасного своей токсичностью.
В крупногабаритных станках система дистанционного управления
охватывает большее или меньшее количество операций в зависимости от
размеров станка по фронту, по высоте, иногда и ширине, от его конструк-
ции — расположения на нем узлов, размеров и веса обрабатываемых заго-
товок и частоты выполнения операций управления.
В зависимости от местонахождения поста управления, на котором
сосредоточены органы управления станком, а также от других соображе-
ний применяют различные системы дистанционного управления — элек-
тромеханические, электрогидравлические и др.
Пост централизованного дистанционного управления выполняется
особенно часто в виде подвесного пульта (или дублированных пультов
при больших габаритах станка), на котором смонтированы электрические
кнопки, иногда и некоторые рукоятки управления. Чаще всего на таких
пультах располагают кнопки «Пуск» и «Стоп» главного привода станка,
такие же пары кнопок для некоторых узлов (например, планшайбы кару-
сельного станка, траверсы, тяжелых салазок, зажимных устройств,
коробок передач и пр.).
Компоновки и конструкции систем дистанционного управления отли-
чаются большим разнообразием в отношении выбора средств, элементов
систем и комбинирования их. Самый принцип управления на расстоянии
предопределяет особенно широкое использование в них средств электро-
техники и гидравлики, в меньшей степени пневматики. Для переключений
зубчатых передач коробок скоростей и подач удобны электромагнитные
фрикционные муфты, позволяющие осуществить полное дистанционное
управление скоростями главного движения и рабочих подач, быстрыми
< ускоренными) перемещениями, реверсированием узлов станка, иногда
и предварительным , набором очередной скорости. Применение элек-
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СТАНКОВ
189
тромагнитных муфт, соленоидов, оснащение отдельных узлов станка
индивидуальными электродвигателями и т. п. позволяют свести функции
оператора главным образом — к нажатию кнопок и повороту рукояток
на посту управления.
В тех случаях, когда пост управления расположен так, что непосред-
ственное визуальное наблюдение за ходом обработки, состоянием ин-
струмента, показаниями контрольно-измерительной аппаратуры и пр.
невозможно или затруднено, в последнее время получили применение
промышленные телевизионные установки. Такая установка использована,
например, на большом токарно-карусельном станке мод. КУ-65 (с диа-
метром стола 6,5 м). Передающую телекамеру этой установки можно пере-
мещать в вертикальном направлении вверх и вниз и поворачивать в гори-
зонтальной плоскости. Управление телекамерой — дистанционное, с пуль-
та централизованного управления.
Пример механизма дистанционного переключения горизонтальных по-
дач тяжелого поперечно-строгального станка приведен на фиг. V, 169 [77 ].
Электродвигатель этого механизма включается с пульта управления.
Через цилиндрическую зубчатую и червячную передачи и многодисковую
фрикционную муфту и гайку сообщается поступательное движение винту,
с которым жестко связана вилка блока зубчатых колес. После того, как
б<лок занял требуемое положение, вилка автоматически стопорится фик-
сатором, срабатывает соответствующий конечный выключатель, двига-
тель останавливается.
§ 8. ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СТАНКОВ
При проектировании станка самое серьезное внимание должно быть
обращено на предохранение обслуживающего станок персонала от травм
и чрезмерного физического напряжения, а также на предохранение станка,
инструмента и обрабатываемой заготовки от повреждений, которые могут
быть вызваны различными причинами. Предохранение станка от аварий
имеет особенно серьезное значение в тех случаях, когда он предназначается
для работы в автоматической линии.
Предохранительные устройства должны быть автоматическими.
Устройства для защиты жизни и здоровья рабочего, обслуживающего
станок, имеют важнейшее значение. Конструкции устройств этого назна-
чения рассматриваются в работах по технике безопасности и сома-
тографии.
Устройства для предохранения станка и инструмента от поломок или
повреждений, а обрабатываемой заготовки — от брака можно распреде-
лить на три основные группы:
1. Блокировочные устройства (блокировки), которые должны обеспе-
чивать: а) невозможность включений в одной группе передач одновре-
менно двух или более зубчатых передач, что неизбежно привело бы к по-
ломке колес, валиков и других деталей (см. стр. 190—191); б) невозмож-
ность одновременного включения двух несовместных движений; в) невоз-
можность выполнения некоторых операций управления иначе, как лишь
в определенной последовательности, а иногда также и с определенными
интервалами времени между ними.
2. Ограничители хода, которые имеют в станках двоякое назна-
чение:
а) Одни из них прекращают движение перемещающегося узла станка
по достижении им допускаемых предельных положений во избежание
190
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
схода с направляющих или столкновения с другими неподвижными ча-
стями станка, с инструментами или заготовкой. Такие ограничители,
срабатывающие в неизменных предельных точках пути подвижной части
станка, можно назвать предельными ограничителями хода.
б) Другие ограничители предназначены для включения движения
перемещающегося узла в точках пути, устанавливаемых при наладке
станка. Эти ограничители хода можно назвать, сообразно с их назначе-
нием, размерными, или технологическими, либо также регулируемыми
(устанавливаемыми) в отличие от ограничителей первого рода, которые
в большинстве случаев занимают в станке неизменные положения.
Таким образом, основная функция предельных ограничителей хода —
предохранение станка от аварий, а функция размерных ограничителей —
обеспечение такой обработки, в результате которой деталь получила бы
требуемые размеры, т. е. предохранение детали от брака по размерам.
Размерные ограничители хода широко используются, например, при
точении, шлифовании и фрезеровании до заплечика или уступа, при врез-
ном шлифовании, обработке глухих отверстий и т. п.
3. Предохранители от чрезмерных напряжений защищают станок
от чрезмерных перегрузок, следствием которых может явиться настолько
значительное повышение напряжений в материале некоторых деталей
станка, что оно приведет к поломке или неупругой деформации их, либо
к опрокидыванию двигателя. Недопустимы также и нагрузки, влекущие
за собой настолько большие упругие деформации некоторых деталей,
что результатом этого явилось бы нарушение нормальной работы механиз-
мов станка.
Серьезными последствиями угрожает также чрезмерное повышение
температуры трущихся поверхностей станка, особенно подшипников и
направляющих, которое может быть вызвано как перегрузкой станка,
так и отказом или неполадками в работе смазочной системы. Резуль-
татами тепловых и механических перенапряжений бывают обычно заеда-
ние в подшипнике, задиры на поверхности направляющих и т. д.
Перечисленные выше предохранительные устройства могут удовлет-
ворительно выполнять свои функции лишь при условии вполне автомати-
ческого действия.
Блокировочные устройства
Фиг. V, 170. Блокировка параллельных валов
Задача блокировки передач успешно, решается рациональной кон-
струкцией механизма управления. При однорычажном управлении одно-
временное включение двух различных чисел оборотов шпинделя или двух
различных подач невозможно.
Также и в случае много-
рычажного управления спе-
циальные блокировочные эле-
менты не нужны, если объе-
динить в одном ручном органе
управление теми деталями
механизма, одновременное
включение которых привело
бы к аварии.
Если система управления сконструирована так, что ошибочные, опас-
ные для станка включения возможны, то соответствующие органы управ-
ления должны быть сблокированы. То же относится к управлению кине-
матическими цепями движений несовместных или таких, которые должны
ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СТАНКОВ
191
происходить в определенной последовательности. Задача блокировки
может быть решена различными средствами — механическими, электри-
ческими, гидравлическими или комбинацией их.
1. Блокировка параллельных валов. На валах, на которых закреплены
органы управления, закрепляют взаимно блокирующиеся детали в виде,
Фиг. V, 171. Блокировка взаимно пер-
пендикулярных валов
Фиг. V, 172. Блокировка деталей управле-
ния, движущихся параллельно
например, дисков или секторов с вырезами по схеме фиг. V, 170. В поло-
жении, показанном на фиг. V, 170, а возможно свободное манипулирование
любой из рукояток, в положении по фиг. V, 170, б правый валик заперт.
2. Блокировка взаимно перпендикулярных валов.
При помощи аналогичных элементов могут быть П
сблокированы также взаимно перпендикулярные ва-
лы (фиг. V, 171, заперт нижний валик).
3. Блокировка прямолинейно движущихся дета-
лей может быть осуществлена, как показано схема-
тически на фиг. V, 172 и 173, для двух основных
случаев.
Для создания определенной последовательности
Фиг. V, 173. Блоки-
ровка деталей управ-
ления, движущихся
взаимно перпендику-
лярно
операций управления с выдержкой интервалов времени между ними
или без нее используется электрическая или гидравлическая аппаратура
или комбинация той и другой.
В новых моделях станков все шире используются блокировки электро-,
гидро- и электрогидромеханические. Конструкции их чрезвычайно много-
численны, разнообразны и не могут быть рассмотрены здесь подробнее.
Ограничители хода
Выбор схемы и конструкции устройства для автоматического ограни-
чения хода зависит от функции этого устройства (предельный или размер-
ный ограничитель) и от требуемой точности ограничения пути перемещаю-
щегося узла станка.
Предельные ограничители хода устанавливаются с таким расчетом,
чтобы движущаяся часть станка не доходила до опасного конечного поло-
жения на 3—4 мм. Поэтому для предельных ограничителей достаточна
-эчность ±0,5—1 мм, а иногда и несколько миллиметров.
Если перемещение узла производится от отдельного электродвигателя,
-о остановку этого узла в его предельных положениях проще всего обеспе-
чить посредством электрических кнопочных выключателей простого или
лэментного действия. Точность останова при применении обычных конеч-
ных выключателей без дополнительных устройств лежит в пределах 0,5—
. мм.
192
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
Если часть станка, движение которой должно автоматически прекра-
щаться в предельных точках пути, не обслуживается отдельным двига-
телем, ее остановка в этих точках производится разрывом ее кинемати-
ческой цепи, для чего может быть использовано любое из устройств,
применяемых для размерного ограничения хода.
л Размерные (технологические)
ограничители должны, ка|< пра-
вило, ограничивать ход значи-
тельно точнее, чем предельные
ограничители, так как от этого
зависит точность размеров обрабо-
танной на станке детали.
Точность ограничения хода за-
висит также от того, должна ли
реверсироваться соответствующая
часть станка тотчас же после оста-
новки или нет. В первом случае
точность ограничения, произво-
димого при помощи конечного пе-
реключателя, выше, так как элект-
Фиг. V, 174. Схемы устройств с муфтами
для ограничения хода
родвигатель в процессе реверсирования тормозится противовключением.
При помощи конечных переключателей можно добиться точности огра-
ничения хода до ±0,024-0,03 мм. Для многих случаев такая точность до-
статочна. При необходимости в более высокой точности ограничения хода,
до ±0,001 мм, приходится обращаться к механическим либо комбинирован-
ным электромеханическим или электрогидромеханическим устройствам.
Фиг. V, 175. Схемы устройств с падающим или перемещающимся червяком для
ограничения хода
В основе работы механических систем точного ограничения хода лежит
следующий принцип: часть станка, движение которой требуется ограни-
чить, в определенной точке пути встречает жесткий (мертвый) упор,
закрепленный на неподвижной части станка. Сопротивление дальней-
шему движению возрастает вследствие этого настолько, что кинемати-
ческая цепь привода движущейся части разрывается. Это может быть
осуществлено различными способами; наиболее распространенные пока-
заны схематически на фиг. V, 174 и 175. На схеме по фиг. V, 174, а салазки 2
при встрече с жестким упором 1 останавливаются, и фрикционная муфта 3
начинает буксовать; так продолжается до тех пор, пока салазки не
ПРЕДО ХРА НИ ТЕЛЬ НЫЕ УСТ РОЙС ТВ А С ТА НКОВ
193
будут отведены от упора, например, реверсированием электродвига-
теля. На схеме по фиг. V, 174, б фрикционная муфта заменена хра-
повой 3.
На фиг. V, 175, а [1091 показана схема устройства для ограничения
хода посредством падающего червяка. Движение подачи сообщается
салазкам от ходового вала 2 через зубчатую передачу -|Ц валик 3, уни-
версальную муфту (кардан) и валик 4, на котором свободно посажен
червяк 5, связанный с этим валиком предохранительной перегрузочной
муфтой 6. При встрече салазок с неподвижным упором 1 прекращается
вращение червячного колеса 9 и червяка 5, крутящий момент на валике 4
возрастает, и предохранительная муфта выключается. Ее подвижная
часть, перемещаясь вправо, поворачивает рычажную систему 8 в напра-
влении, показанном стрелками, люлька 7 вместе с червяком падает под дей-
ствием собственной тяжести, и таким образом происходит расцепление
элементов червячной передачи.
В устройстве по схеме фиг. V, 175, б при остановке червячного колеса 2
вследствие встречи салазок с неподвижным упором червяк /, продолжая
вращаться, «ввинчивается» в зубья червячного колеса, перемещается
вправо и поворачивает угловой рычаг 5. Под действием пружины 3 про-
исходит мгновенное выключение муфты 4.
Точность ограничения хода посредством механизмов, построенных по
схемам фиг. V, 174 и 175 или сходным с ними, зависит от жесткости эле-
ментов устройства и устройства в целом.
Из описанных вариантов наилучший в отношении точности ограни-
чения хода — вариант с падающим червяком: при применении его выклю-
чаются тихоходные детали, инерция их мала, следовательно, мал также
выбег по инерции.
Падающий червяк и падающий рычаг с кулачковой муфтой дают точ-
ность ограничения хода при холостом ходе около 0,02—0,03 мм, под на-
грузкой лишь 0,2—0,15 мм.
При ограничении хода жесткими упорами можно достигнуть ограни-
чения хода с точностью не выше ±0,01 мм, а часто только 0,05 мм (точ-
ность ограничения хода зависит от массы ограничиваемого в движении
узла, скорости перемещения и величины коэффициента трения узла на на-
правляющих). Только при особенно благоприятных условиях достижима
более высокая точность.
Для устранения недостатков чисто механических ограничителей хода
при сохранении точности работы по жестким упорам применяют комбини-
рованные электромеханические устройства. Схемы и конструкции их
весьма разнообразны. В одних используются электромагнитные или тепло-
вые реле, выключающие двигатель при внезапном возрастании силы тока
в момент встречи движущейся части станка с жестким упором. В других
одновременно с муфтой, падающим или передвижным червяком срабаты-
вает конечный выключатель, который через контактор выключает дви-
гатель.
Конструкция упора должна допускать прочное и надежное крепление
его. Сами упоры должны быть износостойкими и жесткими, так как де-
формация их может свести на нет все остальные конструктивные меро-
приятия, которые имеют целью обеспечить высокую точность ограни-
чения хода. Способ крепления упоров зависит от конструкции тех частей
станка, на которых они располагаются. Для этой цели часто служат
Т-образные пазы в станине, салазках и т. д.
7 Ачеркан. Зак. 659
194
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
Для точной установки длины хода или дуги поворота один из пары
сопряженных упоров должен быть снабжен микрометрическим винтом
или кольцом либо аналогичной деталью.
На фиг. V, 176 упор 5 закрепляется на станине планкой — прихват-
кой 6 с зубьями, которые входят во впадины рейки 8; два винта 7 притяги-
вают планки к упору и таким образом намертво крепят его к станине.
Микрометрический винт 1 йк^ет опоры во втулках 2 и 4\ для точной уста-
новки его служит гайка 3 с делениями на поверхности а. От вращения
винт 1 удерживается шпонкой во втулке 2.
При работе на станках с суппортами или головками, несущими не-
сколько инструментов, длины хода этих инструментов, вообще говоря,
Фиг. V, 176. Крепление упора на станине
различны, поэтому для каждого из них требуется отдельный упор.
При больших различиях в длинах ходов общий упор приходится иногда
конструировать таким, чтобы его можно было быстро перестанавливать
в различные положения.
В револьверных и токарно-карусельных станках длина хода каждого
из инструментов револьверной головки и поперечного или бокового суп-
порта ограничивается отдельным упором. Каждая группа упоров, соот-
ветствующих одному суппорту, размещается на валике, барабане либо
на специальной плите. Барабан или валик упоров револьверной головки
связывается с ней зубчатой передачей так, что при повороте головки на
следующее инструментальное гнездо поворачивается на одно деление
также барабан или валик упоров.
Деталь, несущая переставные упоры, может иметь различные формы,
например, форму валика с продольными пазами для крепления упоров,
барабана большого диаметра, соосного с револьверной головкой также —
или с продольными канавками, и т. д.
Устройство для размерного ограничения хода суппорта, головки и
т. п. может быть связано с встроенным прибором, который перио-
дически или непрерывно автоматически контролирует соответствую-
щий размер обрабатываемой заготовки. По достижении требуемого раз-
мера прибор автоматически выключает подачу или останавливает станок.
Такие устройства, автоматизирующие работу станка, применяются
особенно часто в станках для окончательной обработки, причем
для измерения используются приборы самой разнообразной конструк-
ции.
ПРЕДО ХРА НИ ТЕЛЬ И ЫЕ УС ТРОЙС ТВ А С ТА И КОВ
195
Устройства для предохранения станка от перегрузок
Размеры каждой ответственной детали станка, необходимые для обеспе-
чения достаточной прочности и жесткости ее, определяют при проекти-
ровании станка исходя из совокупности действующих на эту деталь наи-
больших сил Р и крутящих моментов Мк. Следовательно, устройства,
предохраняющие эту деталь от опасных перегрузок, должны автоматически
ограничивать предельные значения Рпр и МКгПр, Из соотношений
N = СгРо = С2Мкп,
где Af — мощность;
v — скорость;
и — число оборотов в минуту детали, предохраняемой от пере-
грузки;
Сх и С2 — постоянные,
видно, что ограничение мощности в соответствующей кинематической
цепи равносильно в смысле эффективности защиты ограничению силы
или крутящего момента только при v = const или соответственно при
п = const, т. е. в станках узкоспециального назначения, работающих
с неизменным режимом резания, если притом цепь главного движения
и цепь подач приводятся от отдельных двигателей. Если же эти цепи при-
водятся от общего двигателя, или и const, п =р const, ограничение мощ-
ности двигателя каким-либо постоянным предельным значением Nnp не
обеспечивает постоянства Мк.пр или Рпр. Поэтому устройства, ограничи-
вающие мощность приводного электродвигателя станка, вообще говоря,
не могут заменить таких предохранителей от перегрузок, какими являются;
например, срезные штифты, муфты и прочее, и не устраняют необходи-
мости в последних; функции тех и других в принципе различны.
В современных станках находят широкое применение предохрани-
тельные устройства электрические, гидравлические и механические,
причем в одном и том же станке нередко используют одновременно не-
сколько устройств различного рода. Наиболее совершенными в эксплуата-
ционном отношении являются электрические предохранительные устрой-
ства (они, однако, не везде применимы) и срабатывающие выключающие
муфты (предохранительные муфты мгновенного действия). Выбор системы
предохранительных устройств зависит от ряда факторов, в частности от
того, что они должны защищать главным образом — станок, инструмент
или электродвигатель, от требуемых автоматичности действия, быстроты
срабатывания и чувствительности.
Ниже рассматриваются лишь механические устройства для предо-
хранения станков от чрезмерных перегрузок.
Наибольшим распространением в станках пользуются следующие
механические устройства подобного назначения: а) срезные штифты
и шпонки; б) предохранительные муфты — фрикционные, кулачковые
(храповые), шариковые и др.; в) падающие червяки.
До некоторой степени от чрезмерных перегрузок защищает станок
передача плоским ремнем, который в таких случаях буксует до тех пор,
пока нагрузка не уменьшиться до нормальной.
В некоторых случаях бывает недостаточно, чтобы при перегрузке ста-
нок только остановился: нужно еще реверсировать движение, так как
иначе возобновление работы может повлечь за собой поломку инструмента
или станка (станки для глубокого сверления и др.). В подобных случаях
предохранительное устройство должно быть скомбинировано с реверси-
рующим механизмом.
196
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
Срезные штифты и шпонки. Эти детали, устанавливае-
мые в соответствующем месте кинематической цепи и соединяющие два
вала, вал с зубчатым или цепным колесом, с храповиком и так далее, рас-
считываются так, чтобы при Мк^> MKt пр штифт или шпонка разру-
шились. При этом происходит разрыв соответствующей кинематической
цепи, вследствие чего предупреждается повреждение более ответственных
деталей станка или разрушение инструмента.
Типичные конструкции срезных штифтов приведены на фиг. V, 177
(нормаль станкостроения Р95-10) и V, 178. Как видно из этих фигур, срез-
ной штифт вставляется большей частью в стальные закаленные втулки,
запрессованные в отверстия соединяемых деталей; поэтому при перере-
зании штифта края отверстий
Фиг. V, 177. Срезной штифт осевой
Фиг. V, 178. Срезной штифт ра-
диальный
Величина силы, перерезающей штифт, зависит главным образом
от материала, термической обработки штифта и его наименьшего диаметра.
Поэтому силу можно регулировать в довольно широких границах при не-
изменном диаметре отверстия под срезной штифт, варьируя материал,
термическую обработку и применены штифты с прямоугольными или
V-образными выточками различного внутреннего диаметра либо гладкие
штифты во втулках с постоянным наружным и различными внутренними
диаметрами.
Материалом для изготовления срезных штифтов служат сталь 45
(нормаль Р95-10), пружинные и машиноподелочные стали 15, 20, 35 и др.
Перерезывающие втулки изготовляют чаще всего из стали 40Х с закалкой
и отпуском до HRC 48—53.
Аналогично используются в станках предохранительные срезные
шпонки. Их изготовляют из тех же материалов, что и срезные штифты,
иногда из пластмассы.
Срезные предохранительные детали уместны в таких узлах, в которых
чрезмерная перегрузка редко имеет место.
Предохранительные муфты. Предохранительные муфты
обладают тем преимуществом перед срезными штифтами и шпонками,
что они при перегрузке не разрушаются, а проскальзывают или
проскакивают, разрывая соответствующую кинематическую цепь, и снова
автоматически восстанавливают ее, как только нагрузка снижается до
нормальной.
Предохранительные муфты требуют лишь периодической подрегули-
ровки или замены изношенных частей.
В качестве предохранительной может быть использована в принципе
всякая сцепная муфта, обладающая способностью самовыключаться,
ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СТАНКОВ
197
когда передаваемый крутящий момент превысит некоторую предельную
для нее величину. Чаще всего для этой цели используют в станках фрик-
ционные муфты.
Предохранительные фрикционы конструктивно сходны со сцепными
фрикционными муфтами, отличаясь от них главным образом отсутствием
деталей управления (фиг. V, 179). Увеличение срока*службы предох-
ранительной муфты и быстрая остановка перегруженного узла станка
могут быть достигнуты связью такой муфты с выключающим устройст-
вом.
Для изготовления деталей предохранительных фрикционных муфт
используют те же материалы, что и для изготовления фрикционных муфт
любого другого назначения.
Фиг. V, 179. Фрикцион-
ная предохранительная
муфта
Фиг. V, 180. Кулачковая предохра-
нительная муфта
В качестве предохранительных довольно часто применяют также
кулачковые (храповые) муфты, которые успешно выполняют свое назна-
чение при условии правильного выбора наклона граней кулачков и давле-
ния пружин.
Муфта на фиг. V, 180 состоит из втулок (полумуфт) 2 и 5 со скошенными
кулачками (зубьями), заклиненных соответственно на валах 1 и 7. Сцепле-
ние кулачков при передаче крутящих моментов, не превышающих уста-
новленного предела Мк. пр, обеспечивается винтовой пружиной 4. Давле-
ние пружины, а вместе с тем и величина М^пр регулируются подвинчи-
ванием стакана 3. Подпятник 6 необходим здесь потому, что пружина 4
опирается одним торцом на полумуфту 5, жестко связанную с валом 7,
а другим — на стакан 5, который связан через полумуфту 2 с валом 1,
Расцепление кулачков в предохранительных устройствах этого рода
требует осевого перемещения одной из деталей, снабженных кулачками.
Как показывает опыт, сопротивление трения между этой деталью и ее
направляющей шпонкой (или шлицами) может быть иногда настолько
большим, что осевого перемещения не происходит, и муфта не срабаты-
вает. Jia фиг. V, 181, верхняя часть которой изображает предохранитель-
ную муфту механизма подачи стола продольно-фрезерного станка, пока-
зано, каким образом этот недостаток может быть устранен.
Муфта должна связывать втулку 3 зубчатого колеса (не изображен-
ного на фигуре) с ходовым винтом 1 стола. В прежней конструкции при-
менено обычное решение: втулка 3 сидит на гладком участке ходового
винта 1 вхолостую, кулачковая муфта 2 — на шпонке. Для устранения
указанного недостатка муфты конструкция ее была изменена так, как
показано в нижней части фигуры: между втулкой 3 и муфтой 2, заклинен-
ной на ходовом винте, введена промежуточная муфта 4 со скошенными
кулачками, сцепленными с такими же кулачками втулки 3. Муфты 2 и 4
198
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СТАНКАМИ
сцеплены пятью большими кулачками с нескошенными шлифованными
гранями. При перегрузке муфта 4 легко отходит влево, так как переме-
щение ее не затрудняется сильным трением на шпонке.
Прежняя конструкция
2 4 3
Измененная конструкция
Фиг. V, 181. Кулачковая предохра- Фиг. V, 182. Шариковая предохранительная
нительная муфта (два варианта) муфта
Шариковая предохранительная муфта, показанная на фиг. V, 182,
работает точно так же, как кулачковая, от которой она отличается лишь
тем, что роль кулачков играют здесь шарики. От выпадения шарики
предохранены зачеканкой краев гнезд, в которых они сидят.
Основы расчета устройства для предохранения от перегрузок
Диаметр предохранительного штифта определяется из соотношений
(соответственно для односрезных и двухсрезных штифтов)
= (V.21S)
4 ср 4 2 ср
здесь d — диаметр штифта в сечении ожидаемого разрушения;
Мк. пр — расчетный крутящий момент, при котором должно происхо-
дить перерезание штифта, принимаемый с некоторым запасом
(~20—25%) против нормального максимума Мк;
гв Ср — предел прочности при срезе;
R — расстояние оси штифта от оси вала.
Если в формулы (V, 218) подставить гвшСР == koept
где — предел прочности при растяжении, то
d = al/ ™к-пр, (V.219)
У Пс#р
Т /"Г 1,13 , /"V 0,80
где а = I/ —== -~=-для односрезного иа = 1/ —== для двухсрез-
у kn у k у kn у k
ного штифта; на основании результатов экспериментальных исследований
можно принимать а = 1,204-1,35 для односрезных штифтов, а = 0,85—
-4-0,95 для двухсрезных.
По нормали станкостроения Р95-10 для штифтов из стали 45 d = 1,54-
-4-10 мм.
Расчетный крутящий момент Мк. пр зависит не только от условий
использования станка, но и от того, где расположен срезной штифт (или
другое предохранительное устройство). Необходимо, чтобы: 1) при сра-
батывании этого устройства ведомая им часть кинематической цепи оста-
навливалась возможно быстрее и 2) при пуске станка предохранительное
устройство не срабатывало. Важно также, чтобы к предохранительному
ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СТАНКОВ
199
устройству для замены разрушившейся или изношенной детали запасной
или для подрегулировки муфты доступ не был затруднен.
Чтобы остановка происходила быстро, кинетическая энергия той части
кинематической цепи, которая должна останавливаться при срабатывании
предохранительного устройства, должна быть малой. Следовательно, это
устройство нужно располагать так, чтобы между ним и местом приложения
силы, которая может вызвать перегрузку, не было сколько-нибудь значи-
тельных маховых масс. Анализ показывает также, что для предохране-
ния от опасной перегрузки путем ограничения величины передаваемого
крутящего момента предохранительное устройство нужно располагать
в таком месте соответствующей кинематической цепи, чтобы передаточное
отношение на участке между этим устройством и местом приложения силы,
угрожающей перегрузкой, было постоянным.
Чтобы предохранительное устройство не срабатывало во время пуска
станка (это недопустимо для срезных штифтов и шпонок и очень нежела-
тельно для муфт), необходимо соблюдение условия
Ми.пуск<мк_пр, (V, 220)
где Му. пуск — наибольший крутящий момент на том валу, на котором
установлено предохранительное устройство, в периоды пуска станка.
Для соблюдения этого условия может иногда понадобиться распо-
ложить предохранительное устройство на валу, более удаленном от ко-
нечного звена кинематической цепи, защищаемой от перегрузки.
Срезные шпонки рассчитываются подобно срезным штифтам, фрикцион-
ные и кулачковые предохранительные муфты — аналогично сцепным
муфтам таких же типов. В расчеты входят коэффициенты трения, которые
могут быть оценены лишь приближенно; поэтому конструкция предохра-
нительной муфты должна позволять быстро регулировать ее в достаточно
широком диапазоне.
ГЛАВА XII
ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
§ 1. ПОКАЗАТЕЛИ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА СИСТЕМЫ СТАНКА
Повышение требований к точности размеров и формы деталей, обраба-
тываемых на металлорежущих станках, появление новых труднообраба-
тываемых материалов, а также широкое внедрение автоматизации техно-
логических процессов, повлекшее за собой создание станков с автоматичес-
кими системами управления и регулирования, вызвало резкое увеличение
роли динамических процессов в станках.
При проектировании, изготовлении и эксплуатации станков все чаще
возникает необходимость решения задач, связанных с динамикой явлений.
Эти задачи могут быть сведены к трем основным типам:
1) выбор параметров привода;
2) анализ поведения станка при перемещении узлов без резания
(работа станка при холостом ходе);
3) анализ поведения станка в процессе обработки детали (работа
станка при резании).
Наряду с экспериментальной оценкой изготовленных станков особое
значение приобретает динамический расчет станков при их конструирова-
нии. Целью расчетной или экспериментальной оценки является сравнение
между собой нескольких существующих или существующей и проектируе-
мой моделей, а также их вариантов, по показателям динамического ка-
чества.
Динамический расчет охватывает, кроме оценки станка, также сравни-
тельную оценку и выбор конструкции инструмента, приспособлений (за-
жимных и т. п.), режимов обработки и привода.
Расчетное и экспериментальное определение показателей динамиче-
ского качества станка производится на основе общих теоретических по-
ложений, излагаемых ниже.
Показатели динамического качества системы станка включают в себя:
1. Запас или степень устойчивости. Потеря системой устойчивости
выражается в появлении вибраций или подрывания инструмента; в не-
равномерном скачкообразном перемещении узлов или их заклинивании.
При этом работу на станке приходится прекращать и добиваться устра-
нения причин этих явлений. Запас устойчивости определяет возможности
изменения того или иного параметра системы без потери ею устойчивости.
Например, можно говорить о запасе устойчивости по жесткости расточной
борштанги или ее вылету, по глубине резания и т. п. Удобно выражать
запас устойчивости в параметрах частотной характеристики системы
в форме запаса устойчивости по амплитуде или по фазе этой характери-
ДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СТАНКА
201
стики. Степень устойчивости определяет быстроту затухания процесса,
вызванного в устойчивой системе внешним воздействием. Для колеба-
тельных процессов удобным показателем степени устойчивости системы
является декремент затухания, принятый в теории колебаний для харак-
теристики демпфирования.
2. Отклонения параметров системы при внешних воздействиях*, а) ста-
тические; б) стационарные динамические (в частности, вынужденные
колебания); в) переходные динамические; г) случайные.
Выбор параметров, по которым производится определение показателей
системы при внешних воздействиях, определяется конкретными заданиями
расчета или анализа, т. е. типом задачи и видом критерия для оценки
показателей. Такими критериями являются: точность обработки; долго-
вечность (стойкость) станка, приспособления и инструмента; производи-
тельность; энергетические потери.
Важным является динамический расчет и анализ системы станка по
точности обработки детали. В этом случае показатели динамического ка-
чества системы при внешних воздействиях принимают следующую форму:
а) статическая погрешность обработки; этот показатель определяется
при обработке заготовки, имеющей постоянный припуск, при неизмен-
ности внешних воздействий на систему;
б) стационарная динамическая погрешность обработки, в частности
волнистость или огранка обработанной поверхности при вынужденных
колебаниях;
в) переходная динамическая погрешность обработки, возникающая
в результате деформаций и иных отклонений в системе при переходных
процессах, например при врезании и выходе инструмента (резца, зуба
фрезы или протяжки и т. п.);
г) случайная динамическая погрешность обработки, являющаяся след-
ствием воздействия на систему различных внешних факторов, носящих
случайный характер.
Параметром, по которому производится расчет и анализ системы по
точности, является смещение инструмента и заготовки по нормали к обра-
батываемой поверхности.
3. Быстродействие системы. Этот показатель определяет продолжи-
тельность заданного переходного процесса и выражается обычно вре-
мейем этого процесса. Показатель быстродействия оценивается по крите-
риям точности; долговечности (стойкости); производительности и вели-
чины энергетических потерь.
Далее все показатели динамического качества системы станка иллю-
стрируются примерами, связанными главным образом с точностью обра-
ботки.
§ 2. ДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СТАНКА
Динамическая система станка представляется совокупностью упругой
системы станок—приспособление—инструмент—деталь (СПИД) и рабо-
чих процессов, протекающих в подвижных соединениях деталей упругой си-
стемы (процессов резания, трения, электро- и гидродинамических и т. п.)
При работе станка деформации упругой системы возникают под дей-
ствием сил резания, трения, сил, развиваемых двигателем, и т. п. Для на-
глядности все указанные воздействия на упругую систему можно пред-
ставить в виде схемы, показанной на фиг. V, 183. Упругой системе и каж-
дому рабочему процессу, как источнику воздействия, на схеме соответ-
ствует свой прямоугольник. Силовые воздействия и вызванные ими
202 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
Фиг. V, 183. Схема не-
замкнутой динамической
системы станка
тельного положения
деформации показаны стрелками. Такая схема справедлива в том случае,
когда деформации упругой системы не влекут за собой изменения вели-
чины силы, ее направления или характера нагружения, иначе говоря —
когда сила не является функцией деформации, т. е. изменения коорди-
наты или закона этого изменения, т. е. первой и второй производных
координат системы по времени.
В этом случае силы, действующие на систему, являются внешними по
отношению к ней и могут быть постоянными или изменяться во времени.
Например, если какая-либо сила будет изменяться по гармоническому за-
кону, то упругая система начнет совершать вынужденные колебания.
Однако во многих случаях деформирование изменяет относительное
положение деталей упругой системы, образующих подвижное соединение,
и тем самым изменяет условия протекания того
' или иного рабочего процесса. Происходит измене-
г ние самой действующей силы. Приведем некото-
рые примеры.
1. Упругая система деформируется силой реза-
ния. Деформирование дает изменение относитель-
ного положения заготовки и инструмента, обра-
зующих подвижное соединение, в котором проте-
кает процесс резания. Изменяется толщина среза,
а с нею и сила резания.
Изменение силы сказывается на величине дефор-
мации и т. д. Это легко проследить на примере
токарного станка.
2. Упругая система деформируется силой тре-
ния. Деформирование вызывает изменение относи-
ползуна и направляющих, образующих подвижное
соединение, в котором протекает процесс трения. Изменение нормальной
нагрузки (нормальной контактной деформации поверхности трения) дает
изменение силы трения, а следовательно, и вызываемой ею деформации.
Круг взаимодействия вновь замыкается. Примером может служить упру-
гая система каретки, перемещаемой по направляющим винтом. При пере-
косе, который возникает из-за смещения равнодействующей силы трения
по отношению к оси винта, на боковых поверхностях направляющих
возникает сила трения, изменяющаяся с изменением деформации винта,
его опор и привода.
3. Упругая система деформируется моментом электродвигателя.
При деформировании изменяется скорость относительного движения
ротора и статора, образующих подвижное соединение, в котором про-
текают электромагнитные процессы.
У двигателя с «мягкой» механической характеристикой изменяется
движущая сила (момент).
С изменением момента двигателя меняется деформация упругой сис-
темы, т. е. скорость движения и т. д.
В приведенных примерах действующие на упругую систему силы уже
нельзя считать внешними, так как они изменяются с изменением дефор-
мации системы. Схема воздействия на упругую систему, представленная
на фиг. V, 183, должна быть заменена другой, показанной на фиг. V, 184,
где упругая система оказывает обратное воздействие на резание, трение,
процессы в двигателе и т. д., также показанное стрелками. В необходимых
случаях должно учитываться взаимодействие упругой системы с силами
инерции, тепловыми воздействиями и т. п.
ДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СТАНКА
203
Остальные силы, не зависящие от деформации упругой системы, яв-
ляются внешними по отношению к ней. Их действие на упругую систему
показано стрелкой f (/). К этим силам во многих случаях относятся силы
инерции неуравновешенных вращающихся деталей или узлов, имеющих
возвратно-поступательное движение, силы веса узлов, силы, возникающие
от толчков и колебаний, передаваемых извне
через фундамент, или возникающих в самой
системе из-за неточности зацепления зубчатых
колес и иных погрешностей изготовления дета-
лей или сборки станка и т. п.
Изменение сечения среза, взаимодействия
поверхностей трения или скорости вращения
ротора и т. п., т. е. изменение условий проте-
кания рабочих процессов может возникать не
только из-за деформаций упругой системы, но
и от внешних причин (увеличения припуска,
изменения давления смазки, изменения элект-
рического напряжения и т. п.). Эти внешние
воздействия на рабочие процессы, которые
будем называть изменением настройки, пока-
заны стрелками у (/) на фиг. V, 184, отне-
Фиг. V, 184. Схема замкну-
той динамической системы
станка
сенными к соответствующим элементам динамической системы станка.
Упругая система и рабочие процессы — резание, трение, процессы
в двигателях — являются основными элементами динамической системы
станка. Воздействия элементов друг на друга
называются связями^ цепь
Фиг. V, 185. Упрощенные схемы замкнутой динамической системы
станка
воздействия — контуром связи. Контур связи может быть незамкнутым
и замкнутым. Незамкнутый контур связи показан на фиг. V, 183, а зам-
кнутый на фиг. V, 184.
Динамическая система станка является сложной многоконтурной
замкнутой системой. Применительно к трем типам задач, указанным в § 1,
ее удобно заменить упрощенными одноконтурными системами, показан-
ными на фиг. V, 185. Пользуясь тем, что рабочие процессы (резание,
трение и т. д.) взаимодействуют между собой только через упругую си-
стему и не имеют других путей взаимодействия, можно заменить упругую
204 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
систему в совокупности с частью рабочих процессов некоторым эквива-
лентным по динамическим свойствам элементом: механической или экви-
валентной упругой системой. Динамическая характеристика такого экви-
валентного элемента должна определяться с учетом свойств не только
упругой системы, но и включенных в него рабочих процессов в их взаимо-
действии с упругой системой.
Особенностью динамических систем станков является возможность
движения деталей упругой системы «по следу». Такова, например, об-
точка проходным резцом, шлифование повторными проходами и т. п.
В этом случае динамическая система видоизменяется: появляется допол-
нительная обратная связь с запаздыванием. Это означает, например, что
деформация системы, принявшая форму волны на поверхности обрабаты-
Фиг. V, 186. Схема динамической системы
станка для случая обработки «по следу» при
шлифовании
ваемой детали, после истечения
одного оборота детали приходит
в систему как изменение толщины
среза. На фиг. V, 186 показана
схема системы с двумя запазды-
вающими связями: по шлифоваль-
ному кругу, изнашивающемуся
в процессе работы, и по шлифуе-
мой детали.
В дальнейшем изложении слу-
чаи работы «по чистому» и «по сле-
ду» рассматриваются раздельно.
Следует отметить, что каждый из основных элементов динамической
системы станка представляет собой сложную систему, выявляемую при
анализе процессов, протекающих в этих элементах. Элементы динамиче-
ской системы могут быть устойчивыми и неустойчивыми. В этом смысле
далее говорится о собственно неустойчивых элементах системы.
Физическую величину, описывающую воздействие на данный элемент
или систему, будем называть входной координатой элемента или системы,
результат воздействия —выходной координатой. Например, для упругой
системы входная координата — силовое воздействие, выходная коор-
дината — деформация, им вызванная.
Внимание, которое уделено нами изложению представления о замкну-
тости динамической системы станка, не является случайным. Оно вызвано
весьма существенными различиями в динамических свойствах замкнутых
и незамкнутых систем.
Основные различия между замкнутой и незамкнутой системами сле-
дующие:
1. Незамкнутая система, состоящая из неустойчивых элементов, —
неустойчива, состоящая из устойчивых элементов — устойчива.
Замкнутая система, состоящая из устойчивых элементов, может ока-
заться неустойчивой и, наоборот, при наличии неустойчивых элементов
может оказаться устойчивой.
2. Замкнутая система совершенно иначе реагирует на внешние возму-
щающие воздействия, чем незамкнутая.
Далее приводятся примеры, иллюстрирующие эти положения.
Для удобства анализа динамическую систему можно расчленить, «раз-
мыкая» связи между элементами. Если размыкание произведено по одной
из связей, то система называется разомкнутой. Разорвав две связи одного
элемента, можно выделить его из системы и рассматривать отдельно, изу-
чая зависимость между его выходной и входной координатами.
ДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СТАНКА
205
Свойства элемента динамической системы или цепочки элементов,
образующих разомкнутую систему, определяются зависимостью между
выходной и входной координатами элемента или системы. Эту зависи-
мость будем называть характеристикой элемента или системы. Если она
получена в условиях стационарного процесса, когда входная координата
не изменяется во времени, то характеристика будет статической. Та же
зависимость, полученная при изменяющемся во времени воздействии,
является динамической характеристикой.
Реальные характеристики элементов и систем, как правило, нелинейны.
Например, статическая характеристика упругой системы, т. е. зависимость
деформации упругой системы станка от действующей силы, выражается
известной петлеобразной кривой. Для упрощения анализа характеристики
линеаризуются, т. е. представляются в виде линейных дифференциальных
уравнений. Если эти уравнения записаны в операторной форме, то дина-
мическая характеристика называется передаточной функцией элемента
пли системы.
Очень удобной является так называемая частотная динамическая ха-
рактеристика, определяемая при условии изменения входной коорди-
наты во времени по закону гармонических колебаний. Частота этих коле-
баний варьируется теоретически от нуля до бесконечности, а практиче-
ски — в пределах интересующего нас диапазона частот, который назы-
вают рабочим.
Зависимость отношения амплитуд колебания выходной и входной
координат от частоты дает амплитудно-частотную характеристику; зави-
симость фазы колебаний — фазово-частотную; совмещение этих двух ха-
рактеристик (в комплексных координатах) — амплитудно-фазовую
<1стотную характеристику (АФЧХ). Имеются другие разновидности
частотных характеристик (вещественная, мнимая, логарифмическая
и т. д.).
Для упругой системы отношение выходной координаты к входной,
записанное в комплексной форме, называется динамической податли-
востью, а обратное отношение — динамической жесткостью.
Широко используются так называемые временное динамические ха-
рактеристики, получаемые при заданном законе изменения входной коор-
динаты во времени. Чаще всего берется скачкообразное изменение вход-
ной координаты от одного установившегося значения к другому. Как
статические, так и динамические характеристики могут быть представлены
з графической и аналитической форме. Характеристики могут быть по-
строены теоретически и получены экспериментально. При эксперименталь-
ном построении с помощью специального устройства создается выбран-
ное изменение входной координаты и фиксируется соответствующее ему
изменение выходной координаты. Например, при определении частотной
характеристики упругой системы входное воздействие, заменяющее силу
резания, трения или двигателя, создается вибратором, а деформация
з интересующем нас направлении регистрируется с помощью того или
иного датчика перемещений или скорости.
Пользуясь амплитудомерами и фазомерами или записывая колебания
силы и перемещения на осциллограмму, а затем соответствующим образом
обрабатывая эти записи, строят частотную характеристику.
Ниже приведены статические и динамические характеристики упругой
системы и рабочих процессов.
Представление о динамической системе станка, принятое нами, отли-
чается от того, которое существует в литературе, посвященной вопросам
206 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
деформируемости упругой системы станка и ее влиянию на устойчивость
и точность процесса обработки или работы станка при холостом ходе.
Оно дает наглядность, удобство анализа и сравнительную простоту полу-
чения результатов. Терминология, многие представления и методы ана-
лиза задач динамики станков заимствованы из теории автоматического
регулирования, задачи которой, как показывает наш анализ системы,
очень близки к задачам динамики станков. С основами теории регулиро-
вания можно ознакомиться в соответствующей литературе [81 ].
Взаимодействие между упругой системой и рабочими процессами, как
элементами динамической системы станка, осуществляется, с одной сто-
роны, через силы, порождаемые рабочими процессами, а с другой стороны,
через параметры этих процессов, влияющие на изменение сил и изменяю-
щиеся при деформировании упругой системы. Количество этих параме-
тров велико. Велико и число составляющих равнодействующей силы
того или иного рабочего процесса. Поэтому для определенных условий
работы станка необходимо выбрать из них наиболее существенные.
Как показывает опыт, изменение силы резания в первую очередь
определяется изменением площади сечения среза. При прямых срезах
эта площадь в большей степени меняется при изменении толщины среза,
чем при изменении его ширины. Поэтому в первом приближении для сред-
них и больших срезов можно принять за параметр, определяющий из-
менение силы резания, толщину среза.
При малых сечениях среза (тонких стружках) и наличии площадки
износа изменение силы резания в большей степени определяется трением
по задней поверхности инструмента, которое зависит от контактной де-
формации поверхности заготовки в направлении, совпадающем с направле-
нием толщины среза. Таким образом, рассматриваемая связь между реза-
нием и упругой системой определяется в первом приближении смещениями,
перпендикулярными к поверхности резания.
При сравнительно небольших изменениях толщины среза равнодейству-
ющая сил резания во многих случаях мало меняет свое положение.
Поэтому можно считать в первом приближении, что входной коорди-
натой упругой системы по связи с резанием является равнодействующая
сила резания, а выходной — деформация в направлений нормали к поверх-
ности резания. Для процесса резания входная и выходная координаты
соответственно меняются местами.
Сила трения при наличии контакта трущихся тел, т. е. для условий
сухого (в условном практическом смысле) и смешанного трения, опреде-
ляется изменением нормальной нагрузки или, иначе, — нормальной
контактной деформации поверхностей трения. Во многих случаях, харак-
теризуемых слабой зависимостью коэффициента контактного трения от
нагрузки, равнодействующая сил трения мало меняет свое направление
при изменении нормальной контактной деформации. Поэтому в первом
приближении можно считать входной координатой упругой системы по
связи с трением изменение равнодействующей силы трения, а выходной —
деформацию в направлении нормали к поверхности трения. Для процесса
трения входная и выходная координаты соответственно меняются местами.
Сила или момент, развиваемые электрическим или гидравлическим
двигателем, определяются в первую очередь скоростью относительного
движения ротора и статора или поршня и цилиндра. Поэтому во многих
случаях входной координатой упругой системы по связи с процессами
в двигателях являются сила или момент, развиваемые двигателем, а вы-
ходной — изменение скорости относительного движения деталей упругой
УПРУГАЯ СИСТЕМА
207
системы (ротора и статора или поршня и цилиндра), определяемое дефор-
мацией системы. Для рабочих процессов в двигателях (электромагнитных,
гидродинамических и т. п.) входная и выходная координаты соответствен-
но меняются местами.
Аэро- и гидродинамические процессы, так же как и электромаг-
нитные, могут протекать в станке не только в двигателях. Они имеют место
в опорах скольжения, направляющих и в некоторых специальных устрой-
ствах. Для этих случаев; так же как и для более сложных динамических
систем станков, входные и выходные координаты элементов определяются
на основе специального анализа.
При изменении направления или точки приложения равнодействующей
силы того или иного рабочего процесса оказывается удобным переход
к раздельному рассмотрению нормальных и тангенциальных ее составля-
ющих. Зависимость нормальной составляющей от указанных выше де-
формаций системы по нормали к поверхности резания или трения при-
нимает форму жесткости подвижного соединения деталей упругой си-
стемы — «жесткости резания», «жесткости трения», «жесткости слоя
смазки» и т. п.
§ 3. УПРУГАЯ СИСТЕМА
Упругая система включает в себя станок, приспособление, инструмент
и обрабатываемую деталь. Система имеет бесконечно большое число
степеней свободы и лишь приближенно может рассматриваться как
система с несколькими степенями свободы.
Собственная неустойчивость упругой системы в станках практически
встречается в следующих случаях:
а) при обработке заготовок, вращающихся с числом оборотов, близким
к критическому;
б) при работе длинного и тонкого центрового инструмента (сверла,
зенкеры) или длинных деталей станка (винты, штоки и т. п.) в условиях
продольного изгиба; в) при обработке тонкостенных деталей или при
использовании в станке тонкостенных деталей.
При практическом анализе или расчетах * приходится пользоваться
понятием эквивалентных элементов — упругой и механической систем.
Эти системы включают большое число подвижных соединений или стыков
деталей системы станка. По этим стыкам происходит перемещение суппор-
тов, столов, бабок ит. п., необходимое для выполнения заданной техно-
логической операции^ Трение и другие рабочие процессы в этих соедине-
ниях, как об этом говорилось выше, оказывают очень большое влияние на
устойчивость системы и ее статическую и динамическую характеристики.
Создаются условия для возникновения неустойчивости, которая в этих слу-
чаях выражается в автоколебаниях передач, подшипников и тому подобных
подвижных соединений, включенных при анализе в эквивалентную упру-
гую или механическую систему. Эти автоколебания обычно совмещаются
с вынужденными колебаниями, вызванными ошибками изготовления и мон-
тажа деталей (биение шкивов, местные утолщения ремней, зазоры в зубча-
тых передачах, волнистость дорожек в подшипниках качения и т. п.).
Аналогичные явления наблюдаются также в несущей системе при
перемещении суппортов, траверс, бабок и т. п. в процессе обработки.
Такую же роль, как и трение, играют в ряде случаев и другие процессы
в подвижных соединениях, например процессы в двигателях.
В практике при создании и отладке станка, приспособления или ин-
струмента всегда добиваются устранения всех видов неустойчивости
208 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
упругой системы как путем выхода из зоны критических оборотов или
продольного изгиба, так и путем создания условий устойчивого движения
всех узлов и деталей станка.
Характеристики упругой системы определяются следующими основ-
ными параметрами: массами или моментами инерции узлов и деталей;
жесткостью упругих элементов; силами неупругого сопротивления (демп-
фирования); связями между перемещениями масс в системе с многими
степенями свободы.
Применение узлов и деталей, имеющих большие массы и моменты
инерции, ведет к снижению собственных частот системы и к увеличению
инерционных нагрузок и времени переходных процессов. Изменения масс
и моментов инерции в станках обычно очень тесно связаны с изменением
упругих свойств конструкции. Например, уменьшение массы стойки за
счет уменьшения толщины стенок или ее конфигурации неизбежно ведет
к изменению жесткости стойки. Выбором рациональной формы и приме-
нением ребер можно добиться некоторого уменьшения массы без умень-
шения жесткости.
Жесткость определяется отношением силы, вызывающей деформацию,
к величине последней. Часто вместо жесткости удобно применять вели-
чину ей обратную, которая называется податливостью упругой системы.
Деформируемость упругой системы станка зависит от жесткости дета-
лей, контактных деформаций в стыках по месту соединения деталей и
местных деформаций элементов конструкции, служащих для образования
соединений (различных приливов, планок, лап и т. п.).
В зависимости от размеров и конфигурации детали (вал, станина,
стойка, бабка и т. п.) и ее стыка с сопряженной деталью величина и удель-
ный вес того или иного вида деформации в общей деформации системы
могут изменяться в широких пределах. Правильная оценка этого важна
при выборе пути увеличения жесткости конструкции.
Силы неупругого сопротивления или силы демпфирования в станке
определяются в основном трением в стыках деталей. Если детали, образую-
щие стык, в рассматриваемом случае не имеют заданного относительного
движения, а относительное смещение деталей возникает только в резуль-;
тате деформации системы — силы трения всегда демпфируют колебания/
рассеивают часть энергии, вносимой в упругую систему при ее нагруже-
нии. Если заданное движение имеется, то демпфирующее действие тренйя
определяется тем, насколько устойчива соответствующая система. В этом
случае силы трения, как правило, вызывают увеличение амплитуд вынуж-
денных колебаний системы при наличии внешних воздействий. /
Всегда демпфируют силы «вязкого» трения, т. е. силы, пропорциональ-
ные скорости, которые могут образовываться не только при движении вяз-
кой среды, например смазки, но и в соединениях с сухим трением.
Большая и в то же время противоположная по своему эффекту р\эль
стыков деталей станка в демпфировании колебаний упругой системы^ и
в ее деформируемости существенно усложняет решение вопросов о целе-
сообразности устранения или введения того или иного стыка. Введений
стыка снижает жесткость конструкции по сравнению с конструкцией
без стыка, но увеличивает демпфирующее действие: это может оказаться
существеннее с точки зрения устранения колебаний при обработке и полу-
чения необходимого качества поверхности обработанной детали. Этим
объясняются встречающиеся иногда случаи устранения вибраций при
резании ослаблением затяжки стыка узлов станка. Например, при фрезе-
ровании заготовки на тяжелом продольно-фрезерном станке возникли
УПРУГАЯ СИСТЕМА
209
ибрации, несмотря на то, что для повышения жесткости системы были
атянуты все стыки и, в частности, стык бабки с направляющими стойки,
о которым не производилось перемещения узлов в процессе резания,
вибрации прекратились после того как зажим бабки на направляющих
ыл освобожден.
Важнейшей особенностью упругой системы, вытекающей из того, что
на имеет много степеней свободы, является зависимость или связь между
□бой деформаций ее отдельных элементов или видов этих деформаций.
Связь выражается в том, что попытка вызвать данной силой какую-
ибо деформацию, как правило, вызывает другую или другие деформа-
ии. Например, изгиб заготовки силой резания обязательно сопрово-
ждается ее закручиванием, так как направление действия силы резания
е проходит через ось или центр заготовки.
В упругой системе станка встречаются связи упругие, скоростные
инерционные. С особенностью этих связей можно ознакомиться по курсу
еории колебаний [86], [63].
При оценке влияния связи между деформациями упругой системы
а динамические процессы очень важным фактором является близость
астот взаимодействующих колебательных систем, называемых парци-
льными, соответствующих каждой из связанных деформаций. Если
астоты собственных колебаний парциальных систем близки, то даже
ри слабой связи взаимодействие этих систем оказывается очень сильным.
В литературе можно встретить специальный термин — «внутренний
езонанс», определяющий совпадение частот двух связанных парциальных
элебательных систем. Например, при определенном соотношении диа-
метра и длины борштанги может возникнуть внутренний резонанс между
е изгибными и крутильными колебаниями.
Характеристики упругой системы определяются как отношения пере-
мещений, выражающих обратное воздействие деформаций на рабочий
эоцесс, к внешним силам, заменяющим силы рабочих процессов. Напри-
iep, характеристика упругой системы по связи с резанием определяется
лк отношение перемещения, нормального к поверхности резания, к силе,
цитирующей силу резания. По связи с трением определяется отношение
еремещения, нормального к поверхности трения, к силе, имитирующей
*элную реакцию трения (или, при учете «жесткости трения^— к ее тан-
енциальной составляющей). При анализе процессов^енйзанных с останов-
ами в подвижном соединении (релаксационные ^автоколебания и т. п.)
пределяется также отношение тангенциального перемещения к танген-
чальной составляющей сил трения или резания.
Практически при анализе или расчете станка всегда рассматривается
арактеристика эквивалентной упругой (ЭУС) или механической системы
ЧС). /
Рассмотрим для примера несколько подробнее характеристику эквива-
ентной упругой системы по связи с резанием (задача третьего типа).
Динамическая характеристика ЭУС в этом случае определяется при изме-
ении внешней силы, имитирующей силу резания, во времени по какому-
ибо закону. Динамическая характеристика (динамическая податливость
ли обратная ей жесткость) ЭУС определяется расчетным или эксперимен-
альным путем.
Расчет динамической характеристики в настоящее время получает все
сльшее развитие в связи с необходимостью оценки устойчивости и других
лрактеристик динамического качества станка в стадии проектиро-
вания. Расчет характеристики в частотной форме заключается в расчете
210 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
вынужденных колебаний ЭУС под действием силы, имитирующей силу
резания и изменяющейся по гармоническому закону.
Трудности расчета связаны со сложностью многомассовой системы
станка, необходимостью учета действия рабочих процессов, включенных
в состав ЭУС (трения, гидродинамических и т. п.), и сложностью опреде-
ления параметров системы (жесткостей, демпфирования и т. п.).
В настоящее время расчет динамической характеристики ЭУС стал
возможным благодаря оснащению исследовательских и проектных органи-
заций электронными вычислительными машинами.
Расчет ведется методами современной теории колебаний с учетом свя-
занности парциальных колебательных систем, демпфирования в подвиж-
ных и неподвижных соединениях деталей станка и т. п. Выбор числа учи-
тываемых степеней свободы определяется сложностью системы и рабочим
диапазоном частот. Обобщенные силы по соответствующим координатам
выражают воздействие рабочих процессов на упругую систему. Эти силы,
кроме принимаемой за входную координату, используя динамические ха-
рактеристики соответствующих процессов, можно представить в виде
уравнений, описывающих зависимость обобщенных сил от обобщенных
координат и их производных. Коэффициенты этих уравнений суммируются
с коэффициентами уравнений упругой системы. В результате получаем
систему уравнений, содержащих по форме только одну обобщенную
силу. Этой обобщенной силой является входная координата ЭУС или
одно из интересующих нас внешних воздействий на эту систему (тогда вход-
ное воздействие приравнивается нулю). Система уравнений получает вид
апЯ1 4- ^i2?2 + — + ain4n + 4 ^12?2 + • • • + blnqn + clxqr +
+ ^12?2 + * ’ * + С1пЯп =
4- я22д2 4- ... -р a2nqn 4 &2i?i + ^22^2 + • • • -4- b2nqn +
+ с2171 + ^22?2 4" • • • 4- C2nqn —
(V. 221)
an 1Я + an 2Я2 4- • • • 4- аПпЯп + ^i?i + bn2q2 4- • • • 4- bnnqn 4-
+ cn 1Я1 + cn 2Я2 + • * • 4~ сппЯп = 0,
где qr\ q2\ ..... ; qn — обобщенные координаты системы;
Q — входное (или внешнее) воздействие на эквива-
лентную упругую систему;
kr\ — коэффициенты при составляющих воздействия
по различным координатам;
aih сч — постоянные уравнения.
Если Q — Qo sin ю/, что соответствует определению частотной динами-
ческой характеристики, то ее расчет является известным расчетом вынуж-
денных колебаний системы под воздействием заданной внешней силы.
Решение системы уравнений (V. 221) может быть записано в виде
Dq^Q^ 1 Mih (V.222)
i=l /=1
откуда передаточная функция эквивалентной упругой системы
2^7
W9yc=^-=^-, (V. 223)
Чех и
где D — главный определитель системы уравнений;
УПРУГАЯ СИСТЕМА
211
М — соответствующее алгебраическое дополнение определителя D.
В качестве примера расчетного определения динамической характе-
ристики эквивалентной упругой системы по связи с резанием рассмот-
рим расчет поперечно-строгального станка. Расчетная схема показана
на фиг. V, 187.
На основании имеющихся экспериментальных данных о формах коле-
бания станка в рабочем диапазоне частот система представлена как система
с восемью степенями свободы. Рассмотрим станок, выполняющий прорез-
ные операции. В этом случае упругая система может быть принята плоской.
Так как движения подачи со-
вершаются между рабочими
ходами, то соединения стола,
поперечины и направляющих
станины, так же как и другие
соединения механизма пода-
чи, являются неподвижными.
Анализ показывает отсутст-
вие в первом приближении
существенной связи между
продольными и поперечными
смещениями ползуна. Поэто-
му продольные смещения пол-
зуна, т. е. смещения по оси Z
при расчете выходной коор-
динаты можно не учитывать.
Это позволяет исключить ана-
лиз подвижного соединения
ползуна с направляющими
Фиг. V, 187. Расчетная схема эквивалентной упру-
гой системы поперечно-строгального станка
и подвижных соединений в цепи привода станка как замкнутых систем.
Таким образом, получается простейшая модель эквивалентной упругой
системы станка. Экспериментально установленное отсутствие существен-
ного влияния деформаций станины позволяет рассмотреть упругие системы
ползуна и стола с поперечиной как независимые, деформации которых
суммируются. Система уравнений движения ползуна имеет четвертый
порядок, а система стола с поперечиной — двенадцатый порядок. На
фиг. V, 188 показаны частотные динамические характеристики этих двух
систем и суммарная амплитудно-фазовая характеристика эквивалентной
упругой системы станка, рассчитанные в ЭНИМСе. Подробности расчета
параметров системы и вычисления частотной характеристики изложены
в работах [431, [61].
В ряде случаев при анализе сложных ЭУС станков оказывается удоб-
ным переход от произвольно выбранных координат к так называемым
нормальным. Операция перехода, т. е. преобразования уравнений движе-
ния системы, называется нормализацией.
Интересующее нас перемещение получается суммированием переме-
щений по отдельным нормальным координатам. Независимые эквивалент-
ные упругие системы, описываемые уравнениями в нормальных коорди-
натах, можно представить как отдельные элементы системы. Уравнения
этих систем имеют второй порядок. Они являются, как правило, колеба-
тельными. Их характеристика (передаточная функция) имеет вид
W эус — -~~
%эус
т\р2 + т2р + 1
(V. 224)
212 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
где Кэус — приведенная статическая характеристика (податли-
вость) данной нормальной формы;
7\ — -----инерционная постоянная времени данной нормальной
формы (обратная собственной круговой частоте <ос);
Г2 = уТг— постоянная времени демпфирования нормальной формы;
у —--------коэффициент демпфирования;
X — логарифмический декремент затухания;
р = символ дифференцирования;
/Р — внешняя сила (входная координата);
у — деформация (выходная координата).
см/хГ
—0,020 -0,015 -0,010 -0005 2400
-0,005
-0,010
-0015
880
840
860<
840
1200
1100
0,005 о о 0,010 0,015 0,020 1^dO3Rj см/кГ
100,
920
900
о
620
820
-0,025
820
-0030
100
W30C
800
- -0035
460
480
500
400
500
640
620
400
420
440
460
480
600
580
1000
720
100
1200
1000
900 _
560
-0020
200
300
860
Фиг. V, 188. Амплитудно-фазовые частотные характеристики ЭУС поперечно-стро-
гального станка мод. 7В36:
а — системы стола; б — системы ползуна; в— суммарная; Jm — мнимая ось; Re — дей-
ствительная ось; со — круговая частота в 1/сек.
320
380
400
420
Эквивалентную упругую систему в целом можно представить как си-
стему параллельно соединенных элементов, входная координата — сила
у которых одна, а выходные координаты алгебраически суммируются.
Схема системы показана на фиг. V, 189. Особый интерес представляет
случай, когда характеристика хотя бы одной нормальной формы имеет
знак минус. Если при суммировании амплитудно-фазовых частотных ха-
рактеристик с одним знаком полная характеристика ЭУС не может пере-
сечь отрицательную вещественную ось (характеристики считаем положи-
тельными), то в этом случае полная характеристика охватывает четыре
и больше квадрантов и пересекает отрицательную вещественную ось.
УПРУГАЯ СИСТЕМА
213
На фиг. V, 189 показано суммирование амплитудно-фазовых и веществен-
ных частотных характеристик двух нормальных форм для обоих слу-
чаев.
Стремление к упрощению выкладок оправдывает переход к простейшей
колебательной системе с одной или двумя степенями свободы. Такой пере-
ход возможен в тех случаях, когда характеристика ЭУС в интересующем
нас частотном диапазоне может быть аппроксимирована одной или суммой
двух характеристик второго порядка, т. е.
характеристик соответствующих нормаль-
ных форм.
Как упоминалось выше, при / экспери-
ментальном определении частотйых дина-
мических характеристик сила, изменяю-
щаяся по гармоническому закону, соз-
дается с помощью вибраторов.
Для получения ступенчатого изменения
силы используется простой способ, заклю-
0
Фиг. V, 189. Схема и амплитудно-фазовые частотные характеристики ЭУС
в нормальных координатах:
а — схема системы; б — суммирование характеристик одного знака; в — сумми-
рование характеристик разных знаков
чающийся в том, что сила, создаваемая грузом, подвешенным на прово-
локе или прочной нити, быстро снимается при перерезании нити или
проволоки.
Импульсная нагрузка создается в настоящее время достаточно прими-
тивным методом — ударом молотка или падающего груза.
Показания датчиков сил и перемещения записываются с помощью
осциллографа или отмечаются по показаниям специальных приборов.
Для анализа роли отдельных узлов и деталей станка, заготовки и ин-
струмента в колебаниях системы при той или иной собственной частоте
214 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
весьма полезным оказываетя определение формы колебаний. Например,
у радиально-сверлильного станка исследованы формы колебаний для
двух собственных частот, лежащих в рабочем диапазоне. При этом нижней
частоте соответствует колебание рамы станка, как камертона, вследствие
изгибного деформирования колонны и рукава, высшей частоте соответст-
вует закручивание рукава и поворот шпиндельной головки.
Другим методом выявления роли отдельных деталей и узлов станка
в колебаниях на той или иной собственной частоте является метод анализа
изменения собственных частот системы при изменении параметров отдель-
ных частей станка (масс, жесткостей).
Оба описанных метода экспериментальной оценки роли элементов
упругой системы в колебаниях являются приближенными, но оказы-
ваются весьма полезными при практическом решении задач, связанных
с колебаниями станков.
Сведения, получаемые с помощью этих методов, существенно допол-
няют данные о собственных частотах колебаний упругой системы, которые
на практике определяются в первую очередь.
Полагая в выражении динамической характеристики р = 0 или со =
= 0, получаем статическую характеристику ЭУС. Действующая сила при
экспериментальном определении характеристики прикладывается стати-
чески. По связи с резанием действующей силой является сила, имитирую-
щая силу резания.
В литературе, а также в среде инженерных и научных работников,
занимающихся вопросами деформируемости и точности металлорежущих
станков, широко распространена иная характеристика упругой системы
по связи с резанием — «жесткость» станка или системы СПИД. Наиболь-
шее распространение и признание получило определение, предложенное
А. П. Соколовским. Он назвал жесткостью системы отношение состав-
ляющей Ру силы резания (применительно к токарной обработке) к переме-
щению по оси Y (в общепринятой системе координат), определенному
при действии полной силы резания. В некоторых случаях пользуются вели-
чиной, обратной указанной характеристике, так называемой податли-
востью. Если первая измеряется в кГ/мм, то вторая — в мм/кГ.
Нетрудно заметить общее между определениями статической характе-
ристики упругой системы и податливости или жесткости. Целесообразнее
пользоваться понятием «статическая характеристика», а не «жесткость»
или «податливость», применяя эти термины для характеристики только
упругих свойств конструкции. Однако, учитывая распространенность
термина «жесткость», мы будем им в нужных случаях пользоваться
(в определении А. П. Соколовского), называя это «технологической жест-
костью» системы или соответственно «технологической податливостью».
Для определения статической характеристики (технологической подат-
ливости) упругой системы применяют расчетный, экспериментальный
и экспериментально-расчетный методы. О расчетном методе сказано выше.
Значительное распространение получили экспериментальные методы
определения статической характеристики (технологической жесткости),
которые можно разделить на две группы в зависимости от спосрба нагру-
жения упругой системы: 1) при статическом нагружении силами, имити-
рующими силу резния; 2) при нагружении силами резания в процессе
обработки заготовки. Методы первой группы часто называют статиче-
скими, а методы второй группы — производственными.
Нагрузка, имитирующая силу резания, создается различными устрой-
ствами (винтовыми или гидравлическими домкратами, грузами и т. п.).
УПРУГАЯ СИСТЕМА
215
Деформации измеряются универсальными измерительными средствами
необходимой точности (индикаторами с ценой деления 0,01 или 0,001 мм
и т. п.).
В настоящее время разработано большое количество разновидностей
приборов для статического измерения технологической жесткости. Известны
конструкции приборов, применяемых при стандартизованном испытании
различных станков. Значения силы и соответствующие перемещения, полу-
ченные при испытании, представляются графически, как показано на
фиг. V, 190. Петлеобразность этой кривой (характеристика нелинейная)
объясняется действием сил трения в стыках. Увеличение ширины петли
с ростом деформации характеризует пропорциональность сил трения вели-
чине деформации.
При нагружении перемещение сис-
темы меньше того, которое было бы при
отсутствии сил трения, так как часть
действующей силы расходуется на их
преодоление. При разгрузке картина
будет обратной, так как упругая сила
должна преодолевать для движения
системы в обратном направлении не
только приложенную силу, но и силу
трения, направление которой стало про-
тивоположным упругой силе. Для оцен-
ки упругой составляющей статической
характеристики системы необходимо
Фиг. V, 190. График перемещений
упругой системы токарного станка
при статическом нагружении
провести линию через точки, делящие
пополам отрезки между нагрузочной и разгрузочной ветвями графика. Эта
линия определяет действительную жесткость системы кГ/мм)
как характеристику ее упругих свойств. Форма и площадь петли графика
характеризуют силы трения в системе. Отрезок 2кг-61 равен удвоенной
величине силы трения при деформации
Экспериментальное определение статической характеристики упругой
системы так называемыми производственными методами получило в настоя-
щее время широкое распространение. Сущность этих методов состоит
в оценке погрешности обработки детали, вызванной деформациями упру-
гой системы. Режимы обработки и конфигурация детали при этом строго
регламентируются. Зная погрешность обработки и определив расчетом
или экспериментально силу резания, можно подсчитать технологическую
жесткость или податливость упругой системы. Иначе говоря, зная стати-
ческую ошибку замкнутой динамической системы и статическую характе-
ристику одного из ее элементов — процесса резания, можно определить
статическую характеристику второго элемента — упругой системы.
При правильном использовании производственные методы могут дать
не менее ценные данные по статической характеристике упругой системы,
чем описанные выше статические методы.
В литературе иногда можно встретить применительно к технологи-
ческой жесткости, полученной производственными методами, название
«динамическая» жесткость станка; это название может создать путаницу
понятий. В теории колебаний динамической жесткостью принято называть
отношение силы к перемещению при колебаниях системы с произвольной
частотой. По своему существу это соответствует динамической характе-
ристике упругой системы станка в частотной форме.
216 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
Используя некоторые представления, можно во многих случаях при-
менять удобный расчетный метод определения статической характеристики
по выявленной экспериментом упрощенной модели упругой системы.
Этот метод назовем экспериментально-расчетным.
Необходимые представления изложим на примере упругой системы
токарного станка, рассматривая
при деформировании суппортной
Фиг. V, 191. Схема упругой системы суп-
портной группы токарного станка:
отдельно перемещения инструмента
группы и обрабатываемой детали
при деформировании шпиндельной
группы станка.
В плоскости, перпендикуляр-
ной оси центров станка, упругая
система суппортной группы может
быть упрощенно представлена сис-
темой (фиг. V, 191), имеющей центр
жесткости. Напомним, что в сопро-
тивлении материалов центром жест-
кости или центром кручения назы-
вается точка, относительно кото-
рой момент внутренних упругих
сил равен нулю.
Если сила проходит через центр
жесткости, то смещения любой
точки верхней части суппорта (рез-
цедержателя) определяются дефор-
0 — центр жесткости; Э — эллипс жесткости МаЦИЯМИ ПО ДВуМ ГЛаВНЫМ ЦеНТ-
ральным осям жесткости без пово-
рота резцедержки. Если сила не проходит через центр жесткости, то
к указанным смещениям добавляется смещение от поворота вокруг центра
жесткости. Величина этого смещения определяется моментом силы Р и
крутильной жесткостью Со.
Так как смещение вершины резца от поворота резцедержки велико
по сравнению со смещениями центра жесткости, то описанную систему
можно заменить более простой, приведенной к вершине резца и определяе-
мой двумя жесткостями Стах и Cmin. Ось максимальной жесткости направ-
лена к центру жесткости, ось минимальной жесткости — перпендику-
лярна ей. Величина минимальной жесткости определяется жесткостью Со
и расстоянием от вершины резца до центра жесткости.
В табл. V, 4 даны значения координат центра жесткости и величины
крутильной и приведенных к вершине резца максимальной и мини-
мальной жесткостей суппортов токарных станков с высотой центров
200 мм.
Таблица V, 4
Характеристика при вылете резца 1 = 35 мм Модель станка
Густлов 1А62 1Д62М
1 Координаты центра жесткости в мм Yo 53 111 107
1 ^0 ПО 152 148
Крутильная жесткость Со в к.Г1мм 76-106 130-106 81-Ю6
Максимальная жесткость Стах в кГ/мм .... 8,9-103 7,4-103 11-103
Минимальная жесткость Cmin в кПмм .... 3,25-103 2,4-103 2,0-Ю3
УПРУГАЯ СИСТЕМА
21?
Для расчетного и графического определения перемещения вершины
резца от силы Р используется показанный на фиг. V, 191 эллипс жест-
кости. Он аналогичен эллипсу инерции сечения балки в сопротивлении
материалов. При «косом» изгибе балки, т. е. при несовпадении силы с на-
правлением главных осей жесткости (которые являются главными осями
эллипса) направление полной деформации перпендикулярно касательной
к эллипсу в точке пересечения его линией действия силы. Известно соот-
ветствующее построение для определения полного перемещения и его
составляющей по оси Y.
При некоторых значениях параметров системы может отсутствовать
перемещение вершины резца по оси Y или возникнет перемещение ее на-
встречу проекции действую-
щей силы Ру. Это соответст- \ Рп
вует нулевой и отрицательной Z \
статической характеристике
(бесконечной и отрицатель-
ной технологической жест-
кости). Условия возникнове-
ния таких явлений могут
быть получены из рассмот- ш
рения эллипса жесткости.
Упругая система шпин-
дельной группы токарного
станка включает изгибную
систему обрабатываемой дета- фиг у, 192. схема упругой системы шпиндельной
ЛИ, шпинделя, опор шпин- группы токарного станка
деля, приспособлений для
крепления обрабатываемой детали (патрона, центров и т. п.) и крутиль-
ную систему (точнее изгибно-крутильную) передачи от двигателя к обра-
батываемой детали.
На фиг. V, 192 показана схема упругой системы при обработке в па-
троне. В этом случае статическая связь между изгибной и крутильной
системами возникает вследствие особенностей шпиндельной передачи:
крутящий момент создается силой Рп, которая не пересекается с осью
вращения. При закручивании системы эта сила вызывает изгиб шпинделя,
а при его изгибе (в направлении силы) возникает закручивание. Такого
рода связь характерна для зубчатой и ременной передач.
Аналогичная связанная изгибно-крутильная упругая система возни-
кает при обработке детали в центрах с передачей вращения через односто-
ронний хомутик. В отличие от предыдущей эта система в процессе враще-
ния меняет свое ориентирование относительно резца.
Описанная схема упругой системы шпиндельной группы может быть
более сложной, если опоры шпинделя имеют отклонения от технических
условий. Например, при овальной расточке отверстия под передний шпин-
дельный подшипник жесткость опоры будет различной в различных на-
правлениях, что должно быть учтено при анализе упругой системы.
Для анализа статической характеристики измеряются или рассчиты-
ваются деформации различных узлов, деталей и стыков в различных
направлениях.
Оценка полученных данных с точки зрения того, какая деформация
и в какой степени влияет на величину относительного смещения инстру-
мента и заготовки под действием силы резания, производится двумя ме-
тодами: по форме упругой системы, измененной деформированием и
218 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
по так называемому «балансу» (структуре) технологической жесткости
системы.
В первом случае пользуются изображением станка, на которое наносят
в определенном масштабе измеренные или вычисленные перемещения от-
дельных точек деталей и узлов.
Во втором случае дается количественное соотношение долей смещения
инструмента и обрабатываемой детали, приходящихся на тот или иной вид
деформации, на тот или иной узел или деталь станка. Соотношение обычно
выражается в процентах по отношению к полному смещению.
§ 4. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ
Анализ собственной устойчивости и динамических характеристик
рабочих процессов, протекающих в подвижных соединениях станка, про-
изводится на основании данных соответствующих отраслей науки. Из всех
рабочих процессов рассмотрим важнейшие процессы резания и трения
и в небольшой мере — процессы в двигателях.
Процесс резания представляет собой сложную связанную
систему пластического деформирования, тепловых процессов, процессов
трения и т. п. Основное влияние на процесс резания оказывают: геометрия
режущего инструмента, режимы резания, свойства обрабатываемого мате-
риала, смазывающие и охлаждающие жидкости. Основной закономер-
ностью элемента «резание» является зависимость силы резания от сечения
среза или скорости резания.
Если при постоянном сечении среза и скорости сила резания не изме-
няется, то резание будет собственно устойчивым.
Нарушение собственной устойчивости процесса резания выражается
в переменности силы при отсутствии колебаний размера сечения среза
или скорости резания. Такая переменность силы резания возникает
в условиях появления стружки надлома, отрыва или скалывания и при
неустойчивом наросте. Наибольшее практическое значение имеет послед-
ний вид неустойчивости.
Наростообразование является важной особенностью резания металлов.
Нарост возникает на передней поверхности резца, начиная с весьма малых
скоростей. При некоторых условиях (скорость резания, толщина среза
и т. п.) нарост, который часто называют застойной зоной, носит устойчивый
характер. В этом случае резание протекает так, как будто бы резец имеет
передний угол, равный углу, образованному наростом. Усадка стружки
и сила резания при этом резко уменьшаются и резание носит относительно
спокойный характер. Обрабатываемая поверхность получается не очень
чистой, но стойкость резца возрастает, так как его передняя поверхность
покрыта своеобразным панцирем — наростом.
При некоторых скоростях, значение которых зависит от свойств обра-
батываемой стали, геометрии среза и режущего инструмента, нарост ис-
чезает. Стружка при этом сливная, а обработанная поверхность чистая.
Процесс резания в этом случае собственно устойчив.
В некотором диапазоне скоростей резания нарост периодически сры-
вается, и сила резания приобретает характер переменной силы, а процесс
резания становится собственно неустойчивым.
Статическая характеристика процесса ре-
зания выражает отношение силы резания к толщине среза, полученное
при резании с режимами, постоянными во времени. Это отношение в настоя-
щее время может быть определено только экспериментальным путем.
РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ
219
Зависимость силы резания от толщины среза при заданном значении
его ширины нелинейная и может быть выражена степенной функцией.
Линеаризация ее при изменении толщины среза в небольших пределах
дает статическую характеристику резания в следующей форме:
~ н/мм, (V. 225)
здесь КР = КЬ,
К — удельная сила резания в н!мм2 (для углеродистой стали
К 2000 н/мм*),
Ь — ширина среза в мм.
Динамическая характеристика резания выра-
жает зависимость между силой резания и толщиной среза при том или
дном заданном изменении толщины во времени.
Динамическая характеристика резания в настоящее время практически
может быть определена только экспериментально. Динамические особен-
ности резания начали учитывать в связи с исследованием вибраций при
резании.
Между изменением толщины среза и изменением силы резания сущест-
вует сдвиг во времени, который является следствием инерционности
процессов при резании. Известна инерционность тепловых процессов,
процессов изменения механических свойств металла при нагреве или ох-
лаждении и т. п. Прежде всего необходимо указать на отставание в изме-
нении силы резания, которое связано с ограниченностью скорости прохо-
ждения срезаемого объема материала с момента начала его деформирова-
ния до отделения стружки от инструмента.
При положительных передних углах резцов показателем степени де-
формирования материала при стружкообразовании может служить усадка
пружки. Используя общее выражение силы резания через основные пара-
метры процесса (толщину среза, усадку, напряжения и т. п.), можно пока-
зать [42], что сила резания изменяется в прямой зависимости не от
пэлщины среза, а от толщины стружки. При изменении толщины среза
толщина стружки изменяется не сразу, а с некоторым отставанием во вре-
мени вследствие того, что усадка изменяется по мере прохождения форми-
руемой стружки по передней поверхности инструмента. Это положение
педует из результатов специальных опытов по резанию резцами с укоро-
ченной передней поверхностью.
Учет этого обстоятельства приводит к следующей простейшей форме
ттнамической характеристики резания (передаточной функции)
-де Р и у — соответственно изменения силы резания и толщины среза;
Тр -= ---постоянная времени стружкообразования в сек\
а0 — заданная толщина среза;
1о = — — заданная усадка стружки, равная отношению
aQ
толщины стружки к толщине среза;
v — скорость резания;
— некоторый постоянный коэффициент, определяемый экспе-
риментально и равный примерно 1—1,5.
220 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
Более полная форма динамической характеристики и подробности вы-
вода соответствующего выражения даны в работе [42 ]. Существенную
роль в этой характеристике играют закономерности изменения сил на зад-
ней поверхности инструмента. На фиг. V, 193 показаны три амплитудно-
фазовые частотные характеристики резания, построенные для различных
значений ширины площадки износа по задней поверхности резца при сво-
бодном резании углеродистой стали. Отрезок Кр при <о = 0 выражает ста-
резания следует, что при
Фиг. V, 193. Амплитудно-фазовые час-
тотные характеристики процесса» реза-
ния при различной высоте h фаски
износа:
а0 = 0,1 мм; v = 103 мм! сек; 1 — h =
= 0,1 мм', 2 — h = 0,5 мм; 3 — h = 1,0 мм
тическую характеристику резания.
Из приближенного выражения (V. 226) динамической характеристики
внезапном изменении толщины среза сила резания
будет изменяться по экспоненте. Соот-
ветствующая временная динамическая
характеристика имеет вид
р^кЛ-^У (V'227)
где а — заданное скачкообразное изме-
нение толщины среза;
t—время.
В динамической характеристике реза-
ния важная роль принадлежит постоян-
ной времени стружкообразования. Эта
постоянная времени уменьшается с уве-
личением скорости. Она тем больше, чем
больше усадка и заданная толщина среза.
Отставание силы резания во времени
приводит к тому, что при быстром уве-
личении толщины среза сила резания
всегда меньше, чем при ее уменьшении.
Процесс трения, как и процесс резания, представляет собой
сложную систему взаимодействия самых различных физических и хими-
ческих явлений. В металлорежущих станках встречается трение скольже-
ния и трение качения. Различают следующие виды трения скольжения:
сухое, граничное, смешанное (полусухое и полужидкостное) и жидкостное.
Процессы сухого и граничного трения определяются весьма сложными
и пока еще недостаточно изученными явлениями на поверхностях контак-
тирующих тел. Эти явления связаны с механическим и молекулярным
взаимодействием неровностей трущихся поверхностей. При смешанном
трении суммируются сила от взаимодействия контактирующих поверх-
ностей деталей и сила вязкого сопротивления смазки, не разделяющей
полностью эти поверхности. Если смазка разделяет поверхности пол-
ностью, то трение становится жидкостным.
Различные виды трения скольжения, связанные с контактным взаимо-
действием поверхностей тел, будем далее называть контактным трением.
Взаимодействие поверхностей охватывает дискретные области контакта,
и при движении тел, исчезая в одних областях, возникает в других. Сопро-
тивления статистически суммируются, формируя общую силу трения.
Сопротивления возникают при передеформировании контактирующих
неровностей.
Собственная неустойчивость процесса контактного трения проявляется
в явлении заедания, сопровождаемого глубинным разрушением контакти-
рующих поверхностей, повышением температуры в зоне трения, большой
нестабильностью силы трения. Устраняется это явление улучшением уело-
РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ
221
вий смазки, повышением твердости трущихся поверхностей, подбором их
материалов, снижением нормальной нагрузки и т. п.
Собственная неустойчивость жидкостного трения выражается в пере-
ходе от ламинарного течения смазки к турбулентному и встречается в стан-
ках редко.
Так как в станках большее распространение имеет контактное трение,
то далее рассмотрим этот вид трения.
Основными закономерностями контактного трения в связи с деформа-
циями упругой системы являются зависимости силы трения от нормальной
нагрузки (закон Амонтона — Кулона) и от скорости скольжения. Для
анализа более удобной, чем зависимость от нагрузки, является зависимость
характеристик трения от нормальной контактной деформации, введенная
в практику исследования трения И. В. Крагельским [39].
Статическая характеристика контактного трения в линеаризованном
виде при этом получает следующее выражение:
Р = kmy, (V. 228)
где F и у — соответственно изменение силы трения и нормальной кон-
тактной деформации;
fCK —коэффициент пропорциональности между силой трения
и нормальной контактной деформацией;
f — коэффициент трения;
Ск — контактная жесткость подвижного соединения — «жест-
кость трения».
Статическая характеристика трения по скорости, выражающая зави-
симость контактного или жидкостного трения от скорости скольжения,
з линеаризованном виде имеет следующую форму:
F = kvv, (V. 229)
где F и v — соответственно изменение силы трения и скорости сколь-
жения;
kv — коэффициент пропорциональности, положительный при воз-
растании силы трения с увеличением скорости и отрицатель-
ный в обратном случае.
При смешанном трении, как правило, характеристика по скорости
«падающая», т. е. сила трения уменьшается с увеличением скорости.
При жидкостном трении характеристика «возрастающая».
Динамическая характеристика процесса трения выражает зависимость
между силой трения и нормальной контактной деформацией при том или
ином заданном изменении этой деформации во времени. Динамическая ха-
рактеристика практически может быть определена только эксперимен-
тально.
Между изменением силы трения и нормальной контактной деформации
существует сдвиг во времени, который является следствием инерционности
процессов при трении. Известно, что сила трения формируется в процессе
так называамого предварительного смещения. При возрастании нагрузки
возрастает величина предварительного смещения.
В простейшей форме динамическая характеристика (передаточная
функция) контактного трения имеет вид [40]
\у/ _ F __ km
У ~ ТтР+1’
(V. 230)
222 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
где Тт = —----постоянная времени предварительного смещения;
^0
1т — некоторая часть полного предварительного смещения;
v0 — заданная скорость скольжения.
При внезапном изменении нормальной контактной деформации (на-
грузки) сила трения в соответствии с формулой (V. 230) будет изменяться
по экспоненте. Последняя является аппроксимацией экспериментальной
зависимости силы трения от предварительного смещения.
Уменьшение силы трения со скоростью при смешанном трении объяс-
няется уменьшением контактного трения по мере всплывания тела на слое
Фиг. V, 194. Экспериментальная
зависимость силы трения от тан-
генциального смещения (предва-
рительного смещения £)
смазки под действием гидродинамических
сил [39].
Большое вязкое сопротивление смазки
этому всплыванию при быстром изменении
скорости находит свое выражение в простей-
шей динамической характеристике смешан-
ного трения
= <V231>
где Тв—постоянная времени всплывания.
При внезапном изменении скорости сколь-
жения сила трения с отставанием во времени
изменяется по экспоненте. Отставание силы
трения во времени от изменения скорости
скольжения приводит к тому, что при быст-
ром ее изменении «крутизна» падения силы
трения по скорости при смешанном трении
резко ослабляется.
При анализе динамических процессов, связанных с остановкой движу-
щихся деталей или резца и заготовки (при реверсах; при релаксационных
автоколебаниях, т. е. автоколебаниях с остановками и т. п.) важное значе-
ние имеют характеристики процессов трения и резания по тангенциальному
перемещению. Эти характеристики существенно нелинейны. На фиг. V, 194
показана зависимость силы трения от тангенциального смещения. Увели-
чение сдвигающей силы, приложенной к покоящемуся телу, вызывает
возрастание силы трения и предварительного смещения. Уменьшение сдви-
гающей силы приводит к уменьшению силы трения по другой ветви харак-
теристики, так как пластическая остаточная часть деформации в предвари-
тельном смещении не восстанавливается. При изменении направления
сдвигающей силы, что соответствует изменению знака скорости скольже-
ния, картина повторится в обратном порядке.
Такой же вид имеет характеристика процесса резания по тангенциаль-
ному смещению. Разница будет заключаться в большей асимметрии харак-
теристики, связанной с разницей геометрии передней и задней поверхно-
стей резца.
Процессы в двигателях служат предметом изучения
специальных отраслей науки: электротехники, гидро- и аэродинамики
и т. п. Для представления об этих элементах динамической системы станка
приведем пример простейшей динамической характеристики электромаг-
нитных процессов асинхронного электродвигателя [13]
1
W — — -_____-_
S Т9р+1>
(V. 232)
АНАЛИЗ И РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТАНКА
223
где М — движущий момент электродвигателя;
о СОл — ®
S = —2---------скольжение;
too
(о0 — скорость идеального хода;
v = 2 >------коэффициент крутизны статической характеристики;
Мк — критический (максимальный) момент электродвигателя;
Тэ —------=---электромагнитная постоянная электродвигателя;
toc*ox
(о^ — угловая частота сети;
SK = \ У^м~ 0 — критическое скольжение;
SH — номинальное скольжение;
Км — кратность максимального момента.
Статическая характеристика асинхронного электродвигателя в форме
так называемой механической характеристики хорошо известна.
§ 5. АНАЛИЗ И РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКОГО
КАЧЕСТВА СИСТЕМЫ СТАНКА
Для анализа динамической системы станка используем частотные
методы, весьма удобные как своей относительной простотой, так и широ-
кими возможностями использования экспериментальных данных.
Динамический расчет системы станка сводится к построению ампли-
тудно-фазовых частотных характеристик АФЧХ эквивалентных элемен-
тов (ЭУС и МС) и связанных с ними дополняющих систему элементов (рабо-
чих процессов) с последующим анализом одноконтурной системы одного
"13 указанных в § 1 типов, выбор которого определяется характером ре-
шаемой задачи.
Если характеристики элементов получены экспериментально, напри-
мер, при испытании опытных образцов, то анализ показателей динамиче-
ского качества выполняется так же, как при расчете станка.
В ряде случаев оказывается удобным расчет или экспериментальное
определение АФЧХ не элементов отдельно, а характеристики соответст-
вующей разомкнутой системы, характеристик замкнутой системы при за-
панных внешних воздействиях и т. п. Сложность динамической системы
станка делает расчет практически возможным только с использованием
современных электронных вычислительных машин (ЭВМ).
Определению характеристик упругой системы и рабочих процессов
сбязательно предшествует оценка собственной устойчивости каждого
£3 них.
При расчете системы в случае собственной неустойчивости одного
*з элементов динамической системы станка возникает необходимость реше-
ния нелинейной задачи определения амплитуд и частот автоколебаний
: последующей оценкой их допустимого уровня. Примером такого рас-
чета [441 является определение автоколебаний при собственно-неу стой-
ивом резании, т. е. при формировании элементной стружки или стружки
э «срывающимся» наростом. Методика решения такого рода задач анало-
ична методике рассматриваемого ниже расчета релаксационных автоко-
:ебаний.
Анализ системы в линейном приближении выполняется по характе-
истике разомкнутой одноконтурной системы одного из указанных трех
ипов. Характеристика разомкнутой системы строится как произведение
шрактеристик образующих ее элементов. При этом для каждого значения
224 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
частоты амплитуды перемножаются, а фазы складываются. Характери-
стика при этом получается безразмерной. На фиг. V, 195 показана для
примера разомкнутая система третьего типа и ее характеристика Wpa3,
построенная для случая обработки «по чис-
тому»:
Н Ж |-Х = = (V. 233)
р При анализе системы для случая обра-
У" ботки «по следу» размыкание производится
________К по обратной связи с запаздыванием, какпока-
Фиг. V, 195. Разомкнутая эквивалентная динамическая система (по
связи с резанием) и ее амплитудно-фазовые частотные характеристики:
а — схема системы; б — устойчиво; в — неустойчиво
зано на фиг. V, 196. Характеристика Wy системы без выделенного эле-
мента с запаздыванием представляет собой характеристику замкнутой
динамической системы при обработке «по чистому», взятую по внешнему
Фиг. V, 196. Схема эквивалентной динамической си-
стемы (по связям с резанием) при обработке «по следу»:
а — замкнутой; б — разомкнутой
использованием следующих соотношений для
воздействию на рабочий
процесс:
U7 — —-— =
y(t)
Гра3
(V.234)
_ Араз
Чу Чраз
Построение этой харак-
теристики производится
или после расчета ее по
известной характеристике
Wpa3, или графически с
амплитуды и фазы:
(V. 235)
здесь Ау и — амплитуда и фаза характеристики Wy замкнутой
системы по воздействию у (f);
Араз и Чраз — амплитуда и фаза характеристики Wpa3 разомкнутой
системы;
АНАЛИЗ И РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТАНКА
225
Азн й — амплитудное значение (модуль) и фаза (аргумент)
вектора, проведенного из точки (—1; Ю) в точку
характеристики Wpa3 с заданным значением частоты.
Этот вектор показан на фиг. V, 195.
Характеристика разомкнутой системы при работе «по следу» имеет вид
= <v-236>
где е — основание натуральных логариф-
мов;
т — заданное время запаздывания.
Построение этой характеристики сис-
темы с запаздывающей обратной связью
показано на фиг. V, 197. Оно заключается
в повороте векторов характеристики на
угол (р=Т(0. Анализ показателей динами-
ческого качества системы станка выпол-
ним на примере упрощенной системы станка
в процессе обработки. Методика и основ-
Фиг. V, 197. Построение характе-
ристики 1^раз при заданном вре-
мени запаздывания
ные результаты анализа полностью распро-
страняются на две другие упрощенные
системы, используемые при анализе при-
вода или работы станка при холостом
ходе. Для последней системы коснемся лишь некоторых специфических
вопросов, связанных с особенностями движения узлов станка по направ-
ляющим.
Запас или степень устойчивости системы
В общем случае устойчивой считается система, отклонение которой
от данного состояния (равновесия или движения по заданному закону)
в переходном процессе, вызванном ограниченным по величине воздейст-
вием, со временем уменьшается. Если это отклонение возрастает, то си-
стема считается неустойчивой.
Нелинейность системы, иначе говоря изменение значения ее парамет-
ров с отклонением, приводит к тому, что отклонение не нарастает беспре-
дельно, а прекращается по достижении некоторой величины.
При периодической неустойчивости устанавливаются колебания с неко-
торой амплитудой, носящие название автоколебаний.
В практике автоколебания при резании известны чаще под названием
вибраций, дробления и т. п., а устойчивость динамической системы станка
при резании под термином «виброустойчивость». Сущность автоколебаний
хорошо изложена в популярной книге А. А. Харкевича [91].
Сложность динамической системы станка при очень широком диапазоне
изменения ее параметров (например, скорость резания может варьиро-
ваться в пределах двух-трех ^порядков величины) обрекают на неудачу
попытки объяснить происхождение автоколебаний при резании действием
какого-либо одного «возбудителя».
Выражением апериодической неустойчивости динамической системы
станка является «подрывание» резцов. При этом виде неустойчивости воз-
никает нарастающее во времени за счет деформации в одном направлении
отклонение (дивергенция) инструмента или заготовки. Инструмент все
глубже врезается в металл, сила резания нарастает, вызывая дальнейшее
8 Ачеркан. Зак. 659.
226 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
увеличение деформации. Вызванное случайным толчком подрывание закан-
чивается поломкой инструмента или обрабатываемой детали.
Оценка устойчивости динамической сис-
темы станка производится по величине так называемой области
устойчивости в пространстве параметров системы, иначе говоря, по пре-
делам изменения параметров без потери системой устойчивого состояния.
Например, область устойчивости при растачивании отверстия консольной
борштангой ограничивается ее вылетом, равным примерно 4—5 диаметрам
борштанги (эта величина может изменяться в зависимости от других пара-
метров: скорости резания, материала и т. п.). Необходимо, чтобы рабочий
диапазон изменения параметров станка находился в пределах области
устойчивости системы.
Устойчивость системы может быть определена расчетом и эксперимен-
тально.
Расчетному анализу подвергается дифференциальное уравнение дина-
мической системы станка. Если решения уравнения будут возрастающими
во7 времени, то система неустойчива. Однако практически в большинстве
случаев уравнение не решают, а для оценки устойчивости пользуются
так называемыми критериями устойчивости, которые позволяют сравни-
тельно просто получить результат для линеаризованного уравнения.
Различают критерии алгебраические (Рауса, Гурвица и др.) и частотные
(Найквиста, Михайлова и др.).
Более подробно с критериями устойчивости можно познакомиться
по любому курсу теории регулирования [811.
Для оценки устойчивости системы применим амплитудно-фазовый
критерий Найквиста. Он позволяет наглядно проследить влияние упругой
системы и резания по характеристике разомкнутой системы.
В простейшем толковании критерий устойчивости сводится к следую-
щему: если, характеристика отсекает на отрицательной вещественной оси
отрезок 11, то система при данных значениях параметров будет
устойчива. Если характеристика разомкнутой системы пересекает отри-
цательную вещественную ось за —1, то система неустойчива. Когда отре-
зок Re9pa3 равен единице, система находится на границе устойчивости
и по этому отрезку можно оценить предельную ширину Ьпр среза, допу-
скаемую системой из условий устойчивости.
Чем больше отрезок Repa3, отсекаемый характеристикой на отрицатель-
ной ветви вещественной оси, тем меньше предельная ширина среза и ниже
виброустойчивость системы. Эта закномерность хорошо согласуется с дру-
гой: чем меньше отрезок КрКэус> отсекаемый характеристикой при
(о = 0 на вещественной оси, тем выше технологическая жесткость системы
и тем меньше влияние деформаций системы на точность обработки.
Если КрКэус имеет отрицательное значение, превышающее 111, то
возникнет подрывание.
Частота автоколебаний, возникающих при потере устойчивости, близка
к значению частоты характеристики в точке ее пересечения с отрица-
тельной вещественной осью.
Физический смысл потери устойчивости системой при резании «по
чистому» заключается в следующем. Наличие многих степеней свободы
упругой системы приводит к тому, что колебания инструмента относи-
тельно заготовки представляют собой результат сложения нескольких
связанных между собой простейших колебаний. Поэтому образующаяся
в результате сложения колебаний траектория относительного движения
АНАЛИЗ И РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТАНКА
227
инструмента и заготовки имеет вид замкнутой кривой, приближающейся
по форме к эллипсу. Этот эллипс в отличие от эллипса жесткости назы-
ваем эллипсом перемещений. Движение инструмента по такой траектории
изменяет толщину среза, а следовательно, и силу резания таким образом,
что при движении в сторону действия силы резания толщина среза будет
больше, чем при движении инструмента навстречу силе резания.
Условия, при которых возникает такое движение системы, соответст-
вуют показанному на фиг. V. 189 случаю сложения нормальных форм
колебаний разных знаков. При этом характеристика W3yc пересекает
отрицательную вещественную ось и система является потенциально не-
устойчивой.
Если система устойчива, то фазовый сдвиг между колебаниями будет
таким, что направление движения вершины инструмента окажется обрат-
ным описанному. Изменение силы резания в этих условиях оказывает
демпфирующее действие на колебания, не пополняя рассеиваемую энер-
гию, как в неустойчивой системе, а наоборот, увеличивая это рассеивание.
На это обстоятельство мы обращаем особое внимание, так как в литературе
отсутствует четкое представление о влиянии резания (в устойчивой си-
стеме — при отсутствии вибраций) на колебания, вызванные внешними
возмущениями.
Следует обратить внимание на то, что в рассмотренном случае
изменение демпфирующего эффекта резания определяется не столько реза-
нием, сколько изменениями в упругой системе, которые определяют на-
правление движения по траектории или, что то же самое, — устойчивость
системы.
Выше говорилось о том, что поведение устойчивой замкнутой системы
при внешних воздействиях отличается от поведения незамкнутой системы.
Демпфирующее влияние резания является одной из иллюстраций этого
положения.
Описанная роль изменения толщины среза в возбуждении автоколеба-
ний дополняется эффектом влияния отставания силы резания от изменения
толщины среза. Иначе говоря, при автоколебаниях создается неоднознач-
ность изменения силы резания в результате отставания во времени силы
резания от изменения толщины среза.
Зависимость динамической характеристики резания (постоянной вре-
мени стружкообразования) от скорости определяют возможность существо-
вания двух граничных скоростей резания и более, ниже и выше которых
система устойчива и вибрации отсутствуют. Наличие таких скоростей,
ограничивающих область возникновения вибраций, давно известно иссле-
дователям и практикам.
Необходимо только помнить, что в данном случае речь идет о значении
параметров системы на границах устойчивости, а не о величинах ампли-
туд автоколебаний, которые зависят от характера нелинейности, ограни-
чивающей их возрастание.
При обработке «по следу» устойчивость системы резко падает. Это
следует из анализа характеристики разомкнутой системы с запаздывающей
обратной связью. Независимо от времени запаздывания система будет
устойчива, если Ахраз < 1. Так как А? = Ау, то это условие в соответ-
ствии с формулой (V. 235) соблюдается в том случае, когда характеристика
Wpa3 разомкнутой системы лежит справа от прямой Jmb, проведенной па-
раллельно мнимой оси через точку (—0,5; /0), как показано на фиг. V. 195.
Для быстроходных станков при работе многолезвийным инструментом
228 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
и при шлифовании возможно расширение области устойчивости при неко-
торых режимах обработки. Это расширение определяется возможностью
такого поворота характеристики Wy при построении Wpa3, при котором
она не будет охватывать точку (—1, Ю). Для указанных случаев времена
запаздывания малы и близки к периоду колебаний системы.
Если же времена запаздывания велики, как например, при токарной
обработке стальных деталей средних и больших размеров, то указанная
возможность практически исключается.
Напомним, что в этом случае время запаздывания равно времени одного
оборота заготовки.
При работе многолезвийным инструментом
r = -g-. (V. 237)
где z — число режущих кромок (зубьев фрезы и т. п.);
п — число оборотов инструмента в минуту.
Особенностью шлифования, о которой упоминалось в § 1, является влия-
ние износа круга на динамические свойства системы. Прежде всего это
выражается в изменении времени запаздывания. Через некоторое время
после начала работы (а для круга практически еще во время правки) из-за
вынужденных колебаний на поверхности детали и круга появляются
волны. Круг для обрабатываемой детали становится своеобразной «фре-
зой», число «зубьев» которой равно числу волн, а обрабатываемая деталь —
своеобразной «протяжкой», изнашивающей круг.
Времена запаздывания при этом определяются следующими выраже-
ниями:
1) в обратной связи по следам на детали
= 60
Пкр2кр
где пкр — число оборотов круга в минуту;
zKP — число волн на периферии круга;
2) в обратной связи по следам износа круга:
а) при круглом шлифовании
_ Рд 60
Кр Ркр Пкргд
б) при плоском шлифовании
____ vnpod
кр ^РкрДкр 1^РкрПкр ’
где Dd и DKP — соответственно диаметры детали и круга;
гд — число волн на периферии детали;
te — шаг волны на шлифуемой поверхности;
vnpod — скорость продольной подачи;
f — частота колебаний (частота волн на поверхности детали).
Таким образом, обработка «по следу» снижает устойчивость системы
в самом лучшем случае в 2 раза, а при обычных условиях значительно
больше.
Наиболее удобным параметром для расчетной и экспериментальной
оценки устойчивости является предельная ширина среза, которую можно
(V. 238)
(V. 239)
(V. 240)
АНАЛИЗ И РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТАНКА
229
Фиг. V, 198. АмплитуднЪ-фазовые частотные харак-
теристики линейной части системы WA и ее элемен-
тов; нелинейного элемента — Мя (обратная экви-
валентная характеристика)
снять на станке без вибраций и подрывания. Границу устойчивости целе-
сообразно строить в координатах «предельная ширина среза — скорость
резания (число оборотов)» при различных подачах, так как эти параметры
определяют производительность обработки. Сопоставляя границы устой-
чивости, можно дать относительную оценку качества того или иного эк-
земпляра станка, его различных моделей, конструкции инструмента,
приспособления или режимов
обработки.
Однако граница устойчи-
вости лишь косвенно харак-
теризует запас или степень
устойчивости системы.
При расчетах запас устой-
чивости удобно оценивается
по величине отрезка (при
обработке «по чистому»)
1 — Repa3} 10Э%. (V. 241)
и по фазовому углу поворота
характеристики Wpa3 до пе-
ресечения с отрицательной
зетвью вещественной оси в
точке с координатой (—/;/0).
Расчетную и, главным об-
разом, экспер иментальную
оценку системы станка удобно
производить, пользуясь коэф-
фициентами устойчивости
замкнутой системы по внеш-
ним воздействиям. Эти коэф-
фициенты берутся для потен-
циально неустойчивой формы
колебаний системы (т. е. той,
которая имеет место при по-
тере системой устойчивости),
характеризуемой значением
собственной частоты <ow.
Коэффициенты устойчивости имеют вид: а) по внешнему воздействию
на ЭУС — Азн\ б) по внешнему воздействию на резание-------
Араз
Методика определения Азн и Араз описана выше. При эксперимен-
тальной оценке этих коэффициентов используются данные о колебаниях
при резании и о колебаниях при холостом ходе или периодических изме-
нениях припуска. Соответствующие выражения будут приведены ниже
при рассмотрении вынужденных колебаний.
Во многих случаях удобно оценивать систему станка по быстроте изме-
нения коэффициента устойчивости с изменением какого-либо параметра
системы, например глубины резания, подачи, вылета борштанги и т. п.
Рассмотрим пути повышения виброустойчивости системы.
Роль упругой системы полностью определяется ее динамической харак-
теристикой, которая зависит от жесткости, масс, демпфирования и связан-
ности отдельных колебательных контуров, составляющих систему.
230 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
Используя амплитудно-фазовый критерий устойчивости, можно опре-
делить направление воздействия на упругую систему. Для повышения
устойчивости необходимо уменьшить радиус-вектор ее динамической
характеристики, особенно в областях, примыкающих к отрицатель-
ной вещественной оси, а также обеспечить такое расположение харак-
теристики, при котором она не пересекает отрицательной веществен-
ной оси.
Одним из основных практических методов повышения виброустойчи-
вости системы является увеличение жесткости, вследствие чего соответст-
венно уменьшается радиус-вектор характеристики.
Ошибки, допущенные при изготовлении деталей и сборке всех элемен-
тов, составляющих упругую систему станка, как правило, вызывают
снижение устойчивости системы. Одной из наиболее распространенных
и существенных ошибок при изготовлении станков с вращательным рабо-
чим движением (токарных, фрезерных и т. п.) является овальность отвер-
стия под шпиндельный подшипник. Жесткость опоры шпинделя в этом слу-
чае различна по различным направлениям. Это создает координат-
ную связь в системе, и устойчивость резко падает.
Чаще всего овальность отверстия является результатом погрешности
расточного станка, на котором производилась обработка. В таких случаях
выверяют оборудование и растачивают повторно отверстие. В крайнем
случае возможна местная металлизация наружного кольца подшипника
для придания ему овальной формы с последующей подгонкой по месту.
Иногда искажение формы отверстия появляется в результате дефор-
мации корпуса шпиндельной бабки при затяжке неудачно расположенных
крепежных винтов.
Нелинейности типа зазоров особенно часто возникают при неточном
изготовлении и регулировании опор шпинделей и в кинематических цепях.
Чрезмерные зазоры в шпиндельных подшипниках резко снижают вибро-
устойч ивость системы.
При достаточной жесткости системы вибрации можно устранить как
понижением, так и повышением скорости резания. При повышении ско-
рости резания следует учитывать возможность появления вибраций,
более высоких частот. Например, при растачивании борштангой на токар-
ном станке было обнаружено с изменением скорости резания последова-
тельное появление вибраций трех частот: около 500, свыше 1000 и бо-
лее 10000 гц. Первые оказались близкими к изгибным колебаниям бор-
штанги, вторые — к крутильным колебаниям, третьи — к изгибным коле-
баниям резца.
Во многих случаях изменение скорости резания оказывается одним
из простых и эффективных способов устранения вибраций.
Влияние подачи зависит от диапазона скоростей, в котором ведется
обработка, и может выражаться в повышении или понижении виброустой-
чивости при увеличении подачи. При обдирочной и получистовой обработке
на станках токарного типа с использованием быстрорежущего и твердо-
сплавного инструмента увеличение подачи обычно способствует устране-
нию низкочастотных вибраций.
Увеличение глубины резания, которая при «прямых» сечениях среза
определяет ширину среза, всегда ведет к появлению и усилению вибраций.
Уменьшение глубины резания с целью устранения вибрации низкой ча-
стоты является простым средством, но ведет к резкому снижению произво-
дительности труда и поэтому может быть использовано лишь в отдельных
случаях.
АНАЛИЗ И РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТАНКА
231
Иногда целесообразно изменением режимов обработки перейти к другой
форме вибраций, устранение которой осуществляется проще другим спо-
собом, например путем воздействия на упругую систему.
Средства борьбы с подрыванием инструментов принципиально просты
и заключаются в правильной установке резца, работе перевернутым
резцом, уменьшении вылета инструмента, повышении жесткости упру-
гой системы при одновременном уменьшении разницы в главных жест-
костях.
Анализ устойчивости динамической системы станка при работе его
на холостом ходу, выполняемый в связи с выбором параметров привода,
упругой системы или трения, принципиально ничем не отличается от изло-
женного. Среди специалистов и в литературе имеют распространение мне-
ния о значительном влиянии на устойчивость перемещения деталей станка
«падающей» характеристики трения по скорости или разницы сил трения
покоя и движения. О последнем будет сказано ниже.
«Падающая» характеристика сил трения, так же как и сил резания,
существенно влияющая на средний уровень, особенно сил трения, как пока-
зывают исследования, не оказывает значительного влияния на устойчи-
вость системы. Это объясняется инерционностью процессов, определяющих
характеристику, например, процесса всплывания при смешанном трении.
Инерционность в большой степени ослабляет крутизну характеристики
и соответственно уменьшает величину изменения сил трения и резания
при колебаниях скорости скольжения или резания.
При анализе устойчивости системы «в большом», который необходим
в связи с возможностью релаксационных колебаний при перемещении
узлов вхолостую («скачки» узлов при медленных перемещениях) или при
резании, основное значение имеет описанная в § 4 нелинейная зависимость
сил от тангенциального смещения. Наличие разницы сил трения покоя
и движения, которая мала по отношению к величине силы трения и может
отсутствовать при колебаниях, не является решающим условием появле-
ния релаксационных автоколебаний.
Релаксационные автоколебания определяются следующим условием
наличия остановок:
(V. 242)
где А — амплитуда колебаний;
со — собственная частота системы;
v — скорость заданного движения (резания или скольжения).
Они могут быть двух типов: а) без изменения знака скорости при ра-
венстве амплитуды колебания скорости и заданной скорости движе-
ния у; б) с изменением знака скорости, когда А <о > v.
При колебаниях первого типа сила изменяемся по первой половине
гистерезисной петли, показанной на фиг. V, 194. При колебаниях второго
типа захватывается вторая половина петли, характеризующая, в отличие
гт первой половины, изменение силы, противодействующей развитию коле-
баний. При равенстве двух половин петли, что характерно для сил трения,
возможен только один режим автоколебаний с амплитудой, не изменяю-
щейся с изменением скорости, и частотой, возрастающей с ростом скорости.
При колебаниях первого типа характеристика симметрична и имеет
сорму характеристики зазора с ограничением.
Расчет приближенно ведется методом «гармонического баланса»
нелинейной механики [63]. При использовании этого метода замкнутая
232 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
система представляется состоящей из двух элементов: линейной и
нелинейной. В том случае, когда характеристика W9yC эквивалент-
ной упругой системы может быть описана одной нормальной формой,
характеристика линейной части WA имеет третий порядок и равна
произведению W эус на характеристику W. предварительного сме-
щения. Последняя определяет формирование предварительного смеще-
ния на фрикционном контакте или в зоне резания при деформации
эквивалентной упругой системы. На фиг. V, 198 показана характеристика
линейной части и обе составляющие ее характеристики. Там же приведена
обратная эквивалентная характеристика нелинейного элемента [81 ], выра-
Фиг. V, 199. Расчетная зависимость частоты f
и амплитуды А релаксационных автоколебаний
от скорости
жающая зависимость комп-
лексного коэффициента уси-
ления от амплитуды.
Пересечение этой харак-
теристики, взятой с обратным
знаком, и характеристики
линейной части дает [81] ре-
жим автоколебаний. Устой-
чивое решение соответствует
точке d пересечения. Ампли-
туда автоколебаний опреде-
ляется по характеристике не-
линейного элемента, часто-
та — по характеристике ли-
нейной части.
При увеличении скорости
движения условие существо-
вания автоколебаний первого типа требует увеличения амплитуды. Она
растет, соответственно растет высота части первой половины петли гисте-
резиса, т. е. величина изменения силы трения или резания при колеба-
ниях. Максимального значения амплитуда достигает при полной высоте
половины петли гистерезиса, т. е. при равенстве ее полной силе трения
или резания. Из этого условия определяется максимальная скорость дви-
жения, до которой существуют релаксационные автоколебания первого
типа при заданной величине силы и характеристике эквивалентной упру-
гой системы. Частота релаксационных колебаний первого типа при изме-
нении скорости движения остается практически постоянной.
На фиг. V, 199 показано изменение амплитуд и частот релаксационных
автоколебаний обоих типов по скорости движения, рассчитанное описан-
ным методом.
Зависим©сть постоянной времени предварительного смещения от ско-
рости движения создаёт возможность существования, кроме верхней,
также и нижней граничной скорости релаксационных автоколебаний.
При движении со скоростью, меньшей, чем нижняя граничная скорость,
релаксационные автоколебания отсутствуют.
Для устранения релаксационных автоколебаний или уменьшения
области их существования необходимо уменьшать значение силы трения
или резания за счет подбора материалов, смазок, разгрузки поверхностей
трения, уменьшения ширины среза и т. п. Оказывается полезным воздей-
ствие и на другие параметры нелинейной характеристики: уменьшение
ее наклона, уменьшение остаточной деформации, т. е. ширины петли
и т. п. Увеличение жесткости и демпфирования потенциально неустой-
АНАЛИЗ И РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТАНКА
233
чивой нормальной формы колебаний ЭУС является также одним из важ-
нейших практических путей устранения релаксационных автоколебаний.
Большое влияние на повышение устойчивости перемещения деталей
и узлов станка оказывает применение специальных смазок с активными
присадками, например, смазки ВНИИНП-401 [54]. Различные методы
устранения релаксационных автоколебаний при малых перемещениях
рассмотрены В. Э. Пушем [71].
Пути повышения степени устойчивости «в малом» при перемещении
узлов станка аналогичны описанным методам повышения виброустой-
чивости и сводятся к устранению связей в эквивалентной упругой системе,
повышению жесткости потенциально неустойчивых форм ЭУС, снижению
коэффициентов трения и т. п.
Отклонения системы при внешних воздействиях. Эти отклонения
являются важнейшими показателями динамического качества станка,
поскольку они определяют возможность достижения заданной точности
обработки в условиях устойчивого состояния динамической системы при
максимальной производительности.
Рассмотрим поведение замкнутой динамической системы станка в про-
цессе резания при внешних воздействиях, т. е. воздействиях, не изменяю-
щихся при деформировании системы.
Воздействия делятся на две группы:
1. Внешние силовые и кинематические воздействия на ЭУС, обозна-
ченные на фиг. V, 184 стрелкой f (t).
2. Внешние воздействия на рабочий процесс — резание, обозначенные
на фиг. V, 184 стрелкой у (/). Далее эту группу воздействий будем назы-
вать изменением настройки.
К первой группе относятся:
а) периодические силы и толчки, передаваемые фундаменту станка
через грунт от различных посторонних источников возмущения (движе-
ние транспорта, работа молотов или компрессоров и т. п. в непосредствен-
ной близости от станка);
б) периодические силы, возникающие из-за неуравновешенности вра-
щающихся деталей (роторов электродвигателей, k шлифовальных кругов,
заготовок и т. п.);
в) периодические силы, возникающие* из-за погрешностей зубчатых
зацеплений, неоднородности ремней и наличия сшивок, неточностей шли-
цевых и шпоночных соединений, несоосности муфт, неоднородности тел
качения или волнистости беговых дорожек в шариковых и роликовых
подшипниках и т. п.; к ним также можно отнести пульсирующие нагрузки
от насосов гидросистем или смазки и др.;
г) переменные силы резания из-за неоднородности шлифовальных
кругов, неоднородности материала заготовки и т. п.;
д) переменные инерционные силы при реверсах столов, долбяков,
ползунов и других узлов в станках с возвратно-поступательными дви-
жениями;
е) периодические силы ультразвуковой частоты, искусственно созда-
ваемые для улучшения процесса резания и получения более высокого
класса чистоты обрабатываемых поверхностей.
Особенностью этой группы воздействий, за исключением последнего,
является то, что в основном их влияние вредно отражается на качестве
обработки и долговечности станка, поэтому прежде всего необходимо
стремиться к их устранению. Об уменьшении их влияния на качество обра-
батываемой детали будет сказано ниже.
234 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
Вторая группа включает в себя:
а) переменность сечения среза при фрезеровании и протягивании;
б) переменность сечения среза при обработке прерывистых поверх-
ностей или заготовок с переменным припуском (особенно часто такие усло-
вия возникают на тяжелых станках при обработке отливок или поковок);
в) переменность сечения среза при врезании и выходе инструмента
(резцов, сверл, зенкеров, долбяков и т. п.);
г) переменность величины или направления скорости движения подачи
на копировальных или программных станках;
д) переменность скорости резания при токарной обработке торцов
или деталей, не имеющих цилиндрической формы (отливки, имеющие
квадратное сечение).
Эти причины связаны с особенностями технологического процесса,
и устранить их практически невозможно (за исключением переменности
припуска, которую следует уменьшать, улучшая технологию заготови-
тельных операций). Поэтому необходимо уменьшить их влияние на ка-
чество обработки.
Все указанные причины приводят к возникновению сложных выну-
жденных колебаний системы или апериодических смещений узлов в про-
цессе работы станка. По виду этих движений не всегда можно выяснить
причину, их породившую.
Для выявления источника воздействия на станок применяют следую-
щие методы:
1. Гармонический анализ колебаний системы и сопоставление частот
этих колебаний с возможными частотами источников возмущений (числом
оборотов ротора электродвигателя, шлифовального круга, частотой пуль-
саций насоса, числом прохождения тел качения в подшипнике через зону
нагружения, числом пересопряжения зубьев колес, числом врезаний зубьев
фрезы и т. п. в единицу времени). При этом следует иметь в виду, что
нелинейность системы и сложный характер возмущений приводят к воз-
никновению вынужденных колебаний не только с основной частотой воз-
мущения, но и с собственными частотами системы.
2. Отключение, изъятие или замену возможных источников возмуще-
ния с последующим анализом результатов такого мероприятия. Воз-
можны, например, выключение электродвигателя, насосов, вращений
шпинделя; замена подшипников, зубчатых колес или фрезы (на фрезу
с другим числом зубьев) и т. п.
Для выявления источников возмущений, передаваемых через фунда-
мент, испытания производят при неработающих соседних цехах, транспорте
ит. п., например, ночью или в выходной день.
На практике в основном применяется второй метод, но он трудоемкий
и не всегда быстро приводит к желаемым результатам. Гораздо целе-
сообразнее этот метод сочетать с первым методом, несмотря на то, что он
требует применения виброизмерительной аппаратуры. После выясне-
ния источника возмущения принимают меры к уменьшению его дей-
ствия на динамическую систему станка. Иногда удается устранить
источник возмущения, например перенести железную дорогу подальше
от цеха, переставить оборудование в цехах, заменить подшипник
с волнистой беговой дорожкой и т. п. Если этого сделать нельзя,
то принимают меры к уменьшению интенсивности возмущения: балан-
сируют вращающиеся детали (роторы, шлифовальные круги и т. п.);
применяют инструменты (фрезы, протяжки), дающие более плавное изме-
нение сечения среза; зуб с шагом, кратным ширине обрабатываемой по-
АНАЛИЗ И РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТАНКА
235
верхности; повышают плавность реверсирования узлов и т. п. Когда
указанные возможности исчерпаны, переходят к мерам изоляции системы
от источников возмущения.
В настоящее время разработано большое количество различных
устройств для виброизоляции. Они применяются главным образом для
изоляции системы от возмущений, передаваемых через грунт или фунда-
ментную плиту цеха, а также от возмущений, создаваемых электродвига-
телями и гидросистемами.
В первом случае устанавливают станок на специальный фундамент,
представляющий собой массивный бетонный куб, подвешенный на пру-
жинах. Масса фундамента и жесткость пружин выбираются из усло-
вия [33], чтобы собственная частота колебаний этой системы была удалена
от собственных частот системы, определяющих главным образом относи-
тельное смещение инструмента и заготовки, а осадка пружин под действием
изменяющейся весовой нагрузки (при перестановке узлов или заготовок
на станке) не превосходила допустимой нормы.
Для изоляции от возмущений, передаваемых фундаментной плитой
цеха, бывает достаточно отделить фундамент станка прослойкой из песка,
шлака, пробки и тому подобных материалов, обладающих большой демп-
фирующей способностью.
Находит широкое применение установка станков на виброизолирую-
щие прокладки из резины, войлока или специальных синтетических мате-
риалов, а также на башмаки специальной конструкции, являющиеся
амортизаторами.
Электродвигатели также устанавливают или на амортизированные
плиты или на виброизолирующие прокладки. Во многих случаях наилуч-
шие результаты дает тщательная пригонка привалочных поверхностей
станка и электродвигателя.
Реализация всех описанных мероприятий приводит в конечном счете
к устранению одних возмущений и уменьшению других. Однако перемен-
ность настройки и некоторые виды внешних воздействий остаются и необ-
ходимо уменьшить их влияние на качество обработки.
Многообразие условий механической обработки t и видов внешних
воздействий требует дать оценку реакции динамической системы станка
в виде относительного смещения инструмента и заготовки в каждом
случае.
Далее рассмотрим погрешности обработки, возникающие при сле-
дующих основных видах внешних воздействий:
1. Постоянное во времени воздействие, создающее статическую погреш-
ность обработки.
2. Периодическое воздействие, создающее вынужденные колебания
и соответствующую стационарную динамическую погрешность обработки
в виде волнистости, огранки и т. п.
3. Воздействие в форме быстрого изменения величины (сечения среза,
сил и т. п.) от одного установившегося значения к другому, создающее
переходную динамическую погрешность.
Статическая ошибка определяет величину погрешности
обработки при постоянных режимах резания, вызванную деформациями
системы. Для оценки статической ошибки очень удобным является «уточ-
нение», представление о котором дано В. К. Вотиновым и введено в тех-
нологию механической обработки А. П. Соколовским.
«Уточнением» называется отношение одноименных погрешностей
заготовки А и обработанной детали д, показанных на фиг. V, 200. При
236 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
обработке вала изменению припуска соответствует изменение диаметра
детали, эллиптичности заготовки — эллиптичность, конусности заготов-
ки — конусность детали и т. п.
С точки зрения технолога уточнение позволяет установить связь между
точностью обработки и режимом резания. При этом можно определить
режим, обеспечивающий получение заданной точности, или определить
Фиг. V, 200. Погрешности обработки, вызываемые переменным припуском
точность обработки, получаемую при заданном режиме резания. Этим же
уточнением определяется влияние технологической жесткости системы
на точность обработки.
В соответствии с выражением (V, 234), где у = б, а у (0 = Д, полу-
чаем при со = 0
и уточнение
4 = 1+-7ГТ------• <V-244)
Известно, что при обработке деталей из однородного материала с по-
стоянным припуском влияние деформации системы или, иначе, статиче-
скую ошибку системы можно компенсировать соответствующей настрой-
кой. Однако, если жесткость системы будет меняться при обработке,
например по длине обтачиваемого вала, или с изменением вылета расточ-
ной борштанги, то появляется дополнительная погрешность обработки,
которую приходится устранять так же, как и погрешность, связанную
с переменным припуском или твердостью материала путем обработки
в несколько проходов или выбором подачи.
Прямая функциональная связь между технологической жесткостью
(статической характеристикой упругой системы) и точностью обработки
практически не обнаруживается из-за влияния других факторов, кроме
деформируемости системы. Но эта связь существует в более сложной форме,
так называемой корреляционной связи.
Погрешности при вынужденных колебаниях
в зависимости от соотношения размера поверхности и шага волны, а также
от направления формообразующего движения инструмента и направления
измерения проявляются на обработанной поверхности в виде погрешности
формы (огранка и т. п.), волнистости или микронеровностей.
Имея амплитудно-фазовую частотную характеристику разомкнутой
системы, по которой определяется устойчивость при резании, легко
оценить изменение амплитуд вынужденных колебаний в зависимости
АНАЛИЗ И РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТАНКА
237
от их частоты и устойчивости системы. Важно различать две группы внеш-
них воздействий, о которых говорилось выше: силовое или кинематиче-
ское воздействие и изменение настройки (в данном случае они являются
колебательными).
Сведения о воздействиях первой группы обычно имеются в виде частот
и амплитуд колебаний инструмента и заготовки, т. е. упругой системы
станка, для условий, когда источник возмущения действует, а резание не
производится. Таковы колебания, измеряемые при холостом ходе станка;
колебания от фундамента, измеренные при выключенном станке и т. п.
Сведения о воздействиях второй группы имеются в виде геометрически
заданной амплитуды колебания толщины среза и частоты этих колебаний.
Таковы, например, данные о переменности среза при фрезеровании, при
обработке эксцентричной заготовки и т. п.
При резании, когда динамическая система станка становится замкну-
той, указанные амплитуды колебаний изменяются.
Амплитуда Af вынужденных колебаний при резании или амплитуда
волны на поверхности детали от внешнего силового или кинематического
воздействия равна амплитуде Ахх колебаний упругой системы без резания,
деленной на коэффициент устойчивости по внешнему воздействию на ЭУС,
определяемый по амплитудно-фазовой частотной характеристике разомкну-
той системы, как амплитудное значение (модуль) вектора Азн\
At = Axx-±-. (V. 245)
Амплитуда Ахх колебаний ЭУС от внешних воздействий определяется
при измерении уровня колебаний станка при холостом ходе (с выделением
данной гармонической составляющей) или расчетом вынужденных колеба-
ний ЭУС от заданного внешнего воздействия. Расчет выполняется по той же
системе уравнений, что и расчет характеристики ЭУС, но с соответствую-
щим изменением правой части уравнений.
Для наиболее распространенной формы характеристики системы при
малых частотах колебаний Азн больше единицы и, следовательно, ампли-
туда вынужденных колебаний при резании уменьшается. При частотах
вынужденных колебаний, близких к собственным частотам неустой-
чивых форм (на которых возникают автоколебания), Азн меньше единицы,
так как соответствующие точки характеристики лежат на ее пересечении
с отрицательной ветвью вещественной оси. Следовательно, амплитуда
вынужденных колебаний этих резонансных частот при резании увели-
чивается, причем тем в большей степени, чем меньше запас устойчивости
системы, т. е. чем больше отрезок Re°pa3. Иначе говоря, резонансные ампли-
туды вынужденных колебаний при резании всегда больше, чем без резания.
Амплитуда А6 вынужденных колебаний, возникающих из-за перемен-
ности среза (см. фиг. V, 200), равна геометрически заданной амплитуде Ад
изменения толщины среза, деленной на коэффициент устойчивости по
настройке, определяемый ио той же амплитудно-фазовой характеристике
разомкнутой системы:
= (V. 246)
Амплитудные значения (модули) векторов Араз пАзн берутся для задан-
ной частоты колебаний сечения среза.
Отношение модулей векторов может быть как меньше, так и больше
единицы. Соответственно амплитуды колебаний при резании оказываются
238 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
больше или меньше заданной амплитуды изменения припуска заготовки
или среза, снимаемого инструментом (фрезой, протяжкой, шлифовальным
кругом и т. п.).
Как и в случае внешних силовых возмущений для станков с наиболее
распространенной формой характеристики, колебания низких частот при
резании уменьшаются. Амплитуды колебаний на частотах, близких к соб-
ственным частотам неустойчивых форм, будут изменяться в зависимости
от устойчивости системы, определяемой отрезком Re°pa3-
При Re°pa3 = | 0,5 |, векторы Араз и Азн будут равны и, следовательно,
амплитуда вынужденных колебаний не изменяется; при 11|> >
> 10,51 амплитуда колебаний будет увеличиваться. В отличие от силового
возмущения при достаточной устойчивости системы, когда Re°pa3 < | 0,5 |,
вынужденные колебания на собственных частотах могут существенно
уменьшаться при резании. Иначе говоря, станок, обладающий большой
устойчивостью, будет работать при резонансе, например при частоте вре-
зания зубьев фрезы, равной собственной частоте колебаний системы, так же
спокойно, как и вне резонанса. Практикам это известно по работе на «хоро-
ших» и «плохих» станках.
Одним из практически важных случаев колебаний из-за переменности
припуска являются колебания, возникающие при повторном проходе
по следам, оставшимся от предыдущего прохода (см. фиг. V, 200). Если
устойчивость мала, то колебания, возникшие при первом проходе, будут
нарастать с каждым последующим проходом и тем быстрее, чем меньше
устойчивость. Это явление известно под названием «раскачки» системы и
является одной из специфических форм потери устойчивости при резании
на станках. С учетом влияния запаздывающей связи этот случай рассмо-
трен выше.
Пользуясь понятием «уточнение» можно показать погрешность обра-
ботанной детали при вынужденных колебаниях. Следует различать два
вида причин переменности сечения среза: переменность припуска заго-
товки и переменность, создаваемую инструментом (биение фрезы, шлифо-
вального круга и т. п.). В первом случае погрешность детали определяется
смещениями системы: чем больше эти смещения, т. е. амплитуды выну-
жденных колебаний, тем больше погрешность обработки. «Уточнение»
в этом случае определяется отношением
= Лз« , (V. 247)
Араз
из которого при частоте возмущения, равной нулю, после несложных
преобразований получается приведенное выше выражение (V.244) уточне-
ния для статической погрешности при одном проходе.
Во втором случае картина иная: погрешность передается на деталь
от инструмента и равна разности задаваемого им изменения среза и сме-
щения системы. Чем больше смещается («отжимается») система, т. е. чем
больше амплитуда вынужденных колебаний, тем меньший размах имеют
волны на поверхности детали. Практически это означает, что повышением
технологической жесткости системы нельзя устранить перенос погреш-
ности инструмента на деталь.
Однако уменьшение жесткости недопустимо, так как одновременно
с уменьшением погрешности детали уменьшается съем металла, не говоря
уже о других вредных последствиях снижения жесткости. Радикальным
средством поэтому является устранение погрешности инструментов.
АНАЛИЗ И РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТАНКА
239
При обработке по следу значения коэффициентов устойчивости в выра-
жениях (V, 246) и (V, 247) берутся по характеристике Wxpa3 разомкнутой
системы с запаздыванием, т. е. вместо Араз берется Ахраз, вместо Азн
берется Ахзн.
Выражение (V, 244) является основой описанного в § 3 «производ-
ственного» метода определения статической характеристики или техно-
логической жесткости эквивалентной упругой системы. Задавая Д и
зная Кр, можно измерив S вычислить значение Кэус. Выражения (V, 245)
и (V, 247) можно использовать для экспериментального определения коэф-
фициентов устойчивости. Коэффициент устойчивости по изменению на-
стройки рабочего процесса (резания) равен «уточнению» при периоди-
ческом изменении припуска. Коэффициент устойчивости системы по внеш-
нему воздействию на ЭУС определяется как отношение амплитуды Ахх
колебания станка при холостом ходе к амплитуде А; колебаний при реза-
нии на частоте потенциально неустойчивой формы. Фиксируя эти
амплитуды с помощью малоинерционной аппаратуры при изменении пара-
метров системы (режимов резания, жесткости и т. п.), можно определить
зависимость коэффициента устойчивости от того или иного параметра.
Например, увеличивая глубину резания (ширину среза), мы увеличи-
ваем Кр и снижаем степень устойчивости системы. При этом амплитуда Лб
колебаний на собственной частоте а>я будет непрерывно возрастать, пока
при достижении предельной глубины резания (Азн = 0) теоретически
не станет бесконечно большой. Нелинейность системы ограничивает это
возрастание.
Изложенное устраняет многие неясности в толковании характера коле-
баний станков, в частности шлифовальных. Наличие внешних воздействий
делает динамическую систему станка неавтономной. Вынужденные коле-
бания с собственной частотой системы, обнаруживаемые при испытании
станков на холостом ходу, усиливаются при снижении степени устойчи-
вости при резании и воспринимаются обычно как автоколебания, что
неверно. Уровень этих вынужденных колебаний может быть весьма высо-
ким. Уменьшение их достигается устранением источников возбуждения
и повышением степени устойчивости системы.
При переходе за границу устойчивости имеем сложные колебания
неавтономной автоколебательной системы при внешних воздействиях.
Говорят о взаимодействии автоколебаний и вынужденных колебаний
в нелинейной системе.
Переходная динамическая ошибка системы опре-
деляет величину - погрешности обработки при переходных процессах.
Зыше говорилось о влиянии степени устойчивости и близости частот вы-
нужденных колебаний к собственной частоте системы на величину динами-
ческой погрешности обработки в виде волн на обработанной поверхности.
Таким же образом влияет отмеченное свойство системы на величину
неровностей при других видах внешних воздействий.
Переходная динамическая погрешность оценивается по максималь-
ному отклонению, получаемому построением переходного процесса.
Построение выполняется по известной характеристике разомкнутой
системы, заданному воздействию и начальным условиям. Удобно опре-
деляется переходный процесс моделированием на аналоговых электрон-
ных машинах.
Разработан ряд графических методов построения переходных про-
дессов [81 ].
240 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
Удобным является «метод трапеций» [81 ] построения переходного
процесса по вещественной частотной характеристике разомкнутой системы^
Последняя может быть получена построением с помощью так назы-
Фиг. V, 201. Определение параметров вещественной
частотной характеристики Rey замкнутой системы
с помощью круговых диаграмм
ваемых круговых диаграмм.
На фиг.У, 201 показано опре-
деление параметров вещест-
венной характеристики Rey с
помощью круговых диаграмм
для токарного станка, харак-
теристики разомкнутой сис-
темы которого по связи с ре-
занием нанесены на эти диа-
граммы. Характеристики рас-
считаны для трех значений
ширины среза. Метод круго-
вых диаграмм и метод «тра-
пеций» описан во многих кур-
сах теории регулирования и
мы их излагать не будем.
На фиг. V, 202 показана
вещественная характеристи-
ка Rey, построенная для ши-
рины среза Ъ = 0,6&лр, где
Ьпр — предельная
среза. Там же показана разбивка ее на трапеции
ные для каждой трапеции переходные процессы,
дает искомый переходный процесс при внезапном
ширина
и приведены построен-
суммирование которых
врезании резца. Инте-
Фиг. V, 202. Вещественная частотная характеристика Rey замкнутой системы и пере-
ходный процесс при внезапном врезании резца
ресно отметить, что переходные процессы при врезании резца для различ-
ной ширины среза отличаются не только максимальным отклонением,
возрастающим при увеличении ширины среза, но и быстротой затуха-
АНАЛИЗ И РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СТАНКА
241
ния. Декремент затухания колебаний системы уменьшается по мере уве-
личения ширины среза, т. е. снижения степени устойчивости.
Быстродействие системы. Этот показатель характеризует быстроту
завершения заданного переходного процесса. Известна роль быстродей-
ствия в копировальных и программных станках, где оно в большой степени
определяет точность обработки сложных контуров и поверхностей при
заданной производительности. Существенен этот показатель и для систем
автоматического контроля качества обработки. Однако показатель быстро-
действия не менее важен для универсальных станков.
Специфической особенностью механической обработки, отличающей
ее динамику от динамики других машин, является возможность повышения
точности (в известных пределах) путем последовательного повторного
прохода по одной и той же части обрабатываемой детали. Это — упомя-
нутая выше обработка в несколько проходов, процесс «выхаживания»
при шлифовании, «выстой» резцов при врезной обработке на токарных авто-
матах и полуавтоматах. Обработка в один и несколько проходов, как ста-
ционарный процесс, уже рассматривалась. «Выхаживание» и «выстой»
являются типичными представителями переходных процессов врезания
и выхода инструмента. При врезании и выходе инструмента образуется
погрешность, определяемая разностью отжимов упругой системы при
нулевой и полной номинальной толщине среза.
Эта погрешность постепенно устраняется последовательными прохо-
дами инструмента. Одновременно происходит изменение деформации
системы от одного установившегося состояния к другому. Продолжитель-
ность переходного процесса значительно превышает время одного оборота
детали (одного прохода).
Анализируя переходный процесс врезания или выхода инструмента
как процесс в системе с дополнительной запаздывающей связью при
большом времени запаздывания, можно показать, что он протекает по
экспоненте
/ —\
а = а0 \1 — е7"/, (V, 248)
где а — действительная толщина среза;
а0 — заданная толщина среза;
Тп = -^-(1 -Ф- 2/<эус Кр) —постоянная времени «уточнения».
Переходный процесс можно считать закончившимся с погрешностью
5% для времени t = ЗТп и с погрешностью 1% для t — 4,6Тп.
При перемещении узлов станка в условиях смешанного трения изме-
нение сил трения и положения узлов в процессе «всплывания» на слое
смазки может приводить к появлению ошибок в позиционировании узлов
и к погрешностям обработки. На фиг. V, 203 показан переходный процесс
при скачкообразном изменении скорости движения для трех значений
постоянной времени всплывания Тв. По экспериментальным данным для
агрегатных силовых головок Тв 0,5-4-1 сек и переходный процесс может
продолжаться несколько секунд.
В заключение необходимо отметить, что опыт выполнения динами-
ческого расчета ряда станков, накопленный в ЭНИМС начиная с 1958 г.,
позволяет выделить два этапа такого расчета: подготовительный
и рабочий.
Подготовительный этап заключается в составлении уравнений дина-
мики с использованием возможных упрощений. Составление уравнений
242 ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
и разработка расчетной схемы станка требуют от расчетчика специальной
подготовки и опыта. Сложность и трудоемкость подготовительного этапа
делает целесообразной разработку типовых расчетных схем, систем урав-
нений и программ для вычислительных машин. Типовая расчетная схема
Фиг. V, 203. Переходный процесс
«всплывания» узла при внезапном
увеличении скорости скольжения
слительных машин. По этим
составляется для группы станков, имеющих одинаковую компоновку и
описываемых одной системой уравнений.
По мере накопления опыта расчетов воз-
можен переход и к расчету специальных
станков.
Рабочий этап расчета выполняется для
конкретного конструктивного вар ианта
станка, приспособления или инструмента,
оформленного в виде хотя бы эскизного
проекта или заданного варианта парамет-
ров привода или режимов обработки.
На этом этапе подсчитываются исход-
ные данные (массы, коэффициенты связей,
постоянные времени и т. п.) с использо-
ванием формуляров, разработанных на
подготовительном этапе работы, и вычи-
данным и типовой программе на ЭЦВМ
вычисляются частотные характеристики, анализ которых дает значение
показателей динамического качества системы станка. Рабочий этап рас-
чета с применением современных универсальных ЭЦВМ требует от нес-
кольких часов до нескольких дней, что позволяет использовать динами-
ческий расчет в процессе конструирования станков, приспособлений,
инструмента, а также при выборе привода или режимов обработки.
РАЗДЕЛ VI
СТАНКИ-АВТОМАТЫ И АВТОМАТИЧЕСКИЕ
ЛИНИИ
ГЛАВА I
ВВЕДЕНИЕ
§ 1. ЗНАЧЕНИЕ И РАЗВИТИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ СТАНКОВ
При автоматизации станка производительность труда рабочего воз-
растает вследствие увеличения производительности станка. Рабочий
освобождается от непосредственного участия в процессе обработки детали
и появляется возможность многостаночного обслуживания технологи-
ческого процесса.
В области обработки металлов (и других материалов) резанием ком-
плексная автоматизация технологического процесса осуществляется вклю-
чением станков в автоматические линии.
В условиях социалистического производства автоматизация облегчает
физический труд рабочего, освобождает его от однообразных, повторяю-
щихся движений, от монотонных нервных и физических напряжений.
Вместе с тем автоматизация повышает технический уровень обслуживания
станка при его подготовке к производству — наладке и во время его
эксплуатации. Таким образом, автоматизация облегчает физический труд
рабочего за счет увеличения доли умственного труда и создает пред-
посылки для постепенного сглаживания различий между физическим
и умственным трудом.
Благодаря повышению производительности станков при автоматизации
уменьшается необходимое количество единиц оборудования и с единицы
площади цеха снимается больше продукции. Автоматизация вносит
ритмичность в процесс обработки и способствует стабильности качества
заготовок и деталей на всех этапах их обработки.
Создание приводного механизма для равномерного вращения часовых
стрелок вызвало развитие механики приводов, которая использовалась
в дальнейшем при построении рабочих машин.
Водяные колеса мельниц использовались для привода рабочих машин,
в том числе и металлообрабатывающих станков. При дальнейшем развитии
мельниц, когда вследствие применения вальцов и сит число последова-
тельных операций размола увеличилось до 35, все эти операции объеди-
няли в общие автоматические линии. Таким образом, появилась комплекс-
ная автоматизация.
В начале XVIII в. в цехах — «амбарах», оснащенных водяными коле-
сами, впервые появились в России металлообрабатывающие станки, рабо-
тавшие по автоматическому циклу в производстве вооружений, так как
только в этой области металлообработки производство имело стабиль-
ный массовый характер.
Солдат Ораниенбургского батальона Яков Батищев, прибывший на
Тульский оружейный завод с пакетом Московской оружейной канцеля-
рии, оборудовал к январю 1715 г. новыми станками «амбар» для
244
ВВЕДЕНИЕ
изготовления ружейных стволов. Два из этих станков, предназначенные
для наружного «обтирания» ствола ружья и внутреннего «шустования»
его дула, показаны на фиг. VI, 1 и VI, 2.
Для столь различных операций, как наружная и внутренняя чистовая
обработка ствола, Я. Батищев применил технологический процесс с оди-
наковой кинематикой относительного движения инструмента и заготовки,
что дало возможность предельно унифицировать оба станка.
При «белении» ствол движется возвратно-поступательно между двух
30-фунтовых пил с насечкой на вогнутой полуцилиндрической поверх-
ности. После каждого хода ствол имеет периодическую круговую подачу.
При шустовании дула ствол закрепляется, а возвратно-поступательно
движется шуст, получая после каждого прохода круговую подачу.
От наливного водяного колеса (фиг. VI, 3) вращался деревянный
горизонтальный вал, который через вертикальный вал и две цевочные
передачи передавал вращение горизонтальному валу второго этажа.
На этом валу закрепляли железные мотыли, расположенные на продоль-
ных осях двух спаренных станков. Мотыли, вращаясь, входили в проушины
тяг, связывающих шарнирно «лисички» (деревянные суппорты) с коро-
мыслом. Спаривание двух тяг коромыслом необходимо, так как при рас-
положении вала мотылей ниже тяг мотыль, заходя в проушину тяги,
может перемещать суппорт только в одном направлении, а обратный ход
суппорт получает от другого мотыля через коромысло.
На «лисичке» смонтирована «смыгальная трещотка», т. е. храповый
механизм, срабатывающий при каждом ходе «лисички» от клинового ку-
лачка, закрепленного на станине и поворачивающего рычаг, несущий
собачку. К валу храповика крепился ствол при белении или шуст при
шустовании.
Таким образом, станки работали по полуавтоматическому циклу.
Рабочий должен был снимать и устанавливать изделие и регулировать
Ояг VI 3 Схема расположения вододействующего оборудования, созданного Я. Бати-
Фиг. VI, 3. Схема pa Tyj]feCK0M оружейном заводе
246
ВВЕДЕНИЕ
шуст и пилы (наладка станка). Это были первые в истории станкострое-
ния полуавтоматы, созданные Яковом Батищевым в 1715 г.
Павел Захава, по образованию флотский техник, реконструировал
(с 1810 г.) Тульский оружейный завод, ввел взаимозаменяемость деталей
куркового механизма, впервые применил «жерновку», т. е. фрезу (в Англии
фрезерование применили в 1854 г.).
П. Захава реконструировал шустовальный станок Я. Батищева,
применив для привода вала станка (фиг. VI, 4) кривошипно-шатунный
механизм (с переменным радиусом кривошипа для настройки длины хода
суппортов-«лисичек») и коромысло с сектором, сообщающим при помощи
цепи реверсивное вращение железному валу. Сидящие на валу (фиг. VI, 5)
шкивы 2 сообщают возвратно-поступательное движение ползуну 6 при
помощи канатов 12, с которыми при помощи крючков 7 соединены «ли-
сички» 8 с храповым механизмом 4. Проушина 9 храповика соединяется
с ушком 10 шуста /. Рычаг 5, находя на клиновую линейку («кобылку») <?,
качает собачки и сообщает шусту периодическую круговую подачу.
Мелкая стружка («дрязга»), образующаяся при шустовании, собирается
в коробку 11 из листового железа. Подобным образом П. Захава рекон-
струировал и обтиральную машину Я. Батищева, введя в нее больше
чугунных деталей, чем в шустовальный станок.
В 1824 г. П. Захава построил токарный станок с копировальным
приспособлением, следящим люнетом и автоматическим выключателем
подачи суппорта в конце рабочего хода. При обработке ствол насаживался
на стальной стержень, натянутый между бабками станка как струна,
и поддерживался люнетом.
Другое направление автоматизации станков, идущее «от часов» и
связанное с развитием механики приводов, отразилось в деятельности
Андрея Константиновича Нартова, воспитанника, а затем преподавателя
школы математических и навигацких наук, основанной Петром I в Суха-
ревой башне в Москве.
В 1712 г. А. К. Нартов построил первый токарный копировальный
станок с самоходным суппортом (фиг. VI, 6).
Рабочий суппорт 6, несущий резец, и копировальный суппорт /, несу-
щий копирный палец, имели автоматическую продольную подачу разной
ЗНАЧЕНИЕ И РАЗВИТИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ СТАНКОВ
247
величины, что давало возможность обтачивать профили детали 5 с крутым
подъемом при пологом профиле копира 3. Поперечная подача резца от
копира 3, сидящего на шпинделе 2, производилась поперечным качанием
около шарнирного пальца 7 стойки 4, несущей переднюю опору шпин-
деля 2, задний конец которого поддерживался центром 3.
Привод станка был ручным. Станок предназначался для точных чисто-
вых работ. А. К. Нартовым был построен копировальный станок для попе-
речного обтачивания медалей (медальерный).
Фиг. VI, 5. Схема части шустовальной машины конструкции П. Захавы
После построения А. К. Нартовым токарно-винторезного станка для
изготовления на сестрорецком заводе винтовых прессов Московскому
монетному двору А. К. Нартов построил в 1728 г. токарный копироваль-
ный станок с дифференциальной подачей рабочего и копировального суп-
портов по ходовому винту.
В XIX в. в России развивалась преимущественно легкая промышлен-
ность — текстильная и пищевая. В области машин общим спросом для
предприятий легкой промышленности было оборудование теплосиловых
установок. Так как тогдашняя Россия была страной дорогого топлива,
то технические требования к тепловым двигателям были очень высокими,
и русские заводы в производстве паровых машин и двигателей внутрен-
него сгорания успешно конкурировали с иностранными фирмами (завод
Бр. Бромлей в Москве, Сормовский завод, Коломенский завод, завод
Нобель в Петербурге, Фельзер — в Риге).
Легкая промышленность требовала металлорежущие станки для
ремонтных мастерских в небольших количествах, но при широкой номен-
клатуре. Наряду с этим пошлины на импортируемые станки были по срав-
нению с другими машинами невысокими, так как брались с пуда, без учета
насыщенности станка большим количеством обработанных и пригнанных
248
ВВЕДЕНИЕ
деталей. В этих условиях конкурировать с зарубежными фирмами
в области станкостроения наши машиностроительные заводы не могли.
Покровительствуя отечественной промышленности, царское прави-
тельство запрещало казенным заводам импортировать оборудование из-за
границы, если были предложения на его поставку со стороны русских
заводов. Это поддерживало станкостроение на заводе Бр. Бромлей (ныне
«Красный пролетарий»), снабжавшем токарными станками ремонтные
Фиг. VI, 6. Кинематическая схема токарного копировального станка
конструкции А. К. Нартова (1712 г.)
мастерские железных дорог, и заводе Феникс (ныне им. Свердлова), изго-
товлявшем кромкострогальные станки и радиально-сверлильные станки
с большим вылетом шпинделя для Морского ведомства.
Автоматизированные станки в XIX и XX вв. в дореволюционной Рос-
сии не создавали.
Одношпиндельный токарный автомат с магазином построен Спенсером
(Spencer) в США в 1873 г., а револьверный прутковый автомат — Уорсли
(Worsly) в 1880 г. Многошпиндельные токарные автоматы появились
в США в 90-х годах прошлого века, а в Европе — в начале XX столетия.
После решения XIV съезда Партии в декабре 1925 г. об индустриали-
зации страны в Советском Союзе стало бурно развиваться машинострое-
ние, а вместе с ним и станкостроение. Рост построения автоматизирован-
ных станков можно проследить по табл. VI, 1, где приведено количество
освоенных типоразмеров станков.
Таблица VI, 1
Типоразмеры станков Годы
1932 1937 1940 1945 1950 1955 1957 1965
Всего 47 190 320 150 384 ’ 788 900 1500
Из них автоматизированных 7 42 87 40 115 250 295 650
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ
249
В первой пятилетке осваивались преимущественно универсальные
станки.
С конца второй пятилетки началось широкое освоение автоматизиро-
ванных станков. В послевоенную пятилетку (1945—1950 гг.) в связи
с построением автоматических линий возросло построение агрегатных
станков.
§ 2. ОЧЕРЕДНЫЕ ЗАДАЧИ В ОБЛАСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ
СТАНКОВ
Основная задача, поставленная Программой КПСС, — комплексная
автоматизация технологических процессов. Поэтому возможность встраи-
вания станка в автоматическую линию является одним из важных требо-
ваний к проектируемому автоматизированному станку. Для этого компо-
новка станка должна быть увязана с транспортной системой автоматиче-
ской линии и с ее системой загрузочных устройств. Системой управления
станком должны быть предусмотрены пуск и останов станка с пульта управ-
ления автоматической линии, а также автоматический отвод стружки из
зоны обработки заготовок и от станка.
Для комплексной автоматизации существенное значение имеют авто-
матический контроль и автоматическая подналадка станка.
В отличие от полуавтоматов на современных автоматах нельзя в пол-
ной мере использовать инструменты, оснащенные пластинками твердого
сплава, и поэтому возможно лучшее использование таких инструментов
в автоматах является одной из наиболее актуальных задач.
В машиностроении примерно до 80% деталей изготовляется мелкими
сериями. Поэтому создание легкопереналаживаемых автоматизированных
станков и автоматических линий является важной проблемой. Она
решается оснащением универсальных станков системой программного
управления, применением копировальных устройств со следящими систе-
мами, применением быстросменной оснастки станка — взаимозаменяемых
державок, быстросменных блоков инструмента, налаживаемых вне станка,
и построением быстропереналаживаемых автоматов и автоматических
линий, предназначенных для обработки группы деталей.
§ 3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В состав понятия «станок-автомат» входят:
1) технологический процесс обработки, определяющий движения рабо-
чих органов — основных (участвующих непосредственно в процессе реза-
ния) и вспомогательных (не участвующих непосредственно в процессе
резания);
2) исполнительные механизмы рабочих органов, сообщающие рабо-
чим органам движения их рабочего цикла;
3) передаточные механизмы привода исполнительных механизмов
рабочих органов станка;
4) самодействующая система управления механизмами станка для
осуществления рабочего цикла обработки без участия рабочего.
Систему автоматизации станка следует рассматривать во всем ком-
плексе понятия «автоматизация станка».
250
ВВЕДЕНИЕ
§ 4. РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ СТАН КОВ-АВТОМАТОВ
Автоматическим рабочим циклом называется совокупность движе-
ний основных и вспомогательных рабочих органов станка, нужных для
обработки заготовки, происходящих при автоматическом управлении
в определенной последовательности; по определенным законам движения;
на определенных участках траектории и при автоматической повторяе-
мости цикла.
Обычно в автоматизированных станках цикл замкнутый, т. е. каждый
рабочий орган в конце цикла приходит в положение, исходное для нового
цикла.
При наладочном цикле движения рабочих органов происходят под
контролем рабочего.
Общий автоматический цикл состоит из частных циклов отдельных
рабочих органов — основных и вспомогательных. Основные рабочие
органы автомата непосредственно участвуют в процессе резания. Вспо-
могательные органы в процессе резания непосредственно не участвуют,
хотя их работа и входит в общий автоматический цикл станка.
Полуавтоматический цикл характеризуется наличием отдельных неав-
томатизированных частных циклов, происходящих при участии рабочего.
Обычно к числу таких циклов относятся загрузка, зажим, разжим, осво-
бождение и съем детали, пуск станка для повторения рабочего цикла.
Станки, работающие по полуавтоматическому циклу, называются полу-
автоматами.
§ 5. ЧАСТНЫЕ ЦИКЛЫ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
Общий характер циклов основных и большинства вспомогательных
рабочих органов — замкнутые повторные циклы возвратно-поступатель-
ных (значительно реже — возвратно-вращательных) движений.
Фиг. VI, 7. Схемы простых циклов:
а — простой цикл; б — с двумя рабочими подачами; в — обтачивание фасок с вы-
держкой для зачистки; г — маятниковый цикл (заготовка устанавливается во время
обработки другой); д — повторные элементы цикла; е — скачкообразный цикл (цикл
с перескоками)
Частные циклы основных рабочих органов бывают простыми и слож-
ными. Простые линейные циклы совершаются по прямой линии. Они
состоят из следующих элементов: быстрого подвода (условное обозначе-
ние ->); рабочей подачи (----->); выдержки, или выстоя (0); быстрого
ЧАСТНЫЕ ЦИКЛЫ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
251
отвода (-<-). Некоторые из этих элементов иногда выпадают, а иногда повто-
ряются (фиг. VI, 7). При сложных циклах основной рабочий орган пере-
мещается в двух взаимно-перпендикулярных направлениях (фиг. VI, 8).
Большинство вспомогательных рабочих органов автоматов совершают
замкнутые циклы возвратно-поступательных движений. Некоторые вспо-
Фиг. VI, 8. Схема сложных циклов продольного суппорта токар-
ного полуавтомата:
а — возможен только поперечный отвод; б — подвод и отвод при движе-
нии продольных и поперечных салазок суппорта; в — поперечный отвод
и косое врезание при подаче продольных и поперечных салазок суппорта;
г — отскок поперечных салазок, косой отвод и подвод их и косое вреза-
ние по копиру
могательные рабочие органы имеют поворотный, в большинстве слу-
чаев — делительный цикл движений для смены позиций обрабатываемых
заготовок (шпиндельных блоков многошпиндельных автоматов, столов
вертикальных многошпиндельных полуавтоматов и агрегатных станков)
или инструментов (револьверных головок токарно-револьверных авто-
матов, поворотных шпинделей резьбонарезных и сверлильных приспо-
соблений одношпиндельных автоматов).
ГЛАВА II
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
§ 1. СТРУКТУРА КУЛАЧКОВЫХ АВТОМАТОВ
Общие положения
Всякая рабочая машина состоит из механизмов двигательного — Э.
передаточного — 77, исполнительного — И и рабочего — Р органа.
Общая блок-схема металлорежущего станка приведена на фиг. VI, 9.
Передаточные механизмы совершают вращательное движение. Основ-
ные рабочие органы, а также большинство вспомогательных органов авто-
матов совершают замкнутые циклы возвратно-поступательных движений.
Фиг. VI, 9. Блок-
схема металлорежу-
щего станка
Поэтому у большинства органов исполнительными ме-
ханизмами служат механизмы для преобразования
вращательного движения в возвратно-поступательное,
осложненные рычажными или иными устройствами для
передачи движений рабочим органам.
Некоторые вспомогательные рабочие органы совер-
шают, кроме этого, поворотные, в большинстве слу-
чаев — делительные циклы движений для смены пози-
ций. В этих случаях исполнительными механизмами
служат поворотные механизмы для периодических
движений, работающие по замкнутым поворотным ци-
клам.
Блок-схема, показанная на фиг. VI, 9, охватывает
как основные, так и вспомогательные рабочие органы.
В автоматах с механическим приводом для воз-
можности осуществления различных частных циклов
движений рабочих органов при сохранении неразрывной кинематической
связи их между собой и с передаточным механизмом П необходимо цикло-
вое изменение кинематической связи (7(ц) между передаточным механиз-
мом 77 и рабочим органом Р в частном приводе каждого рабочего
органа. За счет этого и происходит изменение движения рабочего
органа во время его замкнутого и повторяющегося рабочего цикла.
Исполнительные механизмы рабочих органов автоматов можно разде-
лить на две группы:
1) исполнительные механизмы, включающие в себя Ки — цикловое
изменение кинематической связи между передаточным механизмом П
и рабочим органом Р. Это — цикловые исполнительные механизмы Иц,
из которых наиболее широко применяемым является кулачковый ме-
ханизм.
2) исполнительные механизмы, не включающие в себя Кц — цикло-
вого изменения кинематической связи между передаточным механизмом
и рабочим органом. Это — нецикловые механизмы Ин, из которых наибо-
лее распространен механизм ходовой винт-гайка.
СТРУКТУРЫ ЫЕ СВОЙСТВА ИСПОЛ ЫИТЕЛЬЫ Ы X МЕХАНИЗМОВ
253
§ 2. ОБЩИЕ СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА
ЦИКЛОВЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ
Однооборотность циклового исполнительного механизма. Чтобы обеспе-
чить замкнутость и повторность цикла движений рабочего органа, вход-
ной — ведущий вал циклового исполнительного механизма делает один
оборот за цикл движений рабочего органа. Однооборотность циклового
исполнительного механизма является его характерной особенностью.
Самовключение движения рабочего органа. При непрерывном вращении
входного вала циклового исполнительного механизма начало цикла дви-
жений рабочего органа происходило автоматически на определенной
стадии поворота этого вала.
Устройство для включения цикла движений рабочего органа (Вх)
заложено в самом исполнительном механизме. В этом отношении наиболее
гибким является кулачковый механизм, у которого закон движения ра-
бочего органа зависит от профиля кулачка и в некоторых границах про-
изволен. У других исполнительных цикловых механизмов (кривошипно-
шатунного, кулисного, мальтийского механизмов) этой гибкости нет,
так как движение рабочего органа подчинается определенной законо-
мерности.
Неразрывность цикловой кинематической связи входного вала исполни-
тельного механизма с рабочим органом. Для цикловых исполнительных
механизмов характерна неразрывность кинематической (цикловой) связи
ведущего вала исполнительного механизма с рабочим органом не только
при непрерывном движении последнего, но и при прерывистом его пере-
мещении. Выдержка, или выстой при кулачковом механизме, выстой
рабочего органа между движениями при мальтийском и кулисном меха-
низмах являются частью рабочего цикла рабочего органа. Начало и конец
цикла определяются начальным (оно же и конечное) положением ведущего
вала циклового исполнительного механизма.
Блок-схема автомата с цикловыми исполнительными механизмами.
В блок-схеме циклового исполнительного механизма можно выделить
следующие элементы, имеющие определенные структурные свойства: Вв —
ведущий или входной вал, совершающий один оборот за цикл данного
рабочего органа — цикловое изменение К* кинематической связи веду-
щего вала исполнительного механизма с его рабочим органом — вклю-
чение и выключение цикла движений* рабочего органа Вк. Такая блок-
схема показана на фиг. VI, 10.
Все эти элементы присущи цикловому исполнительному механизму,
поэтому для упрощения вводим его блок-схему в общую блок-схему
автомата в упрощенном виде (фиг. VI, 11).
Если каждый рабочий орган автомата совершает один частный цикл
за общий автоматический цикл станка, то все ведущие валы исполнитель-
ных механизмов рабочих органов сделают один оборот за цикл. При рав-
номерном их вращении можно объединить ведущие валы исполнительных
механизмов всех рабочих органов в один общий вал (фиг. VI, 12), делаю-
щий один оборот за общий автоматический цикл станка. Этот вал — рас-
пределительный.
При таком совмещении ведущих валов исполнительных механизмов
и координации частных циклов рабочих органов большие преимущества
имеет кулачковый механизм, у которого закон движения рабочего органа
можно устанавливать произвольно (в некоторых пределах) за счет профиля
кулачка. Это позволяет получать для каждого рабочего органа закон
254
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
движения, отвечающий характеру его рабочего цикла, и вместе с тем
с большой гибкостью устанавливать начало и конец цикла движений ра-
бочего органа при координации общего автоматического цикла.
Другие цикловые исполнительные механизмы (мальтийский, кулис-
ный, кривошипный), имеющие вполне определенные законы движения
рабочего органа, лишены такой гибкости. Поэтому кулачковый механизм
Фиг. VI, 10. Блок- Фиг. VI, 11. Уп-
схема циклового ис- рощей на я блок-
полнительного ме- схема циклового
ханизма исполнительно-
го механизма
Фиг. VI, 12. Общая блок-схема автомата
с цикловыми исполнительными механизмами
является основным цикловым исполнительным механизмом для основных
и вспомогательных рабочих органов станков-автоматов, и автоматы с цик-
ловыми исполнительными механизмами являются кулачковыми автома-
тами.
Распределительный вал, жестко связывая ведущие *валы исполни-
тельных механизмов, устанавливает связь между циклами различных
рабочих органов через их исполнительные цикловые механизмы Иц
с их цикловыми изменениями кинематических связей Кц между распре-
делительным валом и рабочими органами.
Эти связи при цикловых исполнительных механизмах кинематически
жестки и непрерывны.
§ 3. ОБЩИЕ СВОЙСТВА АВТОМАТОВ С ЦИКЛОВЫМИ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ
МЕХАНИЗМАМИ (КУЛАЧКОВЫХ АВТОМАТОВ)
Таким образом, цикловые связи между различными рабочими органами
в автоматах с цикловыми исполнительными механизмами (в кулачковых
автоматах) являются кинематическими жесткими и непрерывными связями.
Координация цикла производится по равномерно вращающемуся рас-
пределительному валу (см. ниже).
Благодаря жесткой и непрерывной кинематической связи между
распределительным валом и рабочим органом каждый элемент частного
цикла рабочего органа можно четко и стабильно ограничить минимально
необходимой величиной перемещений рабочего органа при минимальной
необходимой затрате времени, что ведет к увеличению производительности
станка.
Это свойство автоматов с цикловыми исполнительными механизмами
(кулачковых) особенно эффективно проявляется при малых размерах
изготовляемых деталей и малой длительности частных циклов, так как
КУЛАЧКОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ
255
при малых длинах ходов и малой длительности их выигрыш времени
от четкого его ограничения имеет большую относительную величину,
чем при длительных ходах.
Жесткая непрерывная кинематическая цикловая связь между рабо-
чими органами автомата позволяет координировать циклы отдельных
рабочих органов и согласовать движения последних с четкостью и точ-
ностью, трудно достижимой при исполнительных механизмах нецикло-
вого типа.
Так как все частные циклы основных и вспомогательных рабочих
органов совершаются за счет цикловых изменений кинематических свя-
зей между распределительным валом и рабочими органами а цикловые
связи между рабочими органами носят жесткий кинематический харак-
тер, то функции управления исполнительными механизмами рабочих
органов для осуществления автоматического цикла при данной блок-
схеме сводятся к нулю. Функции управления могут распространяться
на область П передаточных механизмов привода распределительного вала
и шпинделя.
Так как общий автоматический цикл координируется в сотых долях или
в градусах поворота распределительного вала, то система управления
работает с контролем по времени, выраженному в долях поворота распре-
делительного вала. При наличии жесткой непрерывной кинематической
связи между ним и рабочими органами это равносильно управлению
с контролем по пути рабочих органов.
Блок-схема (фиг. VI, 12) и общие свойства автоматов с цикловыми
исполнительными механизмами рассмотрены на основе структурных
свойств, общих для всех видов цикловых исполнительных механизмов.
Для более конкретного рассмотрения структуры автоматов с цикловыми
исполнительными механизмами (кулачковых) необходимо учесть особен-
ности цикловых исполнительных механизмов различных видов, прежде
всего — кулачковых.
§ 4. КУЛАЧКОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ
На фиг. VI, 13 показана схема элементарного кулачкового механизма
Ось вращения кулачка смещена с линии движения толкателя. На схеме
(и в дальнейшем) приняты следующие обозначения:
0 — угол давления — угол между нормалью к профилю кулачка
и линией направления движения толкателя;
S — угол смещения — угол между радиусом-вектором и линией на-
правления движения толкателя;
0П — угол подъема профиля кулачка — угол между радиусом-вектором
и нормалью к профилю кулачка (между перпендикуляром
к радиусу-вектору и касательной к профилю кулачка);
Р — сила, действующая в направлении движения толкателя;
N — сила, нормальная к профилю кулачка.
Коэффициент возрастания силы 8 = служит силовой характери-
стикой кулачкового механизма. С возрастанием 8 увеличиваются нор-
мальная сила N, напряжение смятия на рабочей поверхности кулачка
и ее износ. Коэффициент 8 возрастает с увеличением угла давления 0
и угла подъема профиля кулачка 0Я. Обычно 8 = 1,354-2.
При возрастании угла Qn возрастает опасность заклинивания кулач-
кового механизма в результате увеличения сил трения в направляющих
256
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
толкателя и на поверхности кулачка и снижения % — к. п. д. кулач-
кового механизма до — 0.
Для элементарного кулачкового механизма (фиг. VI, 13) при отсут-
ствии смещения оси вращения кулачка с линии направления движения
толкателя, т. е. когда 6 = Ои0п=0, заклинивание наступает при зна-
чении
0заМ = arctg ’ (V, 1)
где /1 и /2 — коэффициенты трения соответственно на поверхности ку
лачка и в направляющих толкателя, а
0за/сл — угол давления при заклинивании.
Фиг. VI, 13. Схема элементарного кулачкового
механизма
Фиг. VI, 14. Зависимость цен-
трального угла поворота кулач-
ка от угла давления
Коэффициент надежности в отношении заклинивания выражается
для такого кулачкового механизма отношением
h __ ^g ®закл __ 1 — Л/г
tge -(/i + ^tge ’
(VI, 2)
Таким образом, при уменьшении угла давления 0 уменьшаются
нормальная сила Л/, действующая на рабочей поверхности кулачка, и
опасность заклинивания механизма.
С другой стороны, при уменьшении угла 0 возрастает центральный
угол поворота кулачка, необходимый для данной длины перемещения
толкателя при данных габаритах кулачка.
Как видно из фиг. VI, 14, при повороте кулачка на малый угол Да
с практически достаточной точностью
bR = ab tg (0 4-6) = /?Да tg (0 4- б);
перемещение толкателя
Д5 = Д7? cos б = /?Да tg (0 4- б) cos б;
отсюда
R tg (0 4- 6) cos 6
(VI.3)
КУЛАЧКОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ
257
С уменьшением угла давления 0 центральный угол поворота Да возра-
стает. При определенной скорости вращения кулачка увеличение угла Да
потребует большей затраты времени на данное перемещение толкателя,
т. е. поведет к уменьшению производительности автомата. Это имеет
особое значение для быстрых холостых перемещений основных рабочих
органов (например, для подвода и отвода суппортов). Оно учитывается
и при кулачковом приводе вспомогательных рабочих органов.
Величина центрального угла поворота кулачка служит основным
показателем времени на рабочее или холостое перемещение основных
или вспомогательных рабочих органов автомата. Это необходимо учиты-
вать при назначении угла давления и угла подъема профиля кулачка.
Из формулы (VI, 3) вид-
но, что
= Да tg (0 + d) cos d ’ (VI’4)
отсюда следует, что увели-
чение угла давления позво-
ляет уменьшить габариты
кулачкового механизма.
В практике применяют
Фиг. VI, 15. Ролик с
опорой скольжения
Фиг. VI, 16. Ролике опо-
рой качения
для кривых рабочих ходов
0 = 104-40°, для кривых холостых ходов 0тах = 454-60°.
Для механизмов, отличающихся от элементарного кулачкового меха-
низма, в формулы (VI, 1) и (VI, 2) вводят приведенные коэффициенты
трения
rtpl *ifi и fnp2 — ^2/2»
где коэффициенты приведения и Х2 определяются из сравнения с эле-
ментарным кулачковым механизмом.
Для увеличения коэффициента запаса в отношении заклинивания,
увеличения угла давления и соответственно уменьшения центрального
угла поворота стремятся уменьшить трение в башмаках кулачковых
механизмов и в направляющих толкателя.
Вместо скользящих башмаков применяют ролики (фиг. VI, 15), для
которых
f 1 прив ~~ ^lf 1 ~ fl ’
или ролики на роликах, иглах или подшипниках качения (фиг. VI, 16).
На величину центрального угла поворота можно повлиять смещением
оси вращения кулачка, так как при увеличении угла смещения б
(фиг. VI, 13) центральный угол поворота Да уменьшается [см. фор-
мулу (VI, 3)].
Практически для каждого существующего станка наибольшие габа-
риты кулачков установлены и задаются максимальными диаметрами
заготовок кулачков. В этих условиях при проектировании наладок
станка предпочитают применять для рабочих ходов кривые с возможно
большими радиусами, что ведет к уменьшению угла 0 давления и коэффи-
циента е возрастания нормальной силы на поверхности кулачка.
Регулирование длины хода толкателя. Для
переналадки кулачкового автомата на обработку заготовок деталей
различных размеров требуется изменить длины ходов его основных,
а иногда и вспомогательных рабочих органов.
9 Ачеркан. Зак. 659,
258
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
При основной тенденции расширить область применения станка-
автомата и упростить и ускорить его переналадку применение различных
способов регулирования длины хода зависит не столько от характера
производства и его серийности, сколько от условий применения кулач-
кового механизма для привода различных рабочих органов.
Сменные кулачки
Смена кулачков применяется для наладки автомата на каждую
отдельную деталь и на две и три или несколько размерных групп деталей,
охватывающих всю
Фиг. VI, 17. Схема ре-
гулируемого кулачка
область применения автомата.
В первом случае сменный кулачок осуществляет
сложные перемещения основного рабочего органа
(суппорта), обусловленные фасонной обработкой де-
тали (колокольный кулачок подачи шпиндельной
бабки продольно-фасонного автомата) или же рядом
последовательных операций (переходов), производи-
мых с одного суппорта, приводимого одним кулач-
ком (кулачком револьверного суппорта или суппор-
тов продольно-фасонного автомата). Кулачок в этом
случае строго индивидуален.
Во втором случае рабочий цикл простой и, кроме
сменных кулачков для наладки на размерную группу
деталей, имеются другие устройства для регулирования длины хода при
наладке на отдельную деталь этой размерной группы. Сменные кулачки
например, для привода продольного суппорта
многошпиндельных авто-
матов.
Кулачки с регулируемой
длиной хода (фиг. VI, 17)
применяют редко: при ре-
гулировании кулачка на-
L$min
Rmin
такого вида применяются,
/^67
Отвей
Подвод
Ролик кулачка
Фиг. VI, 18. Регулирование длины хода суппорта Фиг. VI, 19. Регулирование длины хода
изменением длины плеча ведомого рычага суппорта изменением длины плеча веду-
щего рычага
рушается закон движения толкателя, подача суппорта становится нера-
вномерной, конструкция кулачка получается нежесткой. Регулировать
такие кулачки трудно.
Частичное использование длины рабочего хода. Вследствие соответствую-
щей установки (выставления) инструмента резание производится лишь
на части длины рабочего хода, а на остальной его части происходит подвод
инструмента по кривой рабочей подачи. Это вообще невыгодно и практи-
КУЛАЧКОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ
259
чески оправдывается, если подвод совмещается с рабочими ходами других
инструментов или производится при ускоренном вращении кулачка, как
это делается при групповых наладках автоматов (см. стр. 388).
В приводах вспомогательных рабочих органов, при высоких скоростях
перемещений, частичное использование длинь< рабочего хода вызывает
меньшие потери времени. В качестве примера можно привести регули-
рование длины подачи прутка до упора в некоторых многошпиндельных
автоматах.
Регулирование длины хода изменением плеч рычагов, передающих дви-
жение от кулачка к суппорту. Для увеличения длины хода суппорта
конец шатуна крепится на меньшем радиусе ведомого рычага (фиг. VI, 18),
а на ведущем рычаге — на большем радиусе (фиг. VI, 19). Недостатки
этой системы регулирования: изменение длины подвода суппорта вместе
с длиной рабочего хода; изменение скорости подвода и отвода и величины
рабочей подачи при регулировании длины хода, при постоянстве времени
на рабочий и холостые ходы; неравномерная подача при рычажной си-
стеме передачи с кривошипом и шатуном, что заставляет применять пру-
жинные компенсаторы в приводе подач резьбонарезных головок.
Достоинства системы — значительный диапазон регулирования длины
хода, простота и удобство регулирования, надежность регулирующего
устройства.
Этот способ широко применяется для регулирования длины хода по-
перечных суппортов одношпиндельных и многошпиндельных автоматов,
так как у этих суппортов длина подвода невелика, и изменение ее не имеет
практического значения, особенно когда подвод и отвод совмещаются
с другими переходами.
Спаренные кулачки
Если рабочий ход суппорта чередуется с делительным циклом (пово-
ротом) для смены позиции заготовки (шпиндельный блок многошпин-
дельного автомата) или инструментов (револьверная головка одношпин-
дельного револьверного автомата), то суппорты с инструментами, распо-
ложенными соосно с заготовкой, приходится быстро отводить из зоны
обработки во избежание аварии во время смены позиций и затем быстро
подводить в зону резания.
В таких случаях для быстрого отвода и подвода в зону обработки
применяются специальные устройства: для привода продольного суппорта
многошпиндельного автомата — дополнительный кулачок для быстрого
подвода и отвода, спаренный с кулачком рабочей подачи, а для подвода
и отвода суппорта револьверной головки — особый кривошипный ме-
ханизм, срабатывающий от быстроходного привода.
Спаренные кулачки монтируют на распределительном валу автомата
рядом друг с другом. Длина рабочего хода регулируется изменением плеч
рычагов, передающих движение от кулачка рабочей подачи к суппорту,
а длина и скорость подвода от кулачка подвода суппорта остаются по-
стоянными. Для повышения скорости подвода и отвода распределитель-
ный вал, несущий спаренные кулачки, получает, как правило, вращение
ускоренное по сравнению с его вращением при рабочей подаче суппорта,
от кулачка рабочей подачи.
Спаренные кулачки бывают барабанными и дисковыми.
На фиг. VI, 20 показана схема привода продольного суппорта 2 мно-
гошпиндельного автомата мод. 1240-6 при помощи кулачка рабочей
260
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
подачи 6 и установленного рядом с ним на распределительном валу
кулачка 8 быстрого подвода. Длина хода рабочей подачи настраивается
перемещением конца шатуна, закрепленного на рычаге 5. Механизм
работает по следующей схеме.
Подвод суппорта 2. Быстрое вращение распределительного
вала, несущего спаренные кулачки.
Рычаг 5 и ползун 3 неподвижны, так как ролик 7 рычага 5 идет по
кривой «выдержки». Ползун 10 движется влево от кулачка 8 подвода,
по кривой которого идет ролик 9 ползуна. Вместе с ползуном 10 пере-
Фиг. VI, 20. Механизм привода суппорта спаренными кулачками:
1 — центральная труба; 2 — продольный суппорт; 3 — ползун; 4 — упорный
винт; 5 —рычаг; 6 и 7 — кулачок и ролик рабочих ходов; 8 и — кулачок
и ролик быстрого подвода; 10 и 11 — ползуны; 12 — винт ручного регули-
рования
мещается палец реечного колеса, которое, обкатываясь по рейке непо-
движного ползуна 3, ведет с удвоенной скоростью ползун 11 и связанный
с ним (регулируемый винтом 12) продольный суппорт 2.
Рабочая подача. Медленное вращение распределительного
вала.
Ползун 10 прижат к упору 4, так как ролик 9 ползуна идет по кривой
выдержки на кулачке 8.
Рычаг 5 перемещается кулачком 6 вправо, ведя ползун 3 вправо.
Через реечное колесо ползун 11 и суппорт 2 перемещаются влево со
скоростью рабочей подачи. Крайнее левое положение суппорта регули-
руется винтом 12.
Отвод суппорта. Быстрое вращение распределительного вала.
Рычаг 5 и ползун 3 перемещаются влево от кулачка 6. Ползун 10
и палец реечного колеса получают от кулачка 8 быстрое перемещение
вправо. Ползун 11 и суппорт 2 быстро перемещаются с суммарной ско-
ростью вправо.
Привод суппортов инструментальных шпинделей с независимой подачей
автомата мод. 1240-6
В пазах продольного суппорта шестишпиндельного автомата пере-
мещаются с независимой от движения продольного суппорта подачей
суппорты сверлильного и резьбонарезного шпинделей (фиг. VI, 21).
Для быстрого подвода и отвода суппортов применены спаренные ку-
лачки с рычажным передаточным механизмом.
Суппорт 1 поучает движение рабочей подачи от постоянных кри-
вых, расположенных на барабане 5 (слева для позиции V, справа для
Передняя стойко
Ч 5 К VI позиции 6 7 8 9
макс 245
Фиг. VI, 21. Привод суппортов инструментальных шпинделей с независимой подачей станка мод. 1240-6
КУЛА ЯКОВЫЕ МЕХА НИЗМ Ы
262
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
позиции VI), а движение подвода и отвода — от кривых быстрого хода,
расположенных на барабане 7. Ролик 4 сектора 3 при рабочей подаче
качает сектор около оси 2 влево и через шатун 6, рычаг 11 и регулируе-
мую тягу 12 подает суппорт шпинделя влево. При этом ролик скалки 9,
несущий ось 8 конца рычага 11, стоит на кривой кулачка 7 подвода не-
подвижно.
При подводе ролик подвижной скалки 9 перемещает скалку и ось 8
рычага 11 вправо. При этом ролик 4 сектора 3 остается неподвижным
на кулачке 5 рабочей подачи. При отводе сектор 3 качается вправо, а ось 8
рычага 11 движется со скалкой 9 влево.
Z 2 3 4 5 6 7
Фиг. VI, 22. Привод продольного суппорта токарного автомата
мод. 1А225-6
Для уменьшения длины хода рабочей подачи и ее скорости палец
шатуна 6 перемещается по пазу сектора ближе к оси качания сектора.
В качестве спаренных применяются также и дисковые кулачки. У ше-
стишпиндельного автомата мод. 1А225-6 часть распределительного вала
расположена перпендикулярно оси станка, и продольный суппорт при-
водится спаренными дисковыми кулачками (фиг. VI, 22).
Рабочая подача продольного суппорта 1 производится от дискового
кулачка рабочей подачи через рычаг 7, поворачивающийся около оси 8,
через шатун 10, коромысло 3 и регулируемую тягу — шатун 2.
Длина рабочего хода регулируется перестановкой пальца 11 шатуна 10
по дуговому пазу 9.
При подводе кулачок подвода поворачивает рычаг 6 около оси 5 и
перемещает ось 4 коромысла 3 влево, подводя суппорт к зоне резания;
рычаг 7 при этом неподвижен.
В конце подвода рычаг 6 упирается в упор 12, жестко фиксируясь
между кулачком и упором, и остается в этом положении за время рабо-
чего хода.
При отводе ролики на концах рычагов 6 и 7 отходят от оси распреде-
лительного вала. Ось 4 коромысла 3 идет вправо так же, как и нижний
палец коромысла 3.
По сравнению с приводом суппорта одним кулачком с регулированием
длины хода изменением плеч рычагов передаточной рычажной системы
спаренные кулачки имеют следующие преимущества:
СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА КУЛАЧКОВОГО МЕХАНИЗМА
263
1) длина и скорость подвода остаются постоянными независимо от
регулирования длины рабочего хода;
2) общая длина хода суппорта может быть получена большой при
достаточной величине подвода и отвода.
Основная область применения спаренных кулачков — привод подачи
продольных суппортов многошпиндельных автоматов и смонтированных
на них инструментальных шпинделей с независимой подачей.
Во время отвода и подвода требуется быстрое (ускоренное) вращение
распределительного вала, несущего спаренные кулачки.
§ 5. СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА КУЛАЧКОВОГО МЕХАНИЗМА
Кроме структурных свойств, общих с другими цикловыми механиз-
мами (см. стр. 253), кулачковый механизм отличается рядом особенно-
стей, существенно влияющих на структуру автомата.
1. Как тяговое устройство привода подач кулачковый механизм влияет
на приводной механизм большой величиной шага, т. е. подачи за один
оборот тягового вала (кулачка).
Шаг кулачка
У /е»360° /Л7Т
/ = s ..ММ, (VI, 5)
где ls — длина рабочего хода суппорта в мм;
ар — центральный угол поворота кулачка за рабочий ход суппорта
в град;
iK — передаточное отношение передачи от кулачка к суппорту:
Так как
ар << 360°, то t >4^.
Из уравнения кинематического баланса
1-3 — iuin/s^ (VI, 6)
следует, что
= T = (VI, 7)
I g • OU U
Здесь iwn/s — передаточное отношение цепи передач от шпинделя до
тягового вала, который совмещен с распределительным валом; s — по-
дача в мм на один оборот шпинделя.
Так как значение t велико, то степень редукции цепи подач от шпин-
деля до тягового (распределительного) вала всегда очень велика и требует
введения одной, а чаще двух червячных передач, из которых одна при-
мыкает к распределительному валу, чтобы уменьшить моменты на пред-
шествующих валах.
Крутящий момент на тяговом валу (см. стр. 64)
(VI, 8)
где Q — тяговая сила подачи в н\
t — шаг тягового устройства в мм\
t]s — к. п. д. тягового устройства.
264
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
Из формулы (VI, 8) следует, что вследствие большой величины t —
шага тягового устройства крутящий момент на тяговом валу кулачкового
механизма получается большим.
2. Как цикловой исполнительный механизм кулачковый механизм
отличается тем, что закон движения рабочего органа устанавливается
в некоторых пределах произвольно — за счет профиля кулачка. Это
значит, что .включение и выключение движения рабочего органа, длина
его пути, скорость движения и закон ее изменения, направление движе-
ния, изменение направления, остановка (выдержка) — все эти элементы
цикла рабочего органа можно варьировать за счет профиля кулачка.
Это сообщает гибкость кулачковому исполнительному механизму при
координации времени включения и выклю-
чения движения различных рабочих орга-
нов в общем автоматическом цикле (см.
стр. 253). В пределах частного цикла одного
рабочего органа каждое элементарное дви-
жение цикла можно осуществлять по опти-
мальному закону, профилируя соответству-
ющим образом кулачок.
Это свойство делает кулачковый механизм
универсальным в некоторых границах ци-
кловым исполнительным механизмом для
рабочих органов с различными законами дви-
жения. В этом заключается большое преиму-
щество кулачкового механизма перед дру-
гими цикловыми исполнительными механиз-
мами, закон движения которых вполне опре-
Фиг. VI, .23. Силовое замыка- деленный. Поэтому кулачковый механизм яв-
ние: ляется основным цикловым исполнительным
v -чегоЛход1Гр - угол отеод₽аа6° механизмом для основных и вспомогательных
органов автоматизированных станков.
3. Структура кулачковых автоматов зависит от системы замыкания
пары кулачок — толкатель, примененной в исполнительных механизмах
основных рабочих органов.
Различают две системы замыкания:
Силовое замыкание, когда ролик прижимается к кулачку пружиной
(редко — грузом), расположенной в суппорте и действующей на каретку,
несущую инструменты.
Кинематическое замыкание, когда ролик прижимается к кулачку
противодействием сил резания при рабочем ходе и сил инерции — при
холостом ходе.
При силовом замыкании суппорт перемещается при отводе под дей-
ствием пружины (фиг. VI, 23). Ролик движется по кривой спада на ку-
лачке, определяющей закон движения, но не ведущей суппорт. Поэтому
кривая спада расположена под углом подъема профиля, близким к 90°.
Отвод суппорта совершается при очень небольшом центральном угле
поворота кулачка (обычно 2—6 сотых долей его оборота). Поэтому при
силовом замыкании отвод суппорта происходит достаточно быстро при
постоянной скорости вращения кулачка за весь цикл, и ускоренного
вращения распределительного вала во время отвода не требуется.
Силовое замыкание применяется при ограниченной длине хода обрат-
ного отвода (120—200 мм), так как при большей длине хода пружина
работает плохо.
СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА КУЛАЧКОВОГО МЕХАНИЗМА
265
При большом весе суппорта и больших силах инерции работа пружин
связана с сильными ударами в конце отвода, поэтому в подобных слу-
чаях силовое замыкание не применимо. Оно применяется в небольших
станках при плоских кулачках с максимальной длиной хода не больше
200 мм.
Как было упомянуто, при силовом замыкании для быстрого отвода
суппортов быстрое (ускоренное) вращение распределительного вала не
требуется, и при небольшой длине подвода (фиг. VI, 23, угол у невелик)
можно весь цикл обработки вести при постоянной скорости вращения
Фиг. VI, 24. Кинематическое
замыкание:
а—в — подвод суппорта; в—с — ра-
бочий ход; с—а — отвод
распределительного вала.
При кинематическом замыкании (фиг. VI, 24) суппорт отводится ку-
лачком с углом подъема профиля не больше 45—55° при значительном
угле поворота распределительного вала. По-
этому для надлежащей скорости отвода суп-
порта кулачок, а следовательно, распредели-
тельный вал должны получать вращение
ускоренное по сравнению со скоростью его
вращения при рабочей подаче; это осложняет
систему управления и привода распредели-
тельного вала автомата.
Кинематическое замыкание применяется
в станках среднего размера при длине хода
суппортов свыше 200 мм, при значительном
весе их, т. е. когда силовое замыкание не-
применимо. Кинематическое замыкание ис-
пользуется обычно при барабанных кулач-
ках, которые дают длину хода суппортов
до 300 мм.
4. Большое структурное значение имеет
длина подвода суппорта в зону резания.
Как при силовом замыкании (см. фиг. VI,
23, угол у), так и при кинематическом
(фиг. VI, 24, кривая ав) суппорт подводится
кулачка при ограниченном угле подъема профиля. Несмотря на это,
при силовом замыкании и при небольшой длине подвода можно обой-
тись без ускоренного вращения распределительного вала. Примерами
могут служить одношпиндельные продольно-фасонные и поперечно-фасон-
под воздействием профиля
ные автоматы, поперечные суппорты токарно-револьверных автоматов.
Если рабочий ход суппорта чередуется с делительным циклом (пово-
ротом) для смены позиций обрабатываемой заготовки (шпиндельный
блок многошпиндельного автомата), то для обеспечения быстрого отвода
и подвода суппортов, несущих инструменты, расположенные соосно с за-
готовкой, применяют спаренные кулачки (см. стр. 259 и фиг. VI, 20—22).
Спаренные кулачки вызывают увеличение угла поворота распредели-
тельного вала для их рабочего цикла и требуют ускоренного вращения
распределительного вала при холостых ходах продольного суппорта.
Для быстрого подвода и отвода суппорта револьверной головки то-
карно-револьверного автомата при ее повороте применяется особый
кривошипно-шатунный механизм с приводом от быстроходного вспомог
гательного вала (см. фиг. VI, 42). При этом функции плоского кулачка
револьверного суппорта ограничиваются ходом рабочей подачи и быстрым
отводом суппорта при силовом замыкании по кривой спада профиля
кулачка в положение начала очередного рабочего хода. В результате
266
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
емкость плоского кулачка достигает шести последовательных циклов из
рабочего и холостого ходов револьверного суппорта за общий цикл станка,
а необходимость в быстром (ускоренном) вращении распределительного
вала отпадает.
В качестве элементов делительных поворотных механизмов кулачки
используются в комбинации с храповым механизмом и с рычагами
(фиг. VI, 25, а и б). Они срабатывают при малом центральном угле по-
Кулачково — храповые Кулачково—рычажные ворота кулачка за рабочий ход
деления и не требуют ускорен-
ного вращения распределитель-
ного вала.
За счет профиля кулачка
можно изменить закон движения
при делительном цикле в желае-
мом направлении.
а)
Фиг. VI, 25. Механизм поворота:
а — кулачково-храповой; б — кулачково-рычажный
§ 6. СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА
ДРУГИХ ЦИКЛОВЫХ ИСПОЛНИ-
ТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ
Мальтийский меха-
низм. По условию безудар-
ного входа цевки (ролика) во-
дила в паз креста (фиг. VI, 26) и выхода из него центральный угол а
поворота водила за рабочий ход деления (поворот креста на угол 0 между
пазами) является дополнительным к углу между пазами креста, т. е.
а + 0 = 180°
(см. разделУ стр. 119). При четырех пазах угол пово-
рота водила а = 90°, при шести а = 120°.
Такие величины центрального угла поворота
вынуждают приводить водило мальтийского меха-
низма от быстроходного вспомогательного вала (ре-
вольверная головка токарно-револьверного' авто-
мата, см. фиг. VI, 42), от отдельного привода с инди-
видуальным электродвигателем (поворот стола
некоторых вертикальных многошпиндельных полу-
автоматов), или, если водило мальтийского меха-
низма смонтировано на распределительном валу,
сообщать этому валу быстрый (ускоренный) ход во
время поворота креста (поворот шпиндельного блока
горизонтальных многошпиндельных автоматов).
Для уменьшения угла поворота водила и при
Фиг. VI, 26. Схема
мальтийского меха-
низма
шестишпиндельном
блоке предпочитают применять четырехпазовый крест, располагая водило
на распределительном валу и вводя зубчатые передачи с передаточным
2
отношением i — -у к шпиндельному блоку и к барабану стойки с направ-
ляющими трубами.
Кулисный механизм. Подобно мальтийскому механизму
кулисный механизм используется для делительного (поворотного) цикла
столов в вертикальных многошпиндельных полуавтоматах, причем угол
поворота кривошипа за ход деления бывает не меньше 120°, что вызывает
необходимость привода кривошипа отбыстроходного вспомогательного вала.
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
267
Кривошипно-шатунный механизм работает с боль-
шим углом поворота кривошипа (180°) за один ход и требует привода от
быстроходного вспомогательного вала.
§ 7. СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ КУЛАЧКОВЫХ
АВТОМАТОВ
Для выявления структуры конкретного станка, учета структурных"
особенностей кулачковых и других цикловых исполнительных механиз-
мов, их влияния на передаточный (приводный) механизм станка и функ-
ций системы управления автоматическим циклом строят структурную
схему автомата.
Построению структурной схемы предшествует выбор исполнительных
механизмов для рабочих органов автомата.
Структурная схема служит основанием для разработки кинематиче-
ской схемы автомата. Структура автомата определяется родом детали
и ее обработки — от них зависит характер циклов рабочих органов и
выбор типа их исполнительных механизмов.
В свою очередь, исполнительные механизмы влияют на структуру
механизма привода распределительного вала. Различают три основные
группы структуры кулачковых автоматов.
Первая структурная группа автоматов ха-
рактеризуется тем, что в качестве исполнительных механизмов основных
и вспомогательных органов применены дисковые (редко — барабанные)
кулачки с силовым замыканием, благодаря чему распределительный вал
автомата вращается за все время цикла с постоянной скоростью, настраи-
ваемой в зависимости от длительности цикла.
На автоматах этой группы обрабатываются заготовки деталей неболь-
ших размеров, требующих небольших длин ходов суппортов, что позво-
ляет использовать дисковые кулачки с силовым замыканием.
Автоматы этой группы, как правило, одношпиндельные, без револь-
верных головок; у них нет круговых делительных циклов для смены по-
зиций, требующих применения мальтийского механизма. Качательный
поворотный делительный цикл для смены позиций шпинделей сверлиль-
ных и резьбонарезных приспособлений совершается кулачковым меха-
низмом в течение небольшого центрального угла поворота кулачка
(фиг. 25, а и б).
Конфигурация изготовляемых деталей может быть и сложной, тре-
бующей сложного цикла движений суппортов, который состоит в подоб-
ных случаях из нескольких повторных подводов, рабочих ходов, выдер-
жек и отводов.
Большая длина отвода и подвода суппортов в автоматах этой группы
не нужна (см. стр. 259 и 265), и поэтому отпадает надобность в приме-
нении спаренных кулачков, следовательно, и ускоренного вращения
распределительного вала при подводе и отводе суппорта.
В качестве примера автомата первой группы на фиг. VI, 27 приведена
кинематическая схема прецизионного автомата продольно-фасонного то-
чения мод. 1А10П.
Автомат обрабатывает детали диаметром до 7 мм с точностью по диа-
метру по 1-му, а по длине — 2-му классам.
Заготовка — прутки серебрянки, сталь холоднотянутая калиброван-
ная, желательно-обработанные на бесцентровошлифовальном станке с до-
пуском по диаметру 0,01 мм.
268
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
Получению высокой точности детали способствует способ обработки на
продольно-фасонных автоматах: пруток подается вместе со шпиндельной
бабкой (или с пинолью шпинделя) и обрабатывается около люнетной
стойки во вращающейся люнетной втулке при малом вылете резцов,
расположенных в поперечных суппортах (фиг. VI, 28 и VI, 29). Шпин-
м
Z-------ю д|_
V/
0110
Суппорты
'0 70
080
Д.А=бО
<50 ио 150
QQ QQ QQ
&Ь--М
М I
в г д в
Прб
III
Iai ।
I ।
w
Шкивы
приспособления
п -- 517-312U
об/мин
Ось
шпинделя
Распределитель-
L1QLI ный вал
ПбП
О1
бабка
I А0^1-^б1=К7кбт\
пэ- 1U20об/мин |
ж з и к
Фиг. VI, 27. Кинематическая схема автомата мод. 1А10П:
/ — кулачок для поворота сверлильного приспособления (см. фиг. VI, 25, б); 2 — кулачки балансир-
ного суппорта (см. фиг. VI, 29); 3 — кулачки вертикальных суппортов (см. фиг. VI, 28); 4 — кулачок
зажимного устройства; 5 — плоский кулачок для подачи шпиндельной бабки (см. фиг. VI, 31 пози-
ция 2)
дельная бабка для захвата прутка отводится пружиной. При этом отвод
отрезного резца после отрезки детали задерживается, и пруток остается
прижатым к отрезному резцу толкателем, на который действует груз
через систему блоков и трос.
Подача шпиндельной бабки 1 с прутком во время рабочего хода про-
изводится цилиндрическим (колокольным) кулачком 2 непосредственно,
без передаточных звеньев и без нарушения равномерности или иной за-
кономерности движения подачи, обусловленной профилем кулачка
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
269
Фиг. VI, 29. Суппорты балансира автомата мод. 1А10П
270
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
(фиг. VI, 30). Это имеет значение при фасонном обтачивании за счет
комбинации продольной и поперечной подач.
Наряду с колокольным в том же станке применяется дисковый пло-
ский кулачок 2 (фиг. VI, 31) для перемещения бабки 1 через рычажную
хода за счет изменения длины плеча
рычага 5, прилегающего к бабке.
При этом равномерность подачи ме-
няется по длине хода, но получается
возможность переналаживать автомат
без смены кулачков на обработку
деталей одинаковой конфигурации,
но различной длины (например, на
обработку винтов).
Структурная схема автомата пока-
зана на фиг. VI, 32. На схеме обо-
значают: Э — электродвигатель при-
вода станка; Ш — шпиндель; Щ —
систему с регулированием длины
Фиг. VI, 30. Механизм перемещения перед-
ней бабки от барабанного (колокольного)
кулачка
наладочная настройка чисел оборо-
тов шпинделя; Н% — наладочная настройка чисел оборотов распредели-
тельного вала; Рв — распределительный вал; Кд — дисковый плоский
кулачок; Кб. с. з — барабанный торцовый (колокольный) кулачок с сило-
вым замыканием; Р± — шпиндельная бабка; Р2 — балансир с двумя суп-
портами; — три вертикальных суппорта; Р4 — зажимное устройство.
Фиг. VI, 31. Механизм перемещения передней бабки от дискового'кулачка
Кулачковые исполнительные механизмы — с силовым замыканием и не
требуют быстрого (ускоренного) хода распределительного вала. Диско-
вый кулачок механизма зажима срабатывает при малом центральном
угле поворота. Это отражено в структуре привода распределительного
вала, где имеется одна цепь привода с наладочной настройкой Н* его
чисел оборотов, чтобы он делал один оборот за цикл обработки одной
заготовки. Расчет этой настройки производится по уравнению кинема-
тического баланса (см. фиг. VI, 27)
1 об(Р.в)=^- — — J1. (VI, 9)
' ' л а в Д шп ' '
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
271
Здесь Р. в. — распределительный вал; вместо -у- может быть
вместо — может быть — или или —; пде™ — число оборотов шпин-
в г о е шп Г
деля, приходящееся на обработку одной детали; в то же время
uin шп
где Т — длительность цикла обработки в мин, подсчитанная по расчет-
ной операционной карте наладки на основе технологического
процесса;
Пшп — число оборотов шпинделя в минуту.
Из уравнения (VI, 9) для настройки привода получается
(VI, 10)
Фиг. VI, 32. Структурная схема автомата
мод. 1А10П
z% z-± Б 1
К2 К1 Л Пд™
Как видно из структурной схемы
(фиг. VI, 32), в автоматах этой группы
функции системы управления для
получения автоматического цикла
сводятся к нулю (см. стр. 255).
Вторая структурная
группа кулачковых авто-
матов характеризуется тем, что
в качестве исполнительных механиз-
мов применяются барабанные, реже — плоские кулачки с кинематиче-
ским замыканием (см. стр. 265 и 266) и другие исполнительные
механизмы (мальтийский механизм), требующие во время холостых ходов
и вспомогательных движений ускоренного вращения распределительного
вала с постоянной повышенной скоростью и замедленного его вращения
во время рабочих суппортов.
Скорость рабочего хода распределительного вала настраивается в за-
висимости от длительности цикла обработки детали.
Структура второй группы применяется в полуавтоматах для обработки
средних и крупных деталей с д^ной хода суппортов больше 150—
200 мм, когда неприменимы плоские кулачки с силовым замыканием и
приходится использовать барабанные кулачки с кинематическим замы-
канием.
По указанной причине эта структура применяется, например, в одно-
шпиндельных токарных полуавтоматах для обработки средних и крупных
деталей, в продольно-фрезерных полуавтоматах с длиной хода стола
до 300 мм.
Ускоренное вращение распределительного вала во время холостых
ходов и вспомогательных движений применяется в многошпиндельных
автоматах, а также и полуавтоматах горизонтальной компоновки.
При длительности цикла Тц — tp + tx, где tp — время рабочих
ходов, a tx — время холостых ходов и вспомогательных движений, доля
времени на холостые ходы и вспомогательные движения может быть
выражена так:
tx __ tx ___________ 1
tx + tp i tp
tx
272
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
При рассматриваемой структуре
t — 1
х пхр.хв збо’
где пх- * — число оборотов распределительного вала в минуту при уско-
ренном его ходе;
ах — угол поворота распределительного вала за время холостых
ходов и вспомогательных движений в град.
Так как а.х и пхрх при данной структуре для данного станка постоянны,
то доля времени ~ на холостые ходы и вспомогательные движения умень-
* ц
шается с увеличением длительности цикла. Следовательно, при такой
структуре станка на нем выгоднее работать при более длительных циклах.
Вследствие того, что на распределительном валу расположены сравни-
тельно большие массы, динамические условия ограничивают скорость
ускоренного вращения распределительного вала.
В станках различных размеров п*-* == 8-ьЗО об!мин. При этом время
вспомогательных движений может получиться больше минимально до-
Н=8-17квт
Фиг. VI, 33. Кинематическая схема полуавтомата мод. 116:
1 — шпиндель; 2 —- муфта включения станка; 3 •— рукоятки управления; 4 — распределительный
вал; 5 — кулачки включения муфты быстрого (ускоренного) хода распределительного вала; 6 —
кулачки продольной подачи переднего суппорта; 7 — кулачки каретки копирной линейки переднего
суппорта; 8 — кулачки каретки копирной линейки заднего суппорта; 9 — кулачок дл^ выключения
муфты 2; 10 — каретка копирной линейки переднего суппорта; И — каретка копирной линейки
заднего суппорта; 12 — тормоз; 13 — муфта обгона; 14 — копирная линейка переднего суппорта;
15 — муфта быстрого вращения; 16 — насос
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
273
пустимого по условиям работы исполнительных механизмов вспомога-
тельных органов. В этом недостаток данной структуры.
На фиг. VI, 33 показана кинематическая схема одношпиндельного
токарного полуавтомата мод. 116, предназначенного для обработки заго-
Фиг. VI, 34. Структурная схема и рабочий цикл продольного
суппорта станка мод. 116
товок диаметром до 300 мм. Соответствующая структурная схема пока-
зана на фиг. VI, 34, где применены следующие обозначения:
С — сопряжение цепей рабочего и быстрого (ускоренного) хода
распределительного вала посредством односторонней, нере-
версивной муфты обгона;
М 2 — включение цепи ускоренного хода распределительного вала
фрикционной муфтой;
У — функции системы управления;
Кб — барабанный кулачок с кинематическим замыканием для
привода каретки копирной линейки поперечного суппорта;
Коп. л — подвижная копирная линейка;
— поперечный суппорт;
Р 2 — продольный суппорт;
Кб 2 — барабанный кулачок, перемещающий каретку копирной
линейки по наклонным направляющим для части Ц2 цикла
продольного суппорта: отскок резца 4 и опускание ли-
нейки — выдержка копирной линейки — взвод 7 резца и
линейки — выдержка линейки;
Кбг — барабанный кулачок продольного перемещения переднего
суппорта для части Цг цикла: 1 — быстрый косой подвод
по копирной линейке; 2 — косое врезание по копирной
линейке при продольной рабочей подаче; 3 — рабочая по-
дача при ходе башмака суппорта по горизонтальной части
копирной линейки; 5 — быстрый обратный ход по горизон-
тальной части копирной линейки; 6 — быстрый косой отвод
по наклонной части копирной линейки.
274
КУЛАЧКОВЫЕ автоматы
При горизонтальном перемещении каретки 11 вправо (фиг. VI, 27)
копирная линейка своим скосом действует на башмак поперечного суппорта
и, сообщая ему качательное движение в опорах штанги, производит по-
перечную подачу резца.
Продольный суппорт, двигаясь при рабочем ходе влево вместе с на-
правляющей штангой, опирается своим башмаком на горизонтальную
поверхность копирной линейки 14. В конце его продольного рабочего
хода кулачок 7 перемещает каретку линейки по наклонным направляю-
щим влево, вследствие чего горизонтальная поверхность линейки и баш-
мак суппорта опускаются. При этом суппорт поворачивается вместе с на-
правляющей скалкой в ее опорах и отводит резец от заготовки («отскок»).
После этого при неподвижной каретке происходит быстрый обратный ход
суппорта и его скалки вправо в исходное положение. В конце обратного
хода происходит косой отвод суппорта при ходе башмака по скосу непод-
вижной линейки или прямой отвод при неподвижном суппорте и движе-
нии каретки и линейки влево и опускание башмака суппорта по скосу
линейки вниз.
В начале цикла каретка линейки движется вправо для прямого подвода
резца или же она неподвижна при косом подводе. Врезание происходит
в начале рабочего хода при движении башмака по верхней части скоса
линейки.
Сочетание продольных движений суппорта и каретки копирной ли-
нейки дает возможность осуществлять разнообразные циклы продольного
суппорта, что придает станку большую эксплуатационную гибкость.
Применение твердых сплавов при обработке стальных заготовок
затруднено недостаточной жесткостью суппортов, базирующихся на
круглых направляющих, и стесненными условиями отвода сливной
стружки между двумя направляющими скалками.
Из структурной схемы (фиг. VI, 34) видно, что соответственно значи-
тельным размерам обрабатываемой заготовки в качестве исполнительных
механизмов суппортов применены сменные барабанные кулачки с кине-
матическим замыканием.
Функции системы управления распространяются только на приводную
часть автомата и ограничиваются включением ускоренного хода муфтой М 2
и выключением муфты привода станка при окончании цикла обработки.
Муфту для пуска станка после установки на нем заготовки включают
вручную.
Муфты ускоренного хода распределительного вала и привода станка
включаются кулачками, установленными на распределительном валу.
Сопряжение цепей ускоренного и рабочего ходов производится муфтой
обгона, расположенной в коническом - зубчатом колесе вала червяка.
Для наладочного цикла движений суппортов, производимого ручным
проворотом вала червяка, выключается кулачковая муфта включения
цепи рабочего хода распределительного вала.
Угол поворота распределительного вала при рабочих ходах суппортов
ар — const; также и угол поворота его при холостых ходах суппортов
= const.
Время холостых ходов tx = const; время рабочих ходов tp определяется
по технологическому процессу.
Настройка рабочей цепи привода распределительного вала рассчиты-
вается из уравнения кинематического баланса
«З’-Д-^л!** (VI, 11)
360 Zi юл
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
275
Здесь — доля одного оборота распределительного вала, прихо-
дящаяся на рабочие ходы (угол ар в град);
А — передаточное отношение постоянных передач кинемати-
ческой цепи от распределительного вала к шпинделю;
— передаточное отношение звена настройки;
Пшпт — число оборотов шпинделя, приходящееся на несовме-
щенные рабочие ходы всех суппортов;
т
ffldem — 'V'
Пшп ~ Zi St >
1=1
где lt — длина рабочего хода суппорта;
sz — подача на один оборот шпинделя для г-го суппорта.
При этом учитываются длины рабочих ходов, не перекрытых по времени
рабочими ходами других суппортов.
Из уравнения (VI, 11)
zt __ аРА
г2 ЗбОп^ ’
§ 8. СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
МНОГОШПИНДЕЛЬНЫХ АВТОМАТОВ
На фиг. VI, 35 приведена кинематическая схема шестишпиндельного
пруткового автомата мод. 1240-6. На схеме приняты следующие обозначе-
ния: 1 — четырехпазовый мальтийский крест; 2 — водило мальтийского
креста; 3 — кулачок подачи материала; 4 — кулачок зажима прутка;
5 — кулачок подъема шпиндельного блока при его повороте, рядом с ним—
кулачок для прижима шпиндельного блока после его фиксации; 6 — кула-
чок фиксации шпиндельного блока; 7—8—9 — кулачки привода попереч-
ных суппортов; 10 — кулачок для подвода упора; 11 — спаренные ку-
лачки для независимого перемещения инструментальных шпинделей;
12 — электродвигатель для поворота распределительного вала при нала-
дочном цикле; 13 — кулачок для включения муфты быстрого (ускоренного)
хода распределительного вала и тормоза; 14 — кулачок быстрого подвода
продольного суппорта; 15 — кулачок переключения муфты /7; 16 — кула-
чок рабочей подачи продольного суппорта; 17 — муфта для реверсирова-
ния относительного вращения резьбонарезного шпинделя по отношению
к главным шпинделям путем их обгона или отставания от них; 18 — муфта
для переключения привода автоматического или наладочного цикла;
19 — муфта обгона для сопряжения цепей привода рабочего и ускоренного
хода распределительного вала; 20 — фрикционная муфта для включения
цепи привода ускоренного хода распределительного вала; 21 — насос
для смазки; 22 — тормоз; 23 — зубчатая (шлицевая) втулка для соедине-
ния двух частей центрального вала; 24 — насос охлаждения; 25 — шне-
ковый транспортер для удаления стружки; 26 — электродвигатель при-
вода шнекового транспортера; 27 — хвостовик для рукоятки ручного про-
ворота шпиндельного блока при наладке; 28 — диски с направляющими
трубами.
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
Фиг. VI, 35. Кинематическая схема автомата мод. 1240-6
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
277
Структурная схема станка мод. 1240-6 приведена на фиг. VI, 36,
а циклограмма — на фиг. VI, 37. На обеих фигурах приняты одинаковые
обозначения рабочих органов и их циклов: А — конечный выключатель
контроля смазки; Б — автоматический останов распределительного вала
(при нажиме на кнопку «Стоп подача», при израсходовании прутка), В — по-
ворот шпиндельного блока; Г — подача материала; Д — зажим материала;
Е — подъем шпиндельного блока; Ж — поджим шпиндельного блока;
3 — фиксация шпиндельного блока; И — поперечные суппорты в шести
позициях; К — упор материала; Л — рабочий ход инструментальных
Фиг. VI, 36. Структурная схема автомата мод. 1240-6:
Кбб — спаренные барабанные кулачки; Кп — плоские кулаки; Kq — барабанный кулачок с кине-
матическим замыканием; Кк — командный кулачок; К$ — командный диск; Мал, ч — четырех-
пазовый мальтийский механизм; С — сопряжение цепей рабочего и ускоренного ходов распредели-
тельного вала в муфте обгона
шпинделей с независимой подачей соответственно в III и IV или V и VI по-
зициях: М — быстрый подвод и отвод инструментальных шпинделей с не-
зависимой подачей соответственно в III и IV или V и VI позициях; Н — бы-
стрый ход продольного суппорта; О — рабочий ход продольного суппорта;
П — фрикционная муфта и тормоз ускоренного хода распределительного
вала; Р — сдвоенная кулачковая муфта для цикловой настройки враще-
ния резьбонарезного шпинделя соответственно в III и IV или в V и VI по-
зициях.
Многошпиндельные токарные автоматы независимо от размера заго-
товки требуют ускоренного хода распределительного вала (см. фиг. VI, 35,
36, 37) по следующим причинам:
1. Продольный суппорт, выполняемый обычно в виде блока обслужи-
вающего все позиции, имеет значительный вес, что исключает возмож-
ность применения силового замыкания в кулачковом приводе этого
суппорта.
2. Делительный цикл — поворот шпиндельного блока при смене пози-
ций — требует большой длины отвода и подвода как самого продольного
суппорта, так и суппортов инструментальных шпинделей, перемещаю-
щихся по пазам продольного суппорта с независимой подачей. Поэтому
NO
00
Фиг. VI, 37. Циклограмма станка мод. 1240-6
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
279
для привода продольного суппорта и суппортов инструментальных шпин-
делей применяются спаренные кулачки с кинематическим замыканием,
требующие ускоренного вращения распределительного вала при подводе
и отводе суппортов (см. фиг. VI, 20 и 21).
Мальтийский механизм поворота шпиндельного блока срабатывает при
угле поворота водила, расположенного на распределительном /валу, не
меньшем 90°, и требует ускоренного вращения распределительного вала.
Из структурной схемы фиг. VI, 36 видно, что функции системы упра-
вления автоматическим циклом сводятся к включению и муфты Мг уско-
ренного хода и тормоза, и переключению кулачковых муфт Л43 и М4 для
цикловой настройки скорости
отставание или обгон главных
шпинделей при нарезании
резьбы и отводе головки с
нераздвижными плашками.
Сопряжение цепей приво-
дов рабочего и ускоренного
ходов (Сна фиг. VI, 36, втулка
червячного колеса 19 на фиг.
VI, 35) распределительного
вала производится муфтой
обгона.
В многошпиндельных авто-
матах применяется команд-
ный кулачок автоматического
выключения распределитель-
ного вала. Он действует на ко-
нечный выключатель и вы-
ключает муфту М2 при по-
вращения резьбонарезного шпинделя на
Фиг. VI, 38. Блок-схема автомата со вспомогатель-
ным валом
мощи электромагнита при
нажиме на кнопку предварительного выключения распределительного
вала или при срабатывании выключателя в механизме подачи прутка при
его израсходовании.
Распределительный вал выключается при определенном угле его пово-
рота (см. циклограмму на фиг. VI. 37); это необходимо, чтобы избежать
последующего его включения в момент поворота шпиндельного блока,
что вызвало бы срез предохранительной шпонки или штифта на приводном
червячном колесе распределительного вала под действием инерции масс
барабанных кулачков и шпиндельного блока. Во время работы станка
инерция барабанных кулачков разгружает привод при повороте шпин-
дельного блока.
Третья структурная группа кулачковых авто-
томатов. Если один или несколько исполнительных механизмов рабо-
чих органов автомата совершает за общий автоматический цикл станка не
один, а несколько повторных частных автоматических циклов, их ведущие
валы не могут быть совмещены с распределительным валом станка. Однако,
если эти частные циклы происходят одновременно, то ведущие валы их
исполнительных механизмов могут быть соединены в один общий ведущий
вал (вал В' на фиг. VI, 38), значительно более быстроходный, чем распре-
делительный вал, с приводом от быстроходного вспомогательного вала;
включение происходит по команде распределительного вала при помощи
однооборотной муфты (муфты Мх на фиг. VI, 32), самовыключающейся,
когда ведомый общий вал исполнительных механизмов сделает один оборот.
280
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
Подобное выделение исполнительных механизмов рабочих органов (как
правило, вспомогательных) в особую группу с общим ведущим валом при
включении его однооборотной муфтой (вал В" с муфтой М2 на фиг. VI, 38)
применяется также для уменьшения времени срабатывания исполнитель-
ных цикловых механизмов вспомогательных рабочих органов.
Классическим примером автомата третьей структурной группы может
служить одношпиндельный токарно-револьверный автомат (фиг. VI, 39 и
Фиг. VI, 39. Общий вид токарноревольверного автомата мод. 1Б136:
/ — рукоятка для включения муфты привода вспомогательного вала; 2 — станина; 3 — шпиндель-
ная бабка; 4 и 5 — соответственно вертикальный и горизонтальный поперечные суппорты; 6 —
револьверная головка; 7 — распределительный вал; <8 — регулятор положения револьверного суп-
порта относительно торца шпинделя; 9 — маховик для ручного вращения вспомогательного и рас-
пределительного валов; 10 — рычаг для ручного перемещения револьверного суппорта; 11 — пакет-
ный включатель станка; 12 — пульт настройки скоростей вращения шпинделя; 13 — кнопки управ-
ления электродвигателем привода шпинделя; 14 — основание
40), у которого за общий автоматический цикл обработки одной заготовки
(за один оборот распределительного вала) происходит шесть частных
циклов переключения (Д2 на фиг. VI, 41) револьверной головки
(фиг. VI, 42).
Каждое переключение состоит из трех циклов вспомогательных дви-
жений:
1. Отвод и подвод на фиг. VI, 41) суппорта револьверной головки
кривошипным механизмом.
2. Расфиксирование и фиксация (Д’ на фиг. VI, 41) револьверной го-
ловки с приводом фиксатора торцовым цилиндрическим кулачком.
3. Поворот револьверной головки на Ve оборота (д^ на фиг. VI, 41)
мальтийским механизмом.
Кривошип, торцовый (колокольный) цилиндрический кулачок и во-
дило мальтийского механизма установлены на одном общем валу
Е
BK-U11
I
£
УШ г
IV
ВК-211
б В
А
т
Кинематическая схема станка мод. 1Б136:
Л
ГЛ-11
Переключатель
скорости
Фиг. VI, 40.
IX — распределительный вал; V — вспомогательный вал; А — кулачок перемещения вертикального
поперечного суппорта; Б — кулачок перемещения заднего поперечного суппорта; В — кулачок
перемещения переднего поперечного суппорта; Г — кулачок револьверного суппорта; Д — кулачок
поворотного упора; Е —- барабанный кулачок подачи прутка; М — барабанный кулачок зажима
прутка; 3 — командный диск с кулачками для включения однооборотной муфты привода подачи
и зажима прутка; Л — командный диск с кулачками для включения однооборотной муфты механизма
переключения револьверной головки; В К-2 И — реверсирование шпинделя при нарезании резьбы;
В К-411 — выключение станка при израсходовании прутка
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
282
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
(фиг. VI, 42), который приводится от вспомогательного вала (120 об/мин)
через однооборотную муфту (см. фиг. VI, 40).
Рабочие частные циклы переднего, заднего и вертикального попереч-
ных суппортов, а также суппорта револьверной головки производятся
плоскими кулачками с силовым замыканием (см. фиг. VI, 41), что
дает возможность совершить общий цикл обработки при постоянной
скорости вращения распределительного вала.
Наличие кривошипного механизма для быстрого отвода и подвода
головки при ее переключении ограничивает функции кулачка револьвер-
Фиг. VI, 41. Структурная схема револьверного авто-
мата мод. 1Б136:
BBi — вспомогательный вал; В' и В" — ведущие валы
группы исполнительных механизмов; Mi и Мг — однообо-
ротные муфты; Нц и Рц — цикловые настройка и реверсиро-
вание привода шпинделя; Нн х — наладочная настройка при-
вода шпинделя; Нн 2 — наладочная настройка привода рас-
пределительного вала; Pi — подача прутка; Р4, Ръ> Р* — по-
перечные суппорты; Р2 — зажим прутка; револьверный
суппорт; Ц1 — рабочая подача и обратный ход револьвер-
ного суппорта; Ц2 — переключение револьверной головки;
отвод и подвод; — расфиксация и фиксация; Цр—
поворот револьверной головки; Кп — плоские кулачки с
силовым замыканием; Kq — барабанные кулачки
ного суппорта рабочим
ходом и отводом суппорта
по кривой спада профиля
кулачка в положение на-
чала следующего рабочего
хода. Это повышает ем-
кость кулачка револьвер-
ного суппорта до шести
рабочих ходов за цикл об-
работки, считая и подвод
упора.
Общий валик кулачков
зажима и подачи прутка
приводится от вспомога-
тельного вала через одно-
оборотную муфту.
Приводной механизм
автоматов третьей струк-
турной группы характе-
ризуется наличием двух
валов — распределитель-
ного, вращающегося с по-
стоянной скоростью за весь
цикл обработки, и быстро-
ходного вспомогательного
вала.
Функции системы упра-
вления при этой струк-
туре (см. фиг. VI, 35) ограничиваются передаточными механизмами авто-
мата: включением однооборотных муфт командными кулачками распреде-
лительного вала, цикловым реверсированием (Рц) вращения шпинделя при
воздействии кулачка распределительного вала на концевые выключатели
и цикловой настройкой чисел оборотов шпинделя при помощи специаль-
ного переключателя, занимающего при повороте его особым мальтийским
механизмом, связанным с приводом переключения головки, последова-
тельно шесть положений при переключении револьверной головки
(см.фиг. VI, 34).
Общецикловая увязка частных циклов основных (вал Р. в. на
фиг. VI, 41) и вспомогательных (валы В' и В" на фиг. VI, 41) рабочих
органов осуществляется за счет системы управления, включающей веду-
щие валы исполнительных механизмов вспомогательных органов на опре-
деленных стадиях общего автоматического цикла.
Так как однооборотные муфты и М2 включаются кинематически
жесткими механизмами, то, по существу, связь между основными и вспо-
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
283
могательными рабочими органами остается кинематической во все время
автоматического цикла обработки.
Конструкция револьверного суппорта станка мод. 1Б136 приведена
на фиг. VI, 43.
Цикл переключения револьверной головки (фиг. VI, 44) совершается
следующим образом.
Начало переключения (фиг. VI, 44, а). Ролик зубчатого сектора идет
вниз по кривой спада профиля кулачка; под действием пружины (силовое
замыкание кулачкового механизма) суппорт отходит вправо. Включается
Фиг. VI, 42. Схема револьверного суппорта:
1 — фиксатор; 2 — водило мальтийского креста; 3 — торцовый барабанный кулачок фиксатора;
4 — зубчатое колесо привода от вспомогательного валика; 5 — пружина силового замыкания кулач-
кового механизма подачи револьверного суппорта; 6 — кулачок подачи револьверного суппорта'.
7 — рейка скользящая в корпусе суппорта; 8 — тяга; 9 — кривошипный механизм быстрого отвода
и подвода револьверного суппорта, связанный через тягу 8 с рейкой
однооборотная муфта переключения револьверной головки; начинает по-
ворачиваться кривошип, расстояние между А и Б уменьшается, и ско-
рость отвода суппорта увеличивается; кулачковый механизм остается
замкнутым.
Окончание отвода револьверного суппорта до упора (фиг. VI, 44, б).
Сила пружины замыкается на упор. Силовое замыкание кулачкового меха-
низма прекращается.
Начало поворота револьверной головки (фиг. VI, 44, в). При дальнейшем
повороте вала кривошипа рейка идет вперед (влево), поворачивает сектор
и ролик отходит от кулачка; ролик водила входит в паз мальтийского
креста. Фиксатор вышел из гнезда.
Окончание поворота револьверной головки (фиг. VI, 44, г). Кривошип
проходит мертвое положение, рейка начинает двигаться назад (направо),
ролик приближается к кулачку, ролик водила выходит из паза мальтий-
ского креста, поворот заканчивается. Фиксатор входит в гнездо.
Начало подвода револьверного суппорта кривошипным механизмом
^фиг. VI, 44, д). При повороте кривошипа рейка отходит назад (вправо)
до тех пор, пока ролик зубчатого сектора не коснется поверхности кулачка
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
• Фиг. VI, 43. Суппорт револьверной головки автомата мод. 1Б136:
1 — каретка суппорта; 2 — кривошип; 3 — шатун; 4 — пустотелая рейка, скользящая в пазу каретки; 5 — стержень, закрепленный
в рейке; 6 — резьбовая втулка для крепления и регулирования положения стержня 5 в рейке 4 при выставлении суппорта; 7 — штифт,
запрессованный в каретке; конец штифта входит в паз стержня; 8 — пружина; 9—стержень с головкой на правом конце опирающейся на
торец втулки 16', 10 — мальтийский крест револьверной головки; 11 — палец водила мальтийского механизма; 12 — торцовый кулачок
привода фиксатора; 13 — широкая входная шестерня механизма переключения револьверной головки? 14 — ось распределительного
вала; 15 — втулка с вырезом; 16 — втулка-упор; 17 — ось вспомогательного вала; 18 — фиксатор револьверной головки
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
285
суппорта. При дальнейшем повороте кривошипа расстояние между А и Б
будет увеличиваться при замкнутом кулачковом механизме, суппорт отой-
дет от упора и будет быстро подводиться в зону обработки.
Одновременно произойдет небольшой отвод суппорта при ходе ролика
по кривой спада профиля кулачка.
Окончание переключения (фиг. VI, 44, е). Подвод суппорта закончится,
когда кривошип займет мертвое положение. В этот момент выключится
Фиг. VI, 44. Схема переключения револьверной головки
и зафиксируется однооборотная муфта, а вместе с ней — все зубчатые ко-
леса механизма переключения и валик кривошипного механизма. При
окончании переключения ролик должен находиться в конце кривой спада
профиля кулачка на радиусе, который на 1,5 мм меньше радиуса, отвечаю-
щего началу следующего рабочего хода суппорта. Если переключение
закончится, когда ролик находится на кривой спада не в конце ее, а на
большом радиусе кулачка, то в конце переключения суппорт выдвинется
вперед дальше начала следующего рабочего хода, инструменты ударятся
об обрабатываемую заготовку, затем суппорт отойдет назад до конца кри-
вой спада профиля кулачка и начнет снова двигаться вперед с началом
следующего рабочего хода.
Поэтому командные кулачки однооборотной муфты переключения ре-
вольверной головки регулируются по концу переключения так, чтобы
возвратного движения суппорта после переключения не происходило.
286
КУЛАЧКОВЫЕ АВТОМАТЫ
В конце отвода револьверного суппорта (фиг. 44, б) втулка 15 (фиг. VI,
43) упирается во втулку-упор 16, передавая на нее силу пружины 8. Кри-
вошип втягивает рейку в корпус каретки суппорта, а суппорт продолжает
двигаться по инерции. При этом штифт 7, двигаясь в вырезе втулки 15,
упирается в торец паза стержня 9 и увлекает его вправо. Стержень 9
сжимает пружину 8, гася запас кинетической энергии суппорта, после
чего пружина передвинет суппорт влево и штифт 7 упрется в левую кромку
выреза втулки 15.
Однооборотные муфты. Для включения привода однообо-
ротных исполнительных механизмов от вспомогательного вала (см. муфты
Фиг. VI, 45. Механизм включения однооборотной муфты для переключения револьверной
головки токарно-револьверных автоматов мод. 1А136 и 1Б136
Мг и ТИ2 на фиг. VI, 41) в одношпиндельных револьверных автоматах
применяют кулачковые однооборотные муфты, самовыключающиеся после
одного оборота входного вала циклового исполнительного механизма,
т. е. одного частного цикла движений рабочего органа.
В токарно-револьверных автоматах мод. 1А136 и 1Б136 вспомогатель-
ный вал 2 (фиг. VI, 45) делает Р/3 оборота за цикл переключения револь-
верной головки. Кулачок 3 на промежуточном валике, делающий один
оборот за этот цикл, позволяет пальцу 7 войти в фасонную выемку 6
полумуфты и выключит ее только в конце цикла переключения головки.
Так как полумуфта делает за цикл переключения головки Р/3 оборота, то
на ней сделаны три фасонные выемки 6 и три паза для фиксатора 1.
Кулачок 3, вращаясь, сообщает своим скосом дополнительное откло-
нение рычагу 4, чтобы защелка на его конце поднялась над вершиной
командного кулачка 5, повернулась под действием пружинки и не упира-
лась в кулачок 5 при вводе пальца 7 во впадину 6.
ГЛАВА III
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ПРИВОДОМ
РАБОЧИХ ОРГАНОВ ХОДОВЫМИ * ВИНТАМИ
§ 1. СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА ПАРЫ ХОДОВОЙ ВИНТ—ГАЙКА
Пара винт—гайка является нецикловым исполнительным механизмом
основных рабочих органов автоматизированного станка. Нецикловые ис-
полнительные механизмы характеризуются неизменностью кинематиче-
ской связи между входным (ведущим) валом исполнительного механизма
и рабочим органом. Эта связь выражается величиной перемещения рабо-
чего органа за один оборот ведущего вала исполнительного механизма,
т. е. шагом тягового устройства исполнительного механизма. Это устрой-
ство служит для превращения вращательного движения ведущего (вход-
ного) вала в поступательное движение рабочего органа.
Нецикловые механизмы рабочих органов автоматов — ходовой винт-
гайка или также зубчатое колесо-рейка. Эти механизмы не однооборот-
ные. Число оборотов их ведущего вала за один частный цикл рабочего
органа бывает различным в зависимости от длины ходов рабочего органа
и шага исполнительного механизма.
В автоматизированных станках нецикловые исполнительные механизмы
(преимущественно ходовой винт-гайка) применяются для основных рабо-
чих органов; для вспомогательных органов они используются редко
(в тяговых устройствах зажимных патронов).
Для ходовых винтов характерен малый шаг тягового устройства и
в связи с этим малая степень редукции и отсутствие червячных передач
в приводе рабочих подач:
sl = i7 (VI, 12)
И
* = (VI, 13)
Здесь t — (шаг X число заходов резьбы винта) в мм;
s — подача на один оборот шпинделя в мм;
i — передаточное отношение цепи рабочих подач от шпинделя до
ходового винта.
Малый шаг обусловливает малую величину крутящего момента на ходо-
вом винте [см стр. 64, уравнение (V, 104) и стр. 103—105].
Паре винт-гайка свойственны малые радиальные габариты. Ходовым
винтом, следовательно, можно передавать большие тяговые силы без
больших моментов и контактных напряжений на винте. Ходовой винт
можно применять при большой длине хода рабочего органа. Привод ходо-
вым винтом обеспечивает плавность подачи (см. также стр. 97).
288
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ХОДОВЫ М И ВИ НТ AM И
При вращении гайки ходового винта возможно сопряжение цепей ра-
бочего и быстрого (ускоренного) холостого хода в паре винт-гайка, а также
сложение движений рабочей подачи по винту и ручного перемещения при
одновременном вращении гайки.
§ 2. СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СТАНКОВ С ХОДОВЫМИ ВИНТАМИ
Основное структурное значение имеет постоянство шага ходового винта,
вследствие чего пара ходовой винт-гайка (подобно паре зубчатое колесо—
рейка) является нецикловым исполнительным механизмом. Механизмы
этого типа характеризуются постоянством кинематической связи между
входным валом исполнительного механизма и рабочим органом.
Поэтому Кц — цикловое изменение кинематической связи между общим
передаточным механизмом станка П и рабочим органом Р, необходимое
для получения цикла движений рабочего органа, осуществляется за счет
цикловой настройки и реверсирования привода от общего передаточного
механизма к ходовому винту данного рабочего органа (фиг. VI, 46).
Характер цикловых настроек для образования Кц зависит от цикла
движений рабочего органа. Этот цикл стремятся делать возможно про-
стым: быстрый подвод — рабочая подача с одной скоростью — быстрый
отвод со скоростью подвода. Это дает возможность ограничиться для цикло-
вой настройки пуском, остановом и реверсированием электродвигателя
привода быстрого (ускоренного) хода при помощи конечных выключателей.
Применяется также переключение передач привода электромагнитными
муфтами. Механическое управление переключением передач применяется
редко.
Как уже указывалось, ходовой винт — нецикловой исполнительный
механизм. Частный автоматический цикл его рабочего органа совершается
не за один, а за несколько оборотов ходового винта. Ходовой винт нельзя
совместить с общим командным распределительным валом станка, который
должен делать один оборот за общий цикл станка.
В этих условиях частный цикл движений рабочего органа не может
управляться централизованно от распределительного вала с контролем
по времени. Поэтому управление цикловыми настройками частных пере-
дач привода к какому-либо ходовому винту на различных этапах его част-
ного цикла движений производится в зависимости от перемещений рабо-
чего органа (путевой контроль) непосредственно или через устройство (ко-
мандоаппарат), кинематически связанное с рабочим органом или с ходо-
вым винтом.
В отличие от цикловых исполнительных механизмов для начала част-
ного цикла движений рабочего органа необходимо устройство Вк для
включения частного привода ходового винта данного рабочего органа
(фиг. VI, 46) на определенном этапе цикла (или циклов) какого-либо органа
(или группы каких-либо органов). За счет этого включения и происходит
координация частного цикла какого-либо рабочего органа с общим автома-
тическим циклом станка.
Выключение Вк частного привода исполнительного механизма произ-
водится от самого рабочего органа по окончании его цикла движений
(фиг. VI, 46).
Таким образом, общецикловая связь и координация циклов различных
рабочих органов станка при применении ходового винта и других нецикло-
вых исполнительных механизмов производится при помощи системы упра-
вления общим автоматическим циклом с контролем по пути и с взаимной
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЦИКЛОМ
289
связью и блокировкой частных систем управления циклами отдельных
рабочих органов.
Из примерной блок-схемы (фиг. VI, 47) видно значительное усложнение
функций системы управления автоматическим циклом автомата при при-
менении ходовых винтов и других
мов. Систему управления услож-
няют не только общецикловые свя-
зи между рабочими органами, осу-
ществляемые через систему упра-
Фиг. VI, 46. Блок-схе-
ма приводного рабочего
органа с нецикловым
исполнительным меха-
низмом:
Э — двигатель; П — пе-
редаточный механизм
станка; Нн — наладочная
настройка цепи привода
рабочих подач; ± Вк —
устройство для включе-
ния и выключения при-
вода исполнительного ме-
ханизма; К,. — цикловая
И
настройка кинематики
частного привода испол-
нительного механизма
для получения автомати-
ческого цикла его дви-
жения; Ин — нецикловой
исполнительный меха-
низм; Р — рабочий орган;
У — функции системы
управления автоматиче-
ским циклом
нецикловых исполнительных механиз-
Фиг, VI, 47. Блок-схема автомата с нецикло-
выми исполнительными механизмами
вления, но и управление частными приводами исполнительных механиз-
мов рабочих органов для получения циклов их движений.
Выше отмечалось, что пара ходовой винт-гайка редко применяется
как исполнительный механизм вспомогательных рабочих органов (тяговые
устройства зажимных патронов). Вместе с тем, при применении ходо-
вых винтов как исполнительных механизмов основных рабочих органов,
координация частных циклов в общем автоматическом цикле за счет си-
стемы управления дает возможность применять для вспомогательных рабо-
чих органов одного станка различные виды исполнительных механизмов
(механические цикловые, гидравлические, пневматические), что облег-
чается при электрической командной сети системы управления.
§ 3. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЦИКЛОМ ПРИ ХОДОВЫХ ВИНТАХ
Функции системы управления при ходовых винтах, как вообще при
нецикловых исполнительных механизмах, значительно расширяются по
сравнению с кулачковыми автоматами. Включение и выключение всех
рабочих органов, переключения передач и электродвигателей для
10 Ачеркан. Зак. 659.
290
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ХОДОВЫМИ ВИНТАМИ
образования цикла движений каждого основного рабочего органа — все это
совершается при помощи системы управления. В результате увеличивается
количество контактной электроаппаратуры и снижается надежность ра-
боты станка по сравнению с кулачковыми автоматами.
Как было отмечено выше, при использовании ходовых винтов приме-
няется система управления с контролем по пути рабочих органов.
Преимущество этой системы в том, что она исключает возможность раз-
верки цикла в пространстве и не требует сложных подготовительных и
монтажных работ при переналадке станка на другую деталь. Станок с та-
кой системой управления переналаживается быстрее, чем кулачковые
автоматы. Поэтому ходовые винты применяют не только при длине хода
основных рабочих органов больше 300 мм (предельная длина хода при
барабанных кулачках), но и в станках с меньшей длиной хода, предназна-
ченных для серийного производства.
Цикловая настройка привода ходового винта рабочего органа для
сообщения ему нужного цикла движений вызывает разрывы кинематиче-
ских цепей в приводе, переходные процессы, механическое и электрическое
скольжение; результат этого — менее жесткая кинематическая связь и
менее четкое ограничение длины и времени отдельных ходов, чем при кулач-
ковых и других цикловых исполнительных механизмах. Это делает ходо-
вые винты и другие нецикловые исполнительные механизмы неудобными
при обработке деталей с короткими по длительности циклами основных
рабочих органов, т. е. при обработке мелких деталей.
Децентрализованность системы управления затрудняет ее наладку.
Для ослабления этого недостатка применяют командоаппараты, в которых
сосредоточена настройка управления частными автоматическими циклами
отдельных основных рабочих органов. Командоаппарат кинематически
связан с рабочим органом. Если основных рабочих органов несколько,
применяют несколько командоаппаратов — отдельных для каждого рабо-
чего органа.
Для вспомогательных органов применяется также система управления
с контролем по пути.
Эти частные системы управления отдельных рабочих органов объеди-
няются взаимной цикловой связью с блокйровкой в общую систему управ-
ления автоматическим циклом.
§ 4. СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
Автоматизированные станки и агрегаты с приводом рабочих органов
ходовыми винтами можно распределить в зависимости от движения винта
и гайки на три группы:
1) вращается гайка при неподвижно закрепленном винте;
2) вращается винт при неподвижно закрепленной гайке;
3) вращаются и винт, и гайка.
Примером устройств первой группы может служить резьбонарезная
силовая головка (фиг. VI, 48). Цикл движений головки простой: рабочий
ход вперед — обратный ход (вывод метчиков) с повышенной скоростью
при двухскоростном электродвигателе главного привода. Привод подач
кинематически жестко связан с приводом шпинделя. Головка работает
по полуавтоматическому циклу, которым управляют кулачки, закреплен-
ные на корпусе головки и действующие на переключатели, расположенные
в коробке 7.
Фиг. VI, 48. Резьбонарезная силовая головка с подачей по винту вращающейся гайкой.
Настройка подач шестернями /—2 и 3—4 (сменные); 5 — предохранительная муфта; 6 — коробка с переключателями; 7—упорный предохранительный
болт; 3 — насос для смазки; 9 — кулачок; 10 — уплотнение; 11 —> срезной предохранительный штифт
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
292
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ХОДОВЫМИ ВИНТАМИ
Схема привода в направляющей плите
При большой длине быстрого подвода и отвода силовой головки с пло-
ским кулачком применяются направляющие плиты с независимым при-
водом ходового винта (фиг. VI, 49).
В конце быстрого подвода силовой головки один из ее командных кулач-
ков-упоров действует на конечный выключатель, выключающий электро-
двигатель 1 и параллельно с ним электромагнит 7. Пружина 9 включает
кулачковую муфту 4, сцепляя привод винта с барабаном колодочного тор-
моза 3, тормозной момент которого значительно выше момента тормозной
5
\
----
Фиг. VI, 49. Схема привода в направляющей плите:
1 — электродвигатель направляющей плиты; 2 — тормозная муфта; 3 — колодочный тормоз; 4 —
кулачковая муфта для включения тормоза; 5 — силовая головка с плоским кулачком; 6 — направ-
ляющая плита; 7 — электромагнит, выключающий кулачковую муфту; 8 — профиль зубьев муфты 4\
9 — пружина, включающая кулачковую муфту 4 тормоза
фрикционной муфты 2. Винт останавливается тотчас же по включении
кулачковой муфты 4, а электродвигатель 1 затормаживается фрикционной
тормозной муфтой через некоторое время, не вызывая перебега головки 5
при выбеге ротора.
Токарный многорезцовый полуавтомат мод. 1730 (фиг. VI, 50) в отно-
шении вращения винта и гайки является переходной конструкцией. Полу-
автоматический рабочий цикл совершается при неподвижной гайке, а руч-
ное перемещение суппортов при наладочном цикле — вращением гайки.
Это отразилось на конструкции гайки и привода ее вращения, но кинема-
тическая схема построена так же, как для неподвижной гайки.
Поперечный суппорт приводится от продольного (фиг. VI, 51) и рабо-
тает параллельно с ним. Цикл движений суппортов не сложен. Отскок
резцов после рабочего хода и взвод их после отвода производится кулачко-
вой линейкой (см. фиг. VI, 54).
Цикловая настройка привода суппортов Кц производится переключе-
нием электродвигателя ускоренного хода Э2 и муфты М (фиг. VI, 51)
при наличии реверсивной односторонней муфты обгона С (см. фиг. VI, 52).
Выключение и включение главного электродвигателя связаны со съемом
детали и установкой следующей заготовки.
Командоаппарат конструктивно связан с коробкой подач (фиг. VI, 52),
соединенной с цепью привода рабочих подач предохранительной зубчатой
муфтой /. Зубчатая муфта 2 включает цепь рабочей подачи при подъеме
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
293
п—1425 об/мин
Фиг. VI, 50. Кинематическая схема токарного многорезцового полуавтомата мод. 1730
Фазы цикла Переключения
з, Зг И
1 + вперед +
2 — +
3 + Назад —
4
Фиг. VI, 51. Структурная схема
мод. 1730:
станка
Э1 — главный электродвигатель; Э2 — электродвигатель быстрого (ускоренного) хода; Ш — шпин-
дель; Hi — наладочная настройка привода шпинделя; Н2 — наладочная настройка привода подач;
Н3 — наладочная настройка подач поперечного суппорта; 1 — продольный суппорт; 2 — попереч-
ный суппорт; 3 — реечные передачи к командоаппарату К; С — сопряжение цепей быстрого (уско-
ренного) и рабочего ходов суппортов в односторонней реверсивной муфте обгона; М — муфта для
включения привода подач
294
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ХОДОВЫМИ ВИНТАМИ
рукояткой 12 люльки 3, сидящей на валу 13. Реверсивная муфта обгона
служит для сопряжения цепей рабочей подачи и ускоренного хода от ре-
версивного электродвигателя.
М
Фиг. VI, 52. Коробка подач токарного
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
295
Рейка 7, закрепленная на продольном суппорте, вращает через зубча-
тое колесо вал S, передающий через втулочную муфту 9 движение коробке
передач поперечного суппорта. На другом конце вала 8 сидит колесо 6,
передающее движение рейке командоаппарата, несущей командные ку-
лачки (упоры).
Люлька 3 удерживается в поднятом положении фиксатором 5. Фикса-
тор может быть выведен из гнезда 4 при повороте вниз рукоятки 12 около
оси люльки или при повороте около той же оси рычага люльки 10 с винтом-
упором при воздействии одного из командных кулачков на ролик 11, смон-
тированный на корпусе рычага.
Продольный суппорт полуавтомата (фиг. VI, 53) снабжен копирной
линейкой 6 со скосом, по которому производится косой поперечный отвод
суппорта при обратном ускоренном отводе и косое врезание на глубину
до 10 мм после окончания ускоренного продольного подвода.
Б-Б
Разрез по лкмьяе
многорезцового полуавтомата мод. 1730
Вид спереди
§
1
Фиг. VI, 53. Передний
суппорт полуавтомата
мод. 1730:
1—винт для установки салазок?
2 — гайка; 3 — поперечные са-
лазки; 4 — каретка; 5 — ролик?
6 — копирная линейка; 7—пру-
жина; 8 — рейка со скосами,
подвижная в поперечном напра-
влении; 9 — рейка со скосами,
подвижная в продольном напра-
влении; 10—упор; 11—обойма?
12 — крестовина; 13 — втулка;
14 — ролики; 15 — коническое
колесо; 16 — маховик
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ХОДОВЫМИ ВИНТАМИ
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
297
О f
Фиг. VI, 54. Схема механизма «отскока»:
/ — каретка суппорта; 2 — палец с роликом, связан-
ный с поперечными салазками, отжимаемыми пружи-
ной; 3 — линейка со скошенными кулачками, под-
вижная в поперечном направлении; 4 — копирная
линейка, подвижная в поперечном направлении; 5—
кронштейн с поперечным направляющим сухарем
для линейки; 6 — два упора линейки 7; ^—линейка
со скошенными кулачками, подвижная в продольном
направлении; 8 — штифт, удерживающий линейку от
продольного смещения
В конце рабочего хода механизм отскока (фиг. VI, 54) производит
отвод резцов на 1 мм от заготовки, так как дойдя до левого упора 6, ли-
нейка 7 сдвинется вправо относительно линейки 3, кулачки одной линейки
совместятся со впадинами другой и под действием пружины 7 (см. фиг. VI,
53) линейки 3 и 4 (фиг. VI, 54),
ролик 2, его палец и попереч-
ные салазки отойдут от заготов-
ки. В конце обратного ускорен-
ного отвода линейка 7 упрется
в правый упор 6, произойдет
«взвод» линеек в положение,
показанное на фиг. VI, 54, ли-
нейка 4, ролик 2 и поперечные
салазки сдвинутся вместе с рез-
цами в сторону заготовки — про-
изойдет «прискок» резцов.
Ручное перемещение перед-
него суппорта производится вра-
щением гайки через зубчатую
передачу от маховичка 16 (фиг.
VI, 53). Втулка /3, сидящая на
шпонке на валу маховичка, свои-
ми выступами прижимает ролики
сивной муфты обгона. Крестовина 12 заклинена шпонкой на втулке кони-
ческого колеса 15.
При работе по ходовому винту гайка затормаживается обгонной муф-
той 12, два ролика 14 которой заклиниваются между крестовиной и непо-
движной обоймой 11.
14 к крестовине 12 двусторонней ревер-
Полуавтоматический цикл станка
Исходное положение. Рейка 3 — в верхнем положении
(фиг. VI, 55), люлька занимает положение Б. Кулачок 1 через рычаг 2
нажимает шток выключателя КВ3, контакты 1а—2 (фиг. VI, 56) замкнуты,
контакты 1—5 — разомкнуты. Кулачок 9 люльки (фиг. VI, 55) нажимает
на шток выключателя КВ2, его контакты 6—7 (фиг. VI, 56) замкнуты,
контакты 1—5 разомкнуты. Нормально открытый конечный выключа-
тель КВХ разомкнут.
Быстрый подвод суппортов. При подъеме люльки за
рукоятку управления винт 8 (фиг. VI, 55) рычага 7 люльки нажимает на
шток конечного выключателя КВЪ а кулачок 9 люльки освобождает шток
выключателя КВ*, его контакты 6—7 размыкаются, а контакты 1—5 замы-
каются (фиг. VI, 56). Катушка контактора КБВ получает питание по
цепи 1, 1а, 2, 3, 4, и контакты КБВ замыкаются, электродвигатель ДБ
быстрых ходов включается на ход вперед. Одновременно срабатывает реле
РП-1, затем РП-2, замыкаются контакты контактора КГ, включается глав-
ный электродвигатель ДГ, электродвигатель ДН насоса охлаждения и
электромагнит ЭМТ, растормаживающий ленточный тормоз привода глав-
ного движения. Питание КБВ идет по линии 1 (РП-1), 5,5 (РП-2),
6, (РП-1), 2.
При подъеме люльки включается кулачковая муфта цепи привода ра-
бочих подач, но благодаря муфте обгона суппортам передается движение
быстрого подвода от электродвигателя быстрых ходов.
298
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ХОДОВЫМИ ВИНТАМИ
Фиг. VI, 55. Командоаппарат токарного многорезцового полуавтомата мод. 1730
Электронасос
тип 0-50
0,25кбт:2800об/мин
Электродвигатель
главного привода
тип АД-52/6
10квт, 1455 об/мин
Электродвигатель
быстрых ходов
тип АДФ-21/4
1квт; 1425 об/мин
Работа конечных выключателей
Пуск гл дб и быстр подвод Рабоч подача
Конец цикла быстр отвод
Фиг. VI, 56. Принципиальная электросхема полуавтомата мод. 1730
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
299
При подводе рейка 3 (фиг. VI, 55) с командными кулачками /, 4 и 5
идет вниз. Кулачок 1 отходит от рычага 2, размыкаются контакты 1а, 2
выключателя КВ3.
Рабочая подача суппортов. Кулачок 5 (фиг. VI, 55),
опускаясь и действуя передним скосом на ролик 6, поворачивает рычаг 7
с винтом 8 около оси люльки и отводит винт 8 от штока выключателя КВ±
в сторону; размыкаются контакты 2, 3 выключателя КВг (фиг. VI, 56),
цепь катушки КБВ и РП-1 не получает тока, двигатель ДБ быстрых ходов
останавливается, начинается рабочая подача. Катушка КГ получает ток
по цепи 1 (КВ-2), 5 (РП-2), 9 и 1 (КВ-3), 5\ 5\ 5 (РП-2), 9.
Фиг. VI, 57. Схема силовой головки с вращением гайки при рабочей
подаче и винта — при быстрых (ускоренных) ходах
Быстрый отвод. В конце рабочего хода кулачок 4 (фиг. VI, 55),
действуя своим передним скосом на ролик 6, поворачивает рычаг 7 около
оси люльки еще дальше и выводит фиксатор люльки из гнезда (фиг. VI, 52);
люлька падает, выключая муфту привода рабочих подач, а затем дейст-
вует кулачком 9 на штифт 10 (фиг. VI, 55) и через него — на шток
выключателя КВ<> (фиг. VI, 56), замыкает контакты 6—7, вследствие чего
срабатывает контактор КБН, который включает двигатель быстрых
ходов на реверсирование для быстрого отвода суппортов в исходное поло-
жение.
В конце отвода кулачок 1, двигаясь с рейкой 3 вверх (фиг. VI, 55),
поворачивает рычаг 2, который нажимает на шток выключателя КВ3,
размыкает цепь питания катушки РП-2 и тем самым выключает питание
катушек КГ и КБН, В результате этого выключаются главный двигатель,
электродвигатель быстрых ходов, насос и электромагнит ленточного тор-
моза. Станок останавливается.
Схемы с вращением ходового винта и гайки применяются в силовых
головках (фиг. VI, 57). Рабочая подача производится вращением гайки
с приводом от вала шпиндельной коробки через шариковую предохрани-
тельную муфту, проскальзывающую при работе на мертвый упор.
Быстрый (ускоренный) подвод и отвод силовой головки по направляю-
щей плите производится ходовым винтом, который приводится от электро-
двигателя быстрых ходов через двустороннюю реверсивную муфту обгона,
крестовина которой заклинена шпонкой на ходовом винте. При вращении
винта его гайка тормозится червячной передачей. При вращении гайки
два ролика муфты обгона заклиниваются между крестовиной и неподвижно
закрепленной наружной обоймой муфты и затормаживают винт.
300
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ХОДОВЫМИ ВИНТАМИ
Головка работает по полуавтоматическому циклу. Управление —
кулачками-упорами, которые закреплены на головке и действуют на пере-
ключатели, смонтированные на направляющей плите.
Для уменьшения выбега головки при быстром подводе двигатель уско-
ренных ходов оснащается электротормозом или реле времени при тормо-
жении противотоком.
Сопряжение цепей ускоренного хода и рабочей подачи производится
при помощи муфт, самой пары винт-гайка (фиг. VI, 57), муфты обгона —
Фиг. VI, 58. Силовая головка Минского завода автоматических линий и агрегат-
ных станков МЗАЛ:
а — кинематическая схема; б — внешний вид
как правило, реверсивной (в отличие от муфт обгона кулачковых автома-
тов и полуавтоматов). Вследствие постоянства шага ходового винта при
включении цепи быстрого хода и ее реверсировании возникают значитель-
ные ускорения и большие силы инерции, если массы стола и обрабатывае-
мых заготовок велики (продольно-фрезерные полуавтоматы). В таких слу-
чаях для сопряжения цепей ускоренного и рабочего ходов предпочитают
применять эпициклические механизмы, более приспособленные к восприя-
тию больших инерционных моментов, чем муфты обгона.
Минский завод автоматических линий и агрегатных станков (МЗАЛ)
выпускает самодействующие силовые головки с подачей ходовым винтом
(фиг. VI, 58). От главного двигателя 1 через вал 2 и зубчатые колеса 4
и 5 движение передается валу 6, соединенному с шпиндельной коробкой.
От вала 2 через червячную передачу 3 вращение сообщается валу S, не-
сущему электромагнитные муфты 7 и 9. При включении муфты 7 движе-
ние рабочей подачи передается валу 12 через сменные колеса е — f,
СТРУКТУРНЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
301
а при включении муфты 9 — через сменные колеса с — d. Вал 12 через
предохранительную муфту 10 и червячную передачу 11 вращает гильзу 14,
в которой закреплена гайка 15 ходового винта 13.
При рабочей подаче, настраиваемой при наладке сменными колесами
е — f и с — d, а во время цикла —переключением муфт 7 и 9, привод ходо-
вого винта заторможен электромагнитным тормозом 16, который исполь-
зуется также при выключении ускорен-
ного хода головки. Ускоренный подвод
и отвод головки производится от ревер-
сивного электродвигателя 17, вращающего
ходовой винт 13 при неподвижных гайке 15
и гильзе 14, удерживаемых самотормозя-
щейся червячной передачей 11.
Работа на «мертвый упор».
Условия работы на «мертвый упор» при
приводе суппорта ходовым винтом значи-
тельно сложнее, чем при кулачковом при-
воде, осуществляющем уменьшение подачи,
выстой неподвижного инструмента необ-
ходимой длительности, реверсирование и
отвод суппорта за счет соответствующего
профилирования кулачка. Все эти эле-
менты цикла при применении ходового
винта получаются за счет конструкции
его привода и системы управления. Для
получения точных и стабильных размеров
сила на упоре и вызванные ею отжимы
в суппорте должны быть постоянными при
возможности независимой регулировки си-
лы отжима. Особое значение это имеет для
точной обработки по диаметру с попереч-
ных суппортов. При кулачковом приводе
это достигается регулировкой упора, дли-
ны хода суппорта и положения инстру-
мента. При ходовом винте возможность
Фиг. VI, 59. Схема привода про-
дольного суппорта полуавтомата:
И — исходное положение; К — конец
цикла; Hi, П2, Th—переключение ско-
рости передач
регулирования силы отжима регулиров-
кой установки упора и длины хода суппорта исключена. Сила отжима
при выстое остается постоянной не при всех конструкциях.
Выстой суппорта на мертвом упоре при ходовом винте осуществляется
двумя способами: 1) использованием предохранительных муфт, проскаль-
зывающих при выстое суппорта на мертвом упоре; 2) монтажом продоль-
ных опор ходового винта на пружинах.
Применяются предохранительные шариковые муфты, а при больших
крутящих моментах — кулачковые муфты с неравномерным распределе-
нием кулачков для облегчения проскальзывания и «прощелкивания»
один раз за оборот.
Для выстоя на мертвом упоре электродвигатель ускоренного хода
переключается в конце рабочего хода конечным выключателем на отвод
через реле времени.
Преимущество этого способа — постоянство нагрузки на привод винта
при выстое суппорта на упоре. Если не учитывать влияния промежуточ-
ных звеньев привода, то можно полагать, что это обеспечивает постоянство
силы отжима на упоре, а это имеет решающее значение.
302
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ХОДОВЫМИ ВИНГАМИ
Регулировка силы отжима ограничена условиями работы муфты как
предохранительного звена. Наименьшая сила отжима не может быть
меньше максимально возможной тяговой силы подачи при резании. Однако
этот недостаток не является решающим, и применение проскальзывающих
предохранительных муфт является основным способом получения выстоя
суппорта на мертвом упоре при приводе суппорта ходовым винтом (см.
фиг. VI, 52, 57, 58).
Другой способ получения выстоя суппорта на мертвом упоре показан
на схеме привода продольного суппорта полуавтомата (фиг. VI, 59). Дви-
гатель постоянного тока, сопряженный с ЭМУ, используется для цикловой
настройки скоростей рабочих и холостых ходов при управлении циклом
от командоаппарата.
Для работы на мертвом упоре и предохранения от перегрузки продоль-
ная опора винта опирается на тарельчатые пружины. Для выстоя на мерт-
вом упоре винт, смещаясь с подпружиненной опорой, действует на конеч-
ный выключатель, переключающий электродвигатель через реле времени.
Недостатки этого способа выстоя на мертвом упоре следующие: 1) не-
плавный ход рабочей подачи при подпружиненной опоре ходового винта;
2) переменная сила отжима суппорта на мертвом упоре, возрастающая по
мере выстоя, что влияет на точность обработки; 3) излишняя перегрузка
механизма при выстое суппорта, что может привести к поломке при его
отладке.
Эти недостатки заставляют предпочитать для обеспечения на мертвом
упоре предохранительные проскальзывающие муфты.
ss
ГЛАВА IV
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ
С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
§ 1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА ПОДАЧ
И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ
Гидравлический привод широко применяют в автоматах и полуавтома-
тах для передачи движения основным и вспомогательным рабочим орга-
нам. Широкое применение гидравлического привода для указанной цели
обусловлено рядом его преимуществ, к числу которых относятся (см.
также в т. I раздел IV):
L Возможность передачи больших сил при небольших габаритах гидро-
цилиндра.
2. Возможность бесступенчатого регулирования скорости подачи в ши-
роких пределах для получения наивыгоднейших режимов резания и
скоростей холостых ходов. Возможность цикловой настройки рабочих
подач.
3. Плавное реверсирование и торможение. Возможность остановки ра-
бочего органа в заданный момент; удобство работы на мертвый упор.
4. Широкие возможности применения гидравлических предохрани-
тельных устройств и блокировок движений различных органов.
5. Диетанционность гидравлического привода, т. е. простота и легкость
реализации пространственной связи между элементами привода различ-
ных рабочих органов; простота передачи значительных величин энергии
по сложным путям. Это упрощает конструирование исполнительных меха-
низмов вспомогательных рабочих органов.
6. Относительно быстрая переналадка гидрофицированного станка на
обработку других заготовок, что имеет существенное значение в серийном
производстве при обработке заготовок небольшими партиями.
7. Возможность применения стандартных конструкций и их элемен-
тов, получаемых со стороны от специальных заводов.
8. Отсутствие деталей привода, работающих с высокими контактными
напряжениями, что устраняет ряд «узких мест» в производстве, обусло-
вленных браком деталей из-за материала, термической обработки и шли-
фования. Такие «узкие места» характерны для освоения производства
кулачковых автоматов и полуавтоматов.
Наряду с указанными достоинствами гидравлический привод имеет
следующие существенные недостатки, затрудняющие его применение:
L Нежесткая кинематическая характеристика привода, особенно при
малых скоростях перемещения рабочих органов и малых расходах масла
в насосах. Этот недостаток уменьшается при применении следящих гидра-
влических систем, но тем не менее затрудняет получение высокой точ-
ности и качества поверхности при чистовой обработке.
304 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
2. Неплавная работа привода при таких операциях поперечного обта-
чивания, как прорезка канавок, работа фасонным или широким резцом
с прямолинейной режущей кромкой (обтачивание шеек коленчатых валов).
Для уменьшения (и даже устранения) влияния обоих этих недостатков
применяют гидромеханический привод с передачей движения суппорту
через дисковый кулачок, копирную линейку (клиновой кулачок, см.
фиг. VI, 115), ходовой винт, приводимые в движение от гидравлического
привода.
3. Обслуживание (за исключением наладки) гидрофицированных авто-
матизированных станков сложнее, чем кулачковых автоматов.
4. Одним из недостатков гидрофицированных автоматизированных
станков является сложность системы управления гидравлическим приво-
дом для получения автоматического цикла.
§ 2. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЦИКЛОМ
Силовой гидроцилиндр — нецикловой исполнительный механизм.
В этом отношении он подобен ходовому винту. Поэтому весь частный
цикл движений рабочего органа, приводимого гидроцилиндром, осущест-
вляется его индивидуальной системой управления, действующей с кон-
тролем по пути данного рабочего органа (см. стр. 288, фиг. VI, 46). Обще-
цикловая связь между частными циклами различных рабочих органов
осуществляется так же, как и при ходовом винте, гидравлической или
электрической системой управления. Она включает цикл движений дан-
ного рабочего органа на определенном этапе пути того рабочего органа,
с которым этот рабочий орган связан последовательностью действия или
взаимной блокировкой (см. стр. 289 и фиг. VI, 47). Цикл движений дан-
ного рабочего органа выключается через его индивидуальную систему
управления.
Таким образом, если рабочих органов несколько, применяют систему
индивидуальных управлений с контролем по пути и с их взаимной связью
и блокировкой.
Так как гидроцилиндр — нецикловой исполнительный механизм, то
функции системы управления сильно расширяется по сравнению с кулач-
ковыми автоматами, и система управления усложняется.
Наряду с этим система управления с контролем по пути упрощает пере-
наладку станка при смене подлежащей изготовлению детали и позволяет
применять его в серийном производстве.
Гидравлический привод дает возможность подавать командные им-
пульсы и приводить в действие систему управления не только в функции
пути, но и давления (работа на мертвый упор, предохранительные устрой-
ства, блокировка), и связанной с последним скорости рабочего органа.
Гидравлические следящие системы с обратной связью дают возмож-
ность копировать заданный профиль детали и движения, заданные команд-
ным механизмом.
При задании движений цикловыми командными механизмами возможна
система управления от распределительного вала с контролем по времени.
При воздействии механизмов распределительного вала на управляю-
щие или распределительные золотники (без обратной связи) во избежание
разверки цикла в пространстве (вследствие нежесткости кинематической
характеристики гидравлического привода) необходимо, чтобы каждый
рабочий орган при замкнутых циклах его движений занимал постоянное
исходное положение, доходя до упора (т. е. неизбежен хотя бы минималь-
ный контроль по пути рабочего органа).
СИЛОВАЯ ГОЛОВКА С ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ 305
Командная сеть системы управления может быть либо гидравличе-
ской — гидравлическая система управления, либо электрической при гид-
равлической исполнительной сети управления — электрическая система
управления.
При гидравлической системе управления импульсы от командных ку-
лачков-упоров, связанных кинематически с перемещением рабочего ор-
гана, подаются на управляющие золотники-пилоты (осевые или поворот-
ные), а от них — распределительным (основным) золотникам, управляю-
щим потоками рабочей жидкости, поступающей в силовые гидроцилиндры.
В некоторых случаях кулачки-упоры могут воздействовать непосредст-
венно на распределительные золотники.
При электрогидравлической системе управления электрические дат-
чики (конечные и путевые выключатели, реле давления) под воздействием
на них командных кулачков-упоров, связанных с перемещением суппорта,
или при повышении давления в гидроцилиндре при работе суппорта на
мертвый упор посылают через электрическую сеть управления командные
сигналы электромагнитам. При малом расходе масла в рабочем гидроци-
линдре электромагниты непосредственно перемещают основные распре-
делительные золотники. При больших расходах масла электромагниты
воздействуют на управляющие золотники-пилоты, которые направляют
потоки масла для перемещения основных распределительных золотни-
ков.
Электрическая командная сеть управления облегчает централизацию
управления на главном командном пульте при встраивании станка в авто-
матическую линию. Большое количество электрической контактной аппа-
ратуры делает электрогидравлическую систему менее надежной, чем гидра-
влическая система управления.
При встраивании в автоматическую линию станок с гидравлической
системой управления и его автоматический цикл включаются от электри-
ческой командной сети управления.
Гидравлические элементы системы управления автоматическим циклом
различных рабочих органов объединяются в отдельные панели управления
(см. раздел IV в т. I) что уменьшает габариты, облегчает нормализа-
цию и упрощает монтаж гидрооборудования станка.
§ 3. СИЛОВАЯ ГОЛОВКА С ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ
АВТОМАТИЧЕСКИМ ЦИКЛОМ
Гидравлические силовые головки строятся для выполнения легких и
тяжелых работ с мощностью электродвигателя от 1 до 30 кет при осевой
силе от 50Q до 11 000 кГ (490,5—107 910 я). Отсутствие деталей, работаю-
щих с высокими контактными напряжениями, хорошие условия смазки
нагруженных деталей, надежная защита от перегрузки благоприятствуют
долговечности гидравлических силовых головок. Они предназначаются для
сверлильных, расточных и фрезерных работ, производимых при простых
линейных циклах движений: быстрый подвод инструментов — одна или
две рабочие подачи — работа на мертвом упоре — быстрый отвод инстру-
ментов в исходное положение и останов.
У силовой головки завода ЗИЛ (фиг. VI, 60) насос 6 постоянной про-
изводительности получает движение от электродвигателя 1 привода шпин-
деля 3. Насос подает масло в цилиндр 5 для перемещения поршня 4,
несущего рейку 7 и передающего движение пиноли 2 через зубчатые коле-
са 8 и 9 и рейку пиноли.
306 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
Пуск головки производится от электропневматического крана, напра-
вляющего сжатый воздух в верхнюю полость золотника 1 (фиг. VI, 61),
который открывает доступ в напорную полость цилиндра полному потоку
масла, подаваемого насосом, для
быстрого подвода инструментов. Из
сливной полости цилиндра масло сво-
бодно сливается в бак. По окончании
быстрого подвода кулачок рабочей
Фиг. VI, 60. Силовая головка конструкции ЗИЛа
подачи 3 нажимает на золотник 4 и масло из сливной полости цилиндра
направляется в бак через редукционный клапан 5, поддерживающий
постоянное давление перед дросселем для сохранения постоянства ско-
рости подачи, и через дроссель продольной подачи 6.
бак
Фиг. VI, 61. Гидравлическая схема силовой головки конструкции ЗИЛа
ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ СИСТЕМ
307
В конце рабочего хода поршень упирается в мертвый упор 7, и головка
начинает работать на мертвом упоре. При этом давление в сливной полости
снижается до нуля и начинает действовать реле времени 5, дроссель 9
которого служит для регулирования времени выдержки. Когда золотник
реле 8 под действием пружины 10 вытеснит весь объем масла через дрос-
сель 9, золотник 11, переключаясь, изменит направление потока масла
на отвод поршня пиноли в исходное положение.
В головках, не работающих на мертвый упор, реле времени нет, и обрат-
ный отвод пиноли производится непосредственно после переключения
золотника 11 кулачком реверса 2.
Исследования этой головки показали, что точность переключения
с быстрого (ускоренного) подвода на рабочую подачу находится в преде-
лах 0,5—1,5 мм, а точность останова при работе на жесткий упор зависит
от тепловых деформаций корпуса головки, и при нагревании масла при-
мерно на 50° С инструменты при останове смещались на 0,1 мм.
§ 4. ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СЛЕДЯЩИХ СИСТЕМ
ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЦИКЛОМ
Гидравлическая следящая система (фиг. VI, 62), применяемая для
привода суппортов, в наиболее простом исполнении состоит из следующих
основных элементов:
П — программоносителя, которым служит копир (при копировании
профиля) или задающий движение командный механизм (при
копировании движений);
Н — насоса, подающего поток масла в исполнительный механизм (гид-
роцилиндр) И рабочего органа Р суппорта;
Щ — щупа, выполненного в виде распределительного золотника, на-
правляющего поток масла в ту или иную полость гидроцилиндра
в зависимости от направления смещения золотника программо-
носителем;
О — обратной связи, жестко связывающей суппорт с корпусом золот-
ника-щупа, а иногда с золотником щупа. Благодаря обратной
связи при смещении золотника, щупа корпус последнего перекрывает
проходное сечение для поступления масла в гидроцилиндр, когда
суппорт переместится на величину
смещения золотника щупа. Если
же золотник щупа непрерывно
смещается, то устанавливается
проходное сечение такой величи-
ны, что суппорт смещается со
скоростью смещения золотника фиг у}, 62. Блок-схема гидравлической сле-
щупа. В результате следящая си- дящей системы
стема стремится сохранить рас-
стояние между наконечником щупа и острием резца (в направлении пере-
мещения суппорта) постоянным, но в отличие от механического копирова-
ния—при малых силах давления на наконечнике щупа и копире.
В отличие от электрических копировальных следящих систем гидра-
влические следящие системы не требуют усилителей мощности сигналов
и вследствие меньшей инерционности обладают большим быстродейст-
вием.
Недостаток гидравлических следящих систем — склонность к вибра -
циям при больших величинах подачи.
308 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
§ 5. ПОПЕРЕЧНОЕ КОПИРОВАНИЕ С АВТОМАТИЧЕСКИМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ
СКОРОСТИ ПРОДОЛЬНОЙ ПОДАЧИ (ДВУХКООРДИНАТНОЕ КОПИРОВАНИЕ)1
Наконечник 3 щупа 2 (фиг. VI, 63), соприкасаясь с шаблоном 4, откло-
няет золотник щупа в сторону, соответствующую направлению подъема
кривой шаблона. Этим открывается доступ масла, подаваемого насосом 5,
в одну из полостей цилиндра 1 поперечного суппорта, который движется
в сторону подъема кривой шаблона. Масло, вытесняемое из другой полости
цилиндра, сливается через дроссель 6 в бак.
Фиг. VI, 63. Схема гидравлической следящей системы с авто-
матическим регулированием скорости продольной подачи
Так как корпус золотника щупа жестко связан с поперечным суппортом,
последний будет двигаться до тех пор, пока благодаря .его смещению не
закроется проходное сечение между золотником и корпусом щупа, обеспе-
чивающее доступ масла в соответствующую полость цилиндра /. Таким
образом, суппорт следит за перемещением наконечника щупа.
Продольный цилиндр 9 при копировании перемещает каретку суппорта
справа налево. Масло из левой полости этого цилиндра вытесняется через
автоматический регулятор 8 и дроссель продольной подачи 7 в бак.
Автоматический регулятор 8 представляет собой двухступенчатый зо-
лотник. На ступени большого диаметра сделаны лыски для дросселиро-
вания масла, а на торец ступени меньшего диаметра действует давление
масла, выходящего из поперечного цилиндра. При увеличении скорости
поперечной подачи давление перед дросселем 6 увеличивается, сжимает
пружину золотника 8 автоматического регулятора, смещая золотник. Это
вызывает уменьшение проходного сечения между лысками золотника и
корпусом автоматического регулятора, создавая дополнительное дроссе-
лирование, — скорость продольной подачи соответственно уменьшается.
1 Схема и методика расчета разработаны канд. техн, наук Б. Л. Коробочкиным.
ПО ПЕРЕ ЧНОЕ КОП И РОВД НИЕ
309
Закон изменения результирующей подачи вдоль профиля детали мо-
жет быть выведен следующим образом. Условие статического равновесия
золотника регулятора без учета сил трения и реакции потока масла можно
выразить уравнением
Pifi + Ptft = AZi, (VI, 14)
где рх — давление перед дросселем поперечной подачи и в полости А
автоматического регулятора S;
р2—давление перед дросселем продольной подачи и в полости В
автоматического регулятора, соединенной с полостью С кана-
лами в теле золотника регулятора;
— площадь золотника регулятора в полости Л;
f2 — кольцевая площадь золотника регулятора в полости В;
— постоянная сила пружины золотника, взятой с мягкой харак-
теристикой.
Выражая скорость истечения масла в проходном сечении дросселя по-
перечной подачи из условия неразрывности струи жидкости и из условия
истечения (см. раздел IV, т. I), получаем
^-==^У^-Р1 (VI, 15)
и аналогично для скорости жидкости в проходном сечении дросселя про-
дольной подачи
(VI, 16)
Здесь sx — скорость поперечной подачи копировального суппорта;
s2 — скорость продольной подачи;
kt и k2 — безразмерные коэффициенты расхода в проходных се-
чениях соответствующих дросселей;
Дх и А 2 — площади проходных сечений дросселей соответственно
поперечной и продольной подачи;
у — удельный вес масла;
Fx — полезная площадь поршня цилиндра поперечной подачи;
F2 — площадь «выходной» полости цилиндра продольной
подачи.
Подставив значения рх и р2 из уравнений (VI, 15) и (VI, 16) в уравне-
ние (VI, 14), получим
2(Aifei)2g^ + 2(\ik^gN1 = 1; (VI, 17)
^2
это — уравнение эллипса с полуосями
а = 1 Г ^.l_(A»Na, = А»Ч Г 2^» • (VI, 18)
F р\ V УЬ
b __ -м ^8^1 (Дг^г)2 __ ^2^2 / ^8^1 /yj IQ)
У ^2^2 ?2 \f УЬ
Так как snpo(p — подача вдоль профиля равна геометрической сумме
продольной и поперечной подач, т. е.
sU = s? + ^ <VI'20>
310 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
то уравнение (VI, 17) определяет закон изменения подачи вдоль профиля
детали для различных углов подъема профиля (см. фиг. VI, 63).
Из уравнения (VI, 17) видно, что при определенных конструктивных
размерах регулятора отношение полуосей эллипса зависит только от
открытия дросселей и соответствующих коэффициентов расхода в их про-
ходных сечениях. Если размеры золотника регулятора выполнены так,
что соблюдено условие
5 попер.
Фиг. VI, 64. График изменения
подачи вдоль профиля детали
(VI, 21)
то отношение полуосей эллипса
а ____
Ь Д«2^2
(VI, 22)
При
Ai&i = Д2й2 отношение = 1,
т. е. уравнение (VI, 17) представляет собой
уравнение окружности, что соответствует
закону постоянства результирующей по-
дачи вдоль профиля детали.
Нафиг. VI, 64 изображены графики изменения геометрической суммы
подач для случаев постоянства геометрической суммы и для эллиптиче-
ского закона изменения результирующей подачи.
В последнем случае для каждого угла подъема профиля |3 подача вдоль
профиля получает определенную величину. Эллиптический закон изме-
нения подачи применяется при обработке ступенчатых валиков, когда
желательно, чтобы поперечная подача была меньше продольной.
Описанная следящая система дает возможность обтачивать по копиру
с одного прохода цилиндрические и торцовые поверхности при располо-
жении поперечного суппорта, перпендикулярном к оси станка.
Вопреки общему методу увеличения производительности автомата за
счет совмещения рабочих ходов и многоинструментной обработки одно-
резцовое обтачивание по копиру, уменьшая время наладки и подналадки,
позволяет уменьшить расчетную стойкость резца с 4V2 ч до 45 мин, соот-
ветственно повысить режимы резания и таким путем увеличить произво-
дительность станка. Этому способствует также уменьшение числа рабочих
переходов и, следовательно, затрат времени на холостые ходы суппортов
и вспомогательные движения.
По производительности копировальные полуавтоматы успешно конку-
рируют с многорезцовыми.
Следящая система с автоматическим регулированием продольной по-
дачи применена в ряде токарно-копировальных многорезцовых полуавто-
матов, выпущенных станкозаводом им. Орджоникидзе (мод. 1731С, 1722,
1712 и др).
Изменение скорости резания при копировании затрудняет работу
стружколомателей. Поэтому автоматическая цикловая настройка чисел
оборотов шпинделя с изменением диаметра обрабатываемой поверхности
и улучшение условий отвода стружки путем усовершенствования ком-
поновки суппортной группы имеют актуальное значение для производи-
тельности этих станков.
ТОКАРНО-КОПИРОВАЛЬНЫЙ ПОЛУАВТОМАТ МОД. 1712
311
§ 6. ТОКАРНО-КОПИРОВАЛЬНЫЙ ПОЛУАВТОМАТ МОД. 1712
(СТАНКОСТРОИТЕЛЬНОГО ЗАВОДА им. ОРДЖОНИКИДЗЕ)
Полуавтомат предназначен для обтачивания ступенчатых валов с ци-
линдрическими, коническими и фасонными участками при помощи гидро-
копировального суппорта и прорезки канавок и подрезки торцов с под-
резного суппорта (одного или двух).
Фиг. VI, 65. Кинематическая схема токарно-копировального многорезцового полуавтомата
мод. 1712
Станок оснащен специальным механизмом (барабаном шаблонов) для
смены шаблонов, позволяющим копировальному суппорту работать в не-
сколько проходов (до четырех) в одном автоматическом цикле. Это позво-
ляет обрабатывать заготовку со значительным или неравномерным при-
пуском, что особенно важно при обработке ступенчатых валиков из прутка.
Применение двухскоростного электродвигателя в главном приводе станка
позволяет изменять число оборотов шпинделя в процессе автоматического
цикла. Этот двигатель, сменные зубчатые колеса и два передвижных
двухвенцовых блока дают 24 скорости вращения шпинделя. Кинемати-
ческая схема станка изображена на фиг. VI, 65.
Большая жесткость станка (вследствие рамной конструкции) и большая
мощность привода позволяют широко применять твердые сплавы при зна-
чительных сечениях снимаемой стружки.
Гидравлический привод станка
Каждый из суппортов станка управляется своей электрогидравли-
ческой панелью, причем обеспечивается независимый цикл работы
суппортов. Взаимодействие суппортов во время автоматического цикла
Электромагниты
Переходы
7
Бак
ЗБ
Бак Бак
Работа электромагнитов копировального
суппорта
ЭМ 5
Бак Эм
Бак Зм
23
30
26
27
Бак---
312 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
Работа электромагнитов подрезного суппорта
Переходы Электромагниты
Элц | Эм%
Стоп
Быстрый подвод + +
Рабочая подача .... +
Быстрый отвод +
ЗМ3 ।
Эм2
35
Бак
18
Бак
Бак
28J
hjaii
Стоп .........
Быстрый про-
дольный под-
вод ..........
Ускоренный по-
перечный под-
вод ..........
Быстрый проход
на участке пер-
вой рабочей
подачи . . .
Быстрый проход
на участке вто-
рой рабочей
подачи . . .
Копирование на
первой рабо-
чей подаче
Копирование на
второй рабо-
чей подаче
Быстрый отвод
Поворот бараба-
на шаблонов
19
Фиг. VI, 66. Гидравлическая схема
полуавтомата мод. 1712
ТОКАРНО-КОПИРОВАЛЬНЫЙ ПОЛУАВТОМАТ МОД. 1712
313
осуществляется через систему управления, которая обеспечивает следую-
щие комбинации работы суппортов:
а) одновременный пуск обоих суппортов;
б) сначала работает копировальный суппорт, затем в заданный момент
любого его прохода включается подрезной суппорт;
в) сначала работает подрезной суппорт, после окончания его работы
включается копировальный суппорт.
Гидропанели суппортов (фиг. VI, 66) построены таким образом, что
масло может поступать в каждый гидроцилиндр либо от насоса высокого
давления при закрытом доступе от насоса низкого давления, либо от на-
соса низкого давления при закрытом доступе от насоса высокого давления.
Поэтому давление в системе остается неизменным, что обеспечивает не-
зависимую работу суппортов.
Работа гидросистемы суппортов управляется соленоидами, которые
получают команды от путевых датчиков и реле давления. Последователь-
ность включения тех или иных агрегатов, необходимая для осуществления
требуемого цикла работы, достигается настройкой кулачков, воздей-
ствующих на конечные выключатели (фиг. VI, 67).
Насосная установка состоит из двух спаренных в один агрегат насосов
производительностью: насос быстрых ходов — 50 л!мин при давлении
0,98—1,47 ТИнЛи2 (10—15 кГ/см*)\ насос подач — 12 л/мин при давлении
1,96—2,45 Мн/м* (20—25 кГ/см2). Когда оба суппорта осуществляют
рабочую подачу или стоят в исходном положении, насос низкого давления
разгружается. Насос высокого давления разгружается при отжиме пиноли
задней бабки.
Гидропанель (типа 12-82) копировального суппорта обеспечивает сле-
дующий цикл его работы: а) быстрый (ускоренный) продольный подвод;
Быстрый подбод Быстрый отбод
-------------О" ...- — w
Рабочие подачи
Фиг. VI, 67. Конечные выключатели и кулачки, управляющие движениями суппортов:
£ — копировальный (1ВКИ и ЗВКИ — кулачки блокировки электроцепи и останова суппорта
г исходном положении; 1ВП — кулачок быстрого поперечного подвода; 4ВП — кулачок включения
одрезного суппорта; 9ВП и 5ВП — кулачки включения соответственно быстрого прохода и II ско-
:ости; 7ВП — кулачок выключения быстрого прохода; б — подрезной (4ВКИ и 2ВКИ — кулачки
блокировки электроцепи и установа суппорта в исходном положении; 6ВП — кулачок переключе-
ния на обратный ход; 2ВП — кулачок рабочей подачи)
314 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
б) быстрый поперечный подвод; копирование на первой и второй рабочих
подачах с быстрым проходом необрабатываемых поверхностей заготовки;
г) быстрый отвод; д) исходное положение («Стоп»).
Во время каждого прохода копировального суппорта подача и ско-
рость, установленные первоначально, могут быть изменены, притом
столько раз, сколько будет установлено командных кулачков. Скорости
шпинделя и подачи могут изменяться либо независимо, либо совместно
(при изменении скорости автоматически изменяется подача).
Гидравлическая панель (типа 12-85) подрезного суппорта обеспечи-
вает следующий цикл его работы: быстрый подвод — рабочая подача —
быстрый отвод—остановка в исходном положении. '
Гидравлическая панель пиноли задней бабки обеспечивает подвод,
зажим и отвод пиноли.
Работа гидропанели копировального суппорта
Панель построена для электрогидравлического управления автомати-
ческим циклом и работает по принципу двухкоординатного копирования
(см. фиг. VI, 63).
П о л о ж е н и е «С т о п». В положении «Стоп» электромагниты всех
золотников пилотов обесточены. Поэтому распределительный золотник 9
(см. фиг. VI, 66) находится под действием своей пружины в крайнем пра-
вом по схеме положении, а распределительный золотник 15 — в крайнем
левом положении. При этом доступ масла в полость цилиндра 3 продоль-
ного перемещения копировального суппорта от насоса 12 высокого давле-
ния закрыт золотником 9. Доступ масла от насоса 11 низкого давления
закрыт разделительным клапаном 10. Доступ рабочей жидкости в цилиндр 6
поперечной подачи копировального суппорта закрыт золотником щупа 7.
Быстрый продольный подвод. Электромагниты Эмг
и Эм2 включены, остальные обесточены. При этом золотник 9 смещается
давлением масла в левое положение, а золотник 15 смещается вправо.
Масло от насоса высокого давления не имеет доступа в панель, так как
золотник 15 перекрывает соответствующую расточку в панели. В правую
полость цилиндра 3 продольной подачи масло проходит от насоса 11
через разделительный клапан 10 (служащий одновременно дросселем
быстрых ходов) и через проточки в распределительных золотниках. Из
левой полости цилиндра масло сливается в бак через проточки в распре-
делительных золотниках, обратный клапан 17 и автоматический регуля-
тор 16, минуя дроссели рабочей подачи.
Быстрый (ускоренный) поперечный подвод.
Команда на быстрый поперечный подвод копировального суппорта к обра-
батываемой заготовке подается путевым выключателем. При этом электро-
магниты Эмх и Эм 2 обесточиваются и включаются электромагниты Эм^
и Эмъ. Распределительные золотники под действием своих пружин зани-
мают первоначальное положение (как при положении «Стоп»). Следова-
тельно, вход и выход масла в продольный цилиндр копировального суп-
порта закрыты.
Электромагнит Эмъ освобождает золотник щупа 7, и он смещается
в нижнее положение, открывая тем самым доступ масла в нижнюю по-
лость цилиндра 6 поперечного суппорта. Под действием электрома-
гнита Эм± золотник пилота занимает левое положение, обеспечивая выхо’
масла из верхней полости цилиндра 6 через обратный клапан /, через
редукционный клапан 5 в бак, минуя дроссель 2 поперечной подачи.
ТОКАРНО-КОПИРОВАЛЬНЫЙ ПОЛУАВТОМАТ МОД. 1712
315
Поэтому копировальный суппорт быстро двигается вниз до соприкос-
новения рычага щупа с шаблоном. Когда это произойдет, золотник щупа
займет свое нейтральное положение относительно корпуса щупа. При
этом реле давления S, которое раньше было соединено с баком и испы-
тывало лишь атмосферное давление, соединяется с высоким давлением,
и при его замыкании дается команда на переключение электромагнитов
для осуществления копирования на первой рабочей подаче.
Копирование на первой рабочей подаче. Элек-
тромагниты Эмх и Эмъ включены, остальные обесточены. Распределитель-
ный золотник 15 остается в левом положении, в левое же положение
сдвигается давлением масли, поступающего через пилот Эм19 и распре-
делительный золотник Р. При этом масло от насоса 12 через проточки
в распределительных золотниках поступает в правую полость цилиндра
продольного перемещения, а из левой полости через проточку распреде-
лительного золотника 9 масло подается к автоматическому регулятору 16
и дросселю 13 продольной подачи. Отсюда оно через золотник-пилот Эм3
поступает в бак. Поскольку электромагнит Эм5 оставляет наконечник
щупа свободным, то масло от насоса 12 поступает в щуп 7, управляющий
положением копировального суппорта 4 в поперечном направлении.
Выходная полость щупа сообщается с автоматическим регулятором 16
и с дросселем 2 поперечной подачи (через Эм* масло проходить не может,
так как его электромагнит выключен). Автоматический регулятор при этом
имеет возможность координировать продольную и поперечную подачи
копировального суппорта.
Копирование на второй рабочей подаче осуще-
ствляется аналогично копированию на первой рабочей подаче, за исклю-
чением того, что включается еще электромагнит Эм3. При этом масло
из дросселя 13 первой продольной подачи поступает в дроссель 14 второй
продольной подачи — выход масла через золотник — пилот Эм3 закрыт,
так как золотник пилота сдвинут влево включенным электромагнитом.
Быстрый отвод продольного суппорта. Команду
на быстрый отвод дает конечный выключатель, который включается в конце
рабочего хода суппорта. При этом электромагниты Эм2 и Эм± включаются,
а остальные обесточены. Распределительные золотники 9 и 15 занимают
правое положение. Масло, поступающее от насоса 12 высокого давления,
не имеет доступа в цилиндр продольной подачи, так как вход в цилиндр
закрыт распределительным золотником 15. От насоса 11 низкого давления
масло проходит через распределительный клапан и через проточки распре-
делительных золотников — в левую полость продольного цилиндра, а из
его правой полости масло сливается в, бак. В то же время так как электро-
магнит Эмъ включен, пружина при помощи рычага переводит золотник
щупа 7 в верхнее положение. При этом масло поступает через щуп в верх-
нюю полость цилиндра поперечных перемещений, а из нижней его полости
масло сливается в бак, минуя дроссель поперечной подачи (так как элек-
тромагнит Эм± включен). Таким образом, суппорт направляется на быстром
ходу в свое исходное положение; при подходе к нему кулачок нажимает
конечный выключатель, и панель занимает положение «Стоп».
Гидропанель подрезного суппорта
Быстрый подвод. Команда на быстрый подвод дается вклю-
чением электромагнитов Э'мг и Э'м2. При этом плунжеры вспомогательных
золотников 24 и 25 сдвигаются в левое (по схеме) положение, обеспечивая
316 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
подвод масла от насоса 11 быстрых ходов в торцовые полости распредели-
тельных золотников. Давлением масла на торцы золотников распредели-
тельный золотник 19 смещается вправо, а распределительный золот-
ник 23 — влево. Масло, нагнетаемое насосом низкого давления, через
клапан низкого давления 27, разделительный клапан 26 и проточки рас-
пределительных золотников поступает в штоковую полость цилиндра 22
поперечного суппорта. Из правой полости цилиндра масло через проточку
распределительного золотника 23, обратный клапан 20, редукционный
клапан 21 и проточку золотника 19 сливается в бак, минуя дроссель 29
рабочей подачи.
Масло от насоса 12 высокого давления не имеет доступа в панель,
так как распределительный золотник 19 перекрывает соответствующую
расточку в панели.
Рабочая подача. Команду на рабочую подачу дает путевой
конечный выключатель, отключающий электромагнит Э'м2. Электро-
магнит Э'мг остается включенным. Плунжер вспомогательного золотника 24
перемещается пружиной вправо; при этом левая торцовая полость золот-
ника 19 связывается со сливом, и золотник 19 давлением пружины сме-
щается влево. При рабочей подаче давление в гидросистеме возрастает,
и разделительный клапан 26 отделяет цепь высокого давления от цепи
низкого давления. Масло от насоса 12 проходит через клапан 28 высокого
давления и проточки в распределительных золотниках в левую полость
цилиндра. Из его правой полости масло через проточку распределитель-
ного золотника 23, обратный клапан 20, редукционный клапан 21,
фильтр 18 и дроссель 29 рабочей подачи сливается в бак.
Поршень цилиндра перемещается со скоростью, устанавливаемой
дросселем 29.
Быстрый отвод. Быстрый отвод осуществляется после подачи
команды от путевого конечного выключателя. При этом выключается
электромагнит и включается электромагнит Э'м2. Распределитель-
ные золотники (23 — под действием своей пружины, 19 — под давлением
масла) устанавливаются в положение, нужное для быстрого отвода.
Масло от насоса 11 через проточки распределительных золотников посту-
пает в правую полость цилиндра. Из его левой полости масло через
проточки распределительных золотников сливается в бак, минуя дрос-
сель 29.
Масло от насоса 12, как и в случае быстрого подвода, в панель не
поступает.
Быстрый отвод продолжается до тех пор, пока рабочий орган не вер-
нется в исходное положение и не нажмет на конечный выключатель
(«Исходник»).
Исходное положение («Сто п»). Конечный выключатель
дает команду на отключение электромагнита Э'м2. Распределительные
золотники устанавливаются в положение «Стоп». Распределительные зо-
лотники закрывают доступ масла от обоих насосов в панель.
Гидравлический привод пиноли задней бабки
Подвод и зажим пиноли. После подачи детали на линию центров
станка рабочий нажимает на рукоятку 31 золотника-пилота управления
пиноли, переводя этим золотник 30 в положение зажима. В этом положе-
нии торцовая полость реверсивного золотника 39 пиноли соединяется
с баком, и этот золотник своей пружиной перемещается в положение под-
токарно-копировальный Полуавтомат мод. 1712
317
вода. Масло от обоих насосов, отжимая обратные клапаны 37 и 33, через
редукционный клапан 36 и проточку в реверсивном золотнике направ-
ляется в правую полость цилиндра подвода 34\ из левой его полости масло
через реверсивный золотник 39 сливается в бак. Тем самым осуществляется
быстрое перемещение пиноли задней бабки до поджима заготовки к центру
передней бабки. После этого давление в системе питания пиноли повы-
шается, и масло, поступающее только от насоса 12 высокого давления под
буртик золотника зажима пиноли 35, перемещает его в положение «Зажим»,
показанное на схеме. При этом цилиндры зажима 32 и 33 соединяются
с давлением, и происходит зажим пиноли.
Максимальное давление зажима определяется настройкой редукцион-
ного клапана 36 панели.
Отвод пиноли. При переводе золотника-пилота 30 пиноли
з положение «Отжим» в торцовую полость реверсивного золотника 39
пиноли подается масло под давлением, и он перемещается вверх (в поло-
жение «Отвод»), сжимая свою пружину. При этом полость под буртиком
золотника 35 зажима пиноли соединяется с баком, и этот золотник пере-
мещается пружиной вниз, соединяя верхние полости цилиндров зажима 32
и 33 с баком. Под действием своих пружин штоки цилиндров зажима пере-
мещаются вверх — происходит освобождение (разжим) пиноли.
Масло, поступающее от обоих насосов, через обратные клапаны,
редукционный клапан и проточки в реверсивном золотнике подается
з левую полость цилиндра пиноли; происходит быстрый отвод пиноли
з исходное положение.
Пиноль в исходном положении. Золотник-пилот 30
пиноли находится в положении «Отжим» (деталь со станка снята). Суп-
порты в это время находятся в исходном положении, следовательно,
эаспределительные золотники копировального и подрезного суппортов
находятся в положении «Стоп». Насос 11 низкого давления разгружается
звоим клапаном 27 на бак, давлением разгрузки этого насоса реверсивный
золотник 39 пиноли удерживается в положении «Отвод».
Гидравлический щуп (фиг. VI, 68). Щуп является одним
'3 основных узлов станка — от него зависит точность работы станка.
Щупы, изготовляемые Станкозаводом им. Орджоникидзе, обеспечивают
четкую работу системы и малую зону нечувствительности. Это достигается
практически нулевыми перекрытиями между поясками золотника и выточ-
ками втулок корпуса щупа, что способствует получению минимальных
утечек в золотнике щупа.
В большинстве применяемых щупов золотник при нулевых перекры-
тиях имеет направление только в крайних направляющих втулках: про-
бодные сечения между золотником и втулками кольцевые, а это приводит
ч. скруглению кромок поясков золотников и втулок в процессе непрерыв-
ных перемещений золотника около нейтрального положения и тем самым —
< увеличению утечек в золотнике щупа. В описываемом же щупе проход-
ные сечения образованы продольными пазами прямоугольной формы,
зыполненными во втулках. Вследствие этого золотник имеет направление
тэ всей своей длине, что обеспечивает сохранение остроты кромок как
тэясков золотника, так и втулок, следовательно, обеспечивает сохранение
минимальных утечек.
Механизм поворота шаблонов. Механизм поворота
шаблонов (фиг. VI, 69 и VI, 70) дает возможность копировальному суп-
~орту работать в несколько проходов (до четырех) в автоматическом цикле.
Механизм состоит из: 1) барабана шаблонов 11, который устанавливается
со
Оо
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
Р — с гидропанелью копировального суппорта; 10 — с нижней полостью копировального цилиндра; 11 — с верхней полостью копировального
цилиндра; 12— с гидропанелью копировального суппорта; 15 — с баком (см. фиг. VI, 59)
ТОКАРНО-КОПИРОВАЛЬНЫЙ ПОЛУАВТОМАТ МОД. 1712 319
320 АВТОМА ТИЗИРОВАНН ЫЕ СТАНКИ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ. ПРИВОДОМ
во вращающихся центрах 9 и /2; 2) гидроцилиндра 1 для поворота и фик-
сации барабана шаблонов; 3) рычагов и кулачков, осуществляющих
требуемую настройку работы механизма и его фиксацию. Механизм рабо-
тает следующим образом.
После окончания первого прохода гидрокопировальный суппорт при
возврате в исходное положение через конечный выключатель дает команду
на включение электромагнита Эм6 (см. фиг. VI, 66). Масло через управ-
ляющий золотник поступает в правую полость цилиндра 1 поворота и фик-
сации барабана шаблонов. Поршень 2 начинает под действием масла пере-
мещаться влево, поворачивая через реечное колесо 8 центр 9, а вместе
Фиг. VI, 70. Механизм поворота
шаблонов
с ним и барабан шаблонов 11.
Фиксаторный диск 10 своим скосом
выжимает из гнезда рычаг 17; при
этом кулачок 16 нажимает на ко-
нечный выключатель 15. Поворот
барабана шаблонов 11 происходит
до тех пор, пока рычаг 17 не за-
скочит в следующее гнездо фикса-
торного диска 10\ конечный вы-
ключатель 15 отпустится и даст
команду на реверсирование дви-
жения поршня. Центр 9 вместе с барабаном шаблонов 11 поворачивается
в обратном направлении до упора боковой стороны гнезда фиксаторного
диска в грань рычага 17. Тем самым барабан шаблонов фиксируется в но-
вом рабочем положении.
Последовательный поворот и фиксация барабана шаблонов 11 будет
происходить до тех пор, пока гидрокопировальный суппорт не сделает
последний проход. После окончания этого прохода конечный выключа-
тель 15 опять подаст команду на поворот барабана шаблонов. Однако
барабан 11 поворачивается лишь до тех пор (на 30°), пока кулачок 6,
устанавливаемый в нужное положение в зависимости от числа проходов,
не нажмет на рычаг 7. При этом рычаг 17, установленный на одной оси
с этим рычагом, повернется на угол больший, чем при его выжимании из
гнезда фиксаторного диска. Поэтому кулачок 13 сможет воздействовать
на конечный выключатель 14, который дает команду на реверсирование
движения поршня гидроцилиндра 1 поворота и фиксации. Для того чтобы
ТОКАРНЫЙ ШЕСТИШПИНДЕЛЬНЫЙ ПОЛУАВТОМАТ МОД. 1272
321
барабан шаблонов 11 смог вернуться в исходное положение, рычаг 18
своим выступом заскакивает за выступ рычага 7, фиксируя его в отведен-
ном положении, вследствие чего рычаг 17 не может заскочить в любой
паз фиксаторного диска 10. Только тогда, когда при обратном вращении
барабана кулачок 4 нажмет на рычаг 5, происходит освобождение фикси-
рующего рычага /7, и он сможет заскочить в гнездо фиксаторного диска,
соответствующее исходному положению.
Для отключения копировального суппорта после окончания послед-
него прохода служит конечный выключатель 19, на который воздействует
кулачок 3.
§ 7. ТОКАРНЫЙ ШЕСТИШПИНДЕЛЬНЫЙ
ПОЛУАВТОМАТ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ МОД. 1272
ЗАВОДА «КРАСНЫЙ ПРОЛЕТАРИЙ»
Л7— 28кбт
П^725/М0^
об/мин
Полуавтомат мод. 1272 предназначен для токарной обработки тел
вращения различной конфигурации в условиях крупносерийного и мас-
сового производства. Вследствие большой жесткости конструкции этого
станка и достаточной мощности привода на нем возможна высокопроизво-
дительная обработка деталей с при-
менением инструмента, оснащенно-
го пластинкой из твердого сплава.
Применение гидрокопироваль-
ных продольных суппортов поз-
волило повысить производитель-
ность, заменяя многоинструмен-
тальную обработку обработкой
одним резцом с автоматической
его подналадкой для компенсации
Сменные зубчатые
колеса
износа.
Станок оснащен специальными
устройствами для загрузки заго-
товок и разгрузки (выгрузки) дета-
лей, а также автоматическими изме-
рительными устройствами.
Вращение шпинделя каждой
рабочей позиции осуществляется
от индивидуального привода (фиг.
VI, 71) через редуктор скоростей,
сменные зубчатые колеса и ряд
зубчатых колес, расположенных
в поворотном столе. Главный при-
вод может быть выполнен с мно-
госкоростным двигателем и мало-
габаритным вариатором для бессту-
пенчатого регулирования скорости
Фиг. VI, 71. Кинематическая схема привода
шпинделя токарного шестишпиндельного по-
луавтомата мод. 1272
зращения шпинделя.
Для поворота подвижной части станка применяется гидравлический
привод, обеспечивающий плавность вращения и торможения больших масс.
Движение от гидромотора 2 сообщается зубчатому венцу 4 стола через
цилиндрическое зубчатое колесо 3. Стол фиксируется по впадинам зубча-
того венца 4 гидроцилиндром 1 с фиксатором. Работа гидроцилиндра 1
сблокирована с работой механизма поворота.
П Ачеркан Зак. 659.
322 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
Продольный и поперечный суппорты
Продольный суппорт (фиг. VI, 72) связан со штоком поршня цилиндра
продольной прдачи 4, масло в который поступает через проточки двух-
щелевого щупа 5. Управление щупом осуществляется плавающим вин-
том 3. Гайка 2 жестко связана с продольным суппортом. Вращаясь от
привода шпинделя через вариатор 3, сменные зубчатые колеса 7 и двух-
скоростную коробку 6 с электромагнитными муфтами, винт 3, смещаясь
Фиг. VI, 73. Схема привода
поперечного суппорта станка
мод. 1272
относительно гайки 2, воздействует на щуп 5. Золотник щупа, переме-
щаясь, открывает доступ масла в рабочую полость цилиндра 4 продоль-
ной щэдачи; происходит рабочая подача продольного суппорта, и винт 3
вместе^ с гайкой отходит от золотника. Но, вращаясь, винт опять пере-
мещает щуп и т. д. Быстрый отвод и подвод суппорта производится от
отдельного электродвигателя 9, который управляется командоаппара-
том 10. Вместе с тем, командоаппарат переключает электромагнитные
муфты, изменяя продольную подачу во время цикла в 2 раза или производя
импульсную подачу для ломания стружки. Копировальный суппорт 1
смонтирован на салазках продольного суппорта (под углом 60° к оси то-
чения) для возможности копирования торцовых поверхностей ступеней
валов. Он воспроизводит форму плоского шаблона посредством двухкро-
мочного щупа (на схеме не показан). Такая схема работы продольного
суппорта позволяет получить подачи на один оборот шпинделя. Кроме
того, как и при всякой гидравлической следящей системе, утечки в гидро-
системе, а также нежесткость кинематической характеристики гидравли-
ческого привода до некоторой степени компенсируются щупом благодаря
ТОКАРНЫЙ ШЕСТИ ШПИНДЕЛЬНЫЙ ПОЛУАВТОМАТ МОД, 1272
323
наличию обратной связи (в станке мод. 1272 через ходовой винт) и отра-
жаются на работе суппорта меньше, чем при обычном гидравлическом
приводе.
Поперечный суппорт (фиг. VI, 73) работает аналогично продольному,
с той разницей, что управляющий винт 7 для рабочей подачи и быстрых
перемещений ’суппорта вращается от отдельного электродвигателя 5,
причем для сопряжения цепей рабочей подачи и быстрых перемещений
применена муфта обгона 6.
Для повышения плавности поперечной подачи передвижение попереч-
ного суппорта 3 производится через плоский копир подачи 2, который
связан со штоком поршня цилиндра поперечной подачи /. Скорость рабо-
чей подачи настраивается сменными зубчатыми колесами 4.
Пневматический и пневмогидравлический приводы
Ввиду существенного недостатка — большой неравномерности хода,
обусловленной упругостью воздуха и большими его утечками, пневмати-
ческие системы в приводах подач станков-автоматов не применяются.
Однако для вспомогательных движений, где равномерность скорости не
обязательна, пневматические устройства получили широкое применение,
так как они значительно сокращают затраты времени на такие операции
вследствие более высоких скоростей истечения воздуха, нежели масла
(до 100—300 м/сек).
Для одновременного использования преимуществ пневмосистем (боль-
шой скорости холостых и вспомогательных движений) и получения равно-
мерных и плавных движений в последнее время получили широкое при-
менение пневмогидравлические устройства. В них используется поло-
жительное свойство вязкой жидкости — перетекать под постоянным дав-
лением (без расширения) из одной полости в другую.
Благодаря этому практически исключается указанный недостаток
пневмосистем.
Как и в случае применения гидравлического привода, в пневмогидрав-
лических системах применяется система управления с контролем по пути
рабочего органа.
На фиг. VI, 74 изображена пневмогидравлическая силовая головка ГС-2
с выдвижной пинолью. Она применяется для выполнения различных
сверлильные, расточных и фрезерных операций.
В рабочекЬ^цилиндре / головки перемещается пиноль-поршень 5,
связанная при помощи планки 7 со скалкой 6. Скалка работает как вторая
направляющая пиноли и служит, кроме того, для установки различных
насадок. К цилиндру 1 крепится корпус 2, к которому, в свою очередь,
прикреплен другой корпус 3. В корпусах 2 и 3 сделаны кольцевые выточки
маслосборника. Между обоими корпусами установлена специальная диа-
фрагма из маслостойкой резины, отделяющая сжатый воздух от масло-
сборника.
В корпусе 2 смонтированы обратный клапан гидросистемы и воздухо-
распределительный золотник, а в корпусе 3 — дроссель, редукционный
клапан и импульсный клапан для автоматического переключения пиноли
с прямого хода на обратный. К корпусу 3 присоединен редуктор 4 со смен-
ными зубчатыми колесами.
Пневмогидравлическая схема силовой головки (фиг. VI, 75) позволяет
осуществлять следующий цикл работы: быстрый (ускоренный) подвод —
рабочий ход — быстрый отвод.
324 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СТАНКИ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
\
6 5
а)
6)
Фиг. VI, 74. Разрез пневмогидравлической силовой головки ГС-2
Быстрый подвод. Золотник 16 под действием своей пружины 1
занимает верхнее положение. Сжатый воздух (его давление 0,39—
0,58 Мн1м2) от сети через золотник 16 поступает в полость Д. Масло из
6 8 А 9 ю и
Фиг. VI, 75. Пневмогидравлическая схема у
силовой головки ГС-2
полости Б перетекает через клапан 4, который во время быстрого подвода
отжимается переставным упором 6 в полость 9. Воздух из полости 12
вытесняется через золотник 16.
ТОКАРНЫЙ ШЕСТИШПИНДЕЛЬНЫЙ ПОЛУАВТОМАТ МОД. 1272
325
Рабочий ход. Рабочая подача начинается после того, как упор 6
сойдет со штока клапана 4, При этом пружина закроет клапан, и слив
масла через него прекратится. В этом случае масло направляется в по-
лость 9 через редукционный клапан 3 и дроссель рабочей подачи 2. Пор-
шень-пиноль 8 перемещается со скоростью рабочей подачи справа налево.
Вместе с поршнем-пинолью перемещается и скалка £
Быстрый отвод. В конце рабочего хода поршня-пиноли 8 регу-
лируемый упор 14, находящийся на скалке, переместит шарик 15 и от-
кроет доступ воздуха к золотнику 16. Золотник переместится вниз и откроет
воздуху доступ в полость 12. Канал 13 в этот момент перекрыт соленоид-
ным клапаном (на фигуре не показан). Масло, вытесненное из полости 9,
откроет обратный клапан 4 и направится в полость Б цилиндра. Воздух
из полости 5 вытесняется через золотник 16. Поршень-пиноль 8 пере-
мещается в исходное положение.
При повторении цикла соленоидный клапан откроет воздуху выход
через канал В. Золотник 16 действием своей пружины снова будет пере-
веден в верхнее положение.
Привод шпинделя 7 от электродвигателя 11 настраивается сменными
зубчатыми колесами 10.
ГЛАВА V
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
§ 1. МЕХАНИЗМЫ ПОДАЧИ ЗАГОТОВОК
На автоматах обрабатывают заготовки следующих видов: калиброван-
ную проволоку диаметром до 10 мм; калиброванный пруток диаметром
до 110 мм; при больших диаметрах прутков чрезмерно возрастает отход
материала в стружку; калиброванные трубы диаметром до 150 мм; штам-
повки с размерами установочных поверхностей, выдержанными в преде-
лах допусков 5-го класса точности; для заготовок, полученных свободной
ковкой, требуется предварительная обработка установочных баз; литые
заготовки с допусками на базовых поверхностях по 5-му классу точности;
они не должны значительно различаться по твердости; удобны заготовки,
отлитые под давлением.
Механизмы подачи материала из бунта
В автоматах с подачей проволоки из бунта во время обработки
проволока неподвижно зажата тремя зажимами: задним зажимом 2
(фиг. VI, 76), у.конца шпинделя —цанговым зажимом 5в неподвижной
Фиг. VI, 76. Кинематическая схема фасонно-отрезного автомата мод. 1106
трубе, проходящей внутри шпинделя, и передним зажимом 6, захватываю-
щим обработанную, но еще не отрезанную деталь на конце проволоки.
Обрабатывают резцами 4, закрепленными во вращающейся головке 3,
получающими поперечную подачу от кулачков 7 при помощи рычагов
и продольных скользящих шпонок шпинделя.
МЕХАНИЗМЫ ПОДАЧИ ЗАГОТОВОК
327
Во время обработки детали салазки 1 с роликовым механизмом правки
проволоки движутся от шпинделя влево, производя правку материала.
По окончании обработки зажимы освобождают проволоку, и салазки 7,
двигаясь вправо, подают материал и выталкивают готовую деталь из
А-А
Фиг. VI, 77. Рычажный меха- Фиг. VI, 78. Шариковый механизм
низм захвата бунтового мате- захвата бунтового материала
риала
зажима 6. Для захвата материала при его подаче на салазках 1 устанавли-
вается рычажный или шариковый механизм (фиг. VI, 77) которому при-
ходится преодолевать большие инерционные силы массы бунта при подаче
материала. R . г
Фиг. VI, 79. Механизм правки бунтового материала:
а — роликовый однорядный; б — роликовый двухрядный
Рычажный захват (фиг. VI, 77) прост по конструкции и надежен в дей-
ствии и поэтому наиболее распространен. Его недостаток — глубокие
риски на материале от кромки подающего штифта.
Шариковый захват (фиг. VI, 78) оставляет на поверхности материала
три небольшие лунки от шариков, заклинивающихся между материалом
328
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
и конической поверхностью цанги. Эти лунки значительно меньше рисок,
оставляемых рычажным захватом.
Правка материала, необходимая при подаче его из бунта, произво-
дится протягиванием его между роликами, расположенными в шахмат-
ном порядке на подвижной каретке (фиг. VI, 79).
Двухрядные механизмы с роликами, расположенными в двух взаимно
перпендикулярных плоскостях, правят материал точнее и более распро-
странены.
Механизмы подачи пруткового материала
Пруток подается следующими способами:
1) Под действием собственного веса прутка. Устройства этого рода
просты по конструкции, благоприятны для конструкции шпинделя по
габаритным условиям, но неудобны для заправки длинных прутков.
Такие устройства применяют редко, преимущественно в вертикальных
многошпивдельных автоматах при небольших диаметрах и длинах обра-
батываемых прутков.
2) Вращающимися роликами — при обработке длинных деталей.
3) Пруток в процессе резания подается вместе с шпиндельной бабкой
в автоматах продольно-фасонного точения (см. стр. 268).
4) При помощи подающей трубы и цанги. Этот способ является основ-
ным в одношпиндельных и многошпиндельных автоматах общего назна-
чения.
К устройствам цанговой подачи прутка предъявляются следующие
общие требования: быстрая подача прутка в должный момент; регули-
рование длины подачи прутка; минимальная длина остатка прутка при
его израсходовании независимо от регулирования механизма на длину
подачи; отсутствие сильных ударов об упор; автоматическое выключение
станка при израсходовании прутка.
В процессе подачи прутка подающая цанга с подающей трубой, в кото-
рой она закреплена, заходит на захват прутка при замкнутой зажимной
цанге. При обратном ходе подающей трубы зажимная цанга разжата,
а подающая цанга, сжимая пруток за счет своей упругости, увлекает пру-
ток вперед силой трения. В конце хода подачи пруток ударяется об упор,
отскакивает от него и дожимается к упору подающей цангой, проскальзы-
вающей по прутку при его отскоке от упора и дожиме на упор.
Для обеспечения дожима прутка ход цанги и подающей трубы уста-
навливается при регулировании механизма подачи больше длины прутка,
нужной для изготовления детали.
Для надежности работы механизма цанговой подачи цанга не должна
проскальзывать по прутку при его подаче, кроме момента дожима прутка
к упору и движения на захват прутка. Для выполнения этого требования
сила зажима Рп подающей цанги должна создавать силу трения, превос-
ходящую силу инерции прутка:
Pn>k3^-H, (VI, 23)
где G — вес прутка в н;
g — ускорение земного притяжения, равное —9,8 м/сек2;
а — максимальное ускорение движения прутка при его подаче
в м/сек2;
f — коэффициент трения;
ka — коэффициент запаса, равный 3—4.
МЕХАНИЗМЫ ПОДАЧИ ЗАГОТОВОК
329
Эмпирическая зависимость силы зажима подающей цанги от диаметра
прутка приведена на фиг. VI, 80.
Износ подающей цанги должен быть возможно малым.
Для уменьшения силы Рп зажима
подающей цанги принимают закон
Фиг. VI, 80. Зависимость силы за-
жима подающей цанги от диаметра
прутка
движения прутка с наименьшим ускорением а, т. е. равномерно уско-
ренное движение на первой половине хода и равномерно замедленное
на второй части хода (фиг. VI, 81). Соответственно этому профили-
руется кулачок, переме-
щающий подающую трубу:
цилиндрический — по па-
раболе, дисковый—по ло-
гарифмической спирали.
Если S — длина пути
подачи прутка в м и Т—
затрата времени на подачу
прутка в сек. то (фиг. VI, 81)
т
2
S=2jvd/ = 2ax
о
откуда
а — м/сек2, (VI, 24)
Фиг. VI. 81. Закон движения прутка
при подаче цангой
шпиндельного токарно-револьверного автомата мод.
1 — конец шпинделя; 2 — ползушка подающей трубы; 3—
палец, перемещаемый в пазу ползушки при регулировании
длины ее хода; 4 — круглая рейка; 5 — конечный выклю-
чатель; 6—зубчатое колесо, связанное с рычагом 7
Подающие цанги изго-
товляют из стали 65Г или
У8А и закаливают со све-
денными лепестками.
Применяют также цанги с твердосплавными губками. Стоимость их
в 3—4 раза выше, но срок службы больше — в 10 раз.
Длина подачи прутка регулируется использованием неполной длины
хода или изменением длины плеча одного из рычагов передачи от ку-
лачка к ползушке подающей трубы (фиг. VI, 82).
330
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
Чтобы остаток прутка при его израсходовании оставался постоянным
независимо от регулирования длины хода подающей трубы, паз для пере-
мещения сухаря пальца 3 (фиг. VI, 82, а) наклонен в ползушке под уг-
лом а, равным половине угла качения рычага 7.
При перемещении пальца 3 вверх на величину h (фиг. VI, 82, б) по-
дающая труба должна сместиться в конце хода подачи прутка на вели-
чину Д в сторону шпинделя, но при а' = а на ту же величину Д' = Д
смещается ползушка с трубой от шпинделя при смещении пальца 3 с суха-
рем по пазу вверх на величину й.
При израсходовании прутка во время захода подающей цанги на за-
хват прутка труба и ползушка не удерживаются подающей цангой, со-
шедшей с остатка прутка, и круглая рейка 4 под действием пружины
отводит ползушку 2 дальше ее крайнего положения при захвате прутка,
нажимает на шток конечного выключателя 5, и электродвигатель привода
вспомогательного вала, сообщающего движение подающей трубе, выклю-
чается. Этим исключается авария, возможная при подаче на упор остатка
прутка подающей цангой, упирающейся в торец остатка прутка.
Магазинная подача заготовок
Закладка и ориентация заготовок в накопителе магазина производится
рабочим вручную, а подача их из магазина в шпиндель станка — автомати-
чески. Заготовки в магазин рабочий загружает через каждые 10—30 мину
поэтому возможно многостаночное обслуживание. Длительность обработки
при этом должна быть больше 5—30 сек.
При меньшей длительности цикла применяют бункера, в которые
заготовки поступают навалом, автоматически ориентируются и подаются
в лоток магазина для автоматической подачи к шпинделю с нужным ритмом.
Магазинная подача применяется для следующих видов заготовок:
штамповок, поковок, отливок, полуобработанных деталей (см. стр. 326).
Основные части магазина: накопитель (обычно лоток), сохраняющий
ориентацию загруженных заготовок; отсекатель, отделяющий подавае-
мую к шпинделю заготовку от последующих заготовок; питатель, подаю-
щий заготовку к шпинделю.
Ввод заготовки в зажимное устройство шпинделя и отвод обработанной
детали совершаются исполнительными механизмами, которые не входят
в состав магазинного устройства (фиг. VI, 83).
Магазинные устройства классифицируют по способу подачи заготовок
из лотка (емкости) к питателю, так как способ этой подачи сильно влияет
на конструкцию магазина (фиг. VI, 84).
Наиболее распространены магазины с подачей заготовок собственным
весом по стальным лоткам с закаленной и полированной поверхностью.
Вес заготовки должен обеспечить западание ее в питатель.
Для заготовок, хорошо сохраняющих ориентацию (с большим—валики,
стержни — или очень небольшим — диски — отношением длины к диа-
метру), применяют вместо лотков бункерные вместители.
Для заготовок, не способных перемещаться под действием собствен-
ного веса, применяют принудительное перемещение под действием груза
(редко), пружины (компактно, но не комбинируется с бункером) или сил
трения (комбинируется с непрерывной подачей ориентированных загото-
вок из бункера).
Цепные магазины используют для заготовок с буртиками или с целью
сохранения дополнительной ориентации, например, гладкой втулки по
отверстию в ее стенке.
МЕХАНИЗМЫ ПОДАЧИ ЗАГОТОВОК
331
Фиг. VI, 83. Схема магазинной подачи заготовок:
1 — выталкиватель; 2 — зажимная цанга; 3 — заталкива-
тель; 4 — лоток магазина; 5 — отсекатель; 6 — устройство
для сигнализации об израсходовании заготовок; 7 — питатель;
8 — отводящий лоток
В дисковых магазинах диски периодически поворачиваются для под-
вода заготовок к питателю. Большой емкостью обладает магазин с верти-
кальным диском группы VI В (см. фиг. VI, 84).
Отсекатели отделяют заготовку, поступающую в гнездо питателя,
от последующих заготовок. Отсекатели с возвратно-поступательным дви-
жением (фиг. VI, 85, а, б, в) применяются при производительности 50—
70 шт/мин. Отсекатели с качательным коле-
бательным движением (фиг. VI, 85, г, д, е)
конструктивно более просты. Отсекатели
с вращательным движением (фиг. VI, 85, ж,
з, и) надежно работают с высокой произво-
дительностью (250 шт/мин и выше) при не-
большой скорости вращения.
Питатели подают заго-
товку из магазина к шпин-
делю станка. Часто они вы-
полняют при этом и функ-
ции отсекателя (фиг. VI,
86).
Питатели с возвратно-
поступательным и с кача-
тельным движением осво-
бождают зону шпинделя
после подачи заготовки,
что имеет существенное
значение для одношпин-
дельных автоматов. Эти
питатели надежно рабо-
тают при производитель-
ности не свыше 60 шт)мин.
Дисковые и барабанные
питатели (фиг. VI, 86, ж,
з, и) работают с высокой
производительностью (до
300 шт/мин) при неболь-
шой скорости вращения;
это имеет существенное
значение для надежности западания заготовки в гнездо питателя.
Диск питателя постоянно находится в зоне шпинделя, что ограни-
чивает применение питателей этого типа в одношпиндельных автоматах.
В многопозиционных автоматах они широко применяются. По произво-
дительности они удобно комбинируются с бункерной подачей заготовок.
Револьверная головка используется в качестве питателя и затал-
кивателя при расположении магазина за револьверной головкой
(фиг. VI, 86, м).
Заталкиватели служат для подачи заготовки из питателя в зажим
шпинделя. Заталкиватели изготовляют с буферной пружиной, если зажим
имеет упоры для продольного базирования заготовки (фиг. VI, 87, а, б,
г, 5), или жесткими, если продольное расположение заготовки в зажиме
определяется конечным положением заталкиватели (фиг. VI, 87, е).
Выталкиватели изготовляют самодействующими, выталкивающими
обработанную деталь при помощи пружины (фиг. VI, 87, и, в), или жест-
кими с приводом от кулачкового механизма (фиг. VI, 87, б).
Фиг. VI, 84. Классификация магазинных устройств по способу подачи заготовок из лотка в питатель
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
МЕХАНИЗМЫ ПОДАЧИ ЗАГОТОВОК
333
Для остановки станка или подачи сигнала об отсутствии заготовок
в магазине служат блокирующие устройства (фиг. VI, 88).
Магазины располагают чаще всего у передней части шпинделя. Пита-
тель с отсекателем монтируют на заднем (фиг. VI, 89) или вертикальном
суппорте. Движение, устанавливающее ритм работы магазина, сообщается
питателю механизмом привода суппорта. Таким образом, работа магазина
Фиг. VI, 85. Типы отсекателей
увязывается с общим автоматическим циклом станка. В токарно-револь-
верных автоматах заталкиватель монтируется на револьверной головке
вместо упора.
Для выталкивания детали из зажима приспосабливают механизм
привода подающей трубы. Этот же механизм используют для привода
питателя-заталкивателя при установке магазина у заднего конца шпин-
деля.
Шпиндель заполнен заготовками. При рабочем ходе питателя-вытал-
кивателя обработанная с одного конца заготовка выталкивается из цанги,
а последующая заготовка подается до упора, устанавливаемого в револь-
верной головке.
В многошпиндельных автоматах магазин устанавливается у перед-
него конца шпинделя в загрузочной позиции. Для привода питателя
иногда используется механизм привода подач поперечного суппорта, для
заталкивателя — механизм независимой подачи инструментальных шпин-
делей.
334
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
Фиг. VI, 86. Типы питателей:
а—6—с возвратнопоступательным движением; г— е — с качательным движением; ж — и — с враща-
тельным движением; к — с комбинированным движением; л — цепной питатель; м—питателем
служит одно из гнезд револьверной головки
Фиг. VI, 87. Зажимы, заталкиватели и выталкиватели
МЕХАНИЗМЫ ПОДАЧИ ЗАГОТОВОК
335
Если для магазинной подачи заготовок требуются дополнительно
механизмы, то они приводятся от распределительного или вспомогатель-
ного вала и кинематически увязываются с общим автоматическим циклом
станка.
Питатель
Фиг. VI, 88. Схема блокирую-
щего механизма
Фиг. VI, 89. Магазин токарно-револь-
верного автомата:
1 — лоток; 2 — кронштейн; 3 — питатель;
4 — задний суппорт
Бункерная подача заготовок
Заготовки малых размеров, с малой длительностью цикла обработки,
при производительности станка от 50 до 500 шт/мин подаются навалом
в бункер, в котором они автоматически ориентируются и подаются в от-
водящий лоток, передающий заготовки в накопитель магазина. Из мага-
зина при помощи питателя и заталкивателя заготовки поступают в зажим
шпинделя.
Следовательно, назначение бункера — принять неориентированные за-
готовки, автоматически ориентировать их и подать в отводящий лоток.
Для возможности перемещения заготовки при ориентировании ее
необходимо в какой-то мере выделить из остальной массы заготовок.
В зависимости от способа выборки (отбора) заготовок для ориентации
различают бункера: 1) без захватных устройств и 2) с захватными устрой-
ствами.
К бункерам без захватных устройств относятся вибробункера, в кото-
рых выборка заготовок, как и перемещение их по лотку бункера, произ-
водится силами инерции в комбинации с силами трения заготовок при
движении по лотку.
Изменяя силу тока, питающего электромагниты, вызывающие вибра-
ции бункера, или регулируя зазор между сердечником электромагнита
и якорем, можно влиять на амплитуду колебаний и силы инерции загото-
вок и регулировать скорости ориентации последних. Все же приходится
применять устройства, сбрасывающие ориентированные заготовки в бун-
кер при переполнении отводящего лотка.
Вибробункера обладают широкими возможностями для ориентирова-
ния мелких заготовок иногда сложной конфигурации.
В бункерах с захватными устройствами перемещение заготовок в зоне
ориентации, необходимое для приведения их в должное положение и
выборки ориентированной заготовки, производится или 1) самим ориен-
тирующим элементом (штырем крючкового бункера, фиг. VI, 90), сектором
при западании в щель сектора (фиг. VI, 91), или 2) смещением наклонной
поверхности, несущей заготовки, в вертикальном направлении и обрат-
ным скатыванием заготовок (вращением около наклонной оси диска —
336
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
дна чаши бункера, фиг. VI, 92), вращением около горизонтальной оси
барабанного бункера (см. фиг. VI, 95).
В первом случае захват заготовки вызывает износ ориентирующего
элемента, во втором случае захват заготовки при ориентации значительно
облегчен, а в барабанном ориентирую-
щем устройстве (см. фиг. VI, 95) заго-
а.
Фиг. VI, 91. Схема секторного
бункера
товки ориентируются, западая в щель без предварительного их захвата.
Бункерные устройства различают также по способу ориентации заго-
товок; надевание на крючок (см. фиг. VI, 90), западание заготовки в щель—
секторные (см. фиг. VI, 91) и дисковые (см. фиг. VI, 92); западание заго-
товки в профильный вырез (см. фиг. VI, 93);
западание в трубку (фиг.
VI, 94).
Вид К
Фиг. VI, 93. Схема дискового
бункера с западанием заготовки
в профильный вырез
Фиг. VI, 92. Схема дискового
щелевого бункера
Фиг. VI, 94. Схема
бункера с запада-
нием заготовки в
трубку
Вид К
Производительность бункера зависит от размеров зоны ориентации.
В крючковом бункере ориентирование заготовок происходит в отдель-
ных точках и производительность не превышает 60 шт/мин. В секторном
щелевом бункере (см. фиг. VI, 91) периодическая ориентация на прямой
линии, производительность до 120 шт/мин. В дисковом щелевом бункере
МЕХАНИЗМЫ ПОДАЧИ ЗАГОТОВОК
337
(см. фиг. VI, 92), происходит постоянная ориентация на дуге окружности,
производительность при окружной скорости диска до 12—14 м/мин до-
стигает 250 шт/мин. В барабанном щелевом бункере (фиг. VI, 95) ориен-
тация происходит на части поверхности барабана, и производительность
достигает 800 шт/мин. __
Фиг. VI, 95. Схема бункера с барабанным щелевым ориентирующим устройством:
/ — барабан с многозаходными винтовыми канавками; 2 — стальная щетка для отбрасывания
неориентированных заготовок; 3 — отводящий лоток; 4 — бункер; 5 — входное отверстие в стенке
барабана; 6 — резиновый клапан, закрывающий входное отверстие в нижнем положении барабана;
7 — отводящий лоток
Вибрационные загрузочные устройства
Для питания автоматов штучными заготовками большое распростра-
нение получили вибрационные устройства.
Они применяются для прямолинейного перемещения заготовок по
вибрирующему лотку, для подъема их по винтовому лотку вертикаль-
ного вибротранспортера с винтовыми колебаниями, для ориентирова-
ния заготовок в вибробункерах
с одно- или многозаходными вин-
товыми лотками на внутренних
стенках цилиндрической чаши,
которой сообщаются винтовые
колебания.
В чашу вибробункера (фиг.
VI, 96) заготовки поступают
навалом, под действием вибра-
ций бункера расходятся по вы-
пуклому дну чаши к ее стенкам,
попадают во входное устье лот-
ка, по которому перемещаются
вверх. Ориентирующее устрой-
ство пропускает к выходу из
лотка только ориентированные
Фиг. VI, 96. Вибробункер
заготовки, а неориентированные
сбрасываются на дно бункера.
Ориентированные заготовки образуют запас в выходной части лотка
бункера и по отводящему лотку поступают к месту загрузки станка.
Угол подъема винтовой линии лотка 0 % 2° (см. фиг. VI, 96). Три
подвески из рессорной стали, на которых установлена ч«аша вибробункера,
338
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
расположены под углом а = 25° к вертикали. Поэтому три электро-
магнита, закрепленные на стойках перпендикулярно к подвескам-рессо-
рам, сообщают чаше бункера колебания по винтовой линии с большим
углом подъема, чем у лотка бункера. Это необходимо для перемещения
заготовок в сторону подъема лотка (см. ниже).
Электромагниты, включенные параллельно, питаются пульсирующим
постоянным током (через общий выпрямитель).
Вибрационные загрузочные устройства дают возможность беззахват-
ного разделения заготовок для распределения на потоки и ориентирования
при слабовыраженных или сложных признаках ориентации и для авто-
матизации загрузки в станки таких заготовок, для которых иные способы
неприменимы.
Движение заготовки по вибрирующему лотку
Прямолинейный лоток, наклоненный под углом 0 к горизонту, совер-
шает поступательное колебание под углом а к плоскости лотка
(фиг. VI, 97). Закон колебания — синусоидальный. Полная скорость
лотка
сл = До sin со/ м/сек; (VI, 25)
ускорение лотка
jA = А ®2 cos м/сек2, (VI, 26)
а перемещение лотка от крайнего нижнего его положения
S = А (1 — cos м, (VI, 27)
где А — амплитуда колебаний лотка в м;
© — круговая частота колебаний в сек, т. е. <в = 2ппт сек"1, пт —
число колебаний в сек;
at — фазовый угол.
На заготовку действуют сила инерции т]л, где т — масса заготовки,
направленная в сторону, противоположную ускорению лотка /4; вес заго-
товки mg; опорная реакция лотка R и сила трения F = Rf, где f — коэф-
фициент трения (фиг. VI, 97).
Силу Q, действующую на заготовку в направлении движения вдоль
лотка, и ускорение х заготовки при ее движении по лотку считаем поло-
жительными, если они направлены в сторону подъема лотка.
При движении колебания лотка вправо—вверх
Q = —mg sin 0 — т]л cos а + f (mg cos 0 + mjA sin a) =
= —mg (sin 0 — f cos 0) — т]л (cos a — / sin a);
x = —g (sin 0 — f cos 0) — jA (cos a — f sin a). (VI, 28)
При движении колебания влево — вниз
Q = — mg sin 0 + mjA cos a — f (mg cos 0 — mjA sin a) =
= —mg (sin 0 + f cos 0) + mjA (cos a + f sin a);
x = —g (sin 0 + f cos 0) + ]л (cos a + f sin a). (VI, 29)
Объединяя оба выражения, получаем общее выражение ускорения х
для движения детали вдоль лотка:
х = —g (sin 0 f cos 0) чй /л (cos a / sin a). (VI, 30)
МЕХАНИЗМЫ ПОДАЧИ ЗАГОТОВОК
339
Здесь нижние знак^ — для колебания лотка вправо—вверх, верхние —
для колебания лотка влево—вниз. Ускорение лотка
/4 — A a2 cos at [см. формулу (VI, 26)].
Формула (VI, 30) выражает дифференциальное уравнение движения
заготовки по вибрирующему лотку и является исходной для определенной
скорости и других характеристик движения заготовки. Из нее следует,
что режим движения заготовки по лотку изменяется в зависимости от
амплитуды колебаний лотка. При малых амплитудах колебаний заготовка
перемещается вместе с лотком без относительного смещения. С увеличе-
нием амплитуды возникает
одностороннее проскальзыва-
ние в сторону подъема лотка,
двустороннее проскальзыва-
ние и двустороннее проскаль-
зывание с подбрасыванием
заготовки [58].
У
jfi
*
Горизонт
Фиг. VI, 97. План сил,
действующих на заготовку
в вибробункере
mj/i
ЦТ
При винтовых колебаниях винтового лотка вибробункера кроме сил,
показанных на фиг. VI, 97, на заготовку действуют центробежные силы
инерции. Влияние их относительно невелико, и уравнение движения
(VI, 30) распространяется и на винтовой лоток вибробункера.
Средняя скорость движения по вибролотку лежит в пределах 50—
200 мм!сек. Производительность вибробункеров ниже наибольшей произ-
водительности механических бункеров. Она может быть увеличена приме-
нением многозаходных винтовых лотков.
Ориентация заготовок в вибробункере
Для подготовки заготовок к ориентированию необходимо установить
последовательное, однорядное движение их по лотку. Для этого применяют
следующие приемы: а) ограничивают ширину лотка с самого его начала;
б) делают местное сужение у широкого (более универсального) лотка;
в) профиль лотка делают с уклоном к стенке чаши бункера, понуждая
этим заготовки располагаться вдоль стенки бункера.
Для того чтобы заготовки не набегали друг на друга, поверху над их
потоком укрепляют на стенке вибробункера клиновые отсекатели, сбра-
сывающие верхнюю заготовку в чащу, или делают лоток с уклоном к цен-
тру чаши и небольшим буртиком, чтобы верхняя заготовка сваливалась
внутрь чаши, а нижняя удерживалась буртиком.
Напор между заготовками, вызванный сопротивлениями в желобе или
переполнением выходного лотка бункера, может затруднить ориентирова-
ние заготовок, вызвать набегание их друг на друга поверху. Для устране-
ния напора между заготовками делают в желобе местный выступ (фиг.
VI, 98), сбрасывающий заготовки в чашу бункера при напоре между ними.
340
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
Фиг. VI, 98. Выступ 1 устра-
няет напор между заготов-
ками
а — стаканчиков; б — втулок; в — цилиндров с выточкой на торце
Фиг. VI, 100. Ориентиро-
Фиг. VI, 101. Схема:
ванне цилиндрической за-
готовки с высотой, близ-
кой к диаметру:
1 —- перешеек для прохода
вертикальной заготовки и
сбрасывания горизонталь-
ной; 2 — козырек для под-
держки вертикальной заго-
товки при проходе
/ — уголковый отсекатель, сбрасывающий заго-
товки, стоящие на головке; 2—местное сужение
лотка для сбрасывания заготовок, расположен-
ных поперек лотка; 3—прорезь—ориентир заго-
товок головкой вверх
Фиг. VI, 102. Датчик, срабаты-
вающий при переполнении отво-
дящего лотка:
Г — рычажок; 2 — заготовка; 3—
микровыключатель; 4—противовес;
5 — ось противовеса
МЕХАНИЗМЫ ПОДАЧИ ЗАГОТОВОК
341
Для обеспечения подвижности заготовок при их ориентировании иногда
требуется не только уменьшить напор между ними, но и образовать зазор
между ними (пример — шестеренки), для чего резко уменьшают угол
подъема лотка перед местом ориентации, а иногда наклоняют лоток вниз.
Для ориентирования заготовок используют ориентаторы, устанавливаю-
щие все заготовки потока в заданное положение, и селекторы, пропускаю-
щие заготовки, проходящие в ориентированном положении, и сбрасываю-
щие все неориентированные заготовки (фиг. VI, 99 и 100).
Так как ориентатор может переориентировать заготовку не из всех ее
положений, то он применяется в комбинации с другим ориентатором или
селектором. Например, на выходном лотке делается паз для западания
стержня штифта с головкой (фиг. VI, 101), а перед этим лотком установлен
селектор и сделано местное сужение, пропускающие только заготовки,
ориентированные стержнем вдоль лотка и сбрасывающие заготовки, не
лежащие вдоль лотка.
Для прекращения подачи заготовок бункером при переполнении отво-
дящего лотка применяется сбрасывание заготовок в чашу бункера (см.
фиг. VI, 98). Если сбрасывание может испортить заготовку, то при грави-
тационном отводящем лотке устанавли-
вается датчик, выключающий вибратор
бункера при переполнении отводящего
лотка (фиг. VI, 102).
Вибраторы
Для привода вибрационных лотков
и бункеров широко применяют элект-
ромагнитные вибраторы. Они просты и
компактны по конструкции, надежны и
неприхотливы в эксплуатации, так как
в них нет трущихся, быстроизнашиваю-
щихся и требующих ухода элементов
передач. Их к. п. д. высок. Пуск и оста-
нов происходят быстро. Они легко синх-
ронизируются при многовибраторном
приводе.
Удобство регулирования скорости
транспортирования заготовок — боль-
шое достоинство электромагнитных виб-
Фиг. VI, 103. Вибробункер с регули-
руемым воздушным зазором:
1—основание; 2—зажим стойки электро-
магнита; 3—заделка рессоры; 4—рессора;
5—диск4. 6—чаша; 7—дно чаши; 8 — сер-
дечник электромагнита; 9 —валик с паль-
цем-эксцентриком для регулирования за-
зора; 10 — стойка электромагнита
раторов.
В большинстве случаев они регули-
руются реостатом, который встраивается
в бункер или выносится на пульт упра-
вления автоматом. Такое регулирование
предпочтительно, если ось колебаний
якоря электромагнита расположена перпендикулярно оси рессоры и виб-
ратор имеет столько же электромагнитов, сколько рессор (см. фиг. VI, 96).
В небольших вибраторах (фиг. VI, 103) скорость транспортирования
заготовок регулируется воздушным зазором между сердечником электро-
магнита и якорем; это получается конструктивно просто только в вибро-
бункерах с одним электромагнитом (фиг. VI, 103), когда ось колебания
якоря вертикальна. Регулирование зазором менее удобно и точно, чем
реостатом.
342
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
I тип
§ 2. ЗАЖИМНЫЕ УСТРОЙСТВА
В зависимости от степени автоматизации станка применяются следующие
системы зажима заготовок: автоматическая; полуавтоматическая и ручная.
Автоматическая система зажима применяется в прутковых автоматах
и в автоматах с магазинной подачей заготовок. Основное зажимное устрой-
ство — цанговый зажим.
Цанговый зажим должен удовлетворять следующим требованиям:
концентричный зажим при радиальном биении не больше 0,01—0,04 мм\
надежный зажим при нормальных погреш-
ностях заготовок — в пределах 5-го класса
точности; постоянство длины подаваемого
прутка; постоянство упругих свойств цанги,
износостойкость губок цанги (зажим 50 000—
100 000 шт. заготовок до выхода из строя).
Цанги изготовляют из сталей марок У8А,
У10А, 65Г с термической обработкой конус-
ной поверхности до твердости HRC 58—62,
а хвостовика — до HRC 40—45.
Лепестки цанг при закалке немного раз-
водятся, чтобы подаваемый пруток свободно
проходил между ними. Угол при вершине
конуса цанг делается 30°. Число прорезей
у цанги — от двух до шести в зависимости
от диаметра материала—прутка или трубы;
При диаметре ма-
териала в мм , <20 20—60 40—100 60—150
Число прорезей у
цанги........ 2 3 4 6
Фиг. VI, 104. Основные типы
цанг
При обработке штучных заготовок диаметр зажимаемой части заго-
товки должен быть не меньше половины наибольшего диаметра обрабаты-
ваемой поверхности.
Различают три основных типа цанг (фиг. VI, 104): выдвижная цанга
с прямым конусом; затяжная цанга с обратным конусом, работающая на
растяжение при зажиме прутка; неподвижная цанга с обратным конусом,
упирающаяся передней частью лепестков в кольцо, навинченное на конец
шпинделя.
При зажиме прутка конус цанги сжимается находящей на него гильзой.
Достоинства выдвижной цанги: простота конструкции и простое соеди-
нение цанги с зажимной трубой.
Однако цанге этого типа присущи существенные недостатки: возмож-
ность самозатягивания цанги при подаче прутка; осевая составляющая
силы резания стремится разжать цангу; при этом возникает опасность
проскальзывания материала назад; плохое центрирование цанги упорной
гайкой; деформация лепестков цанги под продольной нагрузкой может
вызывать неконцентрический зажим.
Из-за этих недостатков выдвижные цанги с прямым конусом в совре-
менных станках не применяются.
Зажимы с затяжной цангой (с обратным конусом, фиг. VI, 105) имеют
следующие преимущества: конус цанги прилегает непосредственно к кони-
ческой расточке в шпинделе, что обеспечивает хорошее центрирование
заготовки; исключено заклинивание во время подачи прутка; осевая со-
ставляющая силы резания усиливает зажим прутка; лепестки цанги растя-
ЗАЖИМНЫЕ УСТРОЙСТВА
343
гиваются, а не сжимаются при зажиме, и цанга и ее конус мало деформи-
руются; малые радиальные габариты, благодаря чему затяжные цанги
широко применяют в многошпиндельных автоматах, у которых очень
стеснены радиальные габариты шпинделей, расположенных в шпиндель-
ном блоке.
Недостатки зажимов с затяжной цангой: износ конической расточки
шпинделя; резьбовое соединение цанги с зажимной трубой — слабое место
конструкции: по этому месту иногда происходит разрыв вследствие непра-
1 — подающая труба; 2 — гайка для регулирования силы зажима; 3 — муфта зажима; 4 — гайка
для регулирования подшипников шпинделя; 5 — зубчатое колесо для поворота шпиндельного блока;
6 — шпиндельный блок; 7 — шпиндель; 8 — зажимная труба; 9 — подающая цанга; 10 — зажим-
ная цанга; 11 — центральная труба; 12 — центральный вал
вильного регулирования силы зажима; при зажиме прутка он несколько
отходит от упора.
На работу затяжной цанги сильно влияет упругость передачи тяговой
силы зажима на цангу.
При небольшой упругости зажима (фиг. VI, 106, упругим звеном слу-
жат здесь рычажки муфты) зажим работает надежно при отклонениях
диаметров прутков в пределах 5-го класса точности.
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
Фиг. VI, 107. Передача тяговой силы зажима через пружины:
1 — гайка регулирования силы зажима; 2 —- тарельчатые пружины; 3 — бочкообразный ролик; 4 — муфта зажима; 5 — подающая труба;
6 — зажимная труба; 7 — шпиндель
ЗАЖИМНЫЕ УСТРОЙСТВА
345
При передаче тяговой силы
зажима через пружину (фиг. VI,
107) допуск на разницу диамет-
ров возрастает и при правиль-
ном подборе жесткости пружины
достигает 0,3—0,5 мм.
Зажимные устройства с непо-
движной цангой (фиг. VI, 108)
отличаются следующими преи-
муществами: точная подача прут-
ка, так как цанга при зажиме
не перемещается в осевом нап-
равлении; в сопряжении зажим-
ной трубы с зажимной гильзой
и гильзы с цангой нет резьбо-
вых соединений, которые неред-
ко бывают слабым местом конст-
рукции; при зажиме сила пере-
дается на коническую головку
цанги, не нагружая всей длины
лепестков и не нарушая формы
цанги.
Большие радиальные габа-
риты зажима с неподвижной цан-
гой являются его недостатком,
не позволяющим использовать
такой зажим в многошпиндель-
ных автоматах, — область его
применения ограничена одно-
шпиндельными автоматами.
В отличие от конструкции,
показанной на фиг. VI, 102, где
упругими звеньями при пере-
даче силы зажима к зажимной
цанге служат закладные рычаж-
ки зажимной муфты, у зажима,
изображенного на фиг. VI, 109,
сила зажима создается пружи-
нами 4, предварительно сжатыми
между кольцами 2 и 3 гайками /,
навинченными на шпиндель и
регулирующими силу зажима.
Кольца 2 и 3 при разжиме
цанги 15 стянуты винтами. Бара-
банный кулачок, вращаясь, пере-
мещает муфту 7 вправо, и ша-
рики 5, заклиниваясь между
втулкой 6 и кольцом 5, сжи-
мают пружины 4.
Сила сжатия пружин пере-
дается от шариков 8 через коль-
цо 9 и втулки 10 и И гильзе 12,
надвигающейся на конус цанги
Фиг. VI, 108. Зажимное устройство токарно-револьверного пруткового автомата мод. 1А136
346
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
15 и сжимающей пружину 13, Продольная сила зажима, действуя на
гайку 1 и через цангу на гайку 14, замыкается на шпинделе 5, При обрат-
ном перемещении муфты 7 шарики 8 разойдутся, пружина 4 замкнется
винтами, стягивающими кольца 2 и 3, и пружина 13 сдвинет зажимную
гильзу 12 с цанги, освобождая таким образом пруток.
При полуавтоматическом зажиме установка заготовки и съем детали,
а также управление зажимным устройством при зажиме и разжиме заго-
товки производятся рабочим.
В компоновке и конструкции современных полуавтоматов предусма-
тривается возможность применения загрузочных устройств и автоматиче-
Фиг. VI, 110. Кулачковый патрон с приводом-пружиной
ского управления зажимным устройством при встраивании полуавтомата
в автоматическую линию.
Система полуавтоматического зажима состоит из механизма зажима,
которым служит патрон, и механизма, передающего патрону тяговую силу
для приведения патрона в действие.
Применяются патроны следующих видов: цанговый, кулачковый,
разжимная оправка с клиновыми сухарями.
ЗАЖИМНЫЕ УСТРОЙСТВА
347
Тяговые устройства применяются различных видов. В шестишпиндель-
ном полуавтомате тяговая сила зажима осуществляется действующей на
тягу пружиной с мягкой характеристикой (фиг. VI, 110). Конусный нако-
нечник тяги, действуя на рычажки патрона, сводит кулачки, которые
и зажимают заготовку. В загрузочной позиции на конец тяги дейст-
вует стержень с приводом от кулачка, сжимает пружину и освобож-
дает кулачки для съема готовой детали и установки следующей заго-
товки.
Тяговая сила зажима регулируется гайкой, ввернутой в расточку
шпинделя, что при данном варианте конструкции затруднено. Это затруд-
нение устранимо при изменении крепления наконечника к тяге и при вра-
щении гайки от поворота тяги.
Конструкция зажима и управления им отличается простотой и ком-
пактностью, но не приспособлена для тяжелых работ, требующих большой
силы зажима.
В одношпиндельных и многошпиндельных (вертикальных) полуавто-
матах для тяжелых работ, с кулачковым приводом суппортов, применяют
зажимные устройства с механическим приводом, .учитывая надежность
этих приводов. Тяговая сила зажима осуществляется ходовым винтом и
гайкой.
У вертикального восьмишпиндельного полуавтомата мод. 1282, пред-
назначенного для крупносерийного и массового производства, для суп-
портов применен кулачковый привод, а для вспомогательных рабочих
органов — цикловые исполнительные механизмы при механической си-
стеме управления рабочим циклом. Зажимное устройство также механи-
ческое (фиг. VI, 111). Тяговая сила передается кулачкам патрона от гайки 1
ходового винта 2, опирающегося на разъемный гребенчатый подшипник 3,
закрепленный в расточке шпинделя 4.
Ходовой винт приводится от вертикального вспомогательного вала
через две конические передачи, реверсивную группу из двух передач
с цилиндрическими колесами, включаемыми двусторонней кулачковой
чуфтой 9 со скошенными гранями кулачков для самовыключения муфты
при перегрузке привода. От вертикального вала 8 и полого вала 7 винт
получает движение через зубчатое колесо 6.
В конце поворота стола, несущего шпиндели, и при подходе шпинделя
з загрузочную позицию кулачок 10, закрепленный на столе, опускает зуб-
чатое колесо 6 вниз во избежание удара о колесо ходового винта, и уже
после фиксации стола зубчатое колесо 6 включается, двигаясь вверх под
действием пружины.
В загрузочной позиции шпиндель удерживается от вращения фикса-
тором 5, входящим во впадину между зубьями колеса шпинделя.
При повороте рукоятки управления 13 через звездочку 12, тягу и ры-
чаг включается двусторонняя муфта 9 прямого или обратного вращения
винта (зажим или разжим детали). При этом упор звездочки 12 находится
под воздействием пружины фиксатора 11. Находя на вершину упора своей
впадиной, фиксатор стопорит кулачковую муфту в среднем выключенном
положении. При повороте звездочки в ту или другую сторону в момент
выхода вершины упора из граней впадины фиксатора последний, действуя
твоей боковой гранью на грань упора, быстро поворачивает звездочку
в том же направлении и включает муфту. В конце хода зажима (или раз-
Аима) кулачки патрона и винт работают «на упор», муфта перегружается
~ своими скошенными кулачками отводится в сторону среднего, выключен-
вэго положения, преодолевая силу пружины фиксатора И.
348
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
Фиг. VI, 111. Полуавтоматический приводно"
3 А ЖИМ H ЫЕ УС ТРОЙ С ТВ А
349
механический зажим полуавтомата мод. 1282
350
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
Число кулачков«7
Фиг. VI, 112. Развертка кулачков по наружному диа-
метру
Вершина упора звездочки входит на грань впадины фиксатора 11, и
под его воздействием звездочка принимает среднее положение, кулачко-
вая муфта приходит в среднее выключенное положение так же, как и
рукоятка управления 13. Заготовка остается зажатой вследствие самотор-
можения винта в гайке. Сила зажима регулируется подтягиванием пру-
жины фиксатора 11.
Грани впадины фиксатора образуют угол 71°, его боковые наруж-
ные грани расположены под углом 90° друг к другу.
Профиль скошенных ку-
лачков муфты 9 и включае-
мых ею зубчатых колес
в развертке по наружному
диаметру показан на фиг.
VI, 112. Работающие по-
верхности граней кулачков
и муфты зубчатых колес
выполнены по винтовой
поверхности для облегче-
ния самовыключения муф-
ты под нагрузкой.
Фиксатор выполнен из
стали ШХ15, упор—из ста-
ли 20Х, кулачковая муфта
и сопряженные с ней зуб-
чатые колеса — из стали
18ХГТ. Термическая обра-
ботка указанных деталей-
до твердости рабочих гра-
ней HRC 58—62.
Зажим заготовки не
сблокирован с поворотом
стола, и требуется провер-
ка правильности зажима рабочим до включения поворота стола; это
практически необходимо и при наличии блокировочного устройства.
У вертикальных восьмишпиндельных токарных полуавтоматов после-
довательного действия мод. 1К282 применен гидравлический зажим заго-
товки (фиг. VI, ИЗ).
Зажимное устройство (кулачковый патрон или разжимная оправка)
крепится к фланцу шпинделя 8 и через тягу 7 и шток 5 приводится в дей-
ствие поршнями 6 и 10 двух одинаковых последовательно расположенных
сдвоенных гидроцилиндров 9 и 11. Цилиндры крепятся в расточке шпин-
деля фланцевой втулкой 1 и втулкой 12.
Зажимное устройство может быть самотормозящим и для надежности
его действия при разжиме тяговая сила должна быть больше, чем при за-
жиме заготовки. Это достигается подачей масла при разжиме в поршне-
вую полость нижнего гидроцилиндра, а при зажиме—в его штоковую
полость.
В загрузочной позиции шпинделя при разжиме масло поступает в от-
верстие 14, идет вверх по сверленому каналу в неподвижном стержне 3
по выточке, отверстию и пазу во втулке 2, по зазору между фланцевой
втулкой 1 и втулкой 12 и поступает в поршневую полость нижнего гидро-
цилиндра И. В нижнюю полость верхнего гидроцилиндра масло поступав”
по шлицевым каналам в штоке 5.
ЗАЖИМНЫЕ УСТРОЙСТВА
351
При зажиме масло поступает в отверстие 13, по отверстиям, выточкам
и пазам в деталях 3, 2 и 1 в зазоры между шпинделем и последовательно
зтулкой 12, нижним цилиндром 11, крышкой цилиндров 4 и верхним ци-
линдром 9, поступает в верхние штоковые полости обоих цилиндров.
Реле давления, которое включается в конце зажима заготовки, блоки-
рует электроцепь управления поворотом стола и дает возможность повер-
нуть стол только после зажима заготовки.
352
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
При повороте стола и в рабочих позициях шпинделя непрерывно под-
держивается давление масла в верхней полости гидроцилиндров и произ-
водится поджим заготовки.
§ 3. СУППОРТЫ АВТОМАТОВ
Суппорты являются основными рабочими органами автоматов. Поэтому
типы суппортов, их количество, расположение, циклы движений и испол-
нительные механизмы (тяговые устройства) их привода определяются
характером производства (серийностью) и технологическим процессом, для
которого предназначен автомат.
Чтобы по возможности учесть это положение, общее рассмотрение суп-
портов проводится по группам автоматов.
Суппорты одношпиндельных автоматов
Суппорты одношпиндельных автоматов различают по следующим
признакам:
1. По направлению движения относительно оси шпинделя и заготовки'.
продольные, поперечные и крестовые — с продольным и поперечным дви-
жением (в новых моделях), позволяющие выполнять продольное точение за
выступами, обтачивать конические и фасонные поверхности по копиру и
осуществлять внутреннюю расточку.
2. По расположению', центральное (по оси шпинделя) для сверлильных,
расточных, резьбонарезных и токарных проходных работ; боковое для
продольных и поперечных суппортов в горизонтальной плоскости; в вер-
тикальной плоскости (перпендикулярной оси шпинделя) — вертикальное,
наклонное и веерообразное (см. фиг. VI, 28).
3. По кинематике движения', прямолинейно движущиеся суппорты
(основной наиболее распространенный случай) и качающиеся суппорты
(применяются редко, см. фиг. VI, 29).
Каждый суппорт имеет свою независимую подачу от особого кулачка.
Для повышения точности обработки применяют упоры. Это дает воз-
можность выбирать зазоры в звеньях привода суппорта и работать пр г
определенной, стабильной величине отжима суппорта, что способствует
повышению точности обработки. Для той же цели применяют микрометри-
ческие винты для регулирования положения резцов.
При работе фасонным резцом с горизонтального поперечного суппорта
сила резания нагружает салазки суппорта на отрыв их от* направляю-
щих.
Наряду с этим салазки поперечных суппортов, расположенных в вер-
тикальной плоскости, нагружаются силой резания, действующей парал-
лельно плоскости направляющих и перпендикулярно направлению дви-
жения. Оба вида нагрузки неблагоприятны для работы направляющих,
выполненных в форме ласточкина хвоста, поэтому в суппортах широко
применяют прямоугольные направляющие. Профиль ласточкина хвоста
применяется при малых нагрузках или при стесненных габаритах — при
веерообразном расположении вертикальных суппортов.
В одношпиндельных автоматах не применяются устройства для отхода
резца от детали при обратном отводе суппорта; этот отвод происходит
вследствие деформаций державок и инструмента под нагрузкой при уста-
новке резца при наружном обтачивании несколько выше оси обрабатывае-
мой заготовки.
СУППОРТЫ АВТОМАТОВ
353
Суппорты одношпиндельных полуавтоматов
Суппорты одношпиндельных полуавтоматов различают по следующим
общим признакам:
1. По направлению движения относительно оси шпинделя: поперечные;
продольные (для центровых и расточных работ); продольные с поперечным
движением для подвода, врезания и отвода резца (см. фиг. VI, 53 и 54);
продольные с перпендикулярным к оси станка поперечным движением
для отвода, подвода, врезания и лоперечной рабочей подачи резца
(токарные копировальные полуавтоматы); продольные с поперечным нак-
лонным к оси станка движением для отвода, подвода, врезания и по-
перечной подачи резца (токарные копировальные полуавтоматы без
автоматического регулирования продольной подачи копировального суп-
порта).
2. По кинематике движения: с качательным движением для попереч-
ного перемещения; с прямолинейным движением.
3. По расположению суппортов, тесно связанному с общей компонов-
кой полуавтомата (см. стр. 363).
Качающиеся суппорты просты по конструкции, при ку-
лачковом приводе представляют широкие возможности варьирования
цикла движений резца (см. фиг. VI, 33) и придают полуавтомату универ-
сальность и производственную гибкость.
Недостатки этих суппортов — недостаточная жесткость суппортов,
базирующихся на длинных скалках, затрудняющих к тому же отвод слив-
ной стружки, образующейся при работе резцами, оснащенными пластин-
ками из твердого сплава. Эти недостатки ограничивают применение
таких резцов на одношпиндельных полуавтоматах с качающимися суп-
портами.
Изменение угла резания при приближении резца к оси шпинделя
осложняет работу фасонными резцами с пЪперечного суппорта и обтачива-
ние по копиру с продольного суппорта. Приходится применять коррекцию
копира или устанавливать на продольный суппорт вместо резцедержателя
небольшой копировальный суппорт, работающий вследствие его стеснен-
ных габаритов в тяжелых условиях. Из-за отмеченных недостатков качаю-
щиеся суппорты в одношпиндельных полуавтоматах применяются редко.
Суппорты с прямолинейным движением, несмотря
на более сложную конструкцию, являются основным видом суппортов
одношпиндельных полуавтоматов.
Габаритные условия одношпиндельного полуавтомата дают возмож-
ность придать направляющим форму, наиболее благоприятную для вос-
приятия действующих сил резания (см. фиг. VI, 53).
В продольных суппортах для «отскока» резца при обратном быстром
ускоренном) ходе широко используется относительное смещение линеек
го скошенными кулачками (см. фиг. VI, 54).
Для поперечного отвода резца при съеме детали и последующего его
подвода и врезания широко применяются копировальные линейки, как это
гделано в суппорте по фиг. VI, 53. При этом подвижная гайка, несущая
голик, упирающийся в копирную линейку, заменяет верхнюю часть копи-
ровального суппорта; благодаря этому имеются только одни поперечные
галазки, служащие и для отвода, и для установки резца на глубину резания.
Подобные устройства для «отскока», отвода и подвода поперечных сала-
зок применяются в продольных суппортах многорезцовых полуавтоматов
л при гидравлическом приводе суппортов.
12 Ачеркан. Зак. 659,
354
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
Рабочий цикл движений резца продольного суппорта показан и:
фиг. VI, 114.
По условиям резания поперечные суппорты токарных полуавтомат:z
склонны к вибрациям. Для получения более плавной и равномерно
Фиг. VI, 114. Рабочий цикл движений
продольного суппорта многорезцового
полуавтомата:
1—2 — косой подвод; 2—3 — косое вреза-
ние; 2—3—4—рабочая подача; 4—5—суг-
скок; 5—6—7 — обратный быстрый (уско-
ренный) отвод; 7—/ — взвод резца
подачи при гидравлическом привет-
движение поперечному суппорту пере-
дается нередко через клиновый кула-
чок, связанный со штоком продольн:
/ расположенного гидроцилиндра (фнг
VI, 115).
Кулачок, действуя на башмак 7
закрепленный на ползуне 3, переме-
щает верхнюю часть суппорта 4, с кото-
рой ползун скреплен винтами и план-
кой 6. Башмак прижимается к кулач-
ку 2 пружиной 7 через обойму 3, свя-
занную с ползуном 3. Ослабив винты :
и вращая ключом через коническую зус-
которого закреплена в ползуне, можн:
суппорта относи-
чатую передачу винт1 9, гайка
регулировать положение верхней части поперечного
нотельно заготовки, расположенной над суппортом.
Фиг. VI, 115. Подрезные суппорты токарно-копировального полуавтомата мод. 1712
СУППОРТЫ АВТОМАТОВ
355
Продольные суппорты многошпиндельных горизонтальных автоматов
и полуавтоматов
Продольные суппорты бывают однопозиционные (в каждой позиции
свой суппорт) и многопозиционные (суппортный блок обслуживает все по-
зиции).
В современных станках широко применяют центральный блочный суп-
порт. Основной направляющей для него служит центральная труба, один
конец которой жестко вмонтирован в шпиндельный блок. Дополнительная
направляющая обычно располагается вверху на траверсе, где проходит
р аспр едел ител ьны й вал.
Преимущества такой конструкции: высокая жесткость суппорта; со-
хранение соосности продольного суппорта со шпиндельным блоком даже
Фиг. VI, 116. Схемы нагрузок продольного суппорта:
а — типа Conomatic; б — типа Gildemeister; в — типа мод. 1261; г — типа мод. ГАШ-6
и мод. 1240
при износе подушки шпиндельного блока; предохранение направляющих
от попадания стружки; удобный отвод стружки; симметричная форма суп-
порта при общей оси со шпиндельным блоком, что позволяет унифициро-
вать посадочные места инструментальных державок и сделать их взаимо-
заменяемыми.
Затрудненность наладки инструментов, расположенных на нижних
позициях центрального блочного суппорта, является его недостатком.
Для нарезания резьбы (в верхней последней позиции) и сверления
(в предпоследней и предшествующих боковых позициях) необходимы до-
полнительное вращение шпинделей инструментальных головок, устанавли-
ваемых в пазах суппорта вместо резцедержателей, и независимая их по-
дача с быстрым подводом и отводом, как и у блока продольного суппорта,
при помощи спаренных кулачков (см. фиг. VI, 21). В нижних позициях
ограничиваются дополнительным вращением сверлильного шпинделя,
а независимой подачи головки не имеют.
Наибольшая нагрузка от сил резания бывает в двух нижних позициях,
а распределительный вал с кулачками расположен вверху в траверсе.
Момент М == PyLi от тяговой силы подачи Ру (фиг. VI, 116) продоль-
ного суппорта вызывает реактивные силы на направляющих втулках и
356
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
силы, увеличивающие приведенный коэффициент трения в толкателе ку-
лачкового механизма (см. стр. 257), ограничивающий угол подъема кривей
кулачка продольного суппорта. Нижнее расположение ролика и кулачка
Ход 150
1 — суппорт; 2 — направляющая труба; 3 — верхняя направляющая; 4 — тяга-упор суппорта:
5 — подшипник (втулка) и подпятник центральной трубы; 6 — шатун, перемещающий суппорт
и распределительного вала уменьшает момент РуЬ (см. фиг. VI, 108, б и в),
но затрудняет отвод стружки.
Введение дополнительной каретки, работающей с меньшим плечом
улучшает условия работы кулачкового механизма.
/ Начало быстрого
подвода
Фиг. VI, 118. Схема привода продольного суппорта автомата типа 1265
Более удачно эта задача решена в приводе продольного суппорта станка
мод. 1А225 (см. фиг. VI, 21). Применение рычажной системы в спаренных
плоских кулачках при поперечном их расположении на ветви распредели-
СУППОРТЫ АВТОМАТОВ
357
тельного вала позволило значительно уменьшить плечо Ь тяговой силы
подачи; уменьшить трение, освободившись от ползушки; улучшить доступ
к продольному суппорту.
В приводе продольного суппорта (фиг. VI, 117) станка типа 1265 плечо
сведено к минимуму. Привод суппорта (фиг. VI. 118) производится от спа-
ренного барабанного кулачка 1, установленного на верхнем продольном
валу, через ползушки 2 и 3, рычаг 4, шатун 5, рычаг 6 и тягу S.
Суппорт на длину рабочего хода настраивается перестановкой ко-
лодки 7 в пазу рычага 4, который может поворачиваться около осей Ог и 02,
в зависимости от перемещения ползушек 3 и 2.
Фиг. VI, 119. Схема привода поперечных
суппортов автомата мод. 1А225
Поперечные суппорты многошпиндельных автоматов
Количество поперечных суппортов: четыре — при четырех шпинделях,
четыре, пять или шесть — при шести, и пять или шесть — при восьми
шпинделях.
Каждый поперечный суппорт может иметь свой привод от плоского
кулачка с настройкой на длину хода за счет изменения плеча ведущего
(фиг. VI, 119) и промежуточного рычагов (фиг. VI, 120).
По конструкции различают два
типа поперечных суппортов.
У пазового поперечного
суппорта основная плоскость
V-образных направляющих располо-
жена в вертикальной плоскости (фиг.
VI, 121). Для регулирования нижней
направляющей служат два винта /,
ввернутые в палец 2, а для ее креп-
ления — винты 3.
Для плавности хода поперечных
суппортов, по условиям резания
склонных к вибрациям, к каждому
нижнему суппорту подведено ответ-
вление распределительного вала, и
промежуточные звенья (рычаги и тя-
ги) передачи от плоского кулачка
к суппорту сведены к одному рычагу.
При пазовой конструкции суп-
порта отход стружки свободнее, и
она меньше засоряет направляющие,
ция удобна для унификации. Хотя форма направляющих ориентирована
на консольную нагрузку, пазовая конструкция считается недостаточно
жесткой для тяжелой работы с большим вылетом резца.
При плоскостной конструкции поперечного
суппорта основная плоскость направляющих расположена гори-
зонтально. Форма направляющих прямоугольная. Эта конструкция счи-
тается более жесткой, чем пазовая. Недостаток ее — затруднен отвод
стружки нижними суппортами и условия для привода суппорта сложнее.
Для поперечных суппортов существенное значение имеет система упо-
ров, которая должна учитывать наличие погрешностей в положении осей
шпинделей.
Для того чтобы не нагружать шпиндельный блок, мертвые упоры рас-
полагаются на стойке.
проще привод суппорта, конструк-
358
РАБОЧИЕ ОРГАНЫ АВТОМАТОВ
Фиг. VI, 120. Регулирование длины хода поперечных суппортов автомата мод. 1А225
СУППОРТЫ АВТОМАТОВ
359
- На каждом поперечном суппорте устанавливается по одному регули-
руемому упору для каждого шпинделя. При повороте шпиндельного блока
перемещается планка, подводящая мертвый упор к регулируемому упору
очередного шпинделя.
В другом варианте конструкции для каждого суппорта упоры, учиты-
вающие погрешность расположения каждого шпинделя, располагаются
на диске, поворачивающемся при повороте шпиндельного блока. На попе-
речном суппорте в этом случае установлен один упор.
ГЛАВА VI
КОМПОНОВКА АВТОМАТОВ И ПОЛУАВТОМАТОВ
При проектировании автоматизированных станков вопросам компо-
новки станка уделяется большое внимание, так как эффективность и об-
ласть производственного применения автоматизированного станка (осо-
бенно при встраивании его в автоматическую линию) в значительной сте-
пени зависят от правильной его компоновки. Вопросы компоновки имеют
комплексный характер, и при решении их приходится учитывать не только
общие требования и факторы, влияющие на компоновку, но также особен-
ности привода станка, исполнительных механизмов и конструкции рабо-
чих органов, специфику назначения проектируемого станка и технологи-
ческого процесса. Поэтому к числу исходных этапов проработки компо-
новки станка относятся планы обработки деталей и разработка схем основ-
ных рабочих органов (суппортов) с учетом их исполнительных механиз-
мов, схем загрузки заготовок и съема детали и его транспортирования.
§ 1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОМПОНОВКЕ
К компоновке проектируемого станка предъявляются следующие
требования:
1. Обеспечение заданного или типизированного технологического про-
цесса, требуемых производительности и точности обработки.
2. Достаточные жесткость и виброустойчивость станка при минималь-
ном весе конструкции. Жесткость достигается замкнутой рамной формой
станка и применением частей (деталей) коробчатой формы.
3. Удобство обработки и сборки станка. Удобство ремонта.
4. Обеспечение безопасности обслуживания станка.
5. Удобство ручной и крановой (для полуавтомата) загрузки станка.
6. Удобство встраивания в станок отдельных агрегатов и вспомогатель-
ных устройств.
7. Возможная малая площадь пола, требуемая для установки и обслу-
живания станка.
Для встраивания станка в автоматическую линию решающее значение
имеют следующие требования:
8. Возможность непрерывного автоматического отвода стружки из
зоны резания и от станка.
9. Увязка компоновки станка с транспортными системами автоматиче-
ских линий и загрузочными устройствами, применяемыми для заготовок,
обрабатываемых на станке.
§ 2. КОМПОНОВКА ОДНОШПИНДЕЛЬНЫХ АВТОМАТОВ
Как основная (за редкими исключениями) применяется горизонталь-
ная компоновка станка с боковым (передний и задний суппорты) и верти-
кальным веерообразным (до трех суппортов) расположением поперечных
КОМПОНОВКА ОДНОШПИНДЕЛЬНЫХ АВТОМАТОВ
361
Фиг. VI, 122. Рабочая зона токарного автомата
фирмы Манюрен мод. PF
362
КОМПОНОВКА АВТОМАТОВ И ПОЛУАВТОМАТОВ
суппортов, центральным расположением продольных суппортов для цен-
тровых инструментов (фиг. VI, 122 и 123) и для револьверной головки
(фиг. VI, 124).
Передний и задний боковые суппорты (фиг. VI, 122), а у револьверных
автоматов — только передний боковой суппорт (фиг. VI, 124) делают
иногда крестовыми для возможности
конического и фасонного точения по
поверхностей. Количество суп-
портов достигает пяти-шести.
продольного точения за выступами,
копиру и
растачивания внутренних
П1И1ПЬ»И»|.
124.
Токарно-револьверный
Фиг. VI,
автомат фирмы Манюрен мод. TR
И1НШ1ШИ
FIHHIIM
Веерообразное в вертикальной плоскости расположение поперечных
суппортов на люнетной стойке в автоматах продольно-фасонного точения
дает резцам возможность работать у самой люнетной втулки с малой кон-
солью заготовки, что, как и само введение люнетной втулки и продольной
подачи прутка, способствует высокой точности обработки.
Малые размеры заготовок и малые длины рабочих ходов, обусловли-
ваемые большим количеством суппортов и инструментов, приводят к ма-
лой длине стружки. С другой стороны, ограничение в силу ряда причин
(см. стр. 371) скорости резания (даже при инструментах, оснащенных
пластинками твердого сплава) при обильной подаче охлаждающей жидко-
сти способствует образованию стружки скалывания, увеличивает ее хруп-
кость и облегчает ее ломание. Поэтому при достаточном проеме в станине
и между боковыми суппортами отвод мелкой стружки из зоны резания
не вызывает затруднений.
При горизонтальной компоновке одношпиндельные автоматы могут
быть приспособлены к магазинной и, следовательно, к бункерной подаче
штучных заготовок, на которую ориентированы транспортные системы
автоматических линий для деталей, обрабатываемых на таких станках.
КОМПОНОВКА ОДНОШПИНДЕЛЬНЫХ ПОЛУАВТОМА ТОВ
363
§ 3. КОМПОНОВКА МНОГОШПИНДЕЛЬНЫХ АВТОМАТОВ
Снижение точности* по сравнению с одношпиндельными автоматами
вследствие погрешностей в расположении шпинделей в многошпиндельном
блоке и самого шпиндельного блока при его фиксации после поворота
привело к центральному расположению продольного суппорта и направле-
нию его по центральной трубе, заделанной одним концом в шпиндельный
Фиг. VI, 125. Общий вид токарного шестишпиндельного автомата мод. 1А225:
1 — сборник стружки; 2 — транспортер стружки; 3 — стойка для поддержки прутков; 4 — левая
стойка со шпиндельным блоком; 5 — поперечные суппорты; 6 — траверса с распределительным
валом; 7 — правая стойка с коробкой передач; 8 — продольный суппорт, независимые инструмен-
тальные шпиндели; 9 — станина
При этом станина, стойка шпиндельного блока, стойка коробки пере-
дач и траверса, несущая вверху распределительный вал, образуют жест-
кую замкнутую раму (фиг. VI, 125), несущую суппорты и механизмы
станка.
Верхнее расположение распределительного вала и центральный про-
дольный суппорт облегчают сход стружки. Для той же цели нижние попе-
речные суппорты делают пазового типа.
К недостаткам рассмотренной компоновки многошпиндельных авто-
матов относятся стесненные радиальные габариты шпинделей и стесненные
условия наладки инструментов продольного суппорта в двух нижних пози-
циях.
§ 4. КОМПОНОВКА ОДНОШПИНДЕЛЬНЫХ ПОЛУАВТОМАТОВ
Габаритные размеры одношпиндельного полуавтомата позволяют
развивать конструкцию шпиндельного узла, его привода, а в станках
общего назначения — и суппортных групп, ориентируя их на черновую
обработку заготовок резцами, оснащенными пластинками из твердого
сплава, при высоких скоростях резания, обусловленных стойкостью ин-
струментов. При широком внедрении в полуавтоматы общего назначения
гидрокопировальных суппортов и однорезцовой наладки вместо много-
резцовой расчетная стойкость инструментов снижается с 4,5—6 ч до 45—
60 мин и скорости резания еще возрастают.
Все эти обстоятельства приводят к образованию большого количества
сливной стружки. При копировании работа стружколомателей становится
ненадежной вследствие изменения скорости резания и сечения стружки.
364
КОМПОНОВКА АВТОМАТОВ И ПОЛУАВТОМАТОВ
В этих условиях надежный непрерывный автоматической отвод стружки
из рабочей зоны является одной из главных и трудных задач компоновки
станка; если эта задача не решена, теряется возможность встраивания
станка в автоматическую линию.
Другой не менее важной задачей является увязка компоновки одно-
шпиндельного полуавтомата с транспортной и загрузочной системами авто-
матической линии. У полуавтоматов общего назначения возможности этого
рода должны быть более широкими, чтобы они могли сопрягаться в одной
линии со станками иных назначений и компоновок, требующими различ-
ных видов транспортных и загрузочных систем.
Горизонтальная компоновка с горизонтальными или
наклонными (до 30°) к горизонтали суппортами делается со станиной в виде
двух коробчатых балок, с широким проемом между ними по всей длине
рабочей зоны. Продольные и поперечные суппорты располагаются на пе-
редней и задней балках, не перекрывая проема между балками.
Такая компоновка удобна для обслуживания станка (все узлы до-
ступны для рабочего с уровня пола), но имеет ряд недостатков:
1. Компоновка — незамкнутая, и жесткость станка ниже, чем могла
бы быть при замкнутой рамной компоновке.
2. Плохая обозримость работы инструментов задних суппортов с рабо-
чего места.
3. Затруднен доступ к заднему суппорту с рабочего места.
4. Условия для отвода стружки улучшены по сравнению с универсаль-
ными токарно-винторезными станками, у которых проем в станине не де-
лается сплошным и перекрыт мостом каретки суппорта, но непосредствен-
ному сходу сливной стружки вниз могут препятствовать суппорты и их
оснастка. Непрерывный сход сливной стружки при горизонтальной компо-
новке не обеспечен.
5. Загрузка заготовок удобна только сверху, что предопределяет
верхнее расположение основной транспортной трассы автоматической
линии, а при боковом расположении этой трассы перед фронтом станков —
верхнее транспортирование заготовки от транспортной трассы к месту за-
грузки. Сквозному горизонтальному транспортированию заготовок через
место ее зажима (межцентровая часть оси станка) препятствуют верхние
части суппорта.
Рамная (портальная) компоновка с верхним распо-
ложением продольных суппортов на траверсе применялась в различных
вариантах, обеспечивающих удовлетворительный сход сливной стружки.
При вертикальном расположении продольного суппорта (фиг. VI, 126,
схема компоновки полуавтомата фирмы Гассе-Вреде для обработки сна-
рядов средних калибров) облегчался доступ к рабочей зоне для наладки
резцов переднего суппорта и установки загрузку и съема детали вручную,
но суппорт затруднял крановую загрузку заготовок сверху. Кроме того,
затруднена наладка заднего поперечного суппорта. При горизонтальном
расположении продольных суппортов на нижней стенке траверсы
(фиг. VI, 127), как это было сделано в полуавтомате мод. 1832 (К 175) для
чернового обтачивания паровозных осей, представилась возможность вер-
тикальной и горизонтальной загрузки заготовки, ухудшилась обозри-
мость зоны резания. Ухудшился также доступ к продольному суппорту,
что учтено в конструкции резцедержателя (фиг. VI, 128). Существенно
улучшились условия отвода сливной стружки, для которой открыто сво-
бодное пространство для схода вниз, куда она отклоняется торцом резце-
держателя. По условиям отвода сливной стружки от продольного суп-
КОМПОНОВКА ОДНОШПИНДЕЛЬНЫХ ПОЛУАВТОМАТОВ
365
порта — это одна из наиболее удачных компоновок. Завод отказался от
горизонтальной компоновки станка для паровозных осей после предва-
рительной поисковой проработки рамной компоновки.
Рамная компоновка с наклонным расположе-
нием суппортов под углом 15° к вертикали. Приме-
ром такой компоновки может служить токарный многорезцовый полуавто-
мат мод. 1721 и гидрокопировальные полуавтоматы мод. 1722 и 1712
Фиг. VI, 126. Рамная компоновка с вертикальным расположением
продольного суппорта на траверсе
(фиг. VI, 129). Особенность этой компоновки — расположение направляю-
щих станины для продольного (верхнего) и поперечного (нижнего) суппор-
тов в плоскости с наклоном 15° к вертикали (фиг. VI, 130). Преимущества
этой компоновки следующие:
1. Близкий подход к заготовке и резцам со стороны рабочего места
для ручной и крановой загрузки, наладки и регулирования инструментов
и измерения детали.
2. Удобство устройства защитного кожуха.
3. Обозримость работы инструментов с рабочего места.
6975
гзьо
Фиг. VI, 127. Токарный многорезцовый полуавтомат завода «Красный пролетарий» мод. 1832
(К-175) для обтачивания паровозных осей
4. Удобный сход стружки, частично затрудненный поперечным суп-
портом.
5. Предельная универсальность в сопряжении с транспортными систе-
мами автоматических линий, так как подача заготовки при загрузке
возможна в горизонтальной плоскости с фронта станка при боковой
366
КОМПОНОВКА АВТОМАТОВ И ПОЛУАВТОМАТОВ
фронтальной транспортной трассе или при сквозном транспортировании
через место зажима заготовки (см. фиг. VI, 129, вид спереди при разве-
денных суппортах), а также сверху.
Вертикальная компоновка. Вертикальные одношпин-
дельные полуавтоматы строятся в двух вариантах: с верхним расположе-
нием шпинделя, удобным для отвода стружки при обработке внутренних
поверхностей, и с нижним расположением, более распространенным.
Такая компоновка имеет следующие преимущества:
1. Обозримость и доступность рабочей зоны и суппортов с рабочего места.
Фиг. VI, 128. Резцедержатель полуавтомата мод. 1832
2. Высокая жесткость конструкции.
3. Занимаемая площадь пола примерно на 40% меньше, чем при гори-
зонтальной компоновке.
4. Удовлетворительный отвод стружки.
К недостаткам компоновки следует отнести ограниченную длину обра-
батываемой заготовки, большой вес станка; возможность только боковой
загрузки заготовки при боковой фронтальной трассе обрабатываемых де-
талей.
§ 5. КОМПОНОВКА МНОГОШПИНДЕЛЬНЫХ ПОЛУАВТОМАТОВ
Для обработки заготовок диаметром до 200 мм применяют станки по-
следовательного действия с горизонтальной компоновкой, как у прутковых
автоматов, с которыми они широко унифицируются.
Для обработки заготовок диаметром 200, 300, 600 и 800 мм полуавто-
маты последовательного действия имеют вертикальную компоновку, кото-
рая обладает рядом преимуществ:
Износ опор столов более равномерен и меньше сказывается на точности
обработки. Более благоприятны габаритные условия для компоновки
шпиндельных узлов, а также их привода. Жесткость шпиндельных узлов
высока. В каждой позиции можно иметь свою скорость вращения шпин-
деля и свою величину подачи. Свободные габаритные условия позволяют
брать число шпинделей до 16. Высокая жесткость конструкции также
является важным достоинством ее.
При низком расположении шпинделей удобна боковая, ручная и кра-
новая загрузка заготовок. Для продольных и поперечных суппортов усло-
вия компоновки неблагоприятны. Поперечные суппорты приходится мон-
тировать на дополнительной колонне, что не обеспечивает жесткости, или
на приставной стойке, что ведет к увеличению габаритов станка.
4
Фиг. VI, 129. Общий вид полуавтомата мод. 1712:
/ и 2 — соответственно наладочный и рабочий пульт управления; 3 — маховик для установки резца на глубину; 4 — рукоятка для закрепления
каретки щупа; 5 — маховик для закрепления упора щупа; 6—маховик для перемещения упора щупа; 7—маховик для линейной установки шабло-
нов; 8 — панель управления копировальным суппортом; 9 — рукоятка управления пинолью задней бабки; 10—валик с квадратом для установки
резца на глубину; 11 — винт для перемещения задней бабки; 12 — панель управления пинолью задней бабки; 13—панель управления подрезным
суппортом
КОМПОНОВКА МНОГОШПИНДЕЛЬНЫХ ПОЛУАВТОМА ТОВ
А-А
В-В
КОМПОНОВКА АВТОМАТОВ И ПОЛУАВТОМАТОВ
Б~Б
ФИГ. VI, 130.
ный суппорт
мод.
Копироваль-
полуавтомата
1712:
1 — маховик для вращения винта 5; 2 —
корпус щупа; 3—эксцентрик для крепле-
ния каретки корпуса щупа; 4 — рукоятка
для поворота эксцентрика 3\ 5 — винт для
перемещения каретки с корпусом щупа и
его наконечником при установке резца на
глубину резания;
упор щупа;
6 — барабан шаблонов; 7 —• маховичок для крепления упора щупа Р; 8 — маховичок для перемещения упора щупа; 9 —>
10 — механизм перемещения наконечника и золотника щупа электромагнитом ЭМ5 (см. гидросхему фиг. VI, 66)
ГЛАВА VII
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ АВТОМАТОВ
§ 1. показатели производительности
Для автоматов и полуавтоматов основным показателем является штуч-
ная производительность: она более, чем другие показатели производи-
тельности (абсолютная производительность, производительность резания,
производительность формообразования, см. стр. 4, т. I), отвечает харак-
теру и размерам заготовок и цикличности работы автоматов.
Штучная производительность определяется по формуле
Q = Д22. шт/ч; (VI, 31)
1к
здесь tK — калькуляционное время обработки заготовки в секундах, опре-
деляемое по формулу
tK = U + — сек, (IV, 32)
где tMm — штучное время в сек;
tn. з — подготовительно-заключительное время в сек, нужное для
наладки станка и для демонтажа его оснастки после обработки партии
заготовок, состоящей из п шт.
Штучное время определяется по формуле
turn — to + te + tm. об + t0 a6 + сек, (VI, 33)
где t0 — основное технологическое время в сек-,
tg — вспомогательное время, т. е. время холостых быстрых (уско-
ренных) ходов суппортов и циклов движений вспомогатель-
ных рабочих органов, в сек-,
tm. об — время технического обслуживания (на подналадку, регули-
рование, правку, смену инструментов, удаление стружки),
отнесенное к одной детали, в сек;
t0. об — время организационного обслуживания станка в сек;
— время на физические потребности рабочего в сек.
От изложенного вышё общего метода определения штучной производи-
тельности станка в практике применения автоматов обычно отступают,
определяя расчетную штучную производительность без учета внецикловых
потерь, исходя из времени Т — длительности цикла обработки в сек по
формуле
Qpac« = Шт/ч (IV> 34)
ИЛИ
Qpacv = -у- шт!мин. (IV, 35)
370
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ АВТОМАТОВ
Здесь время цикла обработки
Т = tp + 4,
(IV, 36.
где tp — общая продолжительность рабочих ходов;
tx — общая продолжительность холостых ходов основных рабочих
органов и суммарное время циклов движений вспомогатель-
ных рабочих органов.
Внецикловые потери времени учитывают общим эксплуатационным
коэффициентом q3, и фактическую штучную производительность опреде-
ляют по формуле
О-факт О.расч^\э* (VI, 3/ »
Эксплуатационный коэффициент в зависимости от сложности изготов-
ляемой детали принимают q, — 0,9 для деталей простой формы; q3 = 0,85
для деталей средней сложности; qa = 0,8 для деталей сложной конфигу-
рации.
Для автоматических линий принимают q3 = 0,65-ь 0,8.
Проф. Г. А. Шаумян, рассматривая производительность автоматов,
исходит из идеальной технологической производительности QmeXH = К:
QmexH = К = Шт/мин,
1Р
(IV, 38)
где tp — общее время несовмещенных рабочих ходов за цикл обработки
заготовки в мин.
Расчетная производительность рабочей машины
Ср. м Tl / шт/мин, (IV, 39)
Гр -f- 1Х
где tx — общее время несовмещенных холостых ходов основных рабочих
органов и циклов движений вспомогательных органов.
Подстановка tp = в формулу (VI, 39) дает
(IV, 401
~/Г+х
где
,=^1 (IV.4D
Afjc “Г 1 A tp + tx *
q — коэффициент производительности рабочей машины;
Т — длительность цикла обработки [формула (VI, 36)].
Акад. В. И. Дикушин называет отношение -у- степенью непрерывности
технологического процесса. Как видно из выражения (VI, 41), она равно-
значна коэффициенту производительности рабочей машины, предложен-
ному Г. А. Шаумяном.
Из выражения q = \ t видно, что при tx = const величина q умень-
шается с увеличением К — технологической производительности. Чтобы q
возрастало с увеличением К, нужно одновременно уменьшать tx, т. е.
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ АВТОМАТОВ
371
наряду с технологическим процессом совершенствовать станок. Если это
условие соблюдается, то, как видно из выражения (VI, 40)
Q.P. м ~т—~— при оо и tx^ о,
~K+tx
увеличение производительности рабочей машины теоретически не имеет
предела.
Коэффициент производительности автоматов и полуавтоматов имеет
следующие значения:
одношпиндельные автоматы т| = 0,35ч-0,45;
револьверные автоматы т] = 0,50ч- 0,60;
горизонтальные многошпиндельные автоматы и полуавтоматы т) =
= 0,65 ч-0,85;
вертикальные многошпиндельные токарные полуавтоматы т] = 0,75 ч-
ч-0,85.
Для определения фактической производительности необходимо учи-
тывать внецикловые потери времени tn. Тогда
I 1
Л
K(tx+tn) + l (IV’42)
где общий коэффициент производительности
_ 1
110 ” К (tx + tn) 4-1 •
(IV, 43)
§ 2. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ АВТОМАТОВ
Для повышения производительности автомата необходимо уменьшать
затраты времени на рабочий цикл автомата, а также на элементы штучного
калькуляционного времени, составляющие внецикловые потери.
Для уменьшения t0 — основного технологического времени иля, иначе
говоря, времени tp — на рабочие хода рабочих органов, применяются
следующие способы:
1. Концентрация режущих инструментов в каждой позиции. Степень
концентрации оценивается коэффициентом концентрации с = —, где т —
общее число инструментов, ап — число позиций.
2. Совмещение рабочих ходов во времени.
3. Независимые скорости вращения шпинделей и величины подач
в каждой позиции. Это осуществлено, например, в токарно-револьверном
автомате мод. 1А136 и многошпиндельных вертикальных токарных полуав-
томатах.
4. Параллельная обработка нескольких деталей.
5. Применение инструментов с пластинками из твердых сплавов
с целью возможности скоростного резания. Последнее лимитируется:
а) недостаточной жесткостью шпинделей и их опор вследствие стесненных
радиальных габаритов и конструктивной насыщенности шпиндельных
узлов (шпиндельных блоков многошпиндельных автоматов); б) необходи-
мостью производить продольное обтачивание, точение фасонными резцами
и отрезку при одной настройке скорости вращения шпинделя; в) осложне-
нием ломания и отвода стружки.
372
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ АВТОМАТОВ
5)
Фиг. VI, 131. Быстросменный резец:
а — крепление резца; б—приспособление для
регулирования резца по длине вне станка
Наиболее благоприятны условия для шпинделей в отношении их ра-
диальных габаритов и настройки скорости вращения у одношпиндельных
копировальных полуавтоматов и вертикальных многошпиндельных полу-
автоматов.
Для уменьшения tx — времени на холостые хода суппортов и других
основных рабочих органов — используются следующие способы:
1. Совмещение холостых ходов во
времени между собой и с рабочими
ходами.
2. Уменьшение числа холостых
ходов вследствие уменьшения коли-
чества рабочих переходов при помощи:
многоинструментной обработки и при-
менения копирования.
3. Увеличение скорости холостых
ходов (быстрое вращение распредели-
тельного вала, специальные устрой-
ства для быстрого подвода и отвода).
Для уменьшения затрат времени:
на цикл движений вспомогательных
рабочих органов служат:
1. Совмещение вспомогательных
движений между собой и с холостыми:
ходами суппортов (переключение ре-
вольверной головки и отвод ее суп-
порта по кривой спада профиля ку-
лачка; см. циклограмму на фиг. VI.
37).
2. Увеличение скоростей вспомо-
гательных движений (привод испол-
нительных механизмов от быстроход-
ных вспомогательных валикрв, о~
индивидуальных электродвигателей).
3. Автоматизация вспомогатель-
ных движений в полуавтоматах (загр\ -
зочные и зажимные устройства).
Для уменьшения времени tm.o —
на техническое обслуживание исполь-
зуются:
1. Плановая подналадка станка, при которой подналадка группы
инструментов совмещается во времени и может быть подготовлена заранее.
2. Сокращение затрат времени на подналадки при помощи взаимозаме-
няемых державок, устанавливаемых по базовым поверхностям на суп-
порте. Выверка инструментов производится вне станка по базовым по-
верхностям по индикатору. Фиксатор 2 (фиг. VI, 131), укрепленный на
тяге 4, входит в угловой поперечный паз в основании резца и под воздейст-
вием пружины 1 прижимает резец к основанию гнезда в корпусе резцовогс
блока и к винту 3. Окончательно резец крепится в гнезде резцового блока
силой резания. Выверка резца по длине производится в приспособлении
(фиг. VI, 131, б) по резцу-эталону (при установке резца и эталона в кор-
пусе 1 до упоров 2) по индикаторам 4, на которые воздействуют штоки 3.
упирающиеся в регулировочные винты резца и эталона.
3. Одноинструментальная обработка — копирование.
ВЫБОР КОЛИЧЕСТВА ШПИНДЕЛЕЙ
373
4. Применение автоматической подналадки.
Уменьшение to.o6—затраты времени на организационное обслужива-
ние станка — достигается улучшением общей организации производства
и применением плановой подналадки, исключающей потери времени на
ожидание наладчика.
Для уменьшения tn. 3 — доли подготовительно-заключительного вре-
мени в калькуляционном штучном времени tK — и уменьшения соответ-
ствующих внецикловых потерь времени применяют несколько способов:
1. Увеличение количества п деталей в партии.
2. Упрощение переналадки станка на другие длины ходов рабочих
органов настройкой механизмов передач от кулачков к суппортам и дру-
гим рабочим органам без смены кулачков.
3. Применение групповых наладок (см. стр. 388).
4. Применение быстросменной наладочной оснастки, отрегулирован-
ной вне станка: быстросменных резцов и их блоков, блоков кулачков и це-
лых агрегатов (шпиндельные коробки агрегатных станков).
§ 3. ВЫБОР КОЛИЧЕСТВА ШПИНДЕЛЕЙ
Увеличение числа шпинделей, так же как и повышение степени автома-
тизации станка, усложняет наладку станка, увеличивает затраты времени
на ее выполнение и повышает подготовительно-заключительное время,
затраченное на подготовку станка к обработке какой-либо партии деталей
Фиг. VI, 132. Изменение калькуляционного времени в зависимости от типа токар
ного станка и величины партии:
а — время на обработку партии деталей; б — время на обработку одной детали
(фиг. VI, 132, а). Наряду с этим при повышении степени автоматизации
станка и увеличении числа главных шпинделей повышается Цроизводитель-
ность станка, и общая затрата времени на изготовление партии деталей
будет различно изменяться с увеличением количества деталей в партии
станков различных типов (фиг. VI, 132).
С увеличением количества деталей в партии штучное время изменяется
так (см. фиг. VI, 132), что для каждого станка существует своя наивыгод-
нейшая область в определенных пределах величины партии деталей,
374
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ АВТОМАТОВ
в которой штучное время получается для станка данного типа меньше, чем
для станков других типов. Таким образом, оптимальное количество глав-
ных шпинделей зависит от размера партий обрабатываемых заготовок.
Количество шпинделей связано с технологическим процессом: для по-
лучения детали сложной конфигурации со сложным технологическим про-
цессом требуется большее количество шпинделей и позиций.
Увеличение количества шпинделей и позиций дает возможность рас-
членить лимитирующую по длительности операцию и сократить затраты
времени на выполнение операций.
Выбор количества шпинделей в автоматизированных станках связан-
ной конструкции, при которой выход из строя одного шпинделя вызывает
простой всех остальных шпинделей станка, зависит от относительного
времени простоя станка, вызванного неполадками его шпинделей и свя-
занными с ними позициями.
Обозначим:
— время простоя шпинделя станка в минутах по неполадкам, свя-
занным с этим шпинделем, за некоторый период времени Т мин
(например, за одну смену);
1 и
Г1 = -у--относительное время простоя шпинделя по своей вине;
Рп — rin — относительное время простоя шпинделя как по своей вине,
так и по вине остальных шпинделей при общем числе шпинделей п\
qn — относительное время чистой работы шпинделя при простоях его
по своей вине и по неполадкам на других шпинделях.
Очевидно, что
Чп = 1 — Рп = 1 — (IV, 44)
Суммарное время Ап чистой работы n-шпиндельного станка за период Т
будет
Ап = qnnT = (1 — гхп) пТ = (п — ггп2) Т. (VI, 45)
Определим, при каком значении п — числа шпинделей время Ап имеет
максимальное значение:
Т(1-2г1я) = 0, (IV, 46)
откуда
П = (IV, 47.)
Так как
-^ = -2г1Т<0, (IV, 48»
то при п — время Ап чистой работы всех п шпинделей имеет максималь-
ное значение:
= = = (IV,49.
Время Ai чистой работы одношпиндельного станка за тот же период Т:
= (1 — rj Т. (VI, 50»
Относительное увеличение производительности kn при увеличении
числа шпинделей с 1 до и:
Ь __ Ап __ (I г1л) п? _ rin)п /tv м
Ai ~ (l-rJT ~ 1 -- г j (IV,ЬЬ
ВЫБОР КОЛИЧЕСТВА ШПИНДЕЛЕЙ
375
1
имеет при п = максимальное значение:
h — max —__________________________т _____ 1 /ту
кЛгаах А1 — 4Г1(1_Г1)Г“4Г1(1_Г1)-
Из уравнения (VI, 51) следует, что при гг = 0 k = п и при увеличении
п — числа шпинделей k возрастает по закону прямой линии (фиг. VI, 133).
Фиг. VI, 133. Относительное изменение производительности станка
связанной конструкции с увеличением числа шпинделей
Из уравнения (VI, 45) следует, что Ап = 0 при
(1 — гхп) пТ = 0, (VI, 53)
и так как п =}= 0 и Т 0, то Ап = 0 при условии
1 — Г1п = 0, (VI, 54)
т. е.
п = (IV, 55)
Очевидно, что при п = -у- отношение k = также равно нулю.
Величины Ап и kn имеют максимальные значения при числе шпинде-
лей п = ------в 2 раза меньшем числа шпинделей п = —, при котором
Ап и kn равны нулю.
Конкретные величины п и k для различных гх приведены в табл. VI, 2
и на фиг. VI. 133.
Таблица VI, 2
1 к п max \ А1 /шах А „ = 0 и k„ = 0 п п при П — —
0,02 25 12 50
0,04 12 б 25
0,06 8 4 16
0,08 6 3 12
По мере развития станкостроения возрастает надежность станков,
совершенствуются способы и организация их подналадки, что ведет
к уменьшению относительного времени гх — простоев по вине неполадок на
отдельных шпинделях и позициях, вызывает тенденцию к увеличению
числа шпинделей и позиций.
ГЛАВА VIII
НАЛАДКА АВТОМАТОВ
Наладкой автоматов называется совокупность всех работ по подготовке
автомата к изготовлению детали по заданному чертежу и ТУ. Наладка
включает в себя: составление плана обработки; разработку расчетной карты
наладки; изготовление недостающей оснастки автомата; кинематическую
настройку станка; монтаж и регулирование оснастки.
§ 1. СОСТАВЛЕНИЕ ПЛАНА ОБРАБОТКИ
План обработки составляется с учетом специфики автомата данного
типа в отношении режимов обработки, распределения операций по пози-
циям, настройки числа оборотов и подач в различных позициях, по воз-
можности совмещения операций, наладочных характеристик рабочих орга-
нов, нормальной оснастки различных позиций и т. д. Сведения этого рода
приводятся в паспорте и руководстве, прилагаемых к автомату.
Наряду с этим для универсальных токарных автоматов имеются неко-
торые общие правила, отражающие особенности технологического про-
цесса:
1. Совмещение рабочих операций и увеличение числа одновременно
работающих инструментов в каждой позиции.
2. Совмещение холостых ходов друг с другом и с рабочими ходами.
3. К чистовой обработке приступать после окончания черновых пере-
ходов.
4. Не допускать сильного уменьшения жесткости обрабатываемой за-
готовки до окончания черновых переходов.
5. Точная обработка по длине детали производится подрезкой торцов
с поперечных суппортов, для чего при обтачивании с продольного суп-
порта оставляют припуск 0,5—1 мм.
6. Для ускорения отрезки, которая требует относительно много вре-
мени, особенно при сплошном сечении среза, желательно развивать ши-
рину фасонного резца или подготовить отрезку иным путем.
7. Желательно также подготовлять фасонное обтачивание, разделяя
его на черновое и чистовое.
8. При фасонировании с целью предупреждения овальности поверх-
ности и для повышения класса чистоты обработки необходимо давать суп-
порту выстой на упоре для зачистки поверхности детали.
9. При сверлении отверстий необходимо предварительно зацентриро-
вать деталь сверлом большого диаметра.
10. Для уменьшения длины рабочих ходов при сверлении ступенчатогс
отверстия сперва сверлят отверстие большего диаметра.
11. Для отвода стружки и охлаждения сверла глубокое отверстие делают
за несколько переходов: первое сверление — на глубину /x<3d, второе—
на глубину Z2<2d, третье — на глубину (d — диаметр отверстия'*.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ОПЕРАЦИИ
377
12. Если необходима строгая концентричность (соосность) наружных
и внутренних или цилиндрических ступенчатых поверхностей, то оконча-
тельно такие поверхности следует обрабатывать в одной позиции.
13. Для многошпиндельных автоматов желательно обеспечить одинако-
вую продолжительность времени обработки на всех позициях разбивкой
длин обрабатываемой поверхности на равные участки, увеличением вели-
чины подачи или скорости резания на позициях с большой длиной обра-
ботанной поверхности.
14. Нарезание резьбы не следует совмещать с другими операциями.
Расчетную длину рабочего хода увеличивают на две-три нитки по сравне-
нию с длиной резьбы на чертеже детали, а фактическую длину рабочего
хода уменьшают на 10—15% расчетной величины соответственным умень-
шением радиуса кулачка в конце рабочего хода. Таким образом, подача
суппорта отстает от перемещения метчика или плашки по нарезаемой
резьбе, и срыв резьбы при неправильной подаче суппорта кулачком исклю-
чается. Метчик и плашка имеют необходимое свободное осевое перемеще-
ние в державке.
Для всех рабочих переходов плана обработки вычерчивают в масштабе
эскизы расположения заготовок, инструментов и державок для крайнего
положения в конце рабочего хода с указанием марок и размеров инстру-
ментов и державок и длин ходов. Эскизы сличают с наладочными харак-
теристиками рабочих органов и проверяют, не мешают ли друг другу
суппорты, державки и инструменты различных позиций во время их дви-
жений. Эскизы служат также для подбора и проектирования инструмен-
тов, державок и другой оснастки, а также для определения радиусов и ве-
личин подъема кривых кулачков.
Режимы обработки устанавливают с учетом специфики автомата дан-
ного типа, пользуясь для этого руководством к станку. Скорости резания
ограничиваются не только повышенной расчетной стойкостью инструмен-
тов, но в отдельных случаях также недостаточной жесткостью габаритно
стесненной конструкции шпиндельных узлов, совмещением различных
инструментов и операций в одной позиции, применением одной скорости
вращения шпинделя в нескольких позициях, когда снижение скорости
резания приходится компенсировать увеличением подачи.
План обработки служит исходным материалом для разработки расчет-
ной карты наладки и оформляется совместно с ней.
§ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ОПЕРАЦИИ И КООРДИНАЦИЯ
РАБОЧИХ ХОДОВ
В расчетной карте наладки не только рабочие, но и холостые хода
основных рабочих органов, а также движения вспомогательных органов
рассматриваются как отдельные переходы.
Во избежание удара инструментов о заготовку в конце быстрого под-
вода длина рабочего хода I берется больше длины 1г обработки на вели-
чину А — длины подвода со скоростью рабочей подачи:
I = /г + A. (VI, 56)
Величина А намечается руководством к станку. Для различных авто-
матов она берется: для продольных суппортов А == 0,24-1 мм для попереч-
ных А = 0,14-0,5 мм.
Относительную координацию рабочих ходов производят по количеству
оборотов шпинделя nh приходящихся на данный (i-й) рабочий переход.
378
НАЛАДКА АВТОМАТОВ
При постоянной скорости вращения шпинделя на всех рабочих переходах
щ = об, (IV, 57 *
где 4 — длина рабочего хода для данного перехода’в мм;
— подача для данного перехода в мм на один оборот шпинделя.
При различных скоростях вращения шпинделя
= (IV, 58)
где С[ — коэффициент приведения к пша — основному числу оборотов
шпинделя в минуту;
пш1 — число оборотов шпинделя в минуту на данном переходе.
Коэффициент приведения
С. = (IV, 59»
Пш£
Время на рабочий переход t# определяется по формуле
= (IV, 60)
§ 3. ОБЩАЯ КООРДИНАЦИЯ ЦИКЛА
Общецикловая координация рабочих и холостых ходов основных рабо-
чих органов и движений вспомогательных органов производится или в гра-
дусах, или в сотых долях одного оборота распределительного вала.
Для этого сначала определяют ^kxi — количество градусов или сотых
долей одного оборота распределительного вала, который потребуется для
всех (за исключением совмещенных) холостых ходов и вспомогательных
движений. Затем находят общее количество сотых долей оборота или гра-
дусов, приходящихся на все несовмещенные рабочие хода:
2^ = 100 —(VI, 61)
или
2^ = 360 — ^kxi, (VI, 62)
здесь kpl и kxi — количество сотых долей оборота (или градусов), прихо-
дящееся на данный рабочий или холостой переход.
Общее количество сотых долей (или градусов), приходящееся на все
рабочие переходы, распределяют пропорционально числу оборотов п.
шпинделя, приходящемуся на данный рабочий переход:
(IV. 63.
Количество сотых долей или градусов kxl для
холостых ходов основных рабочих органов
(подвод и отвод инструментов) в зависимости от длины 1Х холостого хода
определяется по таблицам или шаблонам для кривых холостого хода, как
Рх == / (I*)- Эти данные приводятся в руководствах для некоторых до-
вольно широких пределов длительности цикла обработки Тц и производи-
тельности автомата. Для предварительного, ориентировочного определе-
ния длительности цикла принимают, что все холостые хода и вспомога-
тельные движения составляют некоторый процент от суммарного времени
Тр всех несовмещенных рабочих ходов, которое согласно формуле (VI, 6С
определяется как
<IV’64
I^IUO
ОБЩАЯ КООРДИНАЦИЯ ЦИКЛА
379
Например, для токарно-револьверного автомата ориентировочную дли-
тельность цикла Тц о принимают равной:
ТЦл0 = (1,254-1,30) Тр. (VI, 65)
Количество сотых долей или градусов kxi для движений вспомога-
тельных рабочих органов задается в руководствах к станку или непосред-
Для реВольвернои головки
Фиг. VI, 134. Шаблон для кривых холостых ходов суппортов
станка мод. 1А136
ственно в сотых долях или градусах, или величину kxi приходится вы-
числять по времени txii указанному в руководстве для вспомогательного
движения, пользуясь соотношением
kxi= 100, (VI. 66)
1 ц. о
где ТЦе 0 — ориентировочная длительность цикла обработки, определен-
ная по формуле типа (VI, 65).
У токарно-револьверных автоматов переключение револьверной го-
ловки на V6 оборота занимает точно определенное время (2/3 сек у станка
мод. 1А136 и V 2 сек у станка мод. 1А112). Окончание переключения головки
совпадает по времени с концом отвода револьверного суппорта по кривой
спада кулачка (см. стр. 285), время этого отвода не учитывают и относят
к переключению револьверной головки. Это отчасти учитывается при
табличном задании в руководстве к станку количество сотых на переклю-
чение головки в зависимости от радиуса, на котором заканчивается пере-
ключение: при уменьшении радиуса количество сотых увеличивается.
Это увеличение вызывается и условиями вычерчивания кулачка с учетом
диаметра ролика.
380
НАЛАДКА АВТОМАТОВ
Количество сотых на переключение револьверной головки точно
определяется наложением шаблона (фиг. VI, 134) на трафарет диска
кулачка револьверного суппорта (фиг. VI, 135), для чего на трафарете нано-
сят концентрические окружности с радиусами от 40 до 115 мм через 5 лии.
Подсчитав для всех несо-
вмещенных холостых ходов и
вспомогательных движений
сумму по формулам (VI,
61) — (VI, 63), определяют
kpi — количество сотых долей
(или градусов) оборота рас-
пределительного вала для
каждого рабочего хода.
§ 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЦИКЛА
ОБРАБОТКИ
Для автоматов I и III
структурных групп (см. стр.
267) полное количество обо-
ротов шпинделя для изгото-
вления одной детали пд опре-
деляется формулой
(VI, 67)
Время на изготовление
одной детали
т = 60na сек (VIj б8)
ц ntuo
Фиг. VI, 135. Трафарет для кулачка револьверного
суппорта
Пд =
По паспорту станка полученная величина округляется до ближайшего
значения в таблице сменных колес для настройки чисел оборотов распре-
делительного вала. Если полученное значение Тц настолько отличается
от принятого по формуле (VI, 65) ориентировочного значения, что это
значительно отражается на величинах kxh принятых ранее по таблицам
или подсчитанных по формуле (VI, 66), то делают перерасчет.
Подсчитанные величины поворота распределительного вала kpL и kx
вносят в расчетную карту наладки и затем строят циклограмму круговую
или прямоугольную (см. фиг. VI, 37).
Прямоугольная циклограмма в отличие от круговой позволяет судить
об относительном перемещении рабочих органов, если эти перемещения
отложены в определенном масштабе.
Изложенный общий метод подсчета количества сотых долей (или
градусов) для рабочих (kpi) и холостых и вспомогательных (kxi) ходов
ориентирован на автоматы III группы (токарно-револьверные). В при-
менении к автоматам I и II групп этот подсчет упрощается.
§ 5. ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ РАСЧЕТНОЙ КАРТЫ
ДЛЯ МНОГОШПИНДЕЛЬНЫХ АВТОМАТОВ
Продолжительность обработки на всех позициях одинакова. Чтобы
сделать ее наименьшей, наиболее длительные операции подразделяют
между двумя, а иногда и тремя позициями. Число пшп оборотов шпинделей
в минуту устанавливают по обточке фасонным резцом.
РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ КАРТЫ ДЛЯ АВТОМАТОВ
381
Многорезцовые автоматы относятся ко второй структурной группе —
холостые хода и вспомогательные движения совершаются при быстром
повороте распределительного вала на постоянный угол [} (у станка
мод. 1240-6 угол Р = 220°, см. фиг. VI, 31) за постоянное время tx, выде-
ленное для холостых ходов суппортов и вспомогательных движений
(у станка мод. 1240-6 время tx = 2,1 сек).
Находим число оборотов щ шпинделя за время tp наиболее длительной
операции:
я,=4- <VI’69>
где I — фактическая длина пути подачи в мм (см. ниже);
s — фактическая подача на один оборот шпинделя в мм! об.
Расчетная карта наладки
Таблица VI, 3
План обработки Наименование переходов Расчетный ход инструмента в мм Рабочий ход инструмента в мм Подача в мм{об Количество обо- ротов, соответ- ствующее рабо- чему ходу Принятое коли- чество оборотов
й —< Центровать до 0 22 и про- точить до 0 78 Подрезать торец и про- точить уступ 50,5 20 65 22,8 0,17 0,06 383 380 394 394
ЗяР то» Проточить до 0 78 и сверлить отверстие 0 17,3 Проточить выточку до 0 62 62 11 65 13,7 0,17 0,036 383 380 394 394
37~~\ 3 Сверлить отверстие 0 15 Проточить уступы фасон- ным резцом 38 10,5 15,5 0,1 0,041 181 378 394
г -Г —ЗЯ
Нарезать резьбу М20 X X 2,5 30 2 23
Отрезать деталь 20 25,6 0,068 376 394
382
НАЛАДКА АВТОМАТОВ
Время наиболее длительной операции
t„ = 60 сек.
р пшп
(VI, 70»
К этому времени прибавляется время tM на включение муфты быстрого
хода распределительного вала, которое происходит за время поворота
распределительного вала на угол 0Ж со скоростью рабочего хода (у станка
Фиг. VI, 136. Ролик
мод. 1240-6 угол 0Л — 4,5°).
Рабочий ход распределительного ва-
ла совершается за угол поворота ар =
= 360°—0, а наиболее длительная опе-
рация — за угол поворота ар — 0Л =
= 360° - (0 + 0J.
Время рабочего хода распределитель-
ного вала
X 360о36°°Йа-< сек. (VI, 71)
360 — (Р + Рле)
Gp
I = 1г + Д осуществляются при посто-
Расчетные хода инструментов
янных наборах кулачков путем регулирования рычажной системы передач
от кулачка к суппорту. При этом для выбранного кулачка с нужной вели-
чиной подъема кривой подсчитывают по руководству к станку с учетом
передаточных отношений рычажных систем фактические длины рабочих
ходов и фактические величины подач в мм! об.
В каждой позиции подсчитывают количество оборотов шпинделя на
неперекрытые рабочие переходы по формуле (VI, 69) и следят, чтобы ло-
мало различались. По величине nz подбирают сменные колеса привода
распределительного вала.
Расчетная карта наладки для обработки на
станке мод. 1265 ролика по фиг. VI, 136 приве-
дена в табл. VI, 3.
Определение радиусов кулачка
Дисковый кулачок револьверного суппорта —
один из наиболее сложных по конфигурации. Пере-
даточное отношение передачи от кулачка к суп-
порту равно 1 (фиг. VI, 137), и при повороте
кулачка перемещение револьверного суппорта
равно изменению радиуса кулачка. Для каждого
положения суппорта
+ Rj = const,
Фиг. VI, 137. Рычаг дис-
кового кулачка револь-
верного суппорта
(VI, 72)
где Lj — расстояние от торца зажимной цанги до кромки револьверной
головки;
Rj — соответствующий радиус кулачка.
На эскизах плана обработки (табл, на стр. 384) выявляется размер Li:
для положения револьверного суппорта в конце каждого рабочего хода
при радиусе Ru. Для перехода с наименьшей величиной Lmin принимают
/?тах == 120 мм, равный половине диаметра заготовки кулачка, учитывая.
РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ КАРТЫ ДЛЯ АВТОМАТОВ
383
что при работе на больших радиусах кулачка уменьшается коэффициент
нагрузки и уменьшается опасность заклинивания.
Наименьшая величина Lmin = L^6 = 93 мм для 5 и 6-го переходов
и ь"б + ₽"б = 93 + 120 = const = 213 мм.
Фиг. VI, 138. Кулачок револьверной головки; кривые рабочих ходов
и сбега метчика и плашки — архимедовы спирали; кривые отвода
(спуск ролика) — построены по шаблону. Для рабочего профиля
допуск 0,1 мм
Для данной наладки L; + == 213 мм для всех положений револь-
верной головки, и радиус кулачка для конца каждого рабочего перехода
Я-' = 213—L*1 (VI, 73)
за исключением нарезания резьбы, когда расчетный радиус в конце
рабочего хода R11 уменьшается на 10% длины рабочего хода, чтобы дать
возможность резьбовому инструменту подаваться нарезаемой резьбой,
опережая суппорт, во избежание срыва резьбы при неточной подаче
суппорта (табл. VI, 4).
Подача прутка до упора производится на радиусе = 64 мм, рав-
ном радиусу- 7?з начала последующего рабочего хода, чтобы меньше отво-
дить головку при последующем переключении. Пользуясь форму-
лой (VI, 72), находят L?1 = 213 — 7?}* = 213 — 64 = 149 мм и соответ-
ственно выставляют упор.
384
НАЛАДКА АВТОМАТОВ
Операционная карта обработки
Эскизы обработки по переходам Инструмент
Режущий Вспомога- тельный Мери- тельный
Резец, фасочный
Упор 31-12-4 Державка 361820 Линейка штанген- циркуль
Резец про- ходной Р 17-4 3 шт Державка 361822, 0 25 Втулка 361834, 0 10 о S ж «5 ® ж о 2 || s £ Наименование переходов
Резец фасоч- ный Р 17-2 Державка 361821, 0 25 Втулка 361833, 0 6,7 се Б X &
1. Подача материала
Резец диско- вый для ка- навки и фаски Резец фасоч- ный верхне- го суппорта Р 17-26 Плашкодер- жатели 361845-А Кольца резьбовые 2. Переключение револь- верной головки
Метчико- держатели 361842, d=6 1 М16 3. Обточка 0 34 и 0 24
Пробка резьбовая М8 «J 4. Переключение револь- верной головки
Резец отрез- ной заднего суппорта Р 17-18 Державка заднего суп- порта ж са о ч о к «3 X 5. Обточка 0 15,88_0 Т2 центровка
361811, 361813 о. (D И ч о и 6. Зачистка
<и а. 7. Переключение револь - верной головки
8. Сверление отверсти ? 0 6,7; обточка фаск* 1X45°
9. Переключение револх
верной головки
10. Нарезание резьбы 1 л
16x1,5
РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ КАРТЫ ДЛЯ АВТОМАТОВ
385
Таблица, VI, 4
на одношпиндельном автомате
Станок
Тип | Модель И нв. №
Токарно- револьвер. 1А136
Охлаж- дение Сульфофрезол
Материал Марка Твердость
Сталь А12
Заготовка
Рабо- чий ход в мм Подача в мм/об Обороты шпинделя Кулачковый диск
Сотые доли Ради- усы 0 36X3000
Рабо- чие хода Для рас- чета Рабо- чие хода X оло- стые хода От До От До Сменные зубчатые колеса
А Б В Г
1 0 1 64 64
20 80 60 45
Установочное расстояние от револьверной голов- ки до шпинделя 173
2,5 1 3,5 63 63
54 0,12 450 450 15,5 3,5 19 64 118
Положение кулачка для переключения
3 19 22 88 88
Левый ход Правый ход
I | 2,5
31 0,15 207 207 1,5 — 22 29,5 89 120
19
III 30
0,5 29,5 30 120 120 IV 42
V 60
4 30 34 81 81 VI 1 97
Подача материала 0
23 0,066 350 230 8 34 42 82 105 Режим обработки
Вид обра- ботки Об- точка от- резка Свер- ление Наре- зание резь- бы
4 42 , 46 71 71
Ско- рость реза- ния 118,5; 75 33,3 5; 7,5
28 1,5 19 200 7 — 46 53 72 97
J А черкан. Зак. 659
386
НАЛАДКА АВТОМАТОВ
Эскизы обработки по переходам Инструмент 1 Наименование 1 суппорта I Наименова ие переход:
Режущий Вспомога- тельный Мери- тельный
Сверла ле- вые: 0 6,7; 0 ю Плашка 1 М16 Метчик М8 Державка переднего суппорта- 361802 Кулачки: револьверной головки Р переднего суппорта П заднего суппорта 3 верхнего суппорта В •
1 Револьверная головка | 11. Сбег плашки
12. Переключение ревое. верной головки
13. Нарезание резьба М8х1,25
14. Вывод метчика
15. Переключение револг верной головки
J Поперечные суппорты 16а. Обточка канавки д 0 28
Перед- ние Фаски 1,5x45е
Зачистка
Задние Отрезка
Отвод отрезнс го резца
166. Верх- ние Обточка фаске 1,5X45°
Зачистка
Итого
РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ КАРТЫ ДЛЯ АВТОМАТОВ
387
Продолжение табл. VI, 4
Рабо- чий ход в мм Подача в мм/об Обороты шпинделя Кулачковый диск Сотые доли Ради- усы Число оборо- тов шпин- деля в ми- нуту 1050; 680 1580 100; 300
Рабо- чие хода Для рас- счета Рабо- чие хода Холо- стые хода От До От До
28 1,5 19 200 7 — 53 60 97 72 Расчетное число оборо- тов шпинделя в ми- нуту 1050
4,5 60 64,5 50 50
Рабочее число оборотов шпинделя 2217 '
21 1,25 17 60 2 — 64,5 66,5 54 73
Холостое число оборотов шпинделя 643
21 1,25 17 60 2 — 66,5 68,5 73 54
Потребное число оборо- тов шпинделя для из- готовления 1 детали 2860
(2) (97) (99) 50 50
3,5 0,03 117 (180) (6,5) (68,5) (75) 57,5 61
(0,5) (75) (75,5) 61 61
18,3 0,035 525 810 28,5 — 68 97 56,7 75
3 97 100 75 35
2,5 0,03 84 (129) (4,5) — 68,5 (73) 57,5 60
(0,5) (73) (73,5) 60 60
2217 77,5 22,5 •
№ перехода 3,5 3 10 12 16
Коэффициент прив. 1 0,665 10,5 3,5 1,54
Число оборо- тов шпин- деля 1050 1580 100 300 680
388
НАЛАДКА АВТОМАТОВ
По паспорту станка мод. 1А136 наибольший ход (и длина проточки)
револьверной головки h = 80 жж. Наибольшее расстояние кромки револь-
верной головки от торца зажимной цанги (паспортный установочный раз-
мер головки) Q = 188 жж, а наименьшее Р = 64 жж. Для паспортного
установочного размера Q = 188 жж имеем L^in = Q — h = 188 — 80 =
= 108 ЖЖ При /?тах = 120 ЖЖ И L^in + Ятах = COHSt = 108 + 120 =
= 228 жж. _ /
Наибольшее значение постоянной в уравнении ограничено: Lz- + Rj =
= const = 228 жж, и если L^in > 108 жж, то берут соответственно
/?тах < 120 ЖЖ.
Если Lmin < 108 и Q = Lmin + h + 80 < 188 жж, то принимают
^тах = 120 жж и регулировкой выставляют револьверный суппорт (по
отношению к рейке); выставляют державки в револьверной головке.
Это делается при L^in > 64 жж.
Построение кулачка для операционной карты (стр. 384) наказано
на фиг. VI, 138.
§ 6. ГРУППОВЫЕ НАЛАДКИ ТОКАРНЫХ АВТОМАТОВ
Из опыта эксплуатации токарно-револьверных автоматов выявились
следующие ориентировочные затраты времени на работы по наладке
автомата этого типа:
1) на подналадку станка 0,5—1,5 ч в смену;
2) на переналадку станка на другую конструктивно и технологически
подобную деталь, не требующую смены кулачков, при замене цанг 0,5—
1,3 ч, без замены цанг 0,2—0,5 ч\
3) на полную переналадку автомата при смене кулачков, цанг и ин-
струментов 4—8 ч.
Наибольшей затраты времени требует полная переналадка станка.
Если же обрабатываемые детали сгруппировать так, чтобы при переходе
от обработки одной детали к другой в пределах одной группы не требо-
валось смены кулачков, то переналадка станка на другую деталь той же
группы потребует в 10—20 раз меньше времени, чем полная переналадка
станка. Это дает возможность применять автоматы в серийном производ-
стве при обработке деталей небольшими партиями.
Для этого подлежащие обработке детали разбивают на классы по типо-
размерам токарных автоматов, на которых детали наиболее целесообразно
обрабатывать: на фасонно-отрезных, на автоматах продольно-фасонного
точения, на токарно-револьверных автоматах, на многошпиндельных
автоматах. Детали каждого класса сводят в группы так, чтобы все детали
одной и той же группы могли быть обработаны при одном общем для всей
группы комплекте кулачков (фиг. VI, 139).
Для каждой группы деталей составляют общую схему обработки.
Ориентируясь на эту схему, составляют для каждой детали план обра-
ботки, по которому определяют длины рабочих ходов. По максимальным
длинам рабочих ходов выявляют габариты комплексной детали.
На эскизе комплексной детали в карте наладки размеры обозначают
буквами и записывают их максимальные и минимальные значения
(фиг. VI, 140).
Расчет групповой наладки ведут для комплексной детали, вводя
в план обработки (для детали по фиг. VI, 140) следующие рабочие пере-
ходы: 1) подача материала до упора; 2) центровка; 3) сверление 0 d
ГРУППОВЫЕ НАЛАДКИ ТОКАРНЫХ АВТОМАТОВ
389
и предварительное обтачивание 0 d±\ 4) обтачивание 0 d2’> 5) растачива-
ние 0 d и обтачивание 0 dr с заднего суппорта; 6) подрезка торца задним
суппортом и отрезка с вертикального суппорта.
Группа 1
D9
Фиг. VI, 139. Группировка деталей, обрабатываемых на токарно-револьверном автомате
типа 1118
Об экономической целесообразности применения таких групповых
наладок автомата можно ориентировочно судить по следующему условию:
4 + Б < + т) мин, (VI, 74)
где А — трудоемкость подналадки станка на выполнение годовой про-
граммы в мин\
н — количество деталей, обрабатываемых по годовой программе;
Б — трудоемкость изготовления комплексной детали в мин\
а — трудоемкость изготовления кулачков при индивидуальном про-
изводстве деталей по годовой программе в мин\
б — трудоемкость полных наладок станка при индивидуальном
производстве деталей по годовой программе в мин\
При групповой наладке переналадка станка на другую деталь произ-
водится при постоянных кулачках за счет инструментальной оснастки
станка. Для увеличения возможностей этой оснастки в современных ре-
вольверных автоматах применяют откидные качающиеся упоры, освобо-
ждая одно гнездо в револьверной головке для крепления инструментов;
вместо одного вертикального поперечного суппорта делают два или три
вертикальных веерообразных суппорта, доводя число поперечных суппор-
тов до пяти, из которых передний суппорт — крестовый с продольной
и поперечной подачами.
390 НАЛА ДКА АВ ТОМА ТОВ
При постоянных для группы деталей кулачках подвод суппортов
для обработки деталей с небольшой длиной рабочих ходов приходится
делать по кривым рабочей подачи; это вызывает необходимость применять
быстрый (ускоренный) ход распределительного вала и регулировать
длину ходов суппортов за счет настройки передач от кулачков к суппортам.
Для нарезания резьбы резцом или гребенкой применяются особые
приспособления с настройкой зубчатыми передачами. Кулачки попереч-
ных суппортов делают из дисков одного диаметра так, что каждый из них
может быть установлен для привода любого поперечного суппорта. Ку-
лачки поперечных суппортов для групповой наладки монтируются на
станок в виде одного общего блока.
Отмеченные выше конструктивные мероприятия для расширения воз-
можности групповой наладки применены, например, в Чехословацком
револьверном автомате мод. А50А и во французских револьверных авто-
матах Манюрин мод. TR32—60В (см. фиг. VI, 124).
СТАНКИ С ЧИСЛОВЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
ГЛАВА IX
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ
И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Механизация и автоматизация производственных процессов в машино-
строении наиболее успешно развиваются в крупносерийном и массовом
производствах, где все шире применяются универсальные и специальные
станки-автоматы и полуавтоматы, автоматизированные агрегатные станки,
автоматические линии, участки и цехи, и начинают появляться автомати-
ческие заводы.
Мелкосерийное и индивидуальное производство, в котором занято
около половины всего станочного парка, а также крупносерийное и даже
массовое при частой полной смене объектов производства (как, например,
в самолетостроении и специальных отраслях) не всегда поддаются автома-
тизации известными средствами: изготовление специальной оснастки и
трудоемкая наладка станков или создание специальных автоматов часто
в этих случаях нерентабельны.
Сравнительно недавно появившиеся станки с системами автоматиче-
ского управления — копировальные, а также автоматы и полуавтоматы
с программированием цикла работы и путевым контролем положения
исполнительных узлов рассчитаны на использование в мелкосерийном
производстве.
Однако все еще значительны затраты времени на переналадку этих
станков, обусловленную изменением конфигурации изготовляемых дета-
лей; необходимость изготовления копиров, шаблонов или специальных
блоков с упорами и сложность их хранения не всегда делают и эти станки
достаточно эффективными для мелкосерийного производства. Для еди-
ничного же, хотя и повторяющегося производства такие станки и вовсе
не пригодны.
Основным видом оборудования в мелкосерийном и единичном про-
изводствах по-прежнему остаются универсальные станки, при работе на
которых рабочий включается в систему управления станком — его ум-
ственный и физический труд участвует в формообразовании деталей.
Следует иметь в виду, что в некоторых случаях повышение производи-
тельности труда в серийном производстве связано с довольно значитель-
ной утомляемостью рабочего из-за однообразия ручных операций, особенно
при пооперационной технологии обработки. Для автоматизации мелко-
серийного и единичного производств нужны были бы универсальные бес-
копирные автоматы с удобным, гибким заданием процесса формообразо-
вания деталей (заданием программы) и возможностью простого и длитель-
ного сохранения этой программы для повторного ее воспроизведения.
Такими станками должны явиться станки с числовым (цифровым) про-
граммным управлением.
392
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Новизна рассматриваемого вопроса, неустановившаяся еще термино-
логия делают необходимыми формулировку некоторых основных положе-
ний и изложение принципов и основ построения систем программного
управления современных металлорежущих станков.
§ 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Почти всякий автоматизированный станок можно рассматривать как
станок с программным управлением. Действительно, в кулачковых авто-
матах или копировальных станках программа работы исполнительных
звеньев (узлов) определяется профилем кулачков или копиров. Программа
работы станка также может быть введена в командоаппарат, управляющий
циклом работы станка, движение узлов которого ограничивается, напри-
мер, упорами, воздействующими на конечные выключатели. Тем не менее,
все такого рода станки называют по-прежнему стан ками-автоматами и
полуавтоматами. В этих станках программоноситель (кулачок, копир,
шаблон, расположенные в определенных положениях упоры и конечные
выключатели) является программой формообразования детали, физи-
чески воплощенной в определенном масштабе; он кинематически связан
определенным образом для данной наладки с исполнительными узлами
либо непосредственно (автоматы с распределительным валом), либо через
систему усиления и управления (копировальные станки). Такое управле-
ние недостаточно гибко, так как для изменения величин перемещений
исполнительного узла требуется смена параметров кинематической цепи
(замена кулачков или копиров, изменение передаточного отношения, пере-
становка упоров и пр.).
При рассмотрении станков с числовым программным управлением
мы будем касаться лишь вопросов управления, связанных с движениями
исполнительных узлов для формообразования детали или установочными
перемещениями — позиционированием заготовки и инструмента, так как
лишь эти вопросы специфичны для станков такого вида. Управление
циклом, изменение режимов обработки или смена инструмента в этих
станках автоматизируются обычными методами. В тех случаях, когда это
осуществляется при помощи перфокарт, перфолент или переключателей
с шаговыми искателями, структура управления остается той же, что и
у обычных станков-автоматов с командоаппаратами, хотя эти станки и
могут быть названы станками с программированием цикла, режимов
или смены инструментов.
§ 2. ПОНЯТИЕ О ЧИСЛОВОМ ПРОГРАММНОМ УПРАВЛЕНИИ СТАНКАМИ
Числовое программное управление основано на использовании чисел
для непосредственного задания положений исполнительных узлов станков
в процессе обработки заготовок. В дальнейшем будет рассмотрено число-
вое управление исполнительными узлами с прямолинейным движением,
хотя такое управление возможно и при других видах движения.
При числовом управлении исполнительные узлы станка перемещаются
под контролем последовательно вводимых в систему управления чисел,
определяющих форму и размеры изготовляемой детали, а в промежутках
между подачами команд управления форма детали определяется только
направляющими исполнительных узлов и соотношением скоростей их
движения. При установочных перемещениях траектория движения испол-
нительного узла может не задаваться — контролируется лишь их конеч-
ное положение.
ПОНЯТИЕ О ЧИСЛОВОМ ПРОГРАММНОМ УПРАВЛЕНИИ СТАНКАМИ 393
Станки с числовым программным управлением будем в дальнейшем
называть, для краткости, станками с программным управлением (сокра-
щенно ПУ). Эти станки характеризуются управлением, обеспечивающим
быструю переналадку их без смены или перестановки механических эле-
ментов, т. е. бескопирным дистанционным управлением. Величины пере-
мещений исполнительных узлов, определяющие форму и размеры детали,
задаются числами или какими-либо символами (цифрой, буквой или
сочетанием их), отражающими форму траектории, величину, направление
и скорость этого перемещения. Такое управление по сравнению с копиро-
ванием более гибко: достаточно изменить вводимую в станок информацию,
и геометрические параметры изготовляемой детали изменятся.
Обычно требования, предъявляемые к изготовляемой детали, опре-
деляются чертежом. Для металлорежущего станка с ПУ информацию
в виде чертежа необходимо преобразовать, придав ей такую форму, кото-
рая позволит управлять этим станком автоматически.
Программа для станков с ПУ обычно составляется заранее. По чер-
тежу детали и технологии ее обработки составляются таблицы с указанием
величины и направлений, а также скоростей подач последовательных пере-
мещений исполнительных узлов. Эти данные фиксируются, например,
при помощи переключателей на пульте управления станком, либо запи-
сываются посредством пробивки отверстий на программоносителе — карте
или ленте (перфокарте, перфоленте), либо запоминаются каким-либо иным
способом. Программоноситель считывается в специальном устройстве
станка. Числовая информация, поступающая при этом в станок, преоб-
разуется в соответствующие перемещения исполнительных узлов.
Итак, станками с ПУ будем называть такие станки, в систему авто-
матического управления которых вводятся числа или символы, отражающие
величины перемещений исполнительных узлов, участвующих в формообра-
зовании изготовляемой детали или позиционировании заготовки или (и)
инструмента. Для станков с ПУ характерна дискретность задания
программы, поскольку она определяется числовой информацией.
Проектирование станков с ПУ, изготовление их и особенно эксплуа-
тация требуют иного подхода, ртличного от подхода к обычным станкам.
Так, например, от рабочего, обслуживающего станок с ПУ в мелкосерий-
ном и в единичном производствах, потребуются меньшие профессиональ-
ные навыки, меньшее мастерство, чем при работе на универсальном
оборудовании. Рабочий превращается в оператора-наблюдателя, функции
которого носят больше вспомогательный характер: подготовить инстру-
мент и станок к работе, установить заготовку и снять деталь (если это не
автоматизировано), ввести программу в станок. Одновременно с умень-
шением квалификации рабочего-станочника в обычном понимании этого
термина его знания в области оборудования нового вида, процесса обра-
ботки, механики и особенно электротехники и электроники должны
значительно возрасти, и по своим знаниям он должен приблизиться к тех-
нику. Станки с ПУ не столько механически сложны, сколько насыщены
электрооборудованием и имеют широко разветвленные схемы управления.
Рабочий-оператор должен научиться устранять своими силами возможные
нарушения — мелкие сбои (отказы) в работе отдельных узлов станка,
которые пока еще нельзя полностью исключить. Недостаточная надеж-
ность станков с ПУ объясняется главным образом применением в них
очень большого количества элементов электрооборудования и недостаточ-
ным уровнем технологии изготовления отдельных узлов этих станков
в связи с малой серийностью их производства.
394
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Необходимо отметить, что станки с ПУ стали применять в нашей про-
мышленности с недавнего времени. Поисковые работы по созданию стан-
ков с ПУ в настоящее время ведутся главным образом в направлении повы-
шения их надежности; в этом — специфика проектирования и изготов-
ления таких станков.
Появление металлорежущих станков с ПУ было обусловлено рядом
причин. Одна из них была указана выше — это непрерывно развивающееся
машиностроение, в котором дальнейшее повышение производительности
труда может затрудняться иногда неприспособленностью обычных средств
автоматизации к мелкосерийному и единичному производствам, а также
к крупносерийному и даже массовому, если объекты производства быстро
сменяются.
Создание станков с ПУ при использовании лишь ранее известных мето-
дов автоматизации и, в частности, релейных схем не привело бы к нуж-
ным результатам из-за громоздкости таких схем и их малой надеж-
ности. Создание таких станков стало возможным только благодаря успе-
хам в области электроники, полупроводниковой и вычислительной тех-
ники.
Развитие станков с ПУ стимулировалось в значительной степени
также теоретическими работами в области технической кибернетики и тео-
рии информации. Для кибернетических систем информация — это сооб-
щение об изменении характеристик управляемого объекта — станка
или других машин — и внешних условий, воздействующих на этот объект.
Теоретические работы в указанных областях получили большое развитие
в отечественной и зарубежной науке.
§ 3. ПОНЯТИЕ ОБ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ. НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ
В системах автоматического управления между управляющим и управ-
ляемым объектами существует, как правило, двусторонняя связь —
в форме сигналов прямой и обратной связей (фиг. VI, 141). Сигналы пря-
мой связи указывают, как должен действовать управляемый объект,
а обратной связи — как этот объект ведет себя в дейст-
вительности и что нужно сделать, чтобы его поведе-
ние соответствовало заданному (требуемому).
Обратной связью называется такое устройство,
в котором разница между заданным и фактическим
параметрами (например, величинами перемещения) —
их рассогласование—используется как новый, входной
сигнал, заставляющий регулируемую часть устрой-
ства изменяться (двигаться) так, чтобы фактическое
состояние устройства (движение) все более прибли-
жалось к заданному. Иначе говоря, обратная связь
подает сигнал, корректирующий процесс. Если обрат-
ная связь усиливает управляющий (прямой) сигнал, она считается поло-
жительной, если ослабляет этот сигнал — отрицательной связью.
В предсказывающих системах с обратной связью в систему управ-
ления вводится упреждающий или предсказывающий компенсатор. Системы
могут иметь «информативную» обратную связь. В качестве примера такой
связи можно привести проверку водителем автомашины состояния обледе-
невшей дороги, с получением информации — методом проб — о возмож-
ном заносе машины.
Фиг. VI, 141. Двусто-
ронняя связь в систе-
мах автоматического
управления:
а—сигналы прямой свя-
зи; б—сигналы обратной
связи; /—управляющий
объект; 2—управляемый
объект
ОБЩАЯ СХЕМА ПОСТРОЕНИЯ СТАНКОВ
395
Приведем некоторые основные положения теории информации.
Во всех автоматически управляемых системах происходит процесс
приема, преобразования и передачи информации.
Информацию можно накапливать. Это положение является основой
всего процесса обучения человека или совершенствования машины, облег-
чающей (механизирующей) его умственный труд.
Одна и та же информация может быть представлена различным обра-
зом. Например, число 5 может быть представлено арабской или римской
цифрами (5 и V), черточками (11111), словами на разных языках и т. д.
Главное в таком представлении — это однозначность представления
информации и его различимость. Так, для обозначения цифр от 0 до 9
необходимо иметь десять различных обозначений, причем безразлично,
каким символом их выражать — важно лишь, чтобы эти символы не
совпадали.
Представление различных сообщений в различимом виде (в виде опре-
деленных сигналов) называется кодированием информации, а способ пред-
ставления информации в различимом виде — кодом.
программного управления станком:
а — сигнал управления; б—сигнал исполнения; 1 —
составление и запись программы; 2 — контроль про-
граммы; 3—ввод программы в станок; 4 — преобра-
зование программы, управление и контроль испол-
нения; 5 — привод исполнительного узла, 6 — испол-
нительный узел; 7 — датчик исполнения
§ 4. ОБЩАЯ СХЕМА ПОСТРОЕНИЯ СТАНКОВ С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Почти всякая схема управления станком с ПУ может быть представ-
лена следующей блок-схемой (по фиг. VI, 142).
Блок № 1 — составление и запись программы. Источником информа-
ции для составления программы обычно является чертеж подлежащий
изготовлению детали. По размерам или табличным данным, приведенным
на чертеже, технолог-программист составляет таблицу с указанием либо
абсолютных значений коорди-
нат программируемых точек уча-
стков обработки, либо прира-
щений координат этих точек.
При этом часто указываются
также направление движения
исполнительного узла и его ско;
рость. Далее при помощи пер-
форатора эта, как правило, чис-
ловая информация записывается
в кодированном виде на про-
граммоносителе — получается
перфокарта или перфолента.
Иногда программоноситель от-
сутствует; в таких случаях информация вводится непосредственно в станок
при помощи многопозиционных переключателей (обычно десятипозицион-
ных, фиксирующих любую цифру от 0 до 9), расположенных на пульте
управления. В некоторых случаях подготовка программы ведется с ис-
пользованием целого комплекса автоматически действующего оборудо-
вания, включая электронно-счетные машины.
Блок № 2 — контроль программы. В любых случаях рекомендуется
составленную программу проверить. Это можно делать в форме визуаль-
ного просмотра программоносителя или контроля положения переключа-
телей на пульте управления; в некоторых случаях производится холостой
обход мест обработки или контрольная обработка заготовки. Иногда для
контроля программоносителя используются специальные автоматические
устройства. При сравнительно простых программах легко обнаружить
396
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
возможную ошибку, если записать одну и ту же программу дважды и
сравнить эти записи.
Блок № 3 — ввод программы. Ввод программы может быть осуще-
ствлен или посредством переключателей, или при помощи механизма счи-
тывания программы, если она записана на каком-либо программоносителе.
Блок № 4 — преобразование программы, управление и контроль испол-
нения. Этот блок управляет приводом исполнительного узла в соответствии
с информацией, поступающей от программоносителя и исполнительного
узла.
Блок № 5 — привод исполнительного узла. Привод часто состоит
из сервопривода и силового привода со значительным коэффициентом уси-
ления мощности.
Блок № 6 — исполнительный узел. Им может быть суппорт токарного
станка, стол сверлильного или фрезерного станков и т. д.
Блок № 7 — датчик исполнения. Этот датчик контролирует положение
исполнительного узла. В тех случаях, когда его сигнал является сигналом,
корректирующим положение этого узла, он может быть назван датчиком
обратной связи. Наличие любого датчика исполнения делает систему управ-
ления замкнутой. Иногда применяют системы управления без датчиков
исполнения, т. е. разомкнутые.
§ 5. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ПО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ
По технологическому назначению системы ПУ делятся на системы
позиционного управления, или управления положением, и системы контур-
Фиг. VI, 143. Классификация систем программного управления
по технологическим признакам:
1 — ПУ; 2 — позиционное управление;; 3 — с программированием точек;
4 —с программированием отрезков прямых; 5 — контурное с програм-
мированием криволинейных профилей
ного управления, или управления движением (перемещением). В свою
очередь, системы позиционного управления подразделяются на:
а) Системы с установкой координат без определенного линейного
перемещения между точками обработки (при этом все исполнительные
узлы могут перемещаться одновременно, но не взаимосвязанно). Техноло-
гическая операция на станках с такой системой ПУ совершается после
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СТАНКОВ С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ 397
перемещения исполнительного узла. Эти системы можно назвать системами
с программированием точек.
б) Системы с прямолинейным последовательным перемещением испол-
нительных узлов от пункта к пункту в процессе формообразования
детали. Эти системы можно называть системами с программированием
отрезков прямых, параллельных направлению движения исполнительных
узлов.
В системах контурного управления, которые являются системами
функциональными, происходит непрерывное одновременное и согласован-
ное, т. е. взаимосвязанное, движение инструмента или заготовки по раз-
ным координатам, что обеспечивает обработку криволинейных контуров
или поверхностей.
Системы контурного управления можно определить как системы
с программированием криволинейных профилей.
В качестве представителей станков с указанными системами ПУ
можно назвать сверлильные и расточные станки, на которых программи-
руются точки; токарные и карусельные, где ограничиваются обычно про-
граммированием отрезков прямых, и фрезерные станки с программирова-
нием криволинейного профиля (см. фиг. VI, 143).
§ 6. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СТАНКОВ С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Кроме указанной выше области применения — в мелкосерийном и
единичном, но повторяющемся производстве и в серийном с быстро сме-
няющимися объектами производства, — можно назвать еще ряд возмож-
ных областей применения станков с ПУ: это производство деталей слож-
ного профиля (например, лопаток реактивных турбин, гребных винтов),
где кинематически сложно осуществить нужные движения, или деталей для
экспериментальных и опытных работ, требующих специальной сложной
оснастки, которая при использовании универсальных станков после изго-
товления требуемых деталей оказывается больше ненужной, а также при
необходимости удалить рабочего от станка в производствах, опасных для
здоровья человека.
Кроме приведенного преимущества — эксплуатационной гибкости
таких систем — отметим, что при использовании станков с ПУ резко
возрастает уровень организации производства на предприятии, так как
автоматизируется процесс подготовки производства, что особенно важно
для мелкосерийных и единичных производств.
Наряду с очевидными преимуществами станков с ПУ они имеют и не-
достаток — пока еще очень высокую стоимость. Например, оснащение
сверлильного станка системой ПУ приводит к удорожанию этого станка
примерно в 5 раз. Вместе с тем, согласно некоторым данным затраты на
приобретение дорогостоящих фрезерных станков с ПУ окупаются в тече-
ние двух лет \ Применение фрезерного станка с ПУ на одном из отече-
ственных заводов дало экономию около 100 тыс. руб. Подсчитывая эконо-
мическую эффективность использования станков с ПУ, необходимо учи-
тывать весь комплекс работ по подготовке производства и изготовлению
тех или иных деталей, а также время, необходимое для перехода на про-
изводство других видов деталей в условиях существующего оборудования
и применения станка с ПУ.
1 Для сравнения можно указать, что расчетный срок окупаемости автоматических
линий в США составляет пять лет.
398
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
§ 7. ПРИНЦИП РАБОТЫ СТАНКА С ПОЗИЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ
ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Сущность программного управления поясним на примере отечествен-
ного станка. Конструкторским бюро СКТБИ совместно со станкозаводом
им. Орджоникидзе были Спроектированы на базе токарно-копировальных
полуавтоматов мод. 17Т2 и 1722 (см. описание конструкции полуавтомата
мод. 1712 на стр. 311) и изготовлены станки с ПУ. Достаточно на любом
из этих станков заменить копир подвижным упором и устройством, обе-
спечивающим перемещение этого упора-копира и его останов в нужных
Фиг. VI, 144. Подготовка программы обработки валика на станке
мод. 1712П:
а — чертеж детали: б — технологический чертеж; в и г—циклы—соответственно
черновой и чистовой обработок (/; II и III — последовательные проходы резца)
точках при помощи датчика исполнения и в соответствии с заданной про-
граммой, а также ввести датчик исполнения для' контроля продольного
положения суппорта, как станок превращается в бескопирный универ-
сальный полуавтомат, т. е. станок с ПУ.
Предположим, что на этом станке необходимо обработать ступенчатый
валик с размерами, указанными на чертеже (фиг. VI, 144). Технолог-
программист сначала должен выбрать один из возможных на станке
циклов обработки — черновой или чистовой, т. е. обработку с несколь-
кими проходами с возвратом в исходное положение, начиная с наиболь-
шего диаметра обрабатываемой поверхности или последовательными
ступеньками, начиная с меньшей: это зависит от конфигурации заготовки.
Далее он должен составить технологический чертеж обработки с указа-
нием последовательных проходов или соответствующую таблицу. Раз-
меры вдоль оси валика должны быть даны от одной базы — торца, обращен-
ного к передней бабке станка. Документация в таком виде совместно с за-
готовками поступает к рабочему-оператору.
На пульте управления станком установлены дисятипозиционные
(декадные) переключатели, при помощи которых можно набирать размеры
обработки как для диаметров, так и вдоль оси. Для каждого прохода
предусмотрен отдельный ряд переключателей (фиг. VI, 145). Не останав-
ливаясь на подробностях, можно представить себе работу станка, например
для чернового цикла обработки следующим образом.
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СТАНКА С ПОЗИЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ
399
Проходы Размеры диаметров Размеры длин Цикловые и технологи- ческие команды
*10 X/ , *0,7 *100 х/0 X 1
I °0О<Ч 9 °° о о О 1 о |Оо О оЬ° . пО°О А О ° о оо°° о ° > оо°00 о о 0 0 0 '^О> 000°°°
и °о°оОо СТ о о о°°оо 57 о а о о о 0°°° о *° 0 ОО°О° о ° «SI 0 ""“° 0
ш О о о ч? ООО0 О О <5> _ оо°00 о\* о о о 00°0 0° о о ООО § i о оооо о о
Фиг. VI, 145. Эскиз пульта ввода программы станка мод. 1712П
Резец (суппорт) ставят в исходное положение (по отношению к заго-
товке в правое верхнее). При нажиме на кнопку управления включается
двигатель Д (фиг. VI, 146), приводящий в движение через червячную и
винтовую передачи упор-копир /. Упор начинает опускаться до тех пор,
пока не займет положения, соответствующего первому обрабатываемому
диаметру. Это будет отмечено сигналом датчика исполнения ДИ1. Упор
остановится, а при помощи щупа и системы слежения (как в обычном
варианте гидрокопировального станка) суппорт с резцом займут первое
Фиг. VI, 146. Принципиальная схема управления суппортом станка мод. 1712П:
/ — упор-копир; 2 — следящий золотник; 3 — гидроцилиндр поперечного перемещения резца;
4 — реечная передача; 5 — гидроцилиндр продольного перемещения резца; Д — двигатель с чер-
вячным редуктором и гайкой; ДИ1 и ДИ2 — датчики исполнения поперечных и продольных пере-
мещений
400
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
по диаметру обработки рабочее положение. Далее включится привод
продольного перемещения суппорта от гидроцилиндра. Суппорт с резцом
будут перемещаться до тех пор, пока передняя кромка резца не займет
положения, зафиксированного на переключателях для первого продоль-
ного прохода. Это положение контролируется вторым датчиком исполне-
ния ДИ2. Далее резец автоматически отводится от заготовки и возвра-
щается в исходное положение.
Следующий проход начинается с того, что имеющийся в системе управ-
ления шаговый искатель переходит на один шаг, подключая к работе
второй ряд десятипозиционных переключателей, а первый ряд при этом
отключается. Переключатели второго ряда несут программу обработки
детали для второго перехода. Резец перемещается относительно заготовки
до тех пор, пока не займет положения, соответствующего обработке
второго диаметра, после чего он переместится вдоль заготовки, обработает
следующую ступеньку валика и т. д. Всего станок позволяет обработать
до пяти различных диаметров с пятью различными длинами.
На фиг. VI, 147 приведена упрощенная электросхема управления попе-
речным перемещением суппорта (резца). Такая схема работает по прин-
ципу совпадения сигнала отработки с сигналом программы и называется
схемой совпадения. Она действует следующим образом: при нажиме на
кнопку КУ «Цикл» включается контактор К, подключающий двигатель Д
привода упора к сети. Положение упора контролируется через каждую
0,1 мм датчиком исполнения ДИ1. Датчик представляет собой устройство,
Фиг. VI, 147. Электросхема программного управления поперечным движением резца на
станке мод. 1712П (упрощенная):
КУ — кнопка начала цикла; К — контактор электродвигателя Д (см. фиг. VI, 146); ШИ — шаговый
искатель на /; II и III и т. д. положение; 1П0Л; 1П1; 1П10; НП0,1 и т. д. — десяти позиционные
переключатели пульта управления для разных разрядов и разных проходов; ДИ1 — датчик исполне-
ния поперечного движения резца с контактами десятых долей, целых и десятков мм; РПОД; РП1
и РП10 — реле промежуточные десятых долей, целых и десятков мм; PC—реле совпадения
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СТАНКА С ПОЗИЦИОННОЙ СИСТЕМОЙ
401
состоящее из контактных дисков и щеток, скользящих по контактам.
Имеются контакты десятков, единиц и десятых долей миллиметров.
Конструкция датчика несколько напоминает обычный десятичный счет-
чик: при 0,1 оборота щетки десятых долей миллиметра, что соответствует
переходу ее через десять контактов, щетка единиц перемещается на один
контакт; если щетка единиц миллиметров сделает один оборот (т. е. пере-
местится на десять контактов), щетка десятков миллиметров переместится
на один контакт (подробнее конструкция рассмотрена на стр. 429). Если
установить упор в положение, при котором резец будет находиться на
оси центров, все щетки датчика должны встать на контакты, соответствую-
щие нулевым значениям, т. е. отметить число 00,0. По мере движения упора
щетки датчика переходят от контакта к контакту. Это происходит до тех
пор, пока они не встанут на те контакты, которые заранее от программы,
установленной переключателями 1П на пульте управления, были подклю-
чены к цепи управления. Только в том случае, когда произойдет одновре-
менное включение реле РП0у1\ РП1 и РП10, включится реле совпаде-
ния PC. При выключении нормально замкнутого контакта PC цепь пита-
ния катушки контактора К разорвется, и электродвигатель Д остановится.
Упор займет положение, соответствующее числу, набранному на пере-
ключателях для обработки поверхности первого диаметра.
Обработка поверхности следующего диаметра (второй переход) про-
исходит автоматически (на схеме не показано). Информация, необходимая
для этого, вводится в схему управления при помощи шагового иска-
теля ШИ, который вместо переключателей /77 подключает к цепям датчика
исполнения ДИ1 переключатели /7/7. Аналогичная схема управляет
продольным движением резца.
ГЛАВА X
ПРОГРАММИРОВАНИЕ И СПОСОБЫ КОДИРОВАНИЯ
ИНФОРМАЦИИ
§ 1. ПРОГРАММИРОВАНИЕ. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ И КОДЫ
Подготовка информации для обработки заготовок — программиро-
вание — заключается в преобразовании технологических и технических
(заданных чертежом) характеристик детали в ряд команд и сигналов,
отражающих перемещения исполнительных узлов станков, и записи их
условным кодом на программоносителе или вводе в станок при помощи
переключателей. Программирование является весьма трудоемким про-
цессом, особенно при обработке объемных заготовок деталей сложной
формы. Поэтому математические расчеты при переработке числовой инфор-
мации в некоторых случаях производятся с применением быстродействую-
щих электронных вычислительных машин. В более простых случаях
расчет программы ведется вручную, с использованием клавишных счетных
машин или арифмометров. Для систем позиционного управления про-
граммы обычно рассчитываются вручную. Полученные в результате рас-
четов данные вводятся в станок непосредственно при помощи переключа-
телей или фиксируются на программоносителях в форме различных ком-
бинаций отверстий, прокалываемых в картах или лентах. Каждая комби-
нация отверстий соответствует числу, отражающему заданное перемещение
исполнительного узла станка.
Для записи информации используются различные способы кодирова-
ния чисел, различные системы счисления. Наиболее распространены сле-
дующие виды кодирования:
Десятичная система счисления. Обычная система счисле-
ния строится при помощи десяти различных символов (знаков) — цифр О,
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9. Образование чисел, больших чем 9, подчиняется
общеизвестному закону: последний из допустимых символов (9) заменяется
на первый допустимый символ системы (0), а символ следующего старшего
разряда заменяется ближайшим большим (в нашем случае 1). Таким обра-
зом, числа 10 ... 99 записываются уже с использованием двух разря-
дов, числа 100 .. . 999 — с использованием трех разрядов и т. д.
Так как мы привыкли к десятичному коду, легко читать его по про-
битым на программоносителе отверстиям (каждое отверстие означает одну
из десяти цифр соответствующего разряда). Однако он требует довольно
большого места для записи и в этом смысле неэкономичен. Например,
для записи при помощи отверстий любого трехразрядного числа (от ООО
до 999) требуется 30 свободных позиций (три разряда по десять цифр
в каждом), из которых три пробиваются для каждого данного числа.
Эта система, как наиболее доступная для понимания, рекомендуется для
ПРОГРАММИРОВАНИЕ. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ И КОДЫ
403
ввода программы при помощи переключателей непосредственно на пульте
управления станком или для ввода программы в перфораторы.
Двоичная система счисления. Эта система построена
по тому же закону, что и десятичная, но в ней применяются лишь два
символа (две цифры) — единица (1) и нуль (0). Значения каждого двоич-
ного разряда, считая с последнего (с конца), следующие: 2° = 1; 21 = 2;
22 = 4; 23 = 8; 24 = 16 и т. д. Поэтому, например, число 26 запишется
в этой системе в виде: 11010 (= 1 -24 + 1-23 + 0-22 + 1- 21 + 0-2° =
= 16 + 8 + 2). Двоичная система счисления выгодна тем, что каждый
разряд может быть выражен не десятью сигналами, как при десятичной
системе, а всего лишь двумя, например: 1 («единица») — ток в цепи есть,
0 («нуль») — ток в цепи отсутствует, что может быть осуществлено любыми
аппаратами с двумя устойчивыми положениями, предположим при по-
мощи одного электромагнитного реле (включено — 1, выключено — 0)
или отверстием на перфокарте (наличие отверстия — 1, отсутствие — 0).
Для записи на программоноситель любого десятичного числа от 0000
до 1023 требуется при этом лишь десять свободных позиций (так как
210 = 1024), из которых может быть пробито от 0 до всех 10 позиций.
Данный вид кодирования является наиболее экономичным: его исполь-
зование требует минимальной емкости программоносителя и малого коли-
чества каналов связи и аппаратуры.
Некоторые правила обращения с двоичными числами:
1. Сложение двоичных чисел 0 + 0 = 0; 0 + 1 = 1; 1 + 1 = 10.
2. Способ преобразования десятичного числа в двоичное: заданное
десятичное число необходимо разделить на два. Если получится целое
число, то в низшем разряде двоичного числа записывается 0. Если в остатке
осталась единица, то в этом разряде записывается 1. Полученное от деле-
ния частное (остаток при этом отбрасывается) вновь делится на два. Поря-
док записи тот же, но теперь это относится к следующему старшему раз-
ряду. Процесс деления продолжается до тех пор, пока частное не окажется
равным единице. Последнюю единицу следует записать в старший разряд
двоичного числа. Практически числа записываются столбиками, где справа
располагаются остатки от каждого деления (0 или 1), которые при чтении
снизу вверх и представляют собой двоичное число. Пример перевода деся-
тичного числа 26 в двоичное:
26 О ч
13 1 и
6 0т
3 1 а
1 1 е
м, т. е. 26—>11010.
Большие числа удобнее переводить, записывая вычисления так, как
показано для числа 214:
гиоюу^з^бо^боз1!1 — т. е.
214—> 11010110.
3. Для перевода двоичной системы счисления в десятичную необхо-
димо знать, чему равна в десятичной системе единица каждого разряда
двоичного числа (какова «цена» каждой единицы). При переводе в десятич-
ную систему счисления складывают все значения двоичных разрядов,
выраженных в десятичной системе. Если в каком-либо разряде двоичного
404 ПРОГРАММИРОВАНИЕ И СПОСОБЫ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ
числа записан 0, то при переводе в десятичную систему этот нуль сохра-
няется. Например: 11010 -> 16 + 8 + 0 + 2 + 0 = 26; 11010110 =
= Ь27 + 1-26 + 0-25 + 1-24 + 0-23 + 1-22 + 1-21 + 0 - 2° - 128 +
+ 64 + 0+16 + 0 + 4 + 2 = 214.
Для автоматического перевода из двоичной системы счисления в деся-
тичную и наоборот применяют как релейные схемы, так называемые
Фиг. VI, 148. Схема релейного дешифра-
тора, преобразующего двоичную систему
счисления в десятичную:
/7/; П2; П4; П8’, Pl; Р2\ Р4 и Р8—переклю-
чатели и реле ввода информации в двоичной
системе
«схемы-пирамиды» (фиг. VI, 148), так
и диодные матрицы (фиг. VI, 149).
Эти' схемы могут использоваться
в шифраторах и дешифраторах, т. е.
устройствах, преобразующих инфор-
мацию. Диодная матрица образуется
от горизонтальных и вертикальных
проводов-шин. В зависимости от не-
обходимой операции преобразования
шины в нужных точках пересечения
соединяются накоротко или через
полупроводниковые диоды. Соедине-
ние при помощи диода (вентильного
типа, т. е. односторонне направлен-
ное) выполняется для того, чтобы
исключить появление ложных сигна-
лов на выходе.
Единичная (натураль-
ная) система счисления.
В этой системе используется лишь
один знак (символ) — цифра 1. Поэ-
тому для перевода какого-либо деся-
тичного числа в единичную систему
счисления, например десятичного чис-
ла 26, необходимо записать цифру 1
подряд 26 раз. Эта система очень
удобна при передаче информации по
каналам связи, так как один сиг-
нальный импульс несет в себе одну
единицу элементарного перемещения
(обычно принято говорить об опреде-
ленной цене импульса). Такую систему кодирования принято называть
унитарным кодом. Однако система очень громоздка для записи и при
использовании перфорированных программоносителей не применяется.
Система требует стольких позиций, сколько единиц содержится в дан-
ном числе.
Унитарный код получил широкое распространение для записи инфор-
мации на магнитную ленту, удельная (на единицу длины) емкость которой
во много раз больше, чем у перфорированных программоносителей.
Единично-десятичное или унитарно-десятич-
ное кодирование получается, если каждый разряд десятичной
системы счисления рассматривать в единичной системе. При этом сохра-
няется преимущество единичной системы — одна единица характеризует
вполне определенное перемещение, равное элементарному перемещению
или кратное 10 (в этой системе цена импульсов различных разрядов будет
различной) и вместе с тем требует меньшего места для записи. Цифры раз-
рядов десятичного числа записываются при помощи пробивок, число
405
ПРОГРАММИРОВАНИЕ. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ И КОДЫ
--------*-----------------------------------
которых равно значению этих цифр. Разряды отделяются друг от друга
путем записи цифр по разным дорожкам на программоносителе.
Двоично-десятичное кодирование (код «8421»). При
двоично-десятичном коде каждая цифра числа, изображенного в деся-
тичной системе, записывается в двоичной системе отдельно. Например,
214-> 10|111001.
Для симметрии записи каждое двоичное число дополняется спереди
нулями до четырех разрядов. Окончательная форма записи числа
214 : 0010100011 0100. Хотя эта система несколько менее экономична, чем
Фиг. VI, 149. Схема преобразования числовой информации из десятичной системы счисле-
ния в двоичную при помощи диодной матрицы соединений
двоичная (например, для записи десятичного трехразрядного числа
требуется 12 свободных позиций), она более наглядна, так как в этом
случае легче прочесть зашифрованное число и преобразовать его в деся-
тичное (фиг. VI, 150).
Д е с я т и ч н о - к о д иро в а н ные коды (коды «5211», «4311»,
«4221» и «3321»). Эти коды обличаются от обычного двоично-десятичного
(«8421») тем, что в них иное значение старших разрядов и сумма всех раз-
рядов составляет 9 вместо 15. Выбор того или иного кода зависит от условий
проектирования различных узлов системы ПУ. Если учитывать особен-
ности схем, а также вероятность появления в программе отдельных цифр
и выражать наиболее часто встречающиеся цифры комбинациями с наи-
меньшим числом символов (значит, и наименьшим числом элементов вос-
произведения информации), а редко встречающиеся цифры — комбина-
циями с наибольшим числом символов, можно составить так называемые
оптимальные коды. Для некоторых случаев оптимальными являются коды
«2421» и «5121» (для схем с мерными упорами — коды «3321» или «4221»).
Специальные коды. Эти коды не являются суммирующими,
т. е. их позиции (то, что мы ранее называли разрядами) не имеют опре-
деленной цены, а каждому десятичному числу соответствует определен-
ная кодовая комбинация знаков. Например, код «2 из 5» — комбинация
из пяти символов по два.
При автоматическом чтении программы, в целях введения контроля
информации на четность или нечетность суммы единиц кодовой комбинации,
применяют модифицированный двоично-десятичный код, добавляя еще один
вспомогательный знак (разряд). Такие корректирующие коды являются
избыточными по числовой информации: часть символов кода используется
406
ПРОГРАММИРОВАНИЕ И СПОСОБЫ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ
ПРОГРАММОНОСИТЕЛИ И ПЕРФОРАТОРЫ
407
для передачи информации, а остальные символы — для проверки. Спе-
циальная схема (фиг. VI, 151) может следить за правильностью записи
и считывания информации. Схема пропустит сигнал только в случае
нечетной суммы знаков кодовой комбинации —1 или 3, что, конечно, не
исключает, но уменьшает возможность появления ошибки.
Модификацией двоичного кода является код Грея, который относится
к циклической двоичной системе кодов. Для получения кода Грея надо
Таблица VI, 5
Нату- ральный ряд чисел Двоич - ный код Новая комбина- ция Двоично- цикличе- ский код
0 0000 0000 0000
1 0001 0000 0001
2 0010 0001 ООН
3 ООН 0001 0010
4 0100 0010 оно
5 0101 0010 0111
6 оно ООН 0101
7 0111 ООН 0100
8 1000 0100 1100
9 1001 0100 1101
Фиг. VI, 151. Пример схемы контроля числовой
информации при модифицированной двоично-
десятичной системе счисления на нечетность
количества сигналов кодовых комбинаций (ка-
тушки соответствующих реле не показаны):
Рдоп — контакты дополнительного реле, участвую-
щие в контроле на нечетность (при изменении нор-
мального положения контактов на противоположное
обеспечивается контроль на четность
из комбинаций двоичной систе-
мы образовать новые комбина-
ции, ликвидировав знаки млад-
шего разряда, сдвинув все знаки
на один разряд вправо. Эти
комбинации поразрядно склады-
ваются (без переноса «единицы»
в старший разряд) с комби-
нациями двоичной системы
(табл. VI, 5).
Применение циклических систем кодирования является одним из ме-
тодов устранения ложных кодов (см. стр. 421).
В некоторых странах системы кодирования стандартизованы. В Со-
ветском Союзе выбор той или иной системы кодирования определяется
ее целесообразностью в каждом отдельном случае применения.
§ 2. ПРОГРАММОНОСИТЕЛИ И ПЕРФОРАТОРЫ
Как уже отмечалось (в отношении станков мод. 1712П и 1722П), инфор-
мацию по обработке деталей можно фиксировать при помощи переклю-
чателей на пульте управления станком. Этот простой метод ввода про-
граммы в станок имеет существенный недостаток — программу нельзя
длительно сохранять и повторять через некоторое время: для этого необ-
ходимо снова набирать все программируемые размеры и команды на
переключателях. Выгоднее иметь сменный дешевый и удобный для хра-
нения программоноситель. Для этого обычно используют перфокарты
или перфоленты (фиг. VI, 152). На такие программоносители информация
наносится при помощи перфораторов, которые в соответствии с выбран-
ным кодом в определенном порядке пробивают в них отверстия.
408 ПРОГРАММИРОВАНИЕ И СПОСОБЫ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Для станков с позиционным управлением при небольшом объеме
информации нашли применение стандартные бумажные перфокарты
«Союзмашучета» (размеры — по ГОСТу 6198-64). Они выпускаются на 45
!87tk±OJ
ltk±0tQ^
.1 ‘“'il iH»
1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 3t 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 50 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80
00008000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
22222222222222 I I I 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 | 2 | 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 | 2 2 2 2 2 2 2 2 2 | 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 22
333333333||333333333333333333333333||3|3333333333333333333333|333|3333|333333333
5 S S S S S S 5 5 S S S S S S я F
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 S 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 1 5 5 5 5 | 5 5 5 5 5 5J
6И666Ч1^66Ь6666Б6666Б66666666Б66Б66Б66666666666Б666БББ666Б6|6666Б|666665666|6
Ti l | 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 3 8 8 8 8 || 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8] 8 8 8 0 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 | 8 8 8 8 8 | 8 8 8
’ 12 i 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80
9 9 9 9 | | I 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 Я 0 9 9 9 } 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 I 9 |i9 I 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 | 3 9 9 | 9 9 9 9
f6J5±0,15
a)
ООО
oo
2,5 ±0,02
ООО
О ООО
oo
о
о
о
О ООО 000 О о ООО 000 000 000 о о
ОО О о ООО оооо О о ООО о ОО о
ОО о о о о___________ооооо_____о оооо
ОО о ООО ОО ООО 000
О ОО О о ООО О ОО ОО
оооооо оооо
S)
1
2
3
k
5
1 2 3 9 5 6 7 8 9 10 11 1? 13 19 15
Ь О О О О О О О О О О О 00 о
ОООООООООООО+ + +
ОООООООООООО+ + +
ОООООООООООО+ + +
ОООООООООООО+ + +
ОООООООООООО+ + +
^□□□□□□□□ооооооо
Фиг. VI, 152. Некоторые виды перфорированных программо-
носителей:
а—80-колонная перфокарта; б — телеграфная перфолента; в—35-мил-
лиметровая перфолента
и 80 колонн и на 12 строк. Таким образом, на одной 80-колонной перфо-
карте может быть записана информация на любых 960 позициях. Запись
на карты может вестись как вдоль колонн, так и вдоль строк. При боль-
шом объеме информации пользуются перфолентами. В качестве перфолент
применяют пластмассовую ленту (типа киноленты) шириной 35 мм (ГОСТ
4896-49) или бумажную шириной 17,5 мм (ГОСТ 1391-51) от телеграфных
аппаратов. Информация на ленту может записываться колонками (поперек
ленты) или кадрами (по площади).
ПРОГРАММОНОСИТЕЛИ И ПЕРФОРАТОРЫ
409
Кроме ручных перфораторов типа дыроколов (фиг.. VI, 153), для авто-
матизации записи программы используют клавишные перфораторы со
встроенными шифраторами для кодирования информации.
По своей конструкции пер-
фораторы могут быть двух
различных систем: одно- и
двухпериодные. В однопери-
одных перфораторах одновре-
менно с набором данных, что
осуществляется нажатием на
клавиши, происходит соот-
^°°2SBSSTSSS335S^
Фиг. VI, 153. Ручной перфоратор
ветствующая отдельным цифрам или другим символам пробивка отвер-
стий в карте или ленте. В двухпериодных перфораторах вначале произ-
водится набор самостоятельного этапа информации (чисел и команд),
а по окончании его — одновременная пробивка. Для построчной записи
информации на 80-колонную перфокарту можно использовать двухпериод-
ный перфоратор от электронно-вычислительной машины М-20. Этот
перфоратор имеет большую производительность и может быть рекомен-
дован для создания объединенных центров по программированию. Для пер-
форирования тех же карт вдоль колонок можно рекомендовать перфо-
ратор типа П-80 (фиг. VI, 154). Для поколонного перфорирования лент
о
о§ о
О ООО
о
о
8
о
о
о
о
о оо
88о!
О О'
код
о
о
оо
OOOOoOOO
_____2___
в 1 б 54| 3 21
О
О
ОО
ООО об <
ООб ООО
ОО - —
ОО ОО
ООООО
О о (
ОО ОО
О
- SPACE
- BACK SPACE
-TAB
- STOP OR END OF RECORD
- UPPER CASE
- LOWER CASE
- CARR RET OR END OF BLOCK
- DELETE
LEADER
OO Oo oo
ОООо oo
ОО о -
ООО о
о ОО
ОО
оо О
ООО
О ООО
ОО
ООО
88 ‘
ООО
ОО
оо о
ООО
о ООО
Фиг. VI, 155. Перфоратор мод. П-2
конструкции ЭНИМСа
WIIIIIIIIM
о о
о оо
оО
оО О
ООО
_ о ООО
ООО
оо
О ООО оо
О ООО
О о
О оо о
°°8?°8о
OOOOOO
ООООО о
Фиг. VI, 156. Перфо-
ратор фирмы Friden
(США) для 8-дорожеч-
ной ленты шириной 1*
и применяемый на нем
УСТРОЙСТВА ПОДАЧИ ПРОГРАММОНОСИТЕЛЯ
411
шириной 35 мм можно применять однопериодный перфоратор конструк-
ции ЭНИМСа модели П-2 (см. фиг. VI, 155) и для бумажной ленты шириной
17,5 мм — печатающий телеграфный аппарат СТ-35. Хорошей техниче-
ской характеристикой обладает специально предназначенный для стан-
ков перфоратор американской фирмы Friden (фиг. VI, 156).
Для контроля записанной на программоноситель информации можно
применять различные способы — от примитивного визуального про-
смотра — до автоматизированного, производимого на специальном обо-
рудовании. При использовании в качестве программоносителя перфокарт
рекомендуется разновременная пробивка двух одинаковых карт с кон-
тролем наличия отверстий путем наложения карт друг на друга. Повторе-
ние одной и той же ошибки при независимом приготовлении двух экзем-
пляров программы маловероятно.
На перфораторе фирмы Friden одновременно с пробивкой ленты инфор-
мация в виде цифрового и текстового материала печатается на листе бу-
маги. При контрольном пропускании на том же перфораторе этой ленты
с записанной программой происходит перфорирование ленты-дубликата
с одновременным вторичным печатанием записанной программы. После
этого оба текста сравнивают визуально и сопоставляют с исходными табли-
цами.
§ 3. УСТРОЙСТВА ПОДАЧИ ПРОГРАММОНОСИТЕЛЯ
И СЧИТЫВАНИЯ ПРОГРАММЫ
В зависимости от вида применяемого программоносителя исполь-
зуются специальные считывающие и транспортные устройства для перфо-
карт или лентопротяжные механизмы для перфолент. Перфокартами
Фиг. VI, 157. Устройство роторного типа для считывания перфокарт:
/—барабан; 2—перфокарта; 3—электродвигатель типа РД-09; 4—храповой механизм; 5—блок щеток
пользуются при сравнительно небольшом объеме информации — обычно,
если для работы станка в течение одной смены бывает достаточно несколь-
ких десятков перфокарт. Это обстоятельство позволяет рекомендовать
устройства подачи перфокарт роторного (барабанного) типа с контакт-
ным считыванием программы. В качестве примера здесь приведена кон-
струкция, разработанная заводом координатно-расточных станков
(фиг. VI, 157). Вдоль барабана из нержавеющей стали укладывается
412 ПРОГРАММИРОВАНИЕ И СПОСОБЫ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ
до восьми перфокарт. Они удерживаются зубчиками барабана, входящими
в транспортные отверстия, расположенные по краям карты. От электро-
двигателя через храповой механизм барабан может поворачиваться за
один цикл на один шаг, равный расстоянию между строками на пер-
фокарте. Считывание осуществляется стандартным блоком щеток от
80-колонного табулятора.
Фиг. VI, 158. Схема работы устройства
непрерывного чтения программы (конст-
рукции ЭНИМСа):
Вверху — порядок расположения кадров на перфоленте; /; II\ 17/; IV и V — последовательные
э ’апы работы У ЧП; а и е — приемная и подающая кассеты; б и г — левая и правая звездочки (вклю-
чаются поочередно); вид — левая и правая считывающие головки (читают поочередно)
Конструкции, заимствованные из машин бухгалтерского учета, обы-
чно бывают снабжены бункером для перфокарт и транспортным устрой-
ством, продвигающим карты из бункера и последовательно подводящим
одну строку за другой к читающему устройству.
<9 9
Фиг. VI, 159. Различные способы считывания информации с перфорированного программо-
носителя:
а — электрический (/ — контактный барабан; 2 — контактные щетки); б — электромеханический
(/ — ощупывающий шарик; 2 — контактная группа); в — фотоэлектрический (/ — электролампа;
2 —- линза; 3 — фотоэлемент); г — пневматический (/ — золотник); П — программоноситель
УСТРОЙСТВА ПОДАЧИ ПРОГРАММОНОСИТЕЛЯ
413
В станках с контурными системами ПУ в целях непрерывности счи-
тывания информации с перфоленты устройства считывания снабжаются
блоками памяти, запоминающими информацию на время перемещения
ленты в новую позицию для считывания. Иногда устройства чтения про-
граммы (УЧП) имеют две работающие поочередно читающие головки,
как, например, УЧП конструкции ЭНИМСа. При таком способе чтения
программы запись ее — перфорирование ленты — происходит в опре-
деленном порядке, а именно: все четные кадры сдвигаются на два места
(четыре кадра) вправо и запись представляет собой картину, изображен-
ную на фиг. VI, 158. Читающее устройство в этом случае считывает кадры,
записанные на перфоленте не подряд, а в порядке следования информации,
т. е. в порядке номеров кадров. Для этого УЧП во время считывания левой
головкой одного из нечетных кадров продергивает часть ленты, находя-
щуюся между считывающими головками, и подготовляет для считывания
правой головкой новый четный кадр. При чтении кадра правой головкой
лента снова продергивается на участке между головками, подготовляя
для считывания новый нечетный кадр и т. д.
На фиг. VI, 159 показаны различные способы считывания программы,
записанной на перфокарте или перфоленте. Каждый способ имеет свои
преимущества и недостатки. Очевидно, что при большой скорости считы-
вания информации следует применять бесконтактные считывающие
устройства.
ГЛАВА XI
СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УЗЛОВ СТАНКА
§ 1. РАЗОМКНУТЫЕ И ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Большинство металлорежущих станков имеют исполнительные (под-
вижные) узлы, участвующие в формообразовании изготовляемых деталей
(осуществление рабочих ходов) или в установочных (холостых) переме-
щениях инструмента или заготовки, определяющих их подвод, отвод
или координатную установку. Такими узлами являются, например, суп-
порт токарного станка, стол расточного, сверлильного или фрезерного
станков и т. д. Ранее было отмечено, что в универсальных станках управ-
ление и контроль движений этих узлов осуществляет рабочий, использую-
щий для этого визуальный съем показаний измерительных (отсчетных)
устройств, которыми бывают снабжены такие станки. В автоматах и
полуавтоматах это осуществляется автоматически при помощи кулачков
на распределительном валу или упоров с конечными выключателями и
при помощи копиров или шаблонов — в копировальных станках. В стан-
ках с ПУ способы контроля положений исполнительных узлов станков
могут быть положены в основу классификации этих станков по конструк-
тивному признаку.
Выше (стр. 396) указывалось, что системы ПУ вдогут быть замкнутыми
(лишь с простыми внутренними связями и до полностью охваченных обрат-
ными связями) с различными датчиками исполнения, например контро-
лирующими положения подвижных узлов при помощи шкал, или разомкну-
тыми, В разомкнутых системах исполнительный узел должен иметь такой
привод, при котором можно было бы путь, проходимый этим узлом, кон-
тролировать без соответствующего датчика. Этого можно достигнуть как
в системах позиционного управления, так и контурного, осуществляя
перемещения исполнительных узлов постоянными по величине (дозиро-
ванными) и контролируемыми по количеству порциями (шагами) или
используя схему следящего привода с сельсинами типа электрического
вала. Примерами механического привода такого рода могут быть приводы
с храповым механизмом, мальтийским крестом или однооборотной муф-
той. В системах ПУ чаще всего используется электрический привод в виде
электрошаговых двигателей (см. стр. 447). В зависимости от силы, необ-
ходимой для перемещения исполнительного узла, электрошаговый при-
вод может быть либо непосредственно связан с исполнительным узлом
(т. е. представлять собой силовой привод), что в связи с малым моментом,
развиваемым таким приводом, применяется очень редко, либо являться
сервоприводом, работающим с соответствующими усилителями (см.
фиг. VI, 160).
РАЗОМКНУТЫЕ И ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
415
Наличие датчиков исполнения характерно для замкнутых систем ПУ.
Привод исполнительного узла в этих случаях делается либо с широким
диапазоном регулирования по обычной следящей схеме с полноценной
обратной связью, осуществляемой датчиком исполнения (преимущественно
лишь в системах контурного управления), либо по более простой схеме
(только в позиционных системах), обеспечивающей с допустимым разбро-
сом по точности останов исполнительного
узла в месте, заданном программой, от
команды, подаваемой 'датчиком исполне-
ния. Такой останов можно осуществить
при помощи интенсивного торможения,
отключения масс, обладающих наиболь-
шими инерционными моментами, или дру-
гим способом воздействия на исполнитель-
ный узел. В таких случаях правильнее
говорить о системах автоматического упра-
вления лишь с ложной обратной связью,
так как при такой связи корректирующий
сигнал не вырабатывается и исполнитель-
ный узел может иметь свободный неконт-
ролируемый выбег. Схема управления
ИУ
а)
5)
Фиг. VI, 160. Разомкнутые системы
управления с шаговым приводом:
а — с силовым шаговым двигателем
(ШД); И У — исполнительный узел;
б — с шаговым двигателем в качестве
сервопривода и с усилителем (У)
напоминает при этом схему с контролем по пути при помощи контактных
или бесконтактных путевых выключателей, которые автоматически «рас-
ставляются» от числовой программы по 'ходу исполнительного узла
с соответствующей дискретностью (в зависимости от разрешающей спо-
собности данной системы).
Датчики исполнения для
систем позиционного управле-
ния, а точнее — их шкалы,
могут строиться либо по
H1I ШНИ ШИШИН II HlltilHIllIlT]
п
принципу счета делений изме-
рительной шкалы, либо по
принципу чтения шкалы (см.
фиг. VI, 161). В последнем
случае они работают в так
называемых схемах совпаде-
ния (см. стр. 399).
Такие датчики обычно
являются дискретными, т. е.
информация от них посту-
пает в систему управления
а)
Фиг. VI, 161. Примеры замкнутых систем управ-
ления:
а—с импульсным датчиком исполнения—схема по прин-
ципу счета, б — с кодированным датчиком исполнения —
схема по принципу чтения (схема совпадения), П — при-
вод исполнительного узла ИУ\ ДИ—датчик исполнения,
состоящий из импульсной (схема а) или кодированной
(схема б) шкалы и чувствительного органа, считываю-
щего показания шкалы
прерывисто, а в промежутках
между подачами команд информация датчиком не выдается, и перемеще-
ние исполнительного узла по направляющим происходит бесконтрольно.
В системах контурного управления датчики исполнения строятся для
использования в схемах слежения как импульсного, так и фазового типа.
В качестве датчиков исполнения могут применяться также и потен-
циометры; контроль ведется при этом по уровню напряжения.
Системы управления фазового типа, например с сельсинами в качестве
датчиков исполнения или с контролем по напряжению, относятся к ана-
логовым, т. е. непрерывным системам управления, и датчики с непрерывно
поступающей от них информацией называются аналоговыми. Применение
их возможно как при позиционном, так и при контурном управлении.
416
СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ УЗЛОВ
Фиг. VI, 162. Возможные случаи уста-
новки датчика исполнения при различной
степени охвата связями системы управле-
ния (различной «замкнутости»):
а — датчик исполнения {ДИ) в силовой цепи
привода (Д); б — датчик исполнения с само-
стоятельным приводом от исполнительного
узла {ИУУ, в — датчик исполнения, осуществ-
ляющий активный контроль изделия (И)
Однако следует помнить, что задание программы в станках с ПУ всегда
имеет дискретный характер, так как осуществляется при помощи чисел.
Датчики исполнения могут или устанавливаться в цепи силового
привода, или иметь самостоятельный привод от исполнительных узлов,
или быть жестко с ними связаны (см.
фиг. VI, 162). Точность систем с неза-
висимым приводом или при жесткой
связи датчика с испольнительным
узлом повышается за счет большего
охвата системы управления обратны-
ми связями (большей «замкнутости»),
меньшего влияния зазоров в переда-
чах и отсутствия нагрузок в цепи
привода датчика, а значит и связан-
ных с этим деформаций и ошибок
контроля. В этом отношении наилуч-
шими системами являются системы
с датчиками исполнения, контроли-
рующими непосредственно форму и
размеры изготовляемых деталей, т. е.
системы ПУ с так называемым актив-
ным контролем детали (см. фиг. VI,
162, в). Однако такие системы из-за
технической сложности распростра-
нения пока не получили.
В станках с позиционным управлением иногда встречаются системы
контроля положения исполнительных узлов при помощи выдвижных упо-
ров (с механическим, гидравлическим или электрическим приводами)
или магнитных штрихов, наносимых при программировании по «первой
Фиг. VI, 163. Десятипозиционный электромагнитный упор
детали». В этой связи представляет интерес чешский патент на электро-
магнитный упор (фиг. VI, 163). В зависимости от числовой программы
подается напряжение в ту или другую секцию электромагнита или их
комбинации, и сердечник-упор выдвигается на ту или иную величину.
Так, при четырех секциях с ходом сердечника 1, 2, 2 и 4 мм можно полу-
чить десять положений упора — 0, 1,2.........8 и 9 мм.
Станки, работа которых программируется по первой детали, заняли
промежуточное положение между станками с ПУ и полуавтоматами и
гряд ли получат большое распространение. Программирование переме-
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИСКРЕТНЫХ ДАТЧИКОВ
417
щений исполнительных узлов в этих станках гибкое, однако датчик ис-
полнения, например магнитный барабан, на котором по первой детали
были нанесены магнитные штрихи (упоры), представляет собой выполнен-
ный в определенном масштабе копир, который является физически вопло-
щенной программой; сохранять такой программоноситель слишком сложно.
Так было сделано, например, у прежней модели координатно-расточного
станка с ПУ швейцарской фирмы SIP, новая же модель этой фирмы ра-
ботает уже от информации, записываемой на перфоленте. Лишь в редких
случаях применения станков с контурными системами ПУ, когда соста-
вление программы обработки оказывается слишком сложным процессом,
целесообразно программирование по первой детали.
§ 2. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИСКРЕТНЫХ ДАТЧИКОВ
ИСПОЛНЕНИЯ
Как уже отмечалось, если система ПУ замкнутая, контроль простран-
ственных величин (положений исполнительных узлов) осуществляется
датчиками исполнения, которые в ряде случаев являются преобразова-
телями пространственных величин в цифровую форму (т. е. в дискретные
числовые величины). Устройство, состоящее из линейной или круговой
шкалы и воспринимающего («читающего») органа, называется датчиком
положения или перемещения исполнительного узла (для общего случая
мы назвали его датчиком исполнения).
Датчики могут быть как контактными,
так и бесконтактными. Деление прост-
ранственной шкалы — квантование —
производится с использованием физи-
ческих признаков,связанных с электри-
ческими, магнитными, оптическими, ме-
ханическими и другими явлениями. Та-
кими признаками могут быть проводи-
мость и непроводимость, намагничен-
ность и ненамагниченность, tпрозрач-
ность и непрозрачность, выступ и впа-
дина. Может использоваться и электри-
Фиг. VI, 164. Способы квантования
шкалы:
а — с выделением интервалов точек; б —
с выделением дискретных точек; в—вос-
принимающий орган; q — элементарный
квант шкалы
ческая шкала; в этом случае измеряемые
величины должны быть преобразованы в электрические аналоги, для
чего используются, например, в качестве датчика исполнения потенцио-
метр или вращающийся трансформатор. Такие датчики называются ана-
логовыми.
Шкалы квантуются с выделением либо интервалов точек, либо дискрет-
ных точек (фиг. VI, 164).
Пространственные величины могут кодироваться (т. е. представляться
в различимом виде) по принципу счета квантов шкалы или по принципу
чтения кода квантованной шкалы. При кодировании по принципу счета
кванты шкалы преобразуются в электрические импульсы, которые счи-
таются особыми устройствами — счетчиками. Счет может производиться
периодически (с изменением измеряемой величины при перемещении
исполнительного узла), всякий раз от нового нуля, или реверсивно — от
одного общего нуля отсчета.
При квантовании с выделением интервалов для распознавания направ-
ления движения исполнительного узла и связанной с ним шкалы или вос-
принимающего органа при реверсивном счете могут быть использованы
14 Ачеркан. Зак. 659
418
СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ УЗЛОВ
два воспринимающих органа, смещенных один по отношению к другому
на V2</, где q — элементарный квант шкалы (фиг. VI, 165). В таких
схемах используют реверсивные счетчики. При движении шкалы справа
Фиг. VI, 165. Схема работы датчика исполнения с кодированием по методу реверсивного
счета (с логической схемой распознавания направления движения):
1 — распознаватель направления движения; 2 — реверсивный счетчик; и в2 — воспринимающие
органы, расположенные на расстоянии ‘/г кванта шкалы q; А и Б — каналы выхода сигналов раз-
личных направлений движения; а — структурная схема распознавателя; Тр1 и Тр2 — триггеры;
Oi и а2 - дифференцирующие звенья; б2 и б2 — логические элементы; б — графики сигналов, про-
ходящих по распознавателю
налево распознаватель
складывает их с ранее
импульсы посылаются в
в канал Д, и счетчик
при обратном движении
работает на вычитание).
' Распознаватель пост-
посылает импульсы
накопленным числом;
канал Б, и счетчик
Фиг. VI, 166. Кодирование шкалы в двоичной системе
счисления посредством поля кодовых комбинаций:
«11 в2\ «4. «в и РГ, Р2; Р4\ Р8—воспринимающие органы и
катушки реле соответствующих двоичных разрядов
роен по логической схеме:
триггер TpJ (с одним
устойчивым положением)
при проходе в него сиг-
налов от воспринимающего
органа вх позволяет сни-
мать с себя два различных
напряжения, соответству-
ющие его прямому и обрат-
ному ходам (показаны на
графике сплошной линией
и штриховой). Блоки ах
и а2 являются дифферен-
цирующими цепочками.
С триггера Тр.2 в зависимости от направления движения шкалы при посту-
плении сигналов от воспринимающего органа <з2 снимаются смещенные
на V2^ напряжения, которые будут проходить в блоки б с опережением
или отставанием относительно сигналов, снимаемых с Тр.1. Блоки бх
и б2 являются логическими элементами, работающими по так называемой
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДИСКРЕТНЫХ ДАТЧИКОВ
419
схеме «И» (схеме совпадения). Они пропускают в каналы А и Б
только положительные сигналы от блоков а при условии, что при
Фиг. VI, 167. Кодирование посредством перевода квантов шкалы в комбинации
двоичного кода при помощи диодной матрицы соединений
Фиг. VI, 168. Способ масштабного
преобразования шкалы:
Р — редуктор с передаточным отноше-
нием 1 : 4
Кодирование по принципу чтения может выполняться двумя способами:
Посредством поля кодовых комбинаций (фиг. VI, 166). Для двоичной
системы счисления построение поля ведется следующим образом: ряды
квантованных шкал располагаются параллельно так, что их начала отсче-
тов совпадают. Шкалы имеют различные значения (цены) квантов (деле-
ний, соответствующих разрядам): qQ=q\
q1=2q; q2=4q*t q3=8q и т. д. При движе-
нии поля кодовых комбинаций относи-
тельно воспринимающих органов (на-
пример, щеток) или наоборот последние
«читают» коды своих разрядов.
Посредством перевода квантов шкалы
в кодовые комбинации. На фиг. VI, 167
показан перевод натурального ряда чисел
в комбинации двоичного кода при помощи
матрицы соединений. Недостатком матрич-
ного кодирования является обилие дио-
дов, для уменьшения Хоторых можно при-
менить масштабное преобразование изме-
ряемой величины. Например, приведен-
ную выше схему можно преобразовать,
заменив линейную шкалу круговой, сос-
тавленной из двух дисков с передаточным
отношением между ними 1 : 4; при этом
потребуется лишь 4 диода вместо 28 (см.
фиг. VI, 168).
Датчики с применением масштабного
преобразования шкал называются много-
разрядными.
Характерной особенностью кодирования по принципу чтения поля
кодовых комбинаций является возможность возникновения ложных
кодов в тех точках шкалы, где при изменении знаков кода может образо-
ваться комбинация, повторяющая комбинацию какой-либо другой, кроме
соседней, точки. Например, в двоичном коде при переходе.с числа 3
на число 4 может возникнуть ложный сигнал числа 7. Ложный код
420
СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ УЗЛОВ
возникает вследствие конечных размеров как самих измерительных шкал,
так и читающих их органов (например, щеток).
Существуют различные методы устранения ложных кодов:
1. Метод дискретизации. Этот метод устраняет нежелательные уча-
стки поля кодовых комбинаций (шкалы), прерывая выдачу сигналов от
Фиг. VI, 169. Схема датчика с фиксирующей звездочкой в качестве
примера устранения ложных кодов методом дискретизации:
КД —кодированный диск; в—щетки; ФЗ—фиксирующая звездочка; П—
палец фиксатора, связанный с конечным выключателем ВК
датчика в момент перехода сводного знака кода на другой, например
за счет введения фиксирующей звездочки (фиг. VI, 169). Считывание
производится только при опущенном фиксаторе.
2. Метод логического выбора воспринимающих органов. Применяются
контактные (щетки) или бесконтактные воспринимающие органы с двумя
Фиг. VI, 170. Схема устранения лож-
ных кодов методом логического выбора
воспринимающих органов:
а—поле кодовых комбинаций с восприни-
мающими органами, расположенными в ви-
де буквы V; б — схема управления
сдвинутыми в виде буквы V зонами чтения поля кодовых комбинаций.
На фиг. VI, 170 приведена схема логического выбора щеток — так назы-
ПРИНЦИП РАБОТЫ АНАЛОГОВЫХ ДАТЧИКОВ ИСПОЛНЕНИЯ
421
ваемая схема «V — чтения» двоичного кода. Подключение щеток вх или в\
определяется шкалой низшего разряда. При включении реле Р1 — (от
щетки в0) в работу вводится щетка в2, реле Р2 определяет выбор щеток
в2 или в2 и т. д.
3. Метод использования специальной системы кодов. Можно распре-
делить кодовые комбинации так, что при переводе с любого знака шкалы
изменения сигналов от кодовых комбинаций будут происходить лишь
в одном разряде. Ошибка преобразования при этом не будет превышать
одного элементарного кванта. Таким свойством обладают циклические
системы кодов, например код Грея (фиг. VI, 150).
При проектировании датчиков их всегда следует проверять на воз-
можность возникновения ложных кодов.
§ 3. ПРИНЦИП РАБОТЫ АНАЛОГОВЫХ ДАТЧИКОВ ИСПОЛНЕНИЯ
В качестве электрических аналогий положения или перемещения
исполнительных узлов станков могут использоваться уровни напряжения,
частота или фаза. В таких случаях пространственные величины, пред-
ставляющие собой непрерывные величины, контролируются аналоговыми
датчиками исполнения без преобразования этих величин в числовую
форму. Однако для правильного функционирования схемы необходимо
согласовывать исходную числовую программу, т. е. дискретную инфор-
мацию, с аналоговой информацией, поступающей от датчиков исполнения.
Это может осуществляться цли в блоках управления станком, или вне
станка при подготовке программы.
В соответствии (^выбранными аналогами пространственных величин
в качестве датчиков исполнения могут применяться потенциометры, ем-
костные или фазовые датчики (вращающиеся трансформаторы, сельсины
и т. д.).
Проволочные потенциометры являются контактными датчиками испол-
нения, и их разрешающая способность лимитируется расстоянием между
витками (при толщине проволоки 0,1 мм разрешающая способность не
выше 0,1 мм, и относить их к аналоговым датчикам с непрерывной
информацией можно лишь условно). Для повышения разрешающей спо-
собности датчика можно воспользоваться масштабным преобразованием
шкалы, применив многоразрядные потенциометры с ускорительной пере-
дачей к младшему разряду. При этом следует учитывать возможность
ухудшения контакта движка потенциометра с его обмоткой из-за увели-
чения скорости считывания на младшем разряде потенциометра (если ско-
рость перемещения исполнительного узла оставлять неизменной).
Потенциометрические датчики просты, но мало надежны, недостаточно
точны в работе, и поэтому применяются редко.
Датчики двух других типов относятся к бесконтактным.
Принцип действия фазового датчика можно разобрать на следующей
элементарной модели:
Поместим рядом две обмотки (фиг. VI, 171). Подведем к обмотке А
синусоидально изменяющееся напряжение UA = U-sin со/. Возникший
в обмотке ток создаст пульсирующий магнитный поток, который наведет
э. д. с. во вторичной обмотке В, расположенной вдоль потока. На об-
мотке В UB = f/jsin со/ (фиг. VI, 171, а). Это устройство напоминает
обычный трансформатор с коэффициентом трансформации, определяемым
соотношением чисел витков первичной и вторичной обмоток. Начнем по-
ворачивать вторичную обмотку. При повороте обмотки В на угол а
422
СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ УЗЛОВ
(фиг. VI, 171, б) в ней будет наведена меньшая э. д. с., определяемая
соотношением Un = (£/г cos a) sin со/. Если повернуть обмотку В на
угол а = 90° (фиг. VI, 171, в), пульсирующий магнитный поток пере-
Фиг. VI, 171. Схема наведения э. д. с. в обмотке при различных углах ее наклона к пуль-
—сирующему магнитному полю:
а, б и в — различные положения обмотки; г — графики подведенного и снимаемого (наведенного)
1 напряжения
станет пересекать витки этой обмотки (начнет лишь скользить вдоль них),
и в ней не будет наведена э. д. с., т. е. UB = 0.
На фиг. VI, 171, г изображены графики напряжений, подведенного
к катушке А и снимаемого с катушки В при разных ее положениях, соот-
ветствующих 5/4 оборота.
Если синусоидально изме-
няющееся напряжение подвести
aA=Ua const
Oi
0 90 180 210 ЗБО 450 540
б)
Фиг. VI, 172. Наведение э. д. с. в двух обмотках, расположенных под
углом 90° при различных углах наклона к ним пульсирующего маг-
нитного поля:
а—расположение обмоток; б—графики амплитудных значений наведенных э. д. с.
к поворачивающейся катушке, а неподвижными сделать две другие, рас-
положив их под прямым углом друг к другу (фиг. VI, 172, а), то при
повороте катушки А с катушек В и С можно снимать синусоидальные
напряжения, амплитудное значение которых будет изменяться в зависи-
ПРИНЦИП РАБОТЫ АНАЛОГОВЫХ ДАТЧИКОВ ИСПОЛНЕНИЯ
423
Фиг. VI, 173. Принцип работы вращающегося транс-
форматора
мости от угла поворота а. При равномерном вращении катушки А
амплитуды э. д. с., наведенных в катушках В и С, будут изменяться
соответственно по закону синуса и косинуса (см. фиг. VI, 172, б).
Произведем иное подклю-
чение катушек—подведем пе-
ременное напряжение с амп-
литудными значениями, изме-
няющимися по закону синуса
и косинуса, к неподвижным
катушкам (фиг. VI, 173).
В этом случае образуется вра-
щающееся и пульсирующее
магнитное поле, которое бу-
дет наводить э. д. с. в под-
вижной катушке. Амплитуд-
ное значение э. д. с. в каж-
дый момент времени будет
зависеть от соотношения фаз
магнитного поля и [положе-
ния подвижной катушки (угла а). При изменении этого соотношения
появится фазо-модулированный сигнал в виде опережающего или отстаю-
щего по фазе напряжения, пропорциональный величине рассогласования.
Такое устройство называется вращающимся трансформатором (ВТ) и
может использоваться в качестве датчика исполнения в системах управ-
ления с фазовой модуляцией. При трех катушках на статоре, расположен-
ных под углом 120° друг к другу, аналогичное устройство называется
сельсином.
ГЛАВА XII
СТРУКТУРА СХЕМ БЛОКОВ УПРАВЛЕНИЯ
В ПОЗИЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
В замкнутых системах в зависимости от кодирования шкал датчиков
исполнения (по принципу счета или чтения) применяют схемы управления
двух типов — счетные или схемы совпадения.
Счетные схемы обеспечивают запоминание числа импульсов, содер-
жащихся в программе, и подсчет импульсов, приходящих от датчика
исполнения. Они могут быть построены с использованием шаговых иска-
телей, реле, счетчиков со вспомогательными шаговыми двигателями или
бесконтактных элементов: электронных ламп, полупроводниковых или
магнитных элементов. Структура схем определяется выбранной системой
счисления для ввода программы и контроля ее исполнения.
Примером может служить релейная счетная схема с двоичным кодиро-
ванием числовой информации.
Схема состоит из ряда двоичных счетчиков — ячеек (фиг. VI, 174).
Одна такая ячейка соответствует одному двоичному разряду; при этом
выключенное состояние реле — 0, а включенное—1 данного двоичного
разряда. В положении первой ячейки, изображенном на схеме и соответ-
ствующем состоянию 0, конденсатор С через нормально замкнутые кон-
такты Pi и Д подключен к источнику питания ^Е2 и заряжен положи-
тельно. Предположим, что при перемещении исполнительного узла станка
от датчика исполнения подается первый импульс — контакты Д изменяют
свое состояние. Конденсатор С окажется подключенным к катушке реле Рг.
Благодаря запасенной энергии конденсатора реле Рг сработает и встанет
на самопитание от источника +Ег через свой нормально разомкнутый
контакт.
Второй разомкнутый контакт подготовит подключение конденсатора
к источнику —£3. Реле Р± включено — ячейка в положении 1. Одновре-
менно третий разомкнутый контакт Рх подключает во второй ячейке ее
конденсатор к источнику -ЬЕ2. При дальнейшем движении исполнитель-
ного узла действие первого импульса прекратится, и контакты Д датчика
исполнения снова придут в состояние, указанное на схеме. Через нор-
мально замкнутый контакт Д конденсатор первой ячейки получит отри-
цательную зарядку. При подаче второго импульса от датчика исполнения
нормально разомкнутый контакт Д, замыкаясь снова, подключит конден-
сатор к катушке реле Рг. Однако теперь конденсатор заряжен отрица-
тельно, и по обмотке реле пойдет ток, противоположный току самоудержа-
ния. Когда эти токи сравняются и сумма их станет равной 0, реле Pt
отключится, первая ячейка перейдет в состояние 0 и передаст импульс
соседней ячейке старшего разряда, так как замкнутый контакт Р19 рас-
СТРУКТУРА СХЕМ БЛОКОВ УПРАВЛЕНИЯ В ПОЗИЦИОННЫХ СИСТЕМАХ 425
положенный во второй ячейке, включит при помощи ранее положительно
заряженного конденсатора реле Р2. Вторая ячейка займет положе-
ние 1.
Далее процесс будет повторяться: при приходе третьего импульса
реле Pi и Р2 будут включены, а четвертый импульс выключит реле Рх,
которое, в свою очередь, вторым замкнутым контактом подключит к ка-
тушке Р2 отрицательно заряженный конденсатор и отключит ее от само-
питания. При этом будет передан импульс соседней третьей ячейке стар-
Фиг. VI, 174. Схема релей-
ного двоичного счетчика им-
пульсов:
о
а — шкала датчика исполнения, состоящая из токопроводящих и изолированных участков; в — вос-
принимающий орган (щет,ка) в момент считывания второго импульса
шего разряда. Состояние реле будет соответствовать двоичному числу 100,
что означает число 4 в десятичной системе счисления.
Назначение сопротивлений 7? — ограничивать ток короткого замы-
кания при переходе с 1 на 0 и при заряде конденсатора, а также при
возможном перекрытии контактов.
Релейные счетчики позволяют вести счет при частоте импульсов 15—20
и до 50 сект1 — при пользовании поляризованными реле. Электронные
двоичные счетчики, состоящие из триггеров, т. е. бесконтактных элементов
с двумя устойчивыми состояниями (схемы с электронными лампами или
транзисторами), допускают частоту счета в несколько десятков тысяч
герц. Кроме двоичных счетчиков, могут применяться десятичные счетчики,
построенные на декатронах или других бесконтактных элементах.
Схемы совпадения используются в системах с кодированием шкал
по принципу чтения. Одна из таких схем была приведена на фиг. VI, 147.
Точность такой схемы определяется точностью остановки исполнительного
узла от команды измерительной шкалы младшего разряда.
В системах со схемами совпадения направление перемещений испол-
нительных узлов обычно задается, так как сама схема совпадения не
426 СТРУКТУРА СХЕМ БЛОКОВ УПРАВЛЕНИЯ В ПОЗИЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
определяет, в какую сторону следует отрабатывать заданное перемещение.
Однако в некоторых случаях эту команду удается автоматизировать.
Так, например, при условии ввода информации и изготовления кодиро-
ванной шкалы датчика в двоичной системе счисления можно применить
схему, приведенную на фиг. VI, 175. От сигналов программы срабатывают
реле Рпр, а от сигналов датчика исполнения — реле Рд. и. В зависимости
от того, какое число больше, сигнал
проходит в канал управления «Впе-
ред» или «Назад». При совпадении
сигналов подается команда «Стоп»
(схема дана
Сигнал
управления
«Назад»,
подается
в этом положении).
РЬ
ди
ди
Назад
автоматического
Р2
пр
Вперед Стоп
Фиг. VF, 175. Схема
определения (по числовой информации
в двоичной системе счисления), направ-
ления перемещения исполнительного узла
(катушки соответствующих реле на схеме
не показаны)
Фиг. VI, 176. Индуктивный датчик:
1 — измерительный винт; 2 и 5—гайки, смещен-
ные одна относительно другой на четверть шага
винта; 3 и 4 —катушки измерительного устрой-
ства; 6 и 7—зубчатый диск и башмак дополни-
тельного измерительного устройства для отсчета
долей целого шага
Системы отработки программы могут быть как одноосчетными, с одним
датчиком исполнения на каждую координату, так и двухотсчетными.
В двухотсчетных системах имеются две системы управления для каждой
кооринаты: одна— для грубого отсчета перемещений и другая — для точ-
ного. Соответствующие датчики исполнения имеют шкалы с различной
ценой элементарного кванта. В этом случае в датчиках, работающих
по схемам совпадения, полный рабочий диапазон точного датчика делается
равным одному элементарному кванту грубого, что позволяет получать
высокую разрешающую способность при относительно простых конструк-
циях самих датчиков (конструкция упрощается из-за более выгодного
соотношения между диапазоном измерения и величиной элементарного
кванта, т. е. ценой отсчета).
Для счетных систем управления (см. описание станка конструкции
завода «Ленполиграфмаш», стр. 431) двухотсчетные системы используют
в целях уменьшения скорости счета и уменьшения объема применяемых
в них счетных ячеек.
В станках высокой точности, имеющих прецизионную измерительную
систему отсчета перемещений, при проектировании их с программным
управлением целесообразно сочетать двухотсчетную систему ПУ с основ-
СТРУКТУРА СХЕМ БЛОКОВ УПРАВЛЕНИЯ & ПОЗИЦИОННЫХ СИСТЕМАХ 427
Фиг. VI, 177. Принцип устройства фотоэлектрического датчика Ферранти с дифракцион-
ными решетками (с образованием муаровых полос):
а — основная прозрачная шкала А, снабженная делениями b с шагом AS; б — вспомогательная про-
зрачная короткая шкала Б, снабженная делениями е с шагом AS; в — собирающая цилиндрическая
линза (G; Ч)'. г — вид спереди и д — вид сбоку на датчик; 6 — угол наклона вспомогательной шкалы;
m = AS - расстояние между полосами муара; п — расстояние между фотодиодами Ki и К2; g —
параллельный пучок света
ной измерительной системой станка. Обычно при этом система программи-
рования грубого перемещения обеспечивает ввод исполнительного узла
Фиг. VI, 178. Принцип работы ли-
нейного индуктосина:
а—основная шкала А и вспомогатель-
ная Б с токопроводящими собмотками»
в; ci и с2» выполненными печатным спо-
собом; Еа — снимаемое напряжение,
величина которого зависит от продоль-
ного положения вспомогательной шка-
лы относительно основной (шкалы рас-
полагаются одна перед другой); —
полюсное деление; g = л2т„ ± .
р \ 2
где п—целое число; б—векторная диа-
грамма, где ECt и ЕСг — подводимые
напряжения (обычно с частотой в пре-
делах 1—20 кгц), сдвинутые по фа-
зе относительно друг друга на 90°;
Ес шах — суммарное напряжение, соз-
даваемое двумя обмотками
тельной шкалы
вспомога-
станка в район останова его в пределах одного деления прецизионной
шкалы основной системы отсчета, а система программирования точного
428 СТРУКТУРА СХЕМ БЛОКОВ УПРАВЛЕНИЯ В ПОЗИЦИОННЫХ СИСТЕМА X
перемещения подготовляет точный останов исполнительного узла от пре-
цизионной шкалы (подробнее см. описание координатно-расточного
станка с ПУ конструкции МЗКРС, стр. 433).
В качестве прецизионных шкал используются металлические или сте-
клянные масштабные линейки, снабженные системами оптического уве-
личения со специальными фотоэлементами для считывания показаний,
как, например, в координатно-расточных станках МЗКРС или завода
им. Свердлова, или измерительные винты с индуктивными считывающими
головками конструкции Одесского завода им. Кирова (фиг. VI, 176).
За границей получили распространение линейки с диффракционными
решетками по типу английской фирмы Ферранти (фиг. VI, 177) и так
называемые индуктосины (фиг. VI, 178).
ГЛАВА XIII
ПРИМЕРЫ СТАНКОВ С ПОЗИЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ
ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
В качестве первого примера были приведены токарно-копировальные
станки мод. 1712П и 1722П с системами управления, работающими по
схемам совпадения (см. стр. 398 и фиг. VI, 179). Эти станки оснащены кру-
говыми контактными трехразрядными десятичными датчиками исполнения
(фиг. VI, 180), выполненными с масштабным преобразованием шкал.
На одном диске расположены шкалы единиц и десятков, а на втором —
сотен. Зубчатая передача между контактными дисками разрядов единиц —
десятков и разряда сотен — прерывистая с передаточным отношением
1 : 10, т. е. устранение ложных кодов, возникающих иногда при изме-
нении цифр одновременно в двух разрядах (единиц и сотен), осуществлено
Фиг. VI, 179. Токарно-копировальный станок мод. 1712П
430
СТАНКИ С ПОЗИЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ
методом дискретизации (см. стр. 420). Зубчатое колесо 2 имеет 20 зубьев,
а на зубчатом колесе 1 (имеющем ту же делительную окружность, что
и колесо 2) боковыми сторонами двух зубьев образована лишь одна впа-
дина, остальные зубья отсутствуют. Шестизубое в правой части колесо 3
зацепляется с зубчатым колесом 1 своей левой частью, на которой оста-
влены только три зуба, а остальные зубья срезаны (зубья следуют через
один). Таким образом, между контактными дисками получается переда-
точное отношение: nj-«-stt =Контакты единиц и десятков выпол-
О ZU 1U
йены в виде десяти сегментов 4 — для десятков и систем контактов 5 и ще-
4-4
конструктивный чертеж и схема нониуса для считывания единиц
ток б, построенных по принципу нониуса — для единиц. Вместо ста
контактов единиц, которые необходимо было бы разместить на диске
единиц — десятков (для десяти десятков требуется отсчитывать 100 еди-
ниц), на нем размещены лишь десять контактов (с интервалами 0,11
окружности между контактами от 0 до 9 и с интервалом 0,01 окружности —
между контактами 9 и 0). Щетка, считывающая контакты единиц, выпол-
нена в виде десяти контактов, расположенных равномерно с интерва-
лами 0,1 окружности и электрически замкнутых между собой. При отно-
сительном повороте щеток и контактов на 0,01 окружности происхо-
дит коммутация цепи считывания единиц таким образом, что за один обо-
рот осуществляется десятикратное считывание десяти контактов единиц.
Допустимая плотность тока контактов — не более 0,1 а/мм2, мини-
мальное напряжение на контактах 0,5 в.
Программное управление на станках мод. 1712П и 1722П характе-
ризуется следующими техническими показателями: перепад размеров
набираемой программы (разрешающая способность) по длине 1 мм, по диа-
метру — 0,2 мм. Точность автоматической обработки по длине 0,5 мм,
по диаметру — 0,1 мм. На этих станках можно обрабатывать ступенчатые
СТАНКИ С ПОЗИЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ
431
валики, имеющие до пяти различных диаметров обработки с пятью раз-
личными длинами. Программа на станке набирается в течение нескольких
минут. Наибольший рабочий ход суппорта станка мод. 1712П: продоль-
ного —500, поперечного — 75 мм.
Фиг. VI, 181. Общий вид станка мод. ТП-1М
Токарный станок мод. ТП-1М завода «Лен-
полиграфмаш». Станок предназначен для обра-
ботки цилиндрических ступенчатых поверхностей
при помощи двух резцов, расположенных в перед-
нем и заднем резцедержателях.
Продольный суппорт приводится от коробки
подач через электромагнитную муфту 1 (фиг. VI,
181) и ходовой вал. Быстрое перемещение суппорта
производится отдельным электродвигателем 3, установленным с правой
стороны ходового валика. Положением продольного суппорта управляет
простое электрокопировальное устройство, состоящее из подвижного
упора 3, расположенного на ходовом винте 2, и конечного выключателя,
432
СТАНКИ С ПОЗИЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ
закрепленного на левом торце фартука (на фигуре не показан). При нажиме
на конечный выключатель происходит—с некоторым запозданием—отклю-
чение муфты/, и суппорт, доходя по инерции до упора, останавливается.
Остановка суппорта на жестком упоре повышает точность работы станка.
Установочное перемещение подвижного упора производится ходовым
винтом, который в этом станке не связан ни с коробкой подач, ни с фар-
Фиг. VI, 182. Кинематическая схема механизма
привода винтов станка ТП-1М
ветствует перемещение упора на 4-0,1
туком суппорта, а получает дви-
жение от специального привода
4 с электродвигателем 9. Винт
поперечного суппорта 6 также
не связан с фартуком и имеет
самостоятельный привод 5 с эле-
ктродвигателем 7. Приводы вин-
тов имеют почти одинаковую
кинематическую схему (фиг. VI,
182). От двигателя через зубча-
тые колеса 7, 6, 5 и 4 движение
передается зубчатым колесам 5,
2 и /, а далее оно может быть
передано натри промежуточных
валика и при помощи колес
с винтовым зубом S, 9, 10, 11 и
червячной передачи К2-12 через
два конических дифференциала
ДФ-1 и ДФ-2, суммирующих
движения, на винт. Валики мо-
гут включаться в передачу при
помощи однооборотных муфт Ml,
М2 и М3, управляемых электро-
магнитами Э1, Э2 и ЭЗ. Каж-
дый валик имеет по датчику
исполнения Д-1, Д-2 и Д-З, пред-
ставляющему собой однокон-
тактный импульсный датчик,
работающий по принципу счета.
Одному обороту валика I соот-
мм, валика II — на +1 мм и
валика III — на—1 мм (знаки указывают направление движения узла).
Соответственно величины перемещения поперечного суппорта: +0,01 мм-,
+0,2 мм и —0,2 мм.
Для того чтобы запрограммировать перемещение упора (т. е. про-
дольного суппорта) или поперечного суппорта, надо задать соответствую-
щее количество оборотов валам / и II или валу III. Эта информация фик-
сируется двоичным кодом на перфокарте и после ее считывания, что
происходит при кратковременном замыкании контакта П (фиг. VI, 183),
вводится в релейный двоичный счетчик, работающий на вычитание.
Принцип работы счетчика был описан выше (стр. 425). Схема будет за-
нимать следующие состояния: исходное Р8 — выключено (0); Р4 — вклю-
чено (1); Р2 — выключено (0); Р± — включено (1), что соответствует
числу 5 (0101); от первого импульса 0100—>4; от второго 0011~>3; от треть-
его 0010->2; от четвертого 0001-И и от пятого 0000->0.
Когда каждый вал сделает заданное число оборотов и сигналы от дат-
чиков исполнения поступят в счетчик, все ячейки (разряды) счетчика
СТАНКИ С ПОЗИЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ
433
придут в состояние 0 и их реле разорвут нормально разомкнутые кон-
такты в цепи катушки Рк, что приведет к выключению однооборотной
муфты соответствующего вала. Схема изображена для датчика и однообо-
ротной муфты вала /.
В станке ТП-1М полный блок запоминания и сравнения информации
для продольного направления движения суппорта состоит из двух релей-
ных счетчиков: восьмиразрядного для фиксации «больших» импульсов
с ценой деления 1 мм, позволяющего фиксировать до 255 импульсов,
Фиг. VI, 183. Схема релейного двоичного счетчика, работающего на вычита-
ние, станка ТП-1М (схема показана в исходном положении перед считыва-
нием информации):
1 — перфокарта с записанным числом 5; Э1 — катушка электромагнита однообо-
ротной муфты
т. е. до 255 мм, и четырехразрядного для «малых» импульсов с ценой
деления 0,1 мм. Каждое последующее перемещение исполнительного узла
отсчитывается от предыдущего, т. е. от нового нуля отсчета.
Как явствует из описания, система программирования этого станка
двухотсчетная, построенная по принципу счета. Станок имеет разрешаю-
щую способность при программном управлении по длине обработки 0,1 мм,
по диаметру — 0,02 мм. Точность обработки на станке по длине 0,06 мм,
по диаметру 0,03 мм. Высота центров 150 мм, расстояние между центрами
750 мм.
Координатно-расточные станки Московского завода координатно-рас-
точных станков (МЗКРС). Станок с ПУ мод. 2А450П предназначен для
работы от перфокарт, содержащих информацию о координатных уста-
новках детали для обработки в прямоугольной системе координат. Пер-
вый экспериментальный станок был спроектирован на базе универсаль-
ного станка мод. 2А450 (описание базового станка — см. т. 1, стр. 415),
серийно изготовляемого МЗКРС. Система управления для каждой коор-
динаты — двухотсчетная, замкнутая, с датчиками исполнения, построен-
ными по принципу чтения поля кодовых комбинаций. Каждая из четырех
систем управления (две двухотсчетные координаты) выполнена по одина-
ковой схеме совпадения и снабжена унифицированным трехразрядным
датчиком исполнения (с масштабным преобразованием шкал).
434
СТАНКИ С ПОЗИЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ
Датчики исполнения представляют собой преобразователи линейных
перемещений в цифровой код, который нанесен в виде определенным
образом расположенных отверстий на тонкие алюминиевые диски. Датчики
имеют кодированные диски единиц, десятков и сотен, т. е. принята деся-
тично-кодированная система. Для единиц и десятков использован код 2
4 #
Фиг. VI, 184. Бесконтактный датчик исполнения с кодированными дисками станка
мод. 2А450П:
а — конструктивный чертеж; б — кинематическая схема; 1 — реечное зубчатое колесо (вход для
стола и салазок); 2 — валик зубчатого колеса z == 76 (вход для кареток экранов); 3 — кодированный
диск единиц; 4 — диск десятков; 5 — диски сотен; 6 — фотодиоды’типа ФД-3; 7 — лампа освети-
тельная 7 вт', 8 — усилитель фотодиодов
из 5. Во избежание появления ложных кодов, квантование шкалы единиц
проведено с выделением дискретных точек, для чего окна в диске, пред-
ставляющие код 2 из 5, выполнены узкими, и команда от них снимается на
протяжении десятой доли их цены, а для сотен использован циклический
код по 2 из 7 (также — чтобы избежать ложных кодов). Передача между
разрядами плавная, с передаточным отношением между диском десятков
и единиц 10 : 1 и между диском десятков и сотен — примерно 1 : 10.
Датчики — бесконтактные, с использованием фотодиодов в качестве вос-
принимающих («читающих») органов. На фиг. VI, 184 приведена кон-
струкция датчика.
Станок имеет два исполнительных узла для координатной установки
детали по программе, а именно: стол (координата х) и салазки (коорди-
ната у) и два, также программируемых по положению, вспомогательных
подвижных узла: каретку с фотодатчиком экрана стола и каретку с фото-
датчиком экрана салазок, определяющих отсчет дробной части (долей
СТАНКИ С ПОЗИЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ
435
миллиметра—микронов) устанавливаемых координат. Окончательная уста-
новка (позиционирование) исполнительных узлов производится по точ-
ным масштабным линейкам с миллиметровыми делениями (шаг 1 мм), что
является основной отсчетно-измерительной системой, принятой на коорди-
натно-расточных станках МЗКРС. На фиг. VI, 185 показан принцип уста-
новки координат вдоль оси х (стола) при программном управлении. Отсчёт
точного размера производится при помощи оптики, проектирующей
деления линеек на экраны (кратность оптического увеличения 125х).
Деления линеек фиксируются фотодатчиками экранов стола и салазок.
Фиг. VI, 185. Схема установки координат стола станка мод. 2А450П при программном
управлении: «
/ — стол станка с деталью; 2 — масштабная линейка основной измерительной системы станка;
3 — экран оптической системы отсчета; 4 — каретка экрана с фотодатчиком; 5 — привод стола;
6 — привод каретки экрана; 7 — датчики исполнения; 8 — устройство считывания перфокарт;
9 — пульт управления
Вспомогательные узлы (каретки с фотодатчиками) состоят из приводных
серводвигателей, червячных передач и винтовых пар, перемещающих
каретки с фотодатчиками по направляющим вдоль экранов. Это устрой-
ство выполняет роль нониуса при отсчете дробной части размера.
Перфокарта (80-колонная), на которой записывается программа пози-
ционирования (информация записывается вдоль строк), одной строкой
задает положение исполнительных узлов (стола и салазок), соответствую-
щее целой части координаты, т. е. миллиметры (точность отработки
~0,3 мм), и второй строкой — положение вспомогательных узлов
(кареток экранов стола и салазок), соответствующее дробной части, т. е.
микроны. Так как считывание информации целой и дробной частей милли-
метров размера может производиться не одновременно, отдельных блоков
памяти не требуется. Датчики исполнения, контролирующие систему
шагового отсчета — целую часть координаты, связаны с исполнительными
узлами при помощи реечной передачи, в которой рейка представляет
собой часть точно прошлифованного винта. Встройка этих датчиков про-
изведена таким образом, что корпус датчика может поворачиваться на
небольшой угол, достаточный для смещения отсчета координат в пределах
±0,7 мм, что облегчает наладку станка и позволяет вести обработку с точ-
ными размерами от баз по программе (в том числе и от готовых отверстий).
Датчики исполнения, контролирующие систему внутришагового отсчета —
436
СТАНКИ С ПОЗИЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ
Фиг. VI, 186. Фото датчик с модулятором:
1—фотосопротивление типа ФСД-1; 2—вибратор (элект-
ромагнитный привод от электробритвы типа «Киев»;
3 — каретка экрана
дробную часть координаты, фиксируют положение кареток экранов
(по своей конструкции все датчики исполнения одинаковы и имеют лишь
разные входы). Движение может передаваться либо на диск десятков —
для стола и салазок, либо на диск единиц — для кареток экранов (см.
фиг. VI, 184).
' Фотодатчики экранов, предназначенные для точного фиксирования
делений масштабных линеек, представляют собой фотосопротивления,
закрепленные на специаль-
ных модуляторах (см. фиг.
VI, 186), которые устанавли-
ваются на каретках экранов.
Система с модулятором позво-
ляет с высокой надежностью
и стабильностью фиксировать
положение риски масштаба
независимо от ее толщины и
при малой скорости ее пере-
мещения (менее 1 мм/ мин)
с точностью выше 1 мкм х.
В целях повышения точ-
ности установки координат
окончательное движение ис-
полнительных узлов — под-
ход к месту останова—совер-
шается всегда в одном напра-
влении и с пониженной скоро-
стью перед остановкой (~0,6
мм/мин); это достигается при-
менением специальной схемы
управления, с использова-
нием магнитострикционного
привода. За положительное
направление перемещения
стола и салазок принимается
такое, при котором возрас-
тает значение цифр масштаб-
ных линеек.
Так как рабочая скорость перемещения исполнительных узлов значи-
тельна (1200 мм/мин), а программируется каждый раз лишь одна точка,
соответствующая целой координате, определяемая датчиком исполнения
дискретного действия, подвижные узлы (стол и салазки) проходят мимо этих
точек по инерции. Чтобы исполнительный узел занял необходимое положе-
ние, в станке применена так называемая «схема вилки», которая обеспечи-
вает ступенчатое снижение скорости с одновременным реверсированием
стола или салазок, каждый раз при проходе ими запрограммированной
точки. По достижении заданного положения подается команда перехода
управления на отсчет координат по масштабным линейкам. В результате
нескольких колебательных движений стола (салазок) возле запрограммиро-
ванной точки с постепенным снижением скорости, а значит и уменьшением
величины выбега, удается зафиксировать при помощи датчика исполне-
1 Система разработана совместно кафедрой электроники Московского станкоинстру-
ментального института и МЗКРС.
СТАНКИ С ПОЗИЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ
437
ния и соответствующей схемы торможения запрограммированное поло-
жение для целой части миллиметров координаты, после чего исполни-
тельному узлу для отработки дробной части координаты подается
команда — двигаться до совмещения риски масштабной линейки с фото-
датчиком экрана (движение происходит всегда в одном и том же направле-
нии со скоростью 30 мм/мин,)
Для автоматического перевода исполнительных узлов станка на ско-
рость менее 1 мм/мин масштабные линейки станков с ПУ имеют перед ос-
новными рисками, расположенными через миллиметр и служащими для
точного отсчета координат, вспомогательные риски, расположенные
в 40 мкм перед основными. Первой в зону действия фотодатчика входит
вспомогательная риска; при этом электродвигатель перемещения стола
(салазок) отключается и включается привод от магнитостриктора, который
доводит стол (салазки) до совпадения основной риски с фотодатчиком.
Подвижной узел занимает точное положение и закрепляется. Ошибка
установки координат по программе составляет не более 6—8 мкм.
Подготовка программы и обработка деталей на станке мод. 2А450П
состоит из следующих этапов:
1. По чертежу, выполненному в прямоугольной системе координат,
технолог-программист намечает порядок обработки заготовок (очеред-
ность переходов), координаты установочных баз (что определяет место
установки заготовки на столе станка) и координаты точек обработки. Все
координаты задаются от начала отсчета измерительной системы станка
в виде шестизначных чисел.
2. Составляется таблица исходных данных, в которую вписываются
наименование и номер детали; выбранные базы для обработки, с указа-
нием их координат относительно нуля масштабных линеек стола (ось X)
и салазок (ось У); номера переходов и координаты центров отверстий
с указанием очередного направления перемещения исполнительного узла
(если оно должно происходить с уменьшением числового значения пре-
дыдущей координаты, ставится буква Н — «Назад»). Числовые значения
координат с учетом базы, т. е. от нуля отсчета координат на станке, запи-
сываются в две колонки — слева для стола (X) и справа — для салазок
(У) и в две строки. Первая строка отмечается буквой /(, указывающей,
что она относится к кареткам экранов; она несет информацию о дробной
части координаты. Вторая строка содержит информацию о целой части
координаты; она отмечается буквой С, означающей «Стол и салазки».
Если по какой-либо из координат перемещения нет, делается отметка 0.
3. По таблице оператор пробивает перфокарты, пользуясь специаль-
ным перфоратором с клавишным вводом. Перфоратор снабжен шифрато-
ром, автоматически преобразующим десятичную систему счисления в при-
меняемый на станке код.
На одной перфокарте можно записать информацию шести различных
позиций стола и салазок.
Для контроля записанной на перфокарту программы рекомендуется
повторять запись той же программы, с последующей сверкой оригинала
с дубликатом посредством наложения карт друг на друга (лучше, если
повторная пробивка перфокарты производится другим лицом). После
контроля рекомендуется один комплект перфокарт сохранить в качестве
эталонного.
4. На перфокартах делают надписи, указывающие наименование и
номер детали, базы с размерами, номер перфокарты и общее количество
перфокарт, необходимых для обработки данной заготовки.
438
СТАНКИ С ПОЗИЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ
5. Готовые перфокарты с чертежом детали, технологией, режущим
и мерительным инструментом, а также заготовки с оснасткой для уста-
новки их по базовым поверхностям поступают к рабочему — расточнику»
6. В соответствии с указаниями, сделанными на перфокарте в отно-
шении баз, рабочий устанавливает на стол станка оснастку и заготовку.
7. В той же последовательности, в которой будет производиться об-
работка заготовок, в устройство считывания закладываются перфокарты.
Одновременно можно заложить до восьми перфокарт, т. е. механизм счи-
тывания (см. фиг. VI, 157) вмещает информацию 48 различных позиций
стола и салазок.
8. Переключатель на пульте управления переводится в положение
«Программное управление» (см. фиг. VI, 185).
9. Происходит считывание первой строки перфокарты. Каретки экра-
нов стола и салазок автоматически занимают положение, соответствующее
значениям дробных частей координат стола и салазок. После этого меха-
низм считывания программы перемещается на один шаг, подготовляя сле-
дующую строку перфокарты для считывания.
10. При нажиме на кнопку «Цикл» стол и салазки перемещаются
в позицию, соответствующую точке пересечения базовых поверхностей
обрабатываемой детали (если необходимо проверить и окончательно вы-
ставить по программе приспособление для базирования заготовок), или
стол и салазки движутся в первую позицию для обработки.
11. Рабочий окончательно закрепляет приспособление для базиро-
вания и заготовку, а если это не требуется, то обрабатывает заготовку
в первой позиции.
12. Как только стол и салазки заняли запрограммированное положе-
ние, механизм считывания программы перемещает перфокарту на один
шаг, и каретки экранов передвигаются в новое положение, соответствую-
щее дробным частям координат следующей позиции.
13. Установка очередной позиции осуществляется каждый раз нажа-
тием на кнопку «Цикл» после того, как каретки займут положение, соот-
ветствующее дробным значениям отрабатываемой позиции, и механизм
считывания программы отработает один шаг.
Окончательное перемещение исполнительных узлов в направлении
точного размера не контролируется датчиками исполнения. Оно проис-
ходит на малой скорости сначала от электродвигателя, а последние 40 мкм
пути — от магнитострикционного привода до получения сигналов от
фотосопротивлений (установленных совместно с модуляторами на карет-
ках экранов) при воздействии на них проекций рисок масштабных линеек
основной отсчетной системы станка.
Технические данные станка мод. 2А450П (установка координат)
Ход стола в мм...................................1000
Ход салазок в мм................................. 630
Наибольшая скорость перемещения в мм/мин.........1200
Разрешающая способность системы ПУ в мкм........... 1
Точность повторной установки координат по программе
в мкм.............................................. 3
Время подготовки программы для шести позиций и запи-
си ее на перфокарту в мин.......................... 8
Предполагается, что производительность при введении ПУ на коор-
динатно-расточных станках повышается на 15—20% при одновременном
снижении утомляемости рабочего.
СТАНКИ С ПОЗИЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ
439
Принципиальным отличием другой модели координатно-расточного
станка с ПУ, спроектированной и изготовленной МЗКРС, является ис-
пользование сельсинов в качестве датчиков исполнения программы.
Применение аналоговых схем отработки программы в координатно-расточ-
ных станках имеет ряд преимуществ перед дискретными и, в частности,
позволяет создать более экономичную схему привода подвижных узлов.
Скорость движения исполнительных узлов при такой схеме может из-
меняться пропорционально изменению величины рассогласования задаю-
щего и исполнительного сельсинов, т. е. скорость исполнительного узла
Фиг. VI, 187. Координатно-расточной станок мод. 2В440П
при подходе к запрограммированной позиции постепенно уменьшается до
полной остановки. Введение в схему дифференциальных сельсинов просто
решает также и вопрос «смещения нуля отсчета». К недостаткам этой
схемы следует отнести значительное время подготовки отсчета дробной
части координаты и громоздкость схемы в связи с необходимостью преоб-
разования числовой — дискретной информации, поступающей от про-
граммы, в аналоговую, что осуществляется в станке при помощи вспомо-
гательного контактного датчика, контролирующего положение задающего
сельсина и сравнивающего его положение по схеме совпадения с програм-
мой. В этом отношении более выгодной оказалась новая схема, разрабо-
танная МЗКРС совместно с лабораторией следящего привода Института
автоматики и телемеханики. В качестве элементов, задающих программу,
в этой схеме применены многообмоточные трансформаторы, а сельсины
используются лишь в качестве датчиков исполнения. Подключение к схеме
тех или иных выводов трансформаторов производится непосредственно
от программы, записанной на перфокарте, при помощи контактов реле,
связанных со щетками механизма считывания программы.
На фиг. VI, 187 показан координатно-расточной станок мод. 2В440П,
работающий при помощи задающих программу трансформаторов.
440 СТАНКИ С ПОЗИЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ
Технические данные станка по установке координат
Ход стола в мм.................................. 710
Ход салазок в мм................................ 400
Наибольшая скорость перемещения в мм!мин........1500
Разрешающая способность системы ПУ в мк......... 1
Точность повторной установки координат по программе
в мк.............................................. 2
Станок мод. 2В440П успешно прошел Государственные испытания и
рекомендован для производства по специальным заказам.
ГЛАВА XIV
КОНТУРНЫЕ СИСТЕМЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
§ 1. ПРИНЦИП РАБОТЫ СТАНКА С КОНТУРНОЙ СИСТЕМОЙ
ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Для получения какого-либо произвольного профиля при обработке
на станке, например конуса на токарном станке, или обработке поверх-
ности, расположенной под углом к направляющим стола на фрезерном
станке, достаточно осуществить одновременные перемещения в продоль-
ном и в поперечном направлениях инструмента — резца токарного стан-
ка — или заготовки — на фрезерном станке. Эти перемещения должны
происходить не только одновременно, но и
взаимосвязанно на всем протяжении рабо-
чего хода. Например, для обработки шаб-
лона на участке А—Б (фиг. VI, 188) пря-
мой, расположенной под углом 30° к оси х,
его необходимо перемещать вдоль этой оси
примерно вдвое быстрее, чем вдоль оси у,
так как соответствующие пути вдоль осей
относятся примерно как 1:2 (tg 30°
^0,577.) Очевидно, что на участке Б—В
скорости перемещения по осям координат
должны быть одинаковы. Кроме того, чтобы
получить правильную геометрию и одина-
ковую шероховатость поверхности обра-
ботки, желательно, чтобы величина подачи
вдоль всего профиля не сильно колебалась.
В отличие от позиционных систем ПУ
Фиг. VI, 188. Пример контурной
обработки шаблона на фрезерном
станке:
/—деталь; 2 —фреза; Л—Б—В—обра-
батываемый участок
в контурных системах идет
одновременный взаимосвязанный, действующий без перерыва на всем про-
тяжении рабочего хода исполнительных узлов процесс автоматического
управления по всем рабочим координатам.
Выше указывалось (стр. 414), что системы управления могут быть
как замкнутыми, так и разомкнутыми. Для первого случая предусматри-
вается контроль за движением рабочих узлов при помощи датчиков ис-
полнения, а во втором — особого рода привод, обеспечивающий движение
рабочих узлов контролируемыми по величине шагами. Это означает, что
в нашем примере при контурной обработке в зависимости от выбранной
системы управления надо ввести в станок информацию, преобразован-
ную таким образом, чтобы ее можно было бы непрерывно сравнивать с ин-
формацией, поступающей отдатчиков исполнения, или также непрерывно
управлять с ее помощью шаговым приводом. Наиболее удобным для этого
оказывается использование единичной системы счисления — унитарного
442
КОНТУРНЫЕ СИСТЕМЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
кода. В этом случае каждой единице, т. е. каждому сигналу унитарного
кода, будет соответствовать одно элементарное перемещение исполнитель-
ного узла.
Предположим, расстояние от А до Б по оси х (фиг. VI, 188) равно
20 мм, а по оси у — 10 мм. Если имеется возможность подать в систему
управления за одно и то же время равномерно распределенные 20 сигналов
(единиц)—для продольного и 10 сигналов—для поперечного переме-
щения заготовки, а привод, непрерывно контролируемый датчиками
исполнения, это отработает так, что при перемещении заготовки по осям
координат на 1 мм датчики будут подавать один сигнал, то будет осущест-
влена заданная программа.
При разомкнутых системах принципиальная схема упрощается. В этом
случае достаточно за одно и то же время, также равномерно распределив
сигналы, сделать приводом вдоль оси х и оси у соответственно 20 и 10
шагов (по 1 мм каждый шаг). Для любых систем контурного ПУ в нашем
примере должно быть выдержано условие: при двух сигналах программы
перемещения вдоль оси х должен поступать один сигнал для перемещения
вдоль оси у (в нашем примере участок А—Б будет обработан слишком
грубо — со ступеньками до 1 мм).
Унитарным кодом в системах ПУ называют такую последовательность
импульсов, где каждому импульсу соответствует перемещение исполни-
тельного узла на один шаг. Величина перемещения исполнительного узла
станка от одного импульса программы называется ценой импульса (ЦИ).
Для получения большей чистоты обработанной поверхности необхо-
димо выбирать станки с системами контурного ПУ, обладающими мень-
шей ценой импульса.
Если для нашего случая выбрать ЦИ 0,01 мм, соответственные пере-
мещения исполнительных узлов должны быть запрограммированы как
2000 и 1000 сотых долей миллиметра, и обработанная поверхность удовле-
творит высоким требованиям по чистоте.
§ 2. ПОДГОТОВКА ПРОГРАММЫ ДЛЯ СТАНКОВ С КОНТУРНЫМИ СИСТЕМАМИ
ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
В станках с контурным управлением подготовка программы является
процессом более сложным, чем при позиционном управлении. При настоя-
щем уровне техники для обработки на фрезерном станке произвольного
криволинейного профиля при помощи числовой информации наиболее
просто воспроизвести траекторию движения центра фрезы: она будет
эквидистантой заданного профиля, учитывающей радиус фрезы. Однако,
если попытаться подсчитать с необходимой детализацией, например
через 0,1 мм, координаты всех точек эквидистанты, то кроме большого
объема программоносителя, необходимого для записи этой информации,
потребуется очень большое время для такого подсчета. Поэтому поступают
следующим образом.
После определения и вычерчивания эквидистанты обрабатываемого
профиля этот профиль разбивают на ряд участков, которые заменяют —
аппроксимируют более простыми линиями. Если кривую заменяют рядом
прямых линий (фиг. VI, 189), то такая форма преобразования контура
называется кусочно-линейной аппроксимацией, если кривую заменяют
дугами окружностей, то эта форма называется круговой. При аппрокси-
мации контура обработки заведомо вносится ошибка, которая равна
ПОДГОТОВКА ПРОГРАММЫ ДЛЯ СТАНКОВ
443
максимальному отклонению нового приближенного профиля от заданного
и называется ошибкой аппроксимации (S). Производя аппроксимацию,
исходят из допустимой ошибки аппроксимации, которая должна состав-
лять часть общей допустимой ошибки обработки детали на данном станке.
Допуск на погрешность аппроксимации или, как его называют, матема-
тический допуск практически составляет 15—25% от всего допуска,
установленного на неточность
обработки детали.
Полученные в результате
аппроксимации общие точки но-
вого профиля и заданного назы-
ваются опорными точками.
В результате аппроксимации
контура обрабатываемой детали
соответственно изменяется и
траектория движения центра
фрезы—эквидистанта, поэтому
опорные точки переносятся и на
эквидистанту (на фиг. VI, 189
это точки ЛВС). Далее вычис-
ляют приращения координат по-
следовательно для каждой опор-
ной точки эквидистанты, кото-
рые записываются в расчетные
карты непосредственно в виде
числа импульсов. Для этого все
размеры приращений умножают
1
на постоянный множитель -у-
h
(число импульсов, приходящих-
ся на 1 мм перемещения), где
h — цена импульса; например,
при цене импульса 25 мкм величина равна 40 имп/мм. Для переме-
щения стола на 3,75 мм надо подать 3,75-40=150 импульсов. Время
отработки каждого элементарного участка (например, от В до С) опреде-
. ,60/ . 60 / Дх1 2 4- Ди2
ляется цо формуле t = или t = —--------- сек, где приращения
координат опорных точек Дх и Ау выражены в мм, а подача по контуру
s — в мм/мин. Такой информации будет уже вполне достаточно, чтобы при
помощи специальных вычислительных устройств превратить числовую
кодированную программу в унитарный код с любой линейной или нели-
нейной зависимостью движения исполнительных узлов.
Все расчеты, связанные с подготовкой программы для станков с кон-
турными системами ПУ (объем этих расчетов очень велик), целесообразно
проводить, пользуясь электронными цифровыми вычислительными ма-
шинами; при их отсутствии программа может быть рассчитана и вручную
с использованием лишь настольных клавишных счетных машин или ариф-
мометров х. Для станков с контурным ПУ в связи с большим объемом
информации в качестве первичного программоносителя используется,
Фиг. VI, 189. Кусочно-линейная аппроксимация
криволинейного контура:
б — погрешность, обусловленная аппроксимацией
(ошибка аппроксимации); Эфр — диаметр фрезы,
используемой при данной обработке
1 Методика ручного программирования изложена в соответствующих руководящих
материалах ЭНИМСа.
444
КОНТУРНЫЕ СИСТЕМЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
как правило, перфолента. Информация с расчетных карт переносится на
перфоленту обычно в десятично-кодированном виде таким образом, что
информация об обработке каждого из участков между двумя опорными
точками производится командой, состоящей из определенного количества
Фиг. VI, 190. Аппроксимация
окружности:
R —радиус окружности (соответст-
вующий радиусу обработки); Дер —
угол, определяющий шаг аппрокси-
мации
числовых данных, характеризующих вели-
чину, время и направление перемещения по
всем координатам, участвующим в формообра-
зовании детали. Эта информация составляет
кадр команды.
При подготовке программы не следует
задавать слишком малый математический до-
пуск: это приводит к неоправданному возра-
станию объема вычислений и увеличивает
число кадров, а это может привести к увели-
чению вероятности сбоя в работе станка при
вводе программы.
В связи с тем, что криволинейный про-
филь обработки часто состоит из участков,
образованных дугами окружностей, целесо-
образно пользоваться круговой аппроксима-
цией. Однако при отсутствии необходимых
нелинейных вычислительных устройств можно
заранее составить таблицы аппроксимации
окружностей с наиболее употребительными размерами радиусов обработки
и пользоваться при программировании готовыми результатами. Достаточно
подсчитать приращения координат опорных точек только для одной чет-
исходя из заданной точности и требуемой чистоты обработки, а также
величины радиуса; практически Дф < 3°, так как при больших значениях
Дф может наблюдаться ясно видимая огранка обрабатываемой поверхности.
Для выбора шагового угла ЭНИМСом предложен график (фиг. VI, 191).
При программировании окружности все кадры имеют одинаковые резуль-
тирующие перемещения вдоль профиля (угол Дф должен делить окруж-
ность на целое число); поэтому окружность программируется с постоян-
ной скоростью, т. е. при постоянном времени отработки каждого кадра-
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ, ЗАПИСЬ НА МАГНИТНУЮ ЛЕНТУ И КОНТРОЛЬ
445
Напомним, что в целях непрерывности считывания информации с про-
граммоносителя в блоке ввода программы должны быть предусмотрены
соответствующие элементы памяти или устройства чтения программы дол-
жны иметь пол две читающие головки, как было указано на стр. 413.
§ 3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ, ЗАПИСЬ НА МАГНИТНУЮ ЛЕНТУ
И КОНТРОЛЬ ПРОГРАММЫ
Вычислительные устройства, преобразующие кодированную программу
в унитарный код, называются интерполяторами', это — декодирующие
устройства. С их помощью автоматически получаются промежуточные
(между опорными точками) значения координат программируемых участ-
ков обработки. Наибольшее распространение получили простейшие из
них, так называемые линейные кодовые преобразователи. Преобразова-
ние информации этими устройствами происходит с линейной зависимостью
2 3 4 5 6 7 5 9 10Л1 12 13
Следующая декада I
Фиг. VI, 192. Блок-схема десятичного делителя частоты (справа —
сигналы после каждого делителя):
ГИ—генератор импульсов; Д1, Д2, ДЗ и Д4— делители частоты, рабо-
тающие по коду 5121; У ЧП — контакты устройства чтения программы
между собой сигналов, выходящих из преобразователя и направляемых
для управления исполнительными узлами станка (по разным координа-
там).
Интерполяторы могут работать и по нелинейным законам, обеспечи-
вая перемещение детали или инструмента по участкам окружностей,
парабол, эллипсов, гипербол и т. д. Однако все эти интерполяторы имеют
схему управления более сложную, нежели линейный интерполятор.
Направление, путь и скорость (время) движения исполнительных
узлов станка между опорными точками задает программа, а интерполя-
тор обеспечивает в соответствии с этой программой, непрерывную в пре-
делах выбранной дискретности (цены импульса) кинематическую связь
между исполнительными узлами. Такая связь является очень гибкой,
она легко может изменяться при помощи различной числовой информации,
вводимой в интерполятор. Каждый новый кадр программы, записанный
на перфоленте, может при помощи интерполятора изменять кинематиче-
скую связь исполнительных узлов станка между собой.
Фиг. VI, 192 поясняет принцип построения блока десятичного де-
лителя частоты линейно-кодового преобразователя Л КФ-01 Ф (изготов-
ляемого Астраханским заводом электронной аппаратуры). Собственно
446
КОНТУРНЫЕ СИСТЕМЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
вычислительное устройство этого преобразователя представляет собой гене-
ратор тактовых импульсов ГИ, который непрерывно подает импульсы опре-
деленной частоты на серию импульсных счетчиков — делителей, работаю-
щих по десятично-кодированной системе (по коду 5121). После каждого
делителя возможен выход импульсов в каналы управления перемещениями
рабочих узлов станка по осям координат (на схеме х и у). Выход тех или
иных импульсов в схеме определяется контактами устройства чтения про-
граммы (УЧП). Включение этих контактов или их комбинаций дает воз-
можность снять с делителей любое количество импульсов от 1 до 9 для
каждого десятичного разряда (на схеме показаны делители лишь одного
десятичного разряда). Ввиду того, что импульсы, поступающие в каналы
управления, при одновременном съеме их с нескольких делителей следуют
один за другим недостаточно равномерно, что может приводить к ошибкам
при отработке на станке, в схеме преобразователя применен «бункер» —
импульсный счетчик-делитель на 4. Для того же, чтобы число импульсов,
снимаемых с выхода, не изменилось, устанавливается счетчик-повтори-
тель, обеспечивающий четырехкратное повторение последовательности
всех импульсов, снимаемых с делителей. Одновременное использование
повторителя и бункера обеспечивает более равномерное следование им-
пульсов в каналы управления станком, не изменяя общего числа их.
Практически можно считать, что максимально возможная погреш-
ность интерполяции не превышает цены импульса.
Специальный код 5121 выбран для того, чтобы цифры, особенно часто
встречающиеся на машиностроительных чертежах, выражались этим ко-
дом наиболее просто, а следование сигналов с интерполятора было
более равномерным.
Кодирование десятичных цифр для интерполятора мод. Л КП-01 Ф
производится по следующей схеме:
0- >0000 5 -> 1000
1 Ч >0001 6- > 1001
2- >0101 7 ч > 1010
3- >0011 8ч > 1011
4- >0111 9ч > 1111
Делители кодового преобразователя построены на ферротранзистор-
ных элементах.
Для сохранения постоянства подачи вдоль профиля или, наоборот,
изменения ее по технологическим соображениям (снижение скорости,
например, при опасности перебега, во время резких изменений профиля,
быстрое перемещение при установочном движении и т. д.) в программу
вводят различное время отработки кадра с учетом числа импульсов.
Время отработки кадра можно установить с помощью специальной про-
бивки отверстий на ленте.
Объем делителей кодового преобразователя может быть уменьшен
в 10 или 100 раз, но не следует при этом забывать, что объем делителя не
может быть уменьшен произвольно; он должен быть заведомо больше
числа импульсов, снимаемых с делителя для передачи их исполнительным
узлам станка по каждой координате.
Сигналы, снимаемые с различных каналов интерполятора, могут быть
направлены непосредственно в станок для отработки программы соответ-
ствующими исполнительными узлами или могут быть записаны на магнит-
ную ленту, представляющую собой вторичный программоноситель. Со-
временный уровень развития станков с ПУ не выявил еще предпочтитель-
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ, ЗАПИСЬ НА МАГНИТНУЮ ЛЕНГУ И КОНТРОЛЬ 447
ого решения — что является более целесообразным, и разные фирмы
)ешают этот вопрос различно. Доводы за и против таковы: интерполя-
тор сложен, дорог, требует определенных условий эксплуатации, может
один обслуживать несколько станков, его
целесообразнее устанавливать вне цеха;
однако информация, записанная на маг-
нитную ленту, легко искажается при попа-
дании на ленту металлической пыли,
а также затрудняет использование фрез
с отклонениями по диаметру от расчетной
величины (например, после переточки),
сложные и точные детали требуют боль-
шого объема (длины) магнитной ленты для
записи информации; все это приводит к дру-
гому решению — снабжать интерполято-
ром станок.
Однако, какой бы вариант ни был при-
нят, рекомендуется проводить контроль . „
записанной на перфоленту программы. Это (координатограф, изготовленный на
можно сделать, например, при ПОМОЩИ базе чертежного прибора)
контрольного столика (фиг. VI, 193), пред-
ставляющего собой координатографе приводом кареток, перемещающихся
вдоль осей координат, при помощи электрошаговых двигателей — ЭШД.
ЭШД (фиг. VI, 194) обеспечивает строго выдерживаемый угол пово-
рота ротора при подводке к его обмоткам постоянного напряжения. По-
Фиг. VI, 194. Устройство электрошагового двига-
теля:
1 — статор; 2 — вал ротора; А, Б, В — секции статора
ных типов отечественных ЭШД колеблется
давать напряжение к разным
обмоткам (секциям) статора
необходимо с определенной
последовательностью, зави-
сящей от требуемого направ-
ления поворота ротора дви-
гателя. Частота подаваемых
на ЭШД импульсов изменяет
угловую скорость движения
ротора. Необходимо помнить,
что ЭШД можно использовать
для целей ПУ в разомкнутых
системах лишь в пределах их
разрешающей способности.
Разрешающей способно-
стью ЭШД (частотой приеми-
стости или приемистостью)
называется мгновенный пере-
пад частот, отрабатываемый
двигателем без пропуска хотя
бы одного импульса. Разре-
шающая способность различ-
от 80 до 1600 гц. При плав-
ном разгоне двигатели могут работать при более высоких частотах, напри
мер, до 4,5 кгц. ЭШД характеризуется также динамическим моментом
который имеет значение, соответственно разрешающей способности, от 2
до 5 н. см (для используемых в качестве серводвигателей). Шаг на выхо,
ном валу можно делать до 6°, но чаще встречается 3 и 1,5°. Ошибка в ша
448
КОНТУРНЫЕ "СИСТЕМЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
достигает в зависимости от нагрузки примерно 20% от величины шага,
но при работе двигателя она не накапливается.
Записанную на перфоленту или перезаписываемую на магнитную
ленту программу рекомендуется контролировать следующим образом:
Фиг. VI, 195. Схема работы записы-
вающей магнитной головки:
/ — магнитная лента; 2—один из сер-
дечников с обмотками; 3 — магнитное
поле, образованное следом, оставлен-
ным на ленте при записи сигнала; S и
S' — рабочий и задний зазоры между
половинами сердечника
в интерполятор вводится, кадр за кадром,
информация с перфоленты; сигналы сни-
маются либо непосредственно после интер-
полятора, либо с клемм головок, произ-
водящих запись на магнитную ленту, и
направляются в ЭШД, используемые в ка-
честве приводов перемещения кареток
координатографа.
Исходное положение каждого ЭШД
отмечается по соответствующим шкалам
и стрелкам-указателям, закрепленным на
роторе ЭШД. В определенном масштабе
самописец координатографа вычерчивает
на бумаге траекторию запрограммирован-
ного контура обработки. По воспроизве-
денному рисунку можно судить о правиль-
ности составленной программы, а по воз-
врату каждого ЭШД в исходное положение
(программу обработки рекомендуется запи-
сывать с возвратом в исходную точку) —
о точности записанной программы.
Магнитная лента, применяемая для записи информации, представляет
собой пластмассовую основу, покрытую слоем ферромагнитной эмульсии
толщиной 20 мкм. Используется лента двух размеров: шириной 18,9 и
35 мм. Магнитная запись электриче-
ских сигналов производится при по-
мощи записывающей головки (блока),
состоящей из ряда пермаллоевых сер-
дечников с обмотками (нафиг. VI, 195
показан один сердечник, остальные
расположены за ним). Рабочий зазор
S между половинами сердечника 2
делается равным 10—20 мкм, задний
S' —возможно меньше. При пропу-
скании тока через обмотки в рабочем
зазоре сердечника образуется магнит-
ное поле, которое воздействует на
движущуюся магнитную ленту 1 и
оставляет на ней следы в виде попе-
речных магнитных штрихов с маг-
нитным полем 3. Программа для раз-
личных координат записывается одно-
временно на одной ленте, но на раз-
ных параллельных дорожках. Для за-
Фиг. VI, 196. Пример импульсной записи
программы на магнитную ленту:
а — программируемая траектория рабочего
движения А—Б —.В с ускоренным возвратом
в исходную точку; б — программа движения
по контуру Л— Б— В—А, записанная на маг-
нитную ленту
писи реверсивного движения могут
быть использованы изменение полярности сигнала или отдельная дорожка.
На фиг. VI, 196 приведена картина записи на магнитную ленту про-
граммы обработки участка профиля АБВ с быстрым (ускоренным) воз-
вращением в точку А (реверсирование записано на отдельных дорожках).
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПРОГРАММЫ. ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ
449
Фиг. VI, 197. Принцип фазовой системы записи
программы на магнитную ленту:
1 — опорный сигнал; 2 и 3—рабочие сигналы, смещен-
ные по фазе на 4-х и — х относительно опорного
использованием фазовой системы записи
При использовании интерполятора Л КП-01 Ф (максимальная снимае-
мая частота импульсов 2,5 кгц) и скорости движения магнитной ленты
2500
200 мм/сек на 1 мм ленты может быть записано -g^- 13 имп. В действи-
тельности записывают меньшую частоту, порядка 600 гц. т. е. три импульса
на 1 мм. и максимум до 6 имп/мм. Это объясняется ограниченными воз-
можностями отработки ЭШД
большей частоты (возмож-
ность самой магнитной лен-
ты гораздо больше — до 40
имп/мм).
Основным недостатком им-
пульсных (дискретных) сис-
тем отработки программы
является возможность потери
информации в случае про-
пуска командных импульсов
(при считывании магнитной
ленты или сигналов обратной
связи), а также чувствитель-
ность таких систем к импульс-
ным помехам. В целях повы-
шения помехоустойчивости
запись может производиться
не в импульсной форме, а (
программы. В этом случае на отдельной дорожке записывается так
называемая опорная частота, а на остальных (равных числу рабочих
координат) — рабочая частота, которая в системе управления станком
непрерывно сравнивается по фазе с опорной, при этом' в каждый момент
времени величина сдвига фазы определяет величину перемещения подвиж-
ного узла. Нафиг. VI, 197 изображена фазовая система записи информа-
ции (сигналы, поступающие в магнитную головку: опорный —сигнал 1
и рабочий, смещенный по фазе на +х и —х, — сигнал 2 и 3).
На дорожках магнитной'ленты сигнал фиксируется различной сте-
пенью намагниченности ленты (например, с синусоидальной зависимостью
вдоль дорожек).
§ 4. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПРОГРАММЫ. ЭЛЕМЕНТЫ УСТРОЙСТВ
УПРАВЛЕНИЯ И ПРИВОДЫ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УЗЛОВ
Как было отмечено выше, для систем контурного ПУ в исходном до-
кументе, несущем первичную информацию об обработке той или иной
детали, указываются данные лишь сравнительно небольшого числа опор-
ных точек обрабатываемого контура. Вся же остальная информация о про-
межуточных точках контура является вторичной; она определяется и вы-
дается интерполятором. Эта информация может поступать либо непосред-
ственно на станок, либо записывается на магнитную ленту. В последнем
случае аппаратура, необходимая для записи и преобразования информа-
ции, отделяется от станка и устанавливается вне производственного цеха.
В таких случаях на станок поступает программоноситель в виде магнит-
ной ленты.
Для считывания ленты используются устройства, напоминающие
стационарные магнитофоны. По конструкции считывающие магнитные
15 Ачеркан. Зак. 659
450
КОНТУРНЫЕ СИСТЕМЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
головки, аналогичны записывающим (с несколькими сердечниками в зави-
симости от числа считываемых дорожек). Считывание программы происхо-
дит при протягивании ленты возле магнитных головок. Магнитные «штри-
хи» при импульсной записи или неравномерная намагниченность —
«волны» (при фазовой записи) создают в зазоре сердечника переменный маг-
нитный поток, который возбуждает э. д. с. в обмотках считывающей маг-
нитной головки.
В разомкнутых системах контурного управления для воспройзве-
дения программы можно воспользоваться рассмотренными выше электро-
Q) 6)
Фиг. VI, 198. Примеры круговых
дискретных датчиков:
а — с щелевыми радиальными проре-
зями; б — с дополнительной шкалой Л;
i и g — диски; е — фотоэлемент; с —
линза; d — осветитель; k — диафрагма
шаговыми двигателями (ЭШД) или какими-
либо другими источниками движения с по-
стоянными по величине дозированными пе-
ремещениями.
В связи с небольшим крутящим момен-
том, развиваемым ЭШД, в станках они
обычно используются в качестве серво-
двигателей, управляющих силовым приво-
дом через соответствующие усилители.
Направление вращения ЭШД определяется
либо программой, которая может быть
записана на ленте в форме относительно
длительных импульсов напряжения, нано-
симых вдоль дорожек отдельно для каж-
дой секции ЭШД, со сдвигом во времени,
либо, при обычной записи, особым при-
знаком, указывающим направление (опре-
деленная полярность сигнала или раздель-
ные дорожки для каждого направления).
В первом случае схема управления при-
водом получается простой, но требуется большое количество дорожек на
магнитной ленте и многоканальные считывающие головки. Чаще при-
меняется вторая форма записи, при которой необходимо специальное
устройство, распределяющее сигналы программы по секциям ЭШД в опре-
деленном порядке. Узел распределения представляет собой электронный
коммутатор триггерного или реже тиратронного типа, работающий по так
называемой кольцевой схеме.
В замкнутых системах управления присутствие датчика исполнения
обязательно. В системах контурного управления они выполняют роль
датчиков обратной связи, так как вырабатывают сигналы, корректирующие
процесс управления. По своему типу эти датчики могут быть как дискрет-
ными, так и аналоговыми. Считывание их показаний осуществляется бес-
контактным способом, так как скорость его обычно значительна. Процесс
управления в контурных системах непрерывен, что заставляет выполнять
эти системы как одноотсчетные со следящим приводом. К датчикам предъ-
являются высокие требования в отношении выбора зазоров в передачах,
а также получения малой цены импульса (0,01—0,02 мм, а для прецизион-
ных станков и до 1 мкм).
Наиболее простым из дискретных датчиков является диск с
щелевыми радиальными прорезями, считываемыми фотоэлементами
(фиг. VI, 108, а). Связь исполнительного узла с таким датчиком обычно
производится при помощи реечной и повышающей зубчатой передач или
датчик устанавливается непосредственно на винте, передающем движение
исполнительному узлу. Для прецизионных станков в качестве датчиков
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПРОГРАММЫ. ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ
451
используются круговые или линейные шкалы с малой ценой кванта и
с точно нанесенными делениями (точность деления достигает 1—2 мкм
на 1 м длины или нескольких секунд на 180°). Сигнал возникает от одно-
временного проектирования нескольких делений шкалы через дополни-
тельную решетку с такими же делениями на фотодатчик (фиг. VI, 198, 6).
В некоторых случаях удается уменьшить цену кванта датчика, не изменяя
квантования самой шкалы. Для этого дополнительная решетка делается
с большим, чем основная шкала, количеством делений (кратным шагу
делений шкалы), а считывание сигналов происходит каждый раз при
40кгц
совмещении очередного деления шкалы с делениями решетки (принцип
нониуса). Недостатком такого датчика является относительно малый ра-
бочий сигнал, так как перепад между
наличием и отсутствием полезного сиг-
нала в таких датчиках уменьшается.
При большой плотности делений шкалы,
т. е. очень малой цене кванта шкалы
(порядка тысячных долей миллиметра),
такую шкалу трудно считывать обыч-
ным способом. В этом случае можно
использовать датчики (по типу датчи-
ков английской фирмы Ферранти), имею-
щие шкалы с диффракционными решет- фиг VI 199 Пример линейной шкалы
ками и использующие эффект возник- с индуктивным методом считывания
новения «муара» (см. фиг. VI, 177). Для
этого перед основной шкалой устанавливается под некоторым углом вто-
рая маленькая шкала. При относительном движении этих шкал возни-
кают хорошо видимые полосы, движущиеся перпендикулярно направлению
движения шкалы. Эти относительно редкие полосы являются результатом
масштабного преобразования контролируемой шкалы. Расстояние между
полосами легко изменять наклоном вспомогательной шкалы.
Считывание может производиться также и при помощи изменения
индуктивности или фазы. В этом случае используются линейные шкалы
с мелкими зубчиками (фиг. VI, 199) или считывание ведется при помощи
специальных устройств типа ВТ, сельсинов или индуктосинов (см.
фиг. VI, 178).
Информация о движении исполнительного узла станка в виде электри-
ческих сигналов снимается с датчика исполнения и поступает в сравни-
вающее устройство, куда одновременно поступают и сигналы задающей
движение информации от интерполятора или магнитной ленты.
При импульсном вводе программы сравнивающими устройствами
обычно являются реверсивные счетчики, суммирующие импульсы с уче-
том их знака. Вслед за реверсивным счетчиком устанавливается специаль-
ный дешифратор, преобразующий разность сигналом (импульсов), фик-
сируемых счетчиком, в пропорциональный уровень выходного напряже-
ния. Счетчик, сравнивая импульсы программы с импульсами датчика
обратной связи, фиксирует ошибку воспроизведения программы, и деши-
фратор должен иметь на выходе напряжение, пропорциональное этой
ошибке. Выходное напряжение используется в дальнейшем для управле-
ния следящими приводами исполнительных узлов.
На фиг. VI, 200 приведены примеры структурных схем реверсивного
счетчика и преобразователя-дешифратора. Счетчик состоит из ряда ячеек
с триггерами Г, воздействующими на вентили В своих ячеек, которые,
в свою очередь, подготовляют к работе старшие ячейки счетчика. Импульсы
452
КОНТУРНЫЕ СИСТЕМЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
от программы поступают, в зависимости от их знака, на вход суммирова-
ния (вход /) или на вход вычитания (вход 2). При нулевом состоянии счет-
чика (ячейки в положении 0000) вентили В±—В3 закрыты, а вентили В'—В3
открыты, и импульс, пришедший на вход /, опрокинет лишь первый триг-
гер Тг. При этом первая ячейка перейдет в состояние 1, вентиль Вг откроет-
ся, а вентиль В' закроется. Второй импульс одновременно пройдет через
„Нулевые' выходы
Фиг. VI, 200. Схема устройства импульсного
сравнения сигналов программы и датчика испол-
нения:
а — структурная схема реверсивного счетчика; б —
схема преобразователя разности числа импульсов
в напряжение; Я, Я,— К7 — сопротивления; Д,—
Д* — диоды
вентиль В15 переведя вторую
ячейку в состояние 1, и вернет
первую ячейку в положение 0.
Вентиль В2 откроется, а В'2 за-
кроется. Третий импульс вновь
опрокинет триггер 7\ и откроет
вентиль В2. Положение двух
младших ячеек будет соответ-
ствовать состоянию 11. Четвер-
тый импульс приведет третью
ячейку в состояние 1, а вторая
и третья ячейки займут поло-
жения, соответствующие поло-
жению 0. Схема примет вид,
изображенный на фиг. VI, 200, а
(соответствует числу 4 при коде
8421). Если при таком состоя-
нии схемы от датчика обратной
связи придет импульс на вход 2,
триггеры 7\; Т2 и Т3 опроки-
нутся, и ячейки займут состоя-
ние 011 (счетчик будет фикси-
ровать информацию о числе 3).
Новый отрицательный импульс
переведет счетчик в состояние
010 и т.< д. (напомним, что сиг-
налы программы и датчика обратной связи всегда дополняются при-
знаками, указывающими направления движения).
Чтобы в любом положении счетчика сигналы могли учитываться при
приходе их на вход суммирования или вычитания в исходном состоянии
счетчика, старшую ячейку ставят в положение 1. Это означает, что, на-
пример, для четырехразрядного счетчика при двоичной системе счисления
максимальная разница, которую может регистрировать счетчик, состав-
ляет 15 импульсов (+7 и —8). При этом предельными состояниями счет-
чиков являются 1111, либо 0000, так как поступление следующего сигнала
(+8 или —9) вызывает переполнение счетчика.
Назначение преобразующего устройства, называемого также деши-
фратором, — преобразовать числовую Информацию об ошибке при отра-
ботке программы в сигнал, которым можно воздействовать на привод
исполнительного узла. На фиг. VI, 200, б показан один из вариан-
тов построения дешифратора, преобразующего число, зафиксированное
в счетчике, в напряжение, пропорциональное этому числу. Преобразова-
тель может выполняться по дифференциальной схеме и состоять из двух
цепочек суммирующих сопротивлений с нулевым и единичным входами
сигналов от ячеек счетчика и суммирующего электронного усилителя.
Упрощая схему (на фигуре изображена одна цепочка), можно легко пред-
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПРОГРАММЫ. ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ
453
преобразования
Фиг. VI,201. Схема устройства фазового сравнения
сигналов программы и датчика исполнения:
а — схема диодного фазового дискриминатора; б — гра-
фик изменения выходного напряжения в зависимости от
угла сдвига фаз: Pi и Р2 — диоды; и С2 — конден-
саторы
ставить себе, что в зависимости от состояния счетчика в цепи сетки лампы
будут подключаться разные сопротивления и с выхода усилителя будет сни-
маться разное напряжение. Параметры схемы выбирают такими, что при
исходном состоянии счетчика, соответствующем положению ячеек 1000,
напряжение на выходе преобразователя-дешифратора равняется нулю.
При использовании фазовой системы отработки программы сравни-
вающим и преобразующим устройством является блок
сдвига фаз в напряжение,
называемый фазовым дискри-
минатором. На фиг. VI, 201
показана одна из схем такого
устройства — диодный фазо-
вый дискриминатор. Сину-
соидальный рабочий сигнал
Up с магнитной ленты или
преобразованный после ин-
терполятора подается на пер-
вичную обмотку трансформа-
тора, а сигнал отработки про-
граммы U& поступает с датчи-
ка обратной связи на первич-
ную обмотку второго транс-
форматора, вторичная обмот-
ка которого включена на
среднюю точку вторичной об-
мотки первого трансформатора. С выхода снимается напряжение £/,
величина которого меняется в зависимости от угла сдвига фаз Дер.
Фиг. VI, 202 изображает блок-схему (для одной координаты) фазовой
системы контурного управления. Фазовая система отработки программы
является характерным представителем аналоговых систем. На статор ВТ
или сельсин, используемые в каче-
стве датчиков обратной связи, по-
даются в виде синусоидального
напряжения опорныесигналысмаг-
нитной ленты или от интерполя-
тора. В зависимости от величины
рассогласования датчика относи-
тельно этих опорных сигналов с
Фиг. VI, 202. Блок-схема фазовой системы
контурного управления:
/—фазовый дискриминатор; 2 — привод; 3—испол-
нительный узел; 4—датчик исполнения (датчик
обратной связи — сельсин, ВТ или какой-либо
иной датчик фазового типа)
ротора ВТ или сельсина снима-
ются сигналы обратной связи и
передаются на блок преобразо-
вания, куда поступают одновре-
менно и рабочие сигналы с лен-
ты или интерполятора. Разность
фаз сигналов преобразуется в напряжение и управляет приводом.
Можно использовать сельсин и при проектировании разомкнутых
систем ПУ. На фиг. VI, 203 приведена блок-схема с сельсином в качестве
сервопривода (так называемая схема электрического вала), по своей струк-
туре напоминающая схему с ЭШД. На магнитной ленте имеется дорожка
несущей частоты /о и рабочей частоты ± Д/. После усиления сигнал
несущей частоты преобразуется в трехфазное напряжение и подается на
трехфазную обмотку сельсина; сигнал рабочей частоты поступает на одно-
фазную обмотку. При этом ротор сельсина вращается с числом оборотов,
454
КОНТУРНЫЕ СИСТЕМЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
пропорциональным разности ±ДД Ввиду малого крутящего момента, раз-
виваемого сельсином, после него необходимо устанавливать усилитель
и затем силовйй привод.
Фиг. VI, 203. Блок-схема разомкнутой системы контурного управления с фазовым слеже-
нием (типа электрического вала):
1 — магнитная головка, считывающая программу с ленты; 2 — усилитель; 3 — преобразователь
однофазного напряжения в трехфазное; 4 — сельсин; 5 — сервопривод и привод; 6 — исполнитель-
ный узел
Важным узлом устройств, воспроизводящих программу, является
привод. В системах контурного ПУ используется либо шаговый, либо
следящий привод (последний — с обратной связью и очень редко без нее,
например, электрический вал). При этом шаговый двигатель либо сам
Фиг. VI, 204. Электрогидравлический преобра-
зователь типа Г68-1
воспроизводит заданное по про-
грамме движение, либо, стано-
вясь сервоприводом, управляет
силовым приводом, что встре-
чается гораздо чаще. Хотя
шаговые системы ПУ в целом
являются разомкнутыми систе-
мами управления, при использо-
вании шаговых двигателей в
качестве сервомеханизмов меж-
ду сервоприводом и силовым
приводом, работающими в этом
случае пр следящей схеме, обра-
зуется местная замкнутая цепь
управления. В качестве сило-
вого привода обычно применяют-
ся электрические или гидрав-
лические машины. Так как
системы преобразования инфор-
мации в станках с ПУ имеют
на выходе, как правило, элек-
трический сигнал в виде на-
пряжения определенного уров-
ня, в случае электрического
следящего привода представ-
ляется возможным непосред-
ственно управлять им с помощью
этого сигнала, например через
ЭМУ или другой усилитель.
При гидравлическом сле-
дящем приводе необходимо
предусматривать специальный
электрогидравлический преоб-
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПРОГРАММЫ. ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ
455
разователь, назначение которого — превращать изменяющееся напряже-
ние, снимаемое с блоков преобразования информации, поступающей от
программы и датчика обратной связи, в управляющие перемещения
сервозолотника и далее — в движение силового привода.
На фиг. VI, 204 приведен в качестве примера электрогидравлический
преобразователь типа Г68-1, разработанный в ЭНИМСе. Электрическая
часть преобразователя состоит из постоянного магнита Ис магнитопрово-
дом и подвижной катушкой 5, помещенной в воздушный разрыв магнито-
провода. При изменении тока, проходящего по катушке управления,
последняя будет перемещаться в осевом направлении совместно с закреп-
ленной на ней иглой 7. Это происходит потому, что при взаимодействии
тока обмотки катушки с постоянным магнитным полем возникает сила,
стремящаяся поднять катушку. Этой силе препятствует пружина Р,
силу которой можно изменять винтом 10. Игла 7 при своем осевом движе-
нии может перекрывать калиброванное отверстие в диафрагме 6, изменяя
тем самым давление жидкости под диафрагмой. При перемещении иглы
вверх давление масла падает, а при перемещении вниз повышается. Для
устранения влияния статических сил трения игле сообщается осцилли-
рующее движение в осевом направлении при 'помощи синусоидального
тока частотой 50 гц, составляющего небольшую долю тока цепи управ-
ления. Осуществляется это дополнительной подачей переменного напряже-
ния в катушку управления.
Электрогидропреобразователь Г68-1 имеет двухступенчатое усилие.
Приращение давления жидкости в первой ступени (под диафрагмой 6)
вызывает смещение золотника во второй ступени, что влечет за собой
изменение скорости исполнительного узла (смещению золотника противо-
действует пружина /, опирающаяся на подпятник 2). Золотник выполнен
вращающимся в целях уменьшения трения и зоны нечувствительности.
При помощи турбинки 4 энергией потока жидкости, поступающей из
сливной магистрали через отверстие золотника 5 и отверстие 3 турбинки,
золотник вращается с числом оборотов примерно 300 в минуту. Время
перемещения золотника из среднего положения в крайнее состав-
ляет 0,06 сек (полный ход золотника равен 1,8 мм). Мощность сигнала
управления — не более 1 вт.
Продольное перемещение стола и поперечное — салазок верти-
кальнофрезерного станка мод. 6М42П осуществлено при помощи двух
описанных выше электрогидропреобразователей.
ГЛАВА XV
ПРИМЕРЫ СТАНКОВ С КОНТУРНЫМИ СИСТЕМАМИ
ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
§ 1. ВЕРТИКАЛЬНО-ФРЕЗЕРНЫЙ СТАНОК МОД. 6Н13ЭГ
ГОРЬКОВСКОГО ЗАВОДА ФРЕЗЕРНЫХ СТАНКОВ (ГЗФС)
Наибольшее распространение в нашей промышленности
чили трехкоординатные вертикально-фрезерные станки мод.
(фиг. VI, 205), изготовляемые ГЗФС на базе универсальных
полу-
6Н13ЭГ
станков
мод. 6Н13. Шаговая система про-
граммного управления и все внеш-
ние устройства к станку были раз-
работаны ЭНИМСом. Электронное
оборудование, а именно — линей-
ный интерполятор Л КП-01 Ф, пульт
записи программы ПЗК и пульт
воспроизведения программы ПРС,
поставляется Астраханским заво-
дом электронной аппаратуры.
Фиг. VI, 205. Трехкоординатный вертикально-фрезерный станок мод.
6Н13ЭГ
1—электрошаговый двигатель типа ШД-4; 2—гидроусилитель типа МГ18-14М
Система ПУ станка мод. 6Н13ЭГ — разомкнутая, без датчиков испол-
нения. Приводы исполнительных узлов станка (перемещение стола в двух
направлениях — по координатам х и у и перемещение фрезы — по коор-
динате z) осуществляются от электрошаговых двигателей типа ШД-4
с разрешающей способностью (приемистостью) 800 гц при динамическом
моменте 0,02 кГм. Эти двигатели связаны с сервозолотниками, которые,
ВЕРТИКАЛЬНО-ФРЕЗЕРНЫЙ СТАНОК МОД. 6Н13ЭГ
457
в свою очередь, управляют гидромоторами типа МГ-154а, приводящими
во вращение винты с шариковыми гайками, перемещающими исполни-
тельные узлы. На фиг. VI, 206 изображен используемый на станке гидро-
усилитель типа МГ18-14М, имеющий следующую характеристику:
Рабочее давление в Мн]м2......................... 50
Наибольший крутящий момент в н*м.................. 5
Наибольшая отдаваемая мощность в вт..............100
Наибольшее число оборотов в об!мин...............300
В зависимости от типов применяемых пультов
дения используется магнитная лента шириной 19
записи и воспроизве-
и 35 мм. Программа
записывается в виде ряда последовательных им-
пульсов, т. е. в унитарном коде (на шести дорож-
ках) или в виде частотно-модулированного сигнала.
присоединения электрошагового двигателя
Пссле считывания информации при помощи магнитной головки сигналы
направляются в усилители, а затем в формирователи импульсов, представ-
ляющие собой триггерные устройства с одним устойчивым состоянием.
Возникает импульс прямоугольной формы с определенной амплитудой
и длительностью. Далее сигнал поступает на вход кольцевой схемы ком-
мутатора, распределяющего в определенной последовательности сигналы
по обмоткам ЭШД в зависимости от запрограммированного направления
перемещения исполнительного узла.
Техническая характеристика станка
Ход стола в мм:
продольный ...................................................... 900
поперечный ....................................................... 285
вертикальный ..................................................... 395
Числа оборотов шпинделя в минуту ............................... 30—1500
Подача стола при программном управлении в мм!мин................. 0—800
Цена импульса системы управления в мкм............................... 25
Время работы по программе без смены ленты (скорость протягивания
ленты 200 мм!сек) в ч............................................ 1,5
458
ПРИМЕРЫ СТАНКОВ С КОНТУРНЫМИ СИСТЕМАМИ
§ 2. ТРЕХКООРДИНАТНЫЙ ФРЕЗЕРНЫЙ СТАНОК МОД. 6441ПР
ЛЕНИНГРАДСКОГО ЗАВОДА им. СВЕРДЛОВА
На базе копировально-фрезерного станка мод. 6441Б одним из Мос-
ковских научно-исследовательских институтов был разработан станок
с программным управлением (с системой СЦ-1). По специальным заказам
аналогичные станки изготовляет Ленинградский завод им. Свердлова
(фиг. VI, 207). Система ПУ станка мод. 6441ПР — замкнутая с импульс-
Фиг. VI, 207. Трехкоординатный фрезерный станок мод. 6441ПР:
А — датчик исполнения
ными датчиками обратной связи в виде дисков с 524 щелями, считываемых
фотодиодами. Для выбора зазора в передаче от исполнительного узла
к датчику обратной связи использован электродвигатель постоянного
тока типа СЛ-261, находящийся в заторможенном состоянии и создающий
постоянный натяг кинематической цепи привода датчика. Для повышения
точности датчика предусмотрена установка корректирующей линейки
с рычажной передачей величины коррекции, осуществляемой покачива-
нием корпуса датчика.
Приводы трех исполнительных узлов станка (координаты х, у и г)
построены по следящей схеме с использованием для. каждого перемещения
электромашинных усилителей типа ЭМУ-12 и двигателей постоянного
тока типа МИ-32 (760 вт, 2500 об/мин).
На фиг. VI, 208 изображена блок-схема программного управления
одной координатой станка (управление исполнительными органами станка
ТРЕХКООРДИНАТНЫЙ ФРЕЗЕРНЫЙ СТАНОК МОД. 6441ПР
459
по другим координатам осуществляется по таким же схемам). Вводное
устройство 1 представляет собой лентопротяжной механизм с семиканаль-
ной считывающей магнитной головкой (шесть дорожек используются для
записи программы по трем осям координат, а седьмая предназначена для
контроля). Сигналы программы поступают в блок 2 для усиления и фор-
мирования импульсов. При перемещении исполнительного узла 7 его
движение через реечную передачу и редуктор 6 передается диску датчика
Фиг. VI, 208. Блок-схема программного управления одной координатой
станка мод. 6441 ПР
обратной связи 5. Сигналы с двух фотодиодов через усилители, располо-
женные рядом с датчиками обратной связи, проходят в блок формирования
и разделения их по двум кацалам в зависимости от направления переме-
щения исполнительного узла.
Импульсы с вводного устройства и от датчика обратной связи про-
ходят через блоки синхронизации 3 в двоичный реверсивный счетчик 4.
Схема синхронизации исключает одновременный приход на счетчик сиг-
налов программы и ее отработки (что могло бы вызвать потерю информа-
ции).
Реверсивный счетчик, являющийся сравнивающим устройством,
состоит из семи разрядов, т. е. он может фиксировать импульсы от 0
до 128. Исходное («нулевое») состояние счетчика соответствует 64 импуль-
сам, т. е. половине его объема. На выходе счетчика включен триггер пере-
полнения, который блокирует следящую систему при переполнении счет-
чика. Преобразование разности импульсов в напряжение различного
уровня производит дешифратор 12 (рядом с дешифратором показан гра-
фик изменения управляющего напряжения V от числа импульсов п).
Полученное напряжение подается на усилитель мощности 11, который
управляет электромашинным усилителем 10. ЭМУ питает двигатель по-
стоянного тока Р, который через редуктор 8 приводит в движение испол-
нительный узел станка 7. Если командный импульс проходит на вход
счетчика по суммирующему каналу (+), то сигнал обратной связи, посту-
пая по вычитающему каналу (—), снимает тем самым командный импульс.
460
ПРИМЕРЫ СТАНКОВ С КОНТУРНЫМИ СИСТЕМАМИ
Блоки 13 и 14 с тахогенератором 15 являются стабилизирующими свя-
зями системы.
Средняя неточность обработки деталей сложного профиля на станке
мод. 6441 ПР составляет 0,08 мм. Общая трудоемкость обработки таких
деталей по сравнению с копировальными станками снижается примерно
в 10—12 раз, а срок изготовления деталей с момента получения чертежа
сокращается в среднем в 7 раз.
Техническая характеристика станка мод. 6441 ПР
Размеры обрабатываемых поверхностей в мм . . 900 х 500
Числа оборотов шпинделя в минуту............. 63—3150
Диапазон подач исполнительных узлов в мм!мин 24—570
Цена импульса системы управления в мкм ... 20
Время работы по программе без смены ленты (при
скорости протягивания ленты 100 мм!сек) в ч 2,8
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ
ГЛАВА XVI
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
§ 1. ОСНОВНЫЕ понятия
Один из основных путей технического прогресса современного произ-
водства — комплексная автоматизация — характеризуется в области ма-
шиностроения широким применением автоматических линий.
Первая в СССР автоматическая линия была построена на Волгоград-
ском тракторном заводе И. П. Иночкиным в 1939 г. для обработки и сборки
ступицы и фланцев поддерживающего ролика гусеницы трактора. В 1940 г.
была построена на 1 ГПЗ автоматическая линия для обработки роликов.
В проектировании и построении автоматических линий ведущее значение
имели работы ЭНИМСа, Оргстанкомпрома, СКБ-1, СКБ-6, заводов «Стан-
коконструкция» и им. С. Орджоникидзе.
В дальнейшем над созданием автоматических линий работали наряду
с этими организациями ГИПРОавтопром, НИИТавтопром, заводы ГАЗ,
ЗИЛ, ВТЗ (бывш. СТЗ), 1 ГПЗ.
Автоматические линии являются дальнейшим развитием поточных
линий, для которых характерно расположение оборудования в порядке
последовательности операций технологического процесса.
Поточные линии бывают неавтоматические, полуавтоматические и авто-
матические.
В полуавтоматических поточных линиях не автоматизированы загрузка
заготовок, снятие обработанных деталей, контроль деталей, а иногда
(при крупносерийном производстве крупных деталей) также включение
общего транспорта. В автоматических поточных линиях рабочий участ-
вует в загрузке линии и обычно в контроле деталей, однако имеются и
поточные линии с автоматическим контролем. Включение транспортера
всегда автоматическое, и автоматические линии всегда работают с прину-
дительным темпом.
Автоматической станочной линией (в дальнейшем для краткости —
просто автоматическая линия) называется система станков (иногда и дру-
гих технологических агрегатов) и вспомогательных устройств, автомати-
чески осуществляющих назначенную последовательность технологических
операций без вмешательства рабочего, которая нуждается лишь в перио-
дическом контроле, наладке и уходе со стороны обслуживающего персо-
нала.
В состав понятия автоматической линии для обработки заготовок
резанием входят элементы, связанные с целевым назначением линии:
462
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
1) обрабатываемая деталь в исходном состоянии—заготовка — и
в том виде, в каком она сходит с линии, — деталь, полуфабрикат 1;
2) ряд операций технологического процесса обработки (заготовки)
с соответствующей технологической оснасткой.
Основными исполнительными устройствами автоматической линии
являются станки, транспортная система и систему управления.
Транспортная система автоматической линии состоит из основной
транспортной трассы и следующих дополнительных устройств:
1) накопителей заделов для бесперебойной работы линии при простое
(для подналадки, регулирования, устранения неполадок) отдельных агре-
гатов и механизмов;
2) устройств для поворота обрабатываемых заготовок;
3) загрузочных устройств для подачи заготовки с основной транс-
портной трассы к зажимному устройству станка или к его механизму
питания заготовками;
4) устройств для автоматического отвода стружки.
Общая схема автоматической линии показана на фиг. VI, 209.
Применение автоматических линий увеличивает производительность
оборудования и труда. Количество станков и производственные площади
сокращаются в 1,5—2 раза, количество рабочих —в 5—8 раз. Качество
продукции улучшается и становится стабильным. Сокращается длитель-
ность производственного цикла, уменьшается незавершенное производ-
ство, ускоряется оборачиваемость оборотных средств. Себестоимость обра-
ботки снижается в 3,5—4,5 раза. Вместе с тем повышается общая культура
производства.
Автоматическим линиям присущи, однако, и некоторые недостатки,
к числу которых относятся:
1) повышение требования к заготовке для обеспечения стабильности
процесса обработки;
2) трудоемкость переналадки линии на другую деталь или на другой
технологический процесс;
3) иногда снижение коэффициента использования станков и других
агрегатов из-за простоев, вызванных неполадками в другом оборудовании;
1 В дальнейшем наряду с термином «заготовка» будет применяться также термин
«деталь», как это широко принято.
ТИПЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
463
4) в отдельных случаях вынужденный отказ от применения высоко-
производительных станков, используемых в поточных линиях при инди-
видуальном их обслуживании рабочим-оператором; поэтому автоматиче-
ские линии не всегда охватывают весь технологический процесс обработки:
операции, полная автоматизация которых нерентабельна, производятся
вне автоматической линии; базовые поверхности корпусных деталей
обычно обрабатываются предварительно при индивидуальном обслужи-
вании станка оператором;
5) необходимость в обслуживающем персонале высокой квалификации;
6) повышенные первоначальные затраты;
7) трудность освоения автоматических линий.
При правильной разработке технологического процесса и компоновке
автоматической линии и правильном выборе образующих ее станков,
агрегатов, вспомогательных и транспортирующих устройств преимущества
автоматической линии с избытком превышают ее недостатки.
§ 2. ТИПЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
Автоматические линии классифицируются по ряду признаков. В зави-
симости от величины штучного выпуска деталей применяются однопоточ-
ные линии (последовательного действия) и многопоточные линии (парал-
лельно-последовательного действия). Линии делятся на параллельные
потоки при большой программе, когда для выполнения операций техно-
логического процесса требуется не по одному, а по два или более станков.
Места переходов от однопоточной линии к многопоточной и обратно
делят линию на участки. Линия может делиться на участки введением
поворотных устройств и контрольных позиций.
Введение накопителей заделов делит линию на части, называемые
секциями. В пределах секции станки оказываются взаимно сблокирован-
ными: неполадки какого-либо станка или иного агрегата, или элемента
транспортной системы, или системы управления вызывают одновременный
простой станков и всего оборудования секции, связанного с их работой.
Это снижает коэффициент использования станка и делает невыгодными
секции с большим количеством сблокированных станков. Для повышения
коэффициента использования станков нужно уменьшать их количество
в секции до одного станка, т. е. придавать каждому станку индивидуаль-
ный накопитель заделов. В связи с этим различают линии с жест-
кой (сблокированные линии для корпусных деталей) и свободной связью
между станками (линии для небольших деталей — втулок, роликов,
пальцев, колец, штифтов и т. п.).
Конструктивно жесткая связь между станками осуществляется общим
шаговым транспортером, устанавливающим общий ритм работы станков.
Свободная связь между станками выражается в том, что деталь, выдавае-
мая одним станком, подается в бункер или магазин другого. Неполадки
одного станка не вызывают простоя другого.
По роду станков различают автоматические линии, образованные из:
станков, специально построенных для данной линии; полуавтоматов
и автоматов общего назначения; агрегатных станков; модернизированных
(в отношении автоматизации) универсальных станков (см. ниже § 6).
По способу передачи обрабатываемых деталей со станка на станок
различают линии:
1) со сквозным транспортированием с проходом детали сквозь места
зажима; применяются при обработке корпусных деталей на агрегатных
станках;
464
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
2) с верхним транспортированием — горизонтальным в продольном
направлении и вертикальным в поперечном; при этом освобождается до-
ступ к станкам для их обслуживания, но осложняется транспортная
система;
3) с боковым (фронтальным) продольно-поперечным транспортирова-
нием; в этом случае необходимо устройство и для поперечной загрузки
заготовок и съема деталей;
4) с комбинированным транспортированием;
5) с роторным транспортированием, применяемым в роторных
линиях.
Выбор способа транспортирования зависит от рода обрабатываемой
детали, ее конфигурации, веса и пр., характера технологического про-
цесса, компоновки станков.
По расположению оборудования различают замкнутые и незамкнутые
автоматические линии.
Замкнутые линии бывают круговые (при небольшом числе позиций
с использованием поворотного стола — станки-комбайны) и прямоуголь-
ные.
Загрузка заготовок и съем деталей с замкнутой линии производятся
в одном месте одним рабочим, что является преимуществом линии этого
вида. С другой стороны, доступ к оборудованию для его обслуживания при
замкнутом расположении линии может быть затруднен.
Большинство автоматических линий имеет незамкнутое расположе-
ние оборудования — прямолинейное, Г-образное, П-образное, Ш-образ-
ное, зигзагообразное.
Выбор расположения зависит от условий компоновки линии.
Прямолинейное расположение обеспечивает удобный доступ к обо-
рудованию; оно естественно для однопоточной линии, допускает обра-
ботку детали (корпусного типа) с двух сторон, а для обработки со всех
сторон требует введения устройства для поворота детали. Расположение
Г-образное обладает теми же свойствами, но дает возможность обрабаты-
вать корпусную деталь со всех сторон без введения специального устрой-
ства для поворота детали.
Если располагаемая длина цеха меньше длины поточной линии с ли-
нейным расположением станков, линию станков направляют в обратную
сторону — получается П-образное расположение линии. Такое располо-
жение применяется также для двухпоточных линий, а Ш-образное — для
трехпоточных, оно простирается на участок или на секцию линии между
накопителями заделов.
В комбинации с накопителями заделов для корпусных деталей, рас-
положенными перпендикулярно направлению секции линии, получается
сложное зигзагообразное расположение линии.
Основное влияние на тип автоматической линии оказывают вид де-
тали и технологический процесс ее обработки, так как эти два фактора
определяют выбор станков для обработки детали и вместе с принятыми
типами станков оказывают решающее влияние на выбор транспортной си-
стемы линии. Эта система зависит не только от обрабатываемой детали,
но и от компоновки станка (см. гл. VI, стр. 360).
Упомянутые выше элементы автоматической линии, включая ее транс-
портную систему, влияют не только на выбор типа автоматической линии,
но и на ее компоновку.
Учет влияния названных факторов на выбор элементов автоматической
линии при современном состоянии теории этих линий в значительной мере
ТРЕБОВАНИЯ К ОБРАБАТЫВАЕМЫМ ДЕТАЛЯМ
465
субъективен. Это приводит к различным вариантам решений, действитель-
ная эффективность которых может быть обоснованно оценена лишь в ре-
зультате производственной достаточно длительной эксплуатации линий.
По мере роста применения автоматических линий расширяется разно-
образие охваченных ими деталей. Поэтому основная классификация
автоматических линий (по типу обрабатываемых деталей) хотя и является
наиболее обоснованной, не может быть исчерпывающей, поскольку не
может охватить все виды деталей и все типы автоматических линий.
По виду обрабатываемых деталей различают следующие автоматиче-
ские линии: 1) для корпусных деталей; 2) для валов; 3) для деталей в форме
дисков (зубчатые колеса и др.); 4) для колец шарикоподшипников; 5) для
мелких деталей (винтов, штифтов, роликов).
§ 3. ТРЕБОВАНИЯ К ОБРАБАТЫВАЕМЫМ ДЕТАЛЯМ
1. Достаточно длительная неизменность (стабильность) изготовляе-
мой конструкции детали имеет большое значение, так как затраты на по-
строение и внедрение автоматической линии обычно очень большие.
Поэтому конструкция детали не должна изменяться за период времени,
необходимый для того, чтобы затраты на линию окупились.
2. Программа выпуска должна быть настолько велика, чтобы затраты
на автоматизацию окупались за счет снижения себестоимости изготовления
детали на линии.
3. Технологичность конструкции детали должна дать возможность
применять простые типовые технологические процессы, которые легко
поддаются автоматизации.
4. Наибольшую экономическую эффективность дают детали с высокой
относительной долей производственных затрат (заработной платы и на-
кладных расходов) в полной себестоимости детали.
5. При базировании корпусных деталей применяется координация
детали относительно баз обработки по трем точкам ее поверхностей.
Базовые поверхности должны быть защищены от попадания стружки.
Для возможности автоматической фиксации детали в рабочей позиции
двумя коническими штифтами деталь должна сохранять свое положе-
ние (ориентацию) при транспортировании ее с одной позиции на дру-
гую).
При координации детали в пространстве и базировании ее по двум
точкам точная ориентация детали (вала, диска, кольца) относительно
зажимного устройства (кулачков, цанги, центра) имеет значение в самом
конце транспортирования .детали к станку. В процессе транспортирования
требуется сохранять ориентацию по отношению к поверхностям транспорт-
ного устройства.
6. Поле рассеяния значений твердости материала заготовок должно
быть более узким, чем обычно. Это необходимо для получения стабильной
стойкости инструментов и возможности планомерной подналадки
инструментов.
7. Конструкция изготовляемой детали должна быть технологически
отработана в отношении базирования и обработки. Заготовки с черной
поверхностью должны иметь минимально возможные припуски на обра-
ботку. Размеры заготовок и их обрабатываемость должны иметь возможно
большую стабильность.
Если отклонения размеров заготовок могут вызвать потерю ориента-
ции, застревание или неполное зажатие в приспособлениях либо другие
466 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
неполадки, то для обеспечения бесперебойной работы линии в начале ли-
нии должен быть введен 100%-ный контроль заготовок по отклонениям
размеров, ведущим к неполадкам и авариям.
§ 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
Один из основных критериев производительности автоматизированного
станка — коэффициент производительности рабочей машины, или по
В. И. Дикушину — коэффициент степени непрерывности технологического
процесса (см. стр. 370) — распространяется и на автоматические линии.
При разработке технологического процесса и проектировании автома-
тической линии максимально возможное сокращение цикловых и нецикло-
вых потерь времени, не совмещенных с основным технологическим време-
нем, является одним из главных руководящих положений. Из него выте-
кает требование возможно меньшего числа перебазирований и переза-
Фиг. VI, 210. Линия для шлифования поршневых пальцев:
1 — бункера; 2 — направляющие диски для ориентирования пальцев; 3 — бесцентрово-шлифоваль-
ные станки; 4 — контрольные автоматы; 5 — элеваторы; 6 — автоматические подналадчики; 7 —
конвейеры; 8 — склизы; 9 — распределители
креплений заготовок, так как время на эти операции в большинстве слу-
чаев не может быть совмещено с основным технологическим временем.
С другой стороны, с сокращением подобных операций уменьшается коли-
чество вспомогательных транспортных и загрузочных устройств. Наи-
большие возможности в этом отношении представляют линии непрерыв-
ного действия, например, автоматические линии для шлифования неболь-
ших цилиндрических деталей, составленные из бесцентрово-шлифоваль-
ных станков, у которых транспортные и технологические движения
совмещаются, а фиксация оси детали происходит под действием сил
резания (фиг. VI, 210).
Наименьшие возможности совмещения времени на транспортные
перемещения и внецикловых потерь времени с основным технологическим
временем, а также этих времен между собой представляют автоматические
линии для корпусных деталей с жесткой связью между станками — сбло-
кированные линии, у которых транспортные перемещения, движения
резания, холостые хода и вспомогательные движения на отдельных стан-
ках линии происходят последовательно, совмещаясь по станкам участка
линии. У таких сблокированных линий расчетная длительность т такта
линии, т. е. интервал времени, через который выдается обработанная де-
таль,
* = + tx + tm + t9 + t„, (VI, 75)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
467
где tM — машинное время, равное времени обработки и работы силовой
головки на упоре;
tx — время холостых ходов головки;
tm — время транспортирования детали на одну позицию;
t3 — время зажима и фиксации (если она предусмотрена);
t0 — время освобождения (разжима) детали.
Фиг. VI, 211. Схема обработки отверстий на торцовых сторонах цилиндровых
блоков автомобильных двигателей
При разработке технологического процесса, помимо обычных требова-
ний к выбору базы, требуется еще предусмотреть удобство транспорти-
рования, возможность автоматической фиксации детали и наименьшее ко-
личество ее перебазирований.
Увеличение количества инструментов в каждой позиции позволяет
уменьшить количество станков в линии. Однако степень концентрации
инструментов в различных позициях не должна быть чрезмерной, чтобы
468
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
не затруднять подналадку и смену инструментов, отвод стружки и подвод
смазочно-охлаждающей жидкости.
Важной задачей при разработке технологического процесса является
достижение по возможности равной или, в крайнем случае, кратной дли-
тельности отдельных операций, что необходимо для синхронизации работы
отдельных станков и позиций.
Синхронность обработки заготовки на различных операциях дости-
гается различными способами.
Длительную лимитирующую операцию распределяют на несколько
позиций разделением всего пути рабочего хода на несколько частей; это
возможно при черновых операциях и сверлении неточных отверстий,
которые приходится выполнять ступенчатыми с интервалами диаметров
порядка 0,2 мм. Отдельные кратковременные операции (подобные, напри-
мер, обработке мелких отверстий) иногда удается объединить, применяя
ступенчатые сверла, зенкеры и другой комбинированный инструмент. Иног-
да синхронность обработки заготовки достигается распределением техноло-
гических операций на участки (фрезерование, растачивание, сверление).
На фиг. VI, 211 приведена технологическая схема обработки отвер-
стий на торцовых сторонах цилиндровых блоков автомобильных двига-
телей. В блоке имеется смазочное отверстие настолько большой длины,
что, помимо сверления с двух сторон, длина прохода разделена на шесть
частей с одной стороны и на семь с другой, и сверление производится по-
следовательно на семи рабочих позициях.
Такое разделение длины прохода на лимитирующих операциях на ча-
сти особенно целесообразно при сверлильно-расточной обработке на много-
шпиндельных станках, так как добавляемые шпиндели могут быть частично
или полностью размещены в шпиндельных коробках совместно с осталь-
ными шпинделями.
Если на отдельной позиции нет возможности достичь синхронности
обработки, то для сохранения темпа работы линии увеличивают число
заготовок, одновременно обрабатываемых на данной позиции, или уста-
навливают на наиболее трудоемкой позиции несколько однотипных стан-
ков.
§ 5. РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ И РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ
При увеличении количества одновременно работающих инструментов
уменьшается время обработки и заработная плата за одну деталь и воз-
растает относительная доля расходов на инструмент. Поэтому с увеличе-
нием числа шпинделей и рабочих позиций, обслуживаемых одним рабочим,
оптимальные режимы резания снижаются.
Чрезмерное повышение режимов резания снижает надежность работы
автоматической линии и может вызвать длительные простои ее для смены
инструментов. Поэтому на лимитирующих операциях режимы резания
назначают с таким расчетом, чтобы время между переточками инструмента
было не менее 7 ч, т. е. чтобы инструмент можно было менять между сме-
нами. В отдельных случаях на лимитирующих операциях снижают время
между переточками до 3,5 ч. рассчитывая производить замену инструмента
в обеденный перерыв.
При больших количествах инструментов в автоматической линии,
достигающих 1000 и более в одной автоматической системе, смена инстру-
ментов по усмотрению наладчика часто приводит к чрезмерному затупле-
нию отдельных инструментов, к их поломке и к увеличению простоев
линии.
РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ И РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ
469
На автоматических линиях большинство операций обработки — не-
высокой точности и смена инструмента вызывается потерей режущей
способности. Так как режущая стойкость инструментов в отличие от раз-
мерной стойкости в условиях работы автоматических линий (повышенные
требования к стабильности качества материала деталей и их обрабатывае-
мости) изменяется мало, то имеется возможность производить смену ин-
струментов планомерно через определенные сроки, тем самым сократить
время на подналадку и избежать поломок инструментов, чрезмерно зату-
пившихся по недосмотру наладчика.
С этой целью инструменты распределяют на группы с приблизительно
одинаковой стойкостью 1см. 504]. Для каждого инструмента определяется
по режиму резания стойкость Т в мин и календарное время Тс между пе-
реточками:
(VI. 76)
или количество деталей г, обрабатываемых данным инструментом между
его переточками:
здесь X — отношение времени фактического резания к машинному вре-
мени /Л, т. е. ко времени перемещения инструмента со ско-
ростью рабочей подачи и выстоя головки на упоре;
t4 — время одного рабочего цикла в мин.
Инструменты подразделяют на группы.
При семичасовом рабочем дне и смене инструментов в нерабочее время
(между сменами и в обеденные перерывы) выделяют в особую группу ин-
струменты, у которых Тс < 210 мин и которые сменяют
в рабочее время,
Инструменты с Тс > 210 мин делят на группы так, что к первой группе
относят инструменты, у которых 210 < Тс < 210-2 мин; ко второй
группе — у которых 210-2 <5 Тс < 210-3 мин.; к группе k — у которых
210-6 < Тс < 210 (k + 1) мин.
Для группы k считают допустимой смену инструментов, начиная с мо-
мента, когда они проработали 0,9-210-k мин, т. е. после минимального
количества отработанных циклов равного
= (VI, 78)
Максимально допустимое число циклов между переточками инстру-
ментов для группы k принимают равным
= (VI, 79)
где Tcmin—наименьшее календарное время между сменами входя-
щих в группу k инструментов.
В инструментальном шкафу у места хранения инструментов данной
группы устанавливается счетчик циклов. После отсчета Z?min циклов на
пульте управления загорается сигнальная лампа; после отсчета /?тах цик-
лов соответствующая часть линии останавливается.
При точной обработке деталей, когда время смены инструментов опре-
деляется их размерной стойкостью, которая практически колеблется
в очень широких пределах, плановая принудительная смена инструментов
470 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
малопригодна. В этих случаях в автоматических линиях необходимы
устройства для автоматического контроля точных размеров, зависящих
от состояния режущих кромок инструментов.
Плановая принудительная смена инструментов не исключает необхо-
димости сокращать затраты времени на подналадку станков введением
быстросменного крепления инструментов и их предварительной установки
на размер вне линии.
Фиг. VI, 212. Быстросменный патрон
Быстросменный патрон (фиг. VI, 212) конструкции СКБ-1 для стержне-
вых инструментов при установке его корпуса в шпиндель регулируется
в осевом направлении при помощи гайки 5 для выверки взаимного поло-
жения упорных пяток 4 на всех шпинделях шпиндельной коробки. В кор-
пус патрона вставляется переходная оправка 6, несущая инструмент.
Регулировочный винт 1 оправки упирается в пятку 4. Оправка запирается
Фиг. VI, 213. Шаблон для предварительной выверки
' стержневых инструментов по длине
в корпусе патрона при помощи шарика 3 при осевом сдвиге втулки 2.
Осевое положение инструмента устанавливают регулированием винта 1
по шаблону вне линии.
Инструменты хранятся вставленными в переходные оправки 6. После
переточки оправка с инструментов вставляется во втулку 2 шаблона
(фиг. VI, 213), для чего лапку 1 отводят в сторону, и при помощи регули-
ровочного винта оправки выверяют инструмент по длине, пока сверло
не упрется в лапку /, а головка винта оправки — в торец винта 3.
Шаблоны этого типа применяют при точности установки порядка
±0,25 мм. Для более точной установки служат предельные шаблоны,
а при допуске менее ±0,1 мм—также индикаторные приборы.
РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ И РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ
471
В автоматических линиях широко применяются быстросменные резцы
с регулированием их положенйя вне линии (см. фиг. VI, 132).
В автоматических линиях успешно применяются резцы с механиче-
ским креплением чашечных или многогранных неперетачиваемых твердо-
сплавных пластинок (фиг. VI, 214). Чашечная пластинка 4 (фиг. VI, 214, а)
Фиг. VI, 214. Типовые конструкции твердосплавных резцов:
а—чашечный резец; б—резец с твердосплавной многогранной пластинкой; в—трехграяпая
пластинка; г—шестигранная пластинка; д—чашечная пластинка; е—пятигранная пластинка
крепится штоком 3 и прижимается к корпусу 1 резца пружиной 2. Чашеч-
ную пластинку можно вручную поворачивать, не снимая резец со станка,
для использования нового участка ее режущей кромки. Регулировоч-
ный винт корпуса предназначен для установки длины вылета резца в спе-
циальном приспособлении вне станка.
Многогранная твердосплавная пластинка 2 (фиг. VI, 214, б) садится
с зазором 0,1—0,15 мм на штифт 3, запрессованный в корпус 1 резца,
прижимается к штифту и к опорной площадке на корпусе клином 4 и до-
полнительно силой резания. Для поворота пластинки, чтобы сменить
режущую кромку, клин 4 нужно освободить.
Фасонные неперетачиваемые твердосплавные пластинки (фиг. VI,
214, б—г) для резцов, работающих на автоматических линиях, имеют
на передней поверхности фаску 0,2—0,5 мм и стружкозавивающую
канавку, образованную в процессе изготовления пластинки.
472 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
§ 6. ОБОРУДОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
1. Компоновка станков, особенно их рабочей зоны, должна преду-
сматривать возможность применения всех видов загрузочных устройств
и транспортных систем, нормально применяемых в автоматических линиях
для деталей, обрабатываемых на станках данного типа.
Возможностью применения загрузочной и транспортной систем только
одного вида можно удовлетвориться при встраивании в автоматическую
линию станка уже существующей модели. Широкая увязка компоновки
вновь проектируемого станка со всеми нормальными загрузочными и транс-
портными системами делает возможным встраивание этого станка в один
участок линии со станками иных типов и назначений, повышает степень
его универсальности и расширяет область его применения; это, в свою
очередь, ведет к лучшей эксплуатационной выверке конструкции и к по-
вышению надежности станка. Примером для сравнения может служить
компоновка рабочей зоны одношпиндельных токарных полуавтоматов
моделей 1730 (см. фиг. VI, 60) и 1712 (см. фиг. VI, 136 и 137).
Увязка компоновки станка с транспортными и загрузочными систе-
мами нормальных типов выражается не только в удобстве их применения,
но и в доступности (при наличии транспортной и загрузочной систем)
зоны резания для визуального контроля схода стружки (особенно слив-
ной) на транспортер и для устранения задержек в сходе стружки, в до-
ступности транспортера стружки для устранения ее заеданий и других
неполадок, доступности гидроаппаратуры и системы охлаждения для
смены уплотнений и т. д.
2. Компоновка станка, конструкция его суппортов, корпусных дета-
лей и станины должны надежно обеспечивать непрерывный автоматиче-
ский отвод стружки из зоны резания, а специальный транспортер —
от станка.
Наибольшие трудности возникают при отводе длинной сливной
стружки, образующейся при обтачивании стальных заготовок на горизон-
тальных одношпиндельных и вертикальных многошпиндельных полуавто-
матах, габаритные условия которых позволяют сделать конструкцию
шпиндельных узлов достаточно жесткой для обдирки стальных заготовок
твердосплавными резцами.
Наилучшие условия для отвода сливной стружки из зоны резания
складываются, если в горизонтальном одношпиндельном автомате про-
дольный суппорт с резцом повернут около линии центров на 180°, и полу-
чается свободное пространство для того, чтобы стружка сходила вниз,
не опутывая обрабатываемую деталь и оснастку суппорта (см. фиг. VI, 134
и 135).
При обтачивании ступенчатых валиков на токарных копировальных
полуавтоматах условия работы стружколомателей затруднены изменением
режима резания.
Трудности отвода стружки возрастают с увеличением ее сечения.
Поэтому на линиях из шлифовальных станков и некрупных токарных
прутковых и патронных автоматов стружка отводится легче, чем на линиях
из многорезцовых и копировальных токарных полуавтоматов.
На состоящих из агрегатных станков линиях для корпусных деталей
отвод стружки непосредственно не связан с компоновкой и конструкцией
станков — он влияет на конструкции зажимного приспособления и транс-
портные устройства, требуя введения проемов для схода стружки.
3. Важнейшим требованием к станкам, как и другому оборудованию
автоматической линии, является высокая надежность работы. Высокая
ОБОРУДОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
473
надежность автоматической линии достигается повышением собственной
надежности каждого станка и агрегата и снижением потерь его рабочего
времени из-за простоя других станков или иного оборудования линии,
связанного с работой данного станка.
По признаку связи между станками различают: 1) линии из станков,
жестко связанных между собой общим шаговым транспортером, который
перемещает одновременно все обрабатываемые заготовки от станка к станку
на величину шага, равного расстоянию между станками (сблокированные
линии); 2) линии из станков, свободно связанных между собой вследствие
Фиг. VI, 215. Схема участка сблокированной автоматической линии для корпусной
детали. Унифицированные узлы линии:
1 — пульт управления; 6—барабан поворота детали; 12— привод транспортера стружки; 13 — при-
тычная гидроаппаратура; 15 — гидростанция; 16 — насос автоматической смазки; 19—поворот-
ный стол; 20—транспортер детали. Унифицированные узлы станков; 4 — несамодействуюгцая си-
ловая головка; 5— вертикальная станина; 8— салазки; 9, //, 18— самодействующие силовые
головки, 10—цилиндр зажима детали; 17—станина—подставка. Оригинальные узлы линии: 2,
14, 21—подставки и основание; 3— приспособления; 7 — наклонные подставки
наличия между ними накопителей заделов (бункеров), что позволяет
каждому станку линии работать при простое предыдущего или после-
дующего в потоке станка.
В сблокированной линии остановка одного станка вызывает простой
всего участка линии, обслуживаемого одним общим шаговым транспорте-
ром. Поэтому повышение надежности работы станков и иногда оборудо-
вания линии имеет особо важное значение для автоматических линий
из жестко связанных станков.
Одним из средств повышения надежности работы автоматической
линии служит повышение производительности станков, так как оно ведет
к уменьшению количества станков, а следовательно, и другого оборудо-
вания линии и таким образом уменьшает количество элементов линии,
вызывающих ее простои.
Существенное значение для повышения собственной надежности станков
и их экономичности имеет применение в автоматических линиях серийно
изготовляемых станков, конструкции которых выверены в условиях их
эксплуатации. Характерной особенностью такого рода станков является
их универсальность — приспособленность их компоновки к удобному
встраиванию в автоматические линии со всеми основными видами транс-
портных и загрузочных систем, нормально применяемых при обработке
деталей данного типа. Другие достоинства таких станков — удобство
их для ручной и крановой загрузки, хорошая обозримость рабочей зоны
с рабочего места, доступность и удобство манипулирования с рабочего
474 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
места основными органами для наладки и регулирования станка, удобство
управления наладочным и полуавтоматическим циклом при работе вне
автоматической линии (пример — токарные копировальные полуавтоматы
мод. 1722 и 1712).
В сблокированных автоматических линиях для корпусных деталей
производятся фрезерные, расточные, сверлильные и резьбонарезные опе-
рации, для чего используются высокопроизводительные специальные
многошпиндельные станки.
Повышение надежности и снижение себестоимости специальных стан-
ков достигаются выполнением их в виде агрегатных станков из нормали-
зованных узлов выверенных конструкций.
С той же целью для сблокированных линий нормализуются узлы
транспортных устройств и систем управления (фиг. VI, 215).
ГЛАВА XVII
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ
КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
§ 1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Операции, на которых выявляется брак по литью вследствие раковин
и других дефектов, следует выполнять возможно ближе к началу ли-
нии. Сначала нужно ободрать все большие поверхности, чтобы избежать
поводки деталей после чистовой обработки, которую желательно отно-
сить возможно ближе к концу линии.
Для уменьшения количества поворотных устройств желательно за-
канчивать все операции обработки детали в данном ее положении до по-
ворота ее для обработки в другом положении, если тому не препятствуют
какие-либо технологические соображения, например возможность поводки
детали при обдирке в новом положении.
В отдельных случаях дополнительное введение поворотных устройств
бывает целесообразно. Дополнительные поворотные устройства (типа
кантователей), опрокидывая деталь при повороте, способствуют удалению
стружки, оставшейся в отверстии после сверления, что необходимо для
предупреждения поломки метчика. Отверстия с взаимосвязанным распо-
ложением желательно сверлить на одной позиции. Отверстия располага-
ются более точно со стороны входа сверла. Поэтому крепежные отверстия
следует сверлить с плоскости разъема.
Для сокращения количества рабочих позиций и повышения точности
обработки применяют комбинированные наборные инструменты: наборы
дисковых фрез на оправках, расточные борштанги с набором резцов, зен-
керов или разверток. Цельные комбинированные интрументы ввиду их
дороговизны и сложности заточки применяют в исключительных случаях —
для обработки деталей из алюминиевых сплавов при необходимости вы-
сокой стойкости инструмента, для сверления и развертывания базовых
отверстий, когда заготовка устанавливается по черным поверхностям,
что исключает возможность повторной точной установки заготовки для
развертывания отверстий после сверления.
Нарезание резьбы в отверстиях желательно выносить на особый
участок линии.
Карусельно-фрезерные и барабанно-фрезерные станки для непрерыв-
ного фрезерования ввиду громоздкости и дороговизны автоматических
загрузочных устройств в автоматических линиях не применяют. Их исполь-
зуют при индивидуальном обслуживании для фрезерования базовых
поверхностей заготовок до их поступления на автоматическую линию.
В автоматических линиях карусельно-фрезерные станки заменяются
станками с двухшпиндельными двусторонними фрезерными голов-
ками, перемещающимися по направляющим между двумя транспортерами
476 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
корпусных деталей. При рабочем ходе, длина которого равна длине обра-
ботанной поверхности плюс диаметр фрезы, обрабатываются одновременно
четыре детали: две начерно и две начисто (фиг. VI, 216). При быстром
обратном ходе фрезерная головка при помощи привернутых к ней двух
штанг с храповыми собачками перемещает детали в обоих ручьях на один
шаг (равный длине рабочего хода) с позиции для чернового фрезерования
в зажимное устройство для чис-
тового фрезерования и одновре-
менно смещает детали по всем
работающим и холостым пози-
циям участка / автоматической
линии Л-52 (фиг. VI, 217 и 218).
На поворотном столе деталь
поворачивается и на другом
таком же станке фрезеруется
с двух других сторон и с после-
дующей холостой позиции пос-
тупает на поперечный транспор-
тер.
Фиг. VI, 216. Станок для одновременного фре-
зерования четырех заготовок в двух потоках
Фиг. VI, 217. Корпус трансмиссии
трактора
При большой длине хода фрезерование нескольких поверхностей на
неподвижно закрепленной детали (фиг. VI, 219, а) потребует два ме-
ханизма подачи для двух фрезерных головок вместо одного в продольно-
фрезерном станке (фиг. VI, 219, б). Это делает станки этого типа менее
надежными, чем продольно-фрезерные станки. Если заготовки переме-
щаются по полозкам и допускают закрепление с боковых сторон, то про-
дольно-фрезерные станки допускают сквозное транспортирование деталей
через место зажима и использование движения стола для их транспорти-
рования без особого привода транспортера (фиг. VI, 220).
На столе закрепляются два полозка 1 с храповыми собачками 2. Ря-
дом с ними закреплены на станине полозки 3 с храповыми собачками 4.
При рабочем ходе стола заготовка А фрезеруется, а остальные заготовка
перемещаются собачками 2 по неподвижным полозкам 5, утапливая пр?'
этом собачки 4. При быстром обратном ходе стола заготовки удерживаются
от обратного смещения собачками 4, а собачки 2 проходят под заготов-
ками; зажимное приспособление отходит со столом от заготовки А к за-
готовке Б и зажимает ее.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
477
Участок /
21 22 23
Участок [V
Фиг. VI, 218. Схема линии для обработки
корпуса трансмиссии трактора:
1, 3, 7, 8 — фрезерные станки; 2, 5, 13 — поворотные столы; 4, 19 — поперечные транспортеры;
6 — пульт управления участка; 9, 10, 14, 15, 16, 17, 21, 22 — станки для обработки отверстий:
11, 18, 23 — резьбонарезные станки; 12 — приспособления для контроля глубины сверления; 20 —
поворотный барабан
Фиг. VI, 219. Станки для
фрезерования с подачей
инструмента (а) и детали
(б)
478 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Недостаток обработки по способу, показанному на фиг. VI, 216, а,
устранен при фрезеровании блоков цилиндров автомобильных двигателей
на заводе Форда (США). Для упрощения привода подач фрезерных голо-
вок и повышения его надежности (фиг. VI, 222) фрезерные головки А
Фиг. VI, 220. Схема установки продольно-фрезерных станков вдоль оси
автоматической линии
и Г, Б и В соединены попарно тягами Д и Е и реечными передачами с ва-
лом И и зубчатыми колесами Ж. Спаренные тягой головки перемещаются
от общего гидропривода, а реечная передача обеспечивает синхронность
их работы, снимая эту функцию с системы управления.
Фиг. VI, 221. Блоки цилиндров автомобильных двигателей:
а — четырехцилиндровый; б — шестицилиндровый; в — вид сбоку
Штанга транспортера присоединена к головке А и перемещает блоки
по двум закаленным полозкам при быстром обратном ходе головки А.
Таким образом, отпадает привод транспортера и упрощается система
управления, что также повышает надежность участка линии и повышает
коэффициент использования его оборудования.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
479
При обработке блоки крепятся в рабочих позициях сверху гидравли-
ческими прижимами.
На позиции 1 отливка блока загружается. Одношпиндельная головка А
фрезерует начерно верхнее зеркало блока на позиции 2 наборной торцо-
вой фрезой с 38 вставными резцами.
Пятишпиндельная головка Б фрезерует начерно в позиции 3 двумя
торцовыми фрезами плоскость прилегания картера, а в позиции 4 тремя
дисковыми фрезами — углубления под крышки коренных подшипников
и плоскость их прилегания. На позициях 5 и 6 двухшпиндельная головка В
фрезерует начисто плоскости прилегания картера и крышек подшип-
ников и обрабатывает начисто прикрепленный к ней протяжной замок
крышек подшипника. Одношпиндельная головка^Г производит на пози-
Фиг. VI, 223. Трехсторонний сверлильный станок с арко-
образной вертикальной станиной
ции 7 пол у чистовое фрезерование плоскости под крышки цилиндров.
Шестишпиндельная головка К на позиции 8 производит сверление, зен-
керование и развертывание двух базовых отверстий со стороны плос-
кости прилегания картера. В позиции 9 блок поворачивается картером
вниз.
В корпусных деталях отверстия обрабатываются с нескольких сторон
заготовки.
480 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
При многосторонней обработке на каждой рабочей позиции число
необходимых станков уменьшается. На туннельных автоматических ли-
ниях (с прямолинейным сквозным транспортированием деталей через
место зажима) трехсторонние агрегатные станки с тремя горизонтально
расположенными силовыми головками неприменимы. Станки из двух
горизонтальных и одной вертикальной силовых головок для смены инстру-
ментов требуют прохода одной горизонтальной силовой головки через
выемку в аркообразной вертикальной станине (фиг. VI, 223), удлиняют
ее ход для смены инструментов (положение а на фиг. VI, 223), что ведет
к увеличению площади, занятой линией, и повышению ее себестоимости.
Поэтому на туннельных линиях применяют, как правило, только дву-
сторонние сверлильно-расточные станки.
Если размер заготовки в направлении перемещения ее вдоль линии
невелик, то каждая силовая головка может обрабатывать одновременно
две детали на двух смежных позициях последовательно или параллельно;
это уменьшает количество единиц оборудования и повышает надежность
работы линии.
Иногда вследствие больших затрат на технологическое оборудование
оказывается экономически целесообразным применить вместо двусторон-
них станков трехсторонние при продольно-поперечном транспортирова-
нии заготовок. При этом транспортная система несколько осложнится,
но уменьшится количество рабочих позиций и станков.
§ 2. ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
ДЛЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Коробчатые корпусные детали при наличии у них достаточно большой
опорной плоскости и возможности направления по бокам планками во
избежание случайного поворота перемещаются проталкиванием их по
полозкам.
Коробчатые детали из алюминиевых сплавов во избежание поврежде-
ния опорной поверхности при скольжении по полозкам приподнимаются
транспортером, перемещаются им на очередные, позиции и опускаются
на базовые планки.
Если вследствие сложности формы детали непосредственное автомати-
ческое базирование заготовки при обработке и транспортировании за-
труднено и транспортирование по полозкам невозможно, то заготовки
крепятся к приспособлениям-спутникам, которым придается форма
удобная для базирования заготовки при обработке, транспортирование
и фиксации на станках.
Для транспортирования корпусных деталей применяют шаговые транс-
портеры, перемещающие одновременно все детали участка линии нз
очередную позицию. Шаг транспортера равен расстоянию между позице -
ями.
Шаговые транспортеры бывают следующих типов (фиг. VI, 224): штан-
говые с собачками (а); штанговые с флажками (б); грейферные (в); рейне; -
ные (г); цепные (е). Из них наибольшее распространение получили штан-
говые транспортеры (фиг. VI, 225).
На штанге /, проходящей через весь участок линии, установлены на
осях треугольные собачки 5, под действием пружины 2 выступающие на:
штангой, причем своей нижней гранью собачка упирается в штифт на
штанге. При движении штанги вперед собачки упираются в обрабатывае-
мые детали и проталкивают их вперед на один шаг. Штанги поддерж
ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
481
ваются снизу роликами (ролики — внутри кронштейна 4 на фиг. VI, 225,
а также роликом /, поддерживающим штангу 2 на фиг. VI, 226). При
перемещении детали собачкой возможен перебег детали, отрыв ее от со-
бачки транспортера, поэтому приходится ограничивать скорость движе-
ния транспортера. 3
Фиг. VI, 224. Схемы шаговых транспортеров
Этого недостатка нет у флажкового штангового транспортера
(фиг. VI, 227) с круглой поворотной' штангой /, несущей спаренные
флажки 2, между которыми располагается деталь 3 с небольшим зазором,
величина которого и определяет максимальную величину перебега. Это
дает возможность повысить скорость транспортирования. Конструкция
транспортера осложняется необходимостью поворота штанги для подъема
и опускания флажков в точном согласовании с работой устройств, фикси-
рующих заготовку.
Штанговые транспортеры имеют опорные и боковые направляющие
хтанки для деталей (фиг. VI, 228). Штанги транспортеров обычно при-
зодятся в движение гидроцилиндром по следующему циклу: перемещение
16 Ачеркан. Зак. 659.
482 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Фиг. VI, 226. Схема флажкового транспортера:
' 1 — роликовые опоры; 2 — штанги
Фиг. VI, 227. Шаговы/
флажковый штанговы.'
транспортер
Фиг. VI,228. Нормализованный шаговый штанговый транспортер с гидравлическим
водом:
1 — штанги транспортера; 2 — собачки; 3 — роликовая опора штанги; 4 — направляющие кгг^вд1
привода транспортера; 5 — цилиндр гидропривода транспортера; 6 — опорные планки для ос: - -ш-
тываемых деталей; 7 — направляющие планки; 8 — домкраты регулировки положения по ь»
ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
483
штанги с деталями вперед, замедленный подвод деталей к рабочим пози-
циям, посадка штока гидроцилиндра на упор на время закрепления
деталей в рабочих позициях, быстрый отвод штанги в исходное положение,
остановка в исходном положении.
По такому циклу работает гидропривод штангового транспортера
с собачками конструкции СКБ-1 (фиг. VI, 229). Кроме гидроцилиндра,
Фиг. VI, 229. Гидросхема привода штангового транспортера:
1 — электромагнит команды «вперед»; 2 — электромагнит команды «назад»; 3 и 4 — полости перед
тредохранительным клапаном насоса 20; 5 — проточка в корпусе золотника; 6 — предохранитель-
ный клапан насоса 9; 7 — золотник реверсирования транспортера; 8 — трубопровод от гидропанели
к разгрузочному золотнику 18; 9 — трубопровод от гидропанели к дросселю; 10 — трубопровод
тт штоковой полости гидроцилиндра к гидропанели; 11 — гидроцилиндр транспортера; 12 — реле
давления; 13 — упор транспортера; 14 — трубопровод от дросселя 15 к бесштоковой полости гидро-
лллиндра 11; 15 — путевой дроссель; 16 — кулачок торможения; 17 — кулачок разгрузки; 18 —
золотник путевой разгрузки; 19 — насос высокого давления; 20 — насос низкого давления
он включает в себя гидропанель (У2423), путевой дроссель (СК 46)
и механизм путевой разгрузки (СК45).
Цикл работы привода:
1. Ход вперед. Включается электромагнит 1. Реверсивный золотник 7
перемещается в верхнее (по схеме) положение. Масло через путевой
дроссель поступает в переднюю полость цилиндра И.
2. Замедленный подвод деталей к рабочим позициям. Кулачок тормо-
жения 16 нажимает на золотник дросселя 15.
3. Посадка штока на упор. По канавке на образующей клапана дрос-
селя шириной 1 мм масло проходит в полость цилиндра 11, поджимает
шток к упору 13. Реле давления 12 включает электромагнит фиксации
i зажима деталей.
4. Отвод штанги назад. Включен электромагнит 2, начинается ход
5азад, сначала медленный, пока кулачок торможения 16 не освободит
золотник путевого дросселя (если есть обратный клапан в путевом дрос-
:еле, как на фиг. VI, 232, то сразу начинается быстрый отвод).
• 484 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
5. При подходе к исходному положению кулачок 17 разгрузки осво-
бождает защелку золотника 18 разгрузки, от пружины золотник идет
вверх (по схеме), и оба насоса 19 и 20 через золотник разгружаются в бак.
Фиг. VI, 230. Унифицированный привод транспортера
Гидрокинематическая схема унифицированного привода транспортера
(конструкции СКБ-1) показана на фиг. VI, 230. Дифференциальный ци-
линдр, установленный на станине 5, перемещает посредством ускоряюще/
1
2 'G
Фиг. VI, 231. Схема сил, действующих на транс-
портируемую деталь при торможении
реечной передачи 4 платформу
5, на которой устанавливаете -
кронштейн, связанный со зве-
ном транспортера. Торможение
транспортера перед его останов-
кой на упоре 5 производится пр
помощи путевого дросселя Г
золотник которого перемещает-
ся посредство: кулачка 2; пр
этом уменьшается количеств,
масла, поступающего в перед-
нюю полость цилиндра /.
Детали могут перемещаться штанговым транспортером со скорость*:
до 14—16 м/мин. При торможении привода деталь 1 (фиг. VI, 231) нг
оторвется от собачки 2, если сила инерции детали R^ будет равна иг.
меньше силы Rmp трения детали по опорным планкам 3 (полозкам), т. z
если
та < G/,
(VI, 8.
где т — масса детали;
а — ее замедление;
G — вес детали;
f — коэффициент трения детали при движении по направляют^ *
планкам.
Отсюда определяется допустимое замедление:
а < gf = 9,81/ м/сек2.
(VI. г
ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
485
Следовательно, при f = 0,054-0,1 замедление а не должно превышать
0,5—1 м/сек?. При постоянном а и скорости перемещения детали v ==
= 14 м/мин длина пути торможения находится в пределах —25—45 мм.
Золотник путевого дросселя (фиг. VI, 232), имеющий конусную дроссе-
лирующую кромку с углом образующей <р = 6°, не дает постоянного
замедления, и путь торможения получается 30—60 мм при v = 14 м/мин.
Для подвода транспортера до упора у золотника сделан паз шириной
1 мм для прохода небольшого количества масла в цилиндр при полном
перекрытии золотником выточки с. Из формулы (VI, 81) следует, что
величина а замедления и, следовательно, длина пути торможения не
зависят от веса детали, а только от
ее скорости и коэффициента трения f.
Длина пути торможения при различ-
ных значениях скорости устанавли-
вается подбором угла наклона кулачка 2
(см. фиг. VI, 230). При посадке транс-
портера на упор давление в передней
плоскости гидроцилиндра повышается,
срабатывает реле давления, дающее
команду на включение электромагни-
тов гидропанели закрепления деталей.
При возвратном перемещении транс-
портера масло вначале из передней по-
лости цилиндра сливается в бак через
обратный клапан.
При подходе транспортера к исход-
ному положению торможение его перед
Фиг. VI, 232. Путевой дроссель с обрат-
ным клапаном
остановкой осуществляется посредством демпфера, встроенного в крышку
цилиндра 1 (см. фиг. 230). Длина пути торможения составляет 5—
15 мм.
В гидросистемах приводов шаговых транспортеров применяются для
замедления скорости транспортера при подходе к упору только путевые
дроссели, так как необходимо обеспечить срабатывание реле давления,
подключенного за дросселем, только при постановке транспортера на
мертвый упор.
При применении для торможения демпфера, встроенного в гидроци-
линдр, положение остановки транспортера при посадке штока на упор
было бы неопределенным, так как реле давления смогло бы срабатывать
и на пути демпфирования. Кроме того, применение дросселя позволяет
регулировать путь торможения за счет профиля кулачка.
Привод штангового транспортера по схеме фиг. VI, 230 применяется
при длинах хода транспортера от 400 до 1100 мм при скорости перемеще-
ния деталей от —8 до 22 м/мин.
Штанговые транспортеры с механическим приводом применяются
редко. Для привода штанг используется кривошипно-кулисный механизм
или цепь, оба конца которой замкнуты штангой. Ведущая звездочка цепи
приводится от электродвигателя через реверсивную передачу с фрик-
ционными муфтами.
Грейферные транспортеры (см. фиг. VI, 224, в) применяются редко,
когда нельзя применить проталкивание корпусных деталей по полозкам,
например: при обработке корпусных деталей из алюминиевых сплавов
во избежание порчи их опорной поверхности; когда детали неустойчивы
и их необходимо закреплять при транспортировании.
486 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Рейнерные шаговые транспортеры (фиг. VI, 224, г) применяются глав-
ным образом при обработке валов.
Толкающие шаговые транспортеры (фиг. 224, д) по конструкции просты.
Толкатель, обычно шток гидро- или пневмоцилиндра, проталкивает на
шаг всю колонну деталей. При большой массе деталей для трогания
их с места применяется дополнительный толкатель с коротким ходом.
Вследствие накопления ошибок фиксацию деталей приходится про-
изводить при отведенном толкателе последовательно, начиная с самой
дальней от толкателя детали; это удлиняет время цикла и является недо-
статком толкающего транспортера, ограничивающим область его приме-
нения обратным транспортированием приспособлений спутников (см.
стр. 491). Но при этом для образования сплошной колонны спутников
требуется чрезмерное их количество по сравнению с необходимым, что
является существенным недостатком такой системы транспортирования.
Цепные шаговые транспортеры (фиг. 224, е) не обеспечивают достаточно
точного перемещения деталей, необходимого для их фиксации при бази-
ровании и зажиме.
§ 3. ПОВОРОТНЫЕ УСТРОЙСТВА
Поворотные устройства применяются в автоматических линиях для
изменения ориентации корпусных деталей на отдельных участках линии.
В зависимости от технологического процесса обработки на линиях
применяются следующие поворотные устройства: барабаны — для пово-
Направление
транспортирования
Фиг. VI, 233. Схемы поворотных устройств:
/ — основание; 2 — поворотная
рота детали вокруг горизонтальной оси (фиг. 233, а); столы — для по-
ворота детали вокруг вертикальной оси (фиг. 233, б); кантователи —
для поворота детали вокруг наклонной оси (фиг. 233, в).
Чтобы не увеличивать длительность цикла обработки и не снижать
производительности автоматической линии, желательно, чтобы конструк-
ция поворотного устройства и его привод давали возможность совмещать
ПОВОРОТНЫЕ УСТРОЙСТВА
487
время поворота с составляющим временем цикла обработки детали.
Желательно, чтобы управление поворотным устройством осуществлялось
от имеющихся уже на линии гидропанелей.
Нормализованный поворотный стол (фиг. VI, 234) позволяет совершать
повороты на 90 и 180° за счет регулирования длины хода штока упорами.
Поворотные столы применяются, когда участки линии до и после
поворота имеют независимые транспортеры.
Фиг. VI, 234. Нормализованный поворотный стол для поворота деталей в горизонтальной
плоскости на 180°:
1 — направляющие планки поворотной платформы; 2 — опорные планки поворотной платформы;
3 — поворотная платформа с реечной шестерней 8', 4 — цилиндр со штоком-рейкой Р; 5 — домкраты
для регулирования положения стола по высоте; 6 — арочная станина стола; 7 — конвейер для уда-
ления стружки; 10 — кулачок управления; 11 — конечный выключатель
Поворотные накрывающие ключи-колокола применяются, когда уча-
стки линии до и после позиции поворота детали имеют общий транспортер.
Агрегат, показанный на фиг. VI, 235, поворачивает на 90° приспособ-
ления-спутники с закрепленными на их базовых плитах деталями (венти-
лями) в конце 1 участка линии (см. фиг. VI, 239). При опускании ключ-
колокол 2 своими прямоугольными шипами входит в выемки базовой
плиты спутника. Колокол висит на зубчатом (шлицевом) валу, прикреп-
ленном к штоку гидроцилиндра 4 подъема ключа, и поворачивается вместе
со спутником через реечную передачу от гидроцилиндра 5. После поворота
ключ-колокол поднимается и поворачивается обратно в исходное поло-
жение, повернутая деталь проталкивается транспортером на следующую
позицию, а очередная деталь подается на стол поворотного агрегата.
Для направления рельсом транспортера базовая плита имеет снизу кре-
стообразные пазы. Фазы цикла управляются кулачками, закрепленными
на лапах штоков гидроцилиндров 3 и 4,
Поворотный стол (фиг. VI, 236) служит для опускания на уровень
транспортера, возврата и поворота спутника в первоначальное исходное
488 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Фиг. VI, 235. Поворотное устройство в виде накрывающего ключа-колокола для
поворота на 90° приспособлений-спутников:
/ _ приспособление-спутник (/ — в положении до поворота; II—в положении после
поворота); 2 — ключ-колокол поворота; 3—гидроцилиндр поворота; 4—гидроцилиндр
подъема ключа
Схема работы стола
Фиг. VI, 236. Поворотно-подъемный стол
ПОВОРОТНЫЕ УСТРОЙСТВА
490 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
его положение в загрузочной позиции. Базовая плита-спутник, несущая
деталь, поступает на столик, прикрепленный к байонетной скалке мостика,
связанного со штоком гидроцилиндра и несущего также две направляю-
щие скалки и кронштейн с кулачками для управления фазами цикла.
Поворотные устройства, показанные на фиг. VI, 234 и 236, совершают
поворот детали за шесть переходов (учитывая и хода штанг транспорте-
Направление
транспортирования
Фиг. VI, 237. Барабан для поворота детали на 90° вокруг горизонталь-
ной оси
ров); при этом поворотная часть поворачивается два раза — с деталью
и без детали. Время поворота не совмещается полностью с каким-либо
элементом рабочего цикла обработки участка линии.
Барабан для поворота детали на 90° вокруг горизонтальной оси
(фиг. VI, 237) состоит из основания 1 и поворотной части, на которой
устанавливается деталь. Поворот совершается от гидроцилиндра 12 через
шток-рейку //, зубчатое колесо 10, храповой механизм 13, зубчатое ко-
лесо 9 и зубчатый венец 7 на поворотном барабане 6. При обратном ходе
штока цилиндра поворотная часть (барабан) 6 остается неподвижной по~
действием фиксатора 4, входящего в одно из четырех гнезд 5, запрессо-
ванных в поворотной части. Диски 3, привернутые к поворотной части,
опираются на ролики 2, выполненные с одной стороны поворотной части
с ребордами, входящими в паз диска 3 для фиксации барабана в осевой
направлении. Крайнее положение рейки определяется упором 8.
Поворотный барабан такого устройства работает в три перехода:
1. Транспортер первого участка при ходе вперед вводит в барабан
очередную деталь и одновременно выталкивает из него повернутую деталь
ПОВОРОТНЫЕ УСТРОЙСТВА
491
на промежуточную позицию, расположенную вне барабана. Транспортер
второго участка в этот момент находится в положении «Вперед».
2. Затем оба транспортера отходят назад.
3. Происходит поворот барабана и одновременно ход вперед транс-
портера второго участка с перемещением детали с промежуточной по-
зиции.
Возврата поворотной части в исходное положение не требуется, но
в каждом из четырех положений поворотная часть способна принять
очередную деталь в положении ее на первом транспортере, выдавая одно-
временно повернутую деталь на промежуточную позицию.
Движение штока гидроцилиндра вперед и назад можно совместить
с зажимом и отжимом детали, и весь цикл поворота совмещается с рабо-
Фиг. VI, 238. Гидравлический цилиндр с рейкой
чим циклом обработки детали. Такие конструкции называются сквозными
поворотными устройствами. Они являются наиболее совершенными — не
увеличивают времени цикла и допускают совмещение управления пово-
ротом и зажимом.
На фиг. VI, 238 показан разрез гидроцилиндра с реечной передачей 2,
осуществляющей поворот платформы стола. Торможение стола в обоих
крайних положениях производится демпфирующими дроссельными золот-
никами 1 и 3, вставленными в крышки цилиндра.
Транспортные устройства при обработке деталей со спутниками
Детали сложной конфигурации, не имеющие поверхностей, удобных
для надежного базирования при транспортировании и обработке, при
поступлении на автоматическую линию крепятся на специальные приспо-
собления, которые сохраняют ориентацию при транспортировании, бази-
руются, фиксируются и закрепляются в рабочих позициях линии. Эти
приспособления называются спутниками. Со спутниками обрабатываются,
например, задние мосты автомобилей, корпусы масляных насосов и дру-
гие детали сложной конфигурации. Применение спутников расширило
круг деталей, обрабатываемых на автоматических линиях: сложность
конфигурации детали не имеет решающего значения для возможности
обработки ее на автоматической линии.
В автоматических линиях, переналаживаемых на обработку группы
деталей, спутники применяются для унификации базирования, фиксации
и зажима при обработке всех деталей группы в различных рабочих пози-
циях. При этом деталь крепится к промежуточному индивидуальному
переходному приспособлению (плитке, угольнику), которое по унифици-
рованным базирующим плоскостям крепится к спутнику (см. стр. 498).
^^^рузо^ная
позиция
Движение спутника
при обработке
Загрузочная
позиция
Возврат спутника
v^0j.g
$
р
А
Р
I
Фйг- Vh 239 с
• Схема тпямп
^^ПОрТНОй л
^Wl
е«тилеи
I
/ ъ
/
I Ъ
О
$
/ О
/ Ъ
р
I
I о
*
£
ПОВОРОТНЫЕ УСТРОЙСТВА
493
В конце линии, после обработки детали, она снимается со спутника,
и спутник возвращается на загрузочную позицию; для этого требуются
дополнительные транспортные устройства, осложняющие транспортную
систему при применении спутников.
Нередко деталь не снимается со спутника после обработки и вместе
со спутником возвращается по транспортеру в исходное положение —
на разгрузочную позицию, расположенную рядом с загрузочной. Обе
эти смежные позиции обслуживаются одним рабочим.
В зависимости от расположения транспортеров для возвращения спут-
ников в загрузочную позицию различают несколько видов компоновки
линии со спутниками.
На схеме фиг. VI, 239 штанговый транспортер возврата 4 с увеличен-
ным шагом и повышенной скоростью транспортирования расположен под
зоной обработки и под основным транспортером 1. В процессе параллель-
ной обработки два спаренных корпуса вентиля, закрепленные на одном
Фиг. VI, 240. Схема линии с фронтальным расположением транспортера возврата
спутников
спутнике, поворачиваются вместе со спутником ключом-колоколом 2
(см. фиг. VI, 235) на 90°, и поэтому при опускании на уровень транспор-
тера возврата спутник поворачивается в исходное положение подъемным
поворотным столом 3, конструкция которого показана на фиг. VI, 236.
С транспортера возврата 4 спутник вместе с обработанными корпусами
вентилей поднимается подъемным столом 5 на разгрузочную позицию,
где освобождается от обработанной детали.
Такая схема не занимает дополнительной площади для возврата спут-
ников, но создает неудобства для отвода стружки и обслуживания транс-
портера возврата.
При фронтальном расположении транспортера возврата (фиг. VI, 240)
впереди или сзади линии станков оборудование линии более доступно для
обслуживания, за исключением станков, расположенных внутри контура
транспортеров, но занимаемая линией площадь значительно увеличивается
по сравнению с площадью линии с нижним расположением транспортера
возврата. При обратном транспортировании (обычно при помощи цепного
конвейера) спутники проходят через моечную станцию 1 для очистки
базовых поверхностей от стружки и металлической пыли. Такая компо-
новка наиболее распространена.
При отсутствии вертикальных станков в линии применяется верхнее
расположение транспортера возврата спутников над основным транс-
портером и зонами обработки. Транспортер может быть упрощен при
494 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
выполнении его в виде наклонного рольганга (фиг. VI, 241) или, при малой
длине линии, в виде наклонно расположенных склизов (фиг. VI, 242).
Во избежание ударов при чрезмерной скорости возврата спутников
при таких транспортерах возврата необходимы регулирование наклона
транспортера или тормозящие устройства. При такой компоновке не
стеснен доступ к рабочей зоне и к агрегатам линии, нет необходимости
Фиг. VI, 241. Схема возврата спутников по верхнему наклонному рольгангу
в дополнительной площади для транспортера возврата спутников, нс
нужна горизонтальная компоновка всех станков линии.
Надобность в транспортере возврата спутников отпадает, если он
заменен участком линии с обратным направлением перемещения детали
по рабочим позициям в сторону исходной загрузочной позиции
(фиг. VI, 243).
На концах участков деталь со спутником перемещается с одного уча-
стка на другой поворотными устройствами (если деталь обрабатывается
с одной стороны), заталкивателями (если на участке с обратным движе-
нием деталь обрабатывается с другой стороны) и транспортерами (если
на участках линии с прямым и обратным направлением перемещения
деталь обрабатывается с двух сторон при двустороннем расположение
станков на каждом участке линии). Недостаток такой компоновки ли-
нии — затруднительный доступ к зоне обработки и к станкам, находя-
щимся внутри замкнутого контура транспортных устройств.
Фиг. VI, 243. Линия для обработки отверстий под поршневой палец в поршнях, закрепленных по 4 шт. на приспособлениях-спутниках
ПОВОРОТНЫЕ УСТРОЙСТВА
си
496 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
§ 4. МЕХАНИЗМЫ ФИКСАЦИИ И ЗАЖИМА КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
S
При подаче в зажимное приспособление транспортером деталь пред-
варительно ориентируется установочными элементами приспособления.
Окончательное базирование детали производится по предварительно обра-
ботанной (в большинстве случаев) плоскости, которая обычно служит
плоскостью скольжения детали по транспортеру и по двум предварительно
обработанным точным отверстиям на этой плоскости путем ввода в них
двух фиксирующих штифтов. После этого детали закрепляются специаль-
ными зажимами в специальных приспособлениях, установленных у стан-
ков линии.
Варианты выбора баз в зависимости от формы и расположения обра-
батываемых поверхностей показаны на фиг. VI, 244.
Во избежание потери точности установки деталей фиксаторы не должны
нагружаться силами зажима и резания. Зажимные устройства приводятся
Фиг. VI, 244. Варианты выбора баз
обычно от гидроцилиндров непосредственно или через самотормозящие
механизмы (для получения больших сил зажима). В последнем случае
механизм зажима и фиксаторы приводятся от одного гидроцилиндра
(фиг. VI, 245).
В самотормозящих зажимных механизмах сила разжима на 10—20%
больше силы зажима. Поэтому при зажиме масло подается в штоковую
полость цилиндра или в магистраль, соединяющую распределительный
золотник с зажимной полостью цилиндра, вводят дополнительный пре-
дохранительный клапан, настроенный на пониженное давление.
В зажимных устройствах с прямым зажимом и раздельным гидравли-
ческим приводом фиксаторов включение цилиндров зажима по окончании
фиксации надежнее производить от конечных выключателей, контроли-
рующих окончание ввода фиксаторов, чем подачей гидравлической ко-
манды при подъеме давления в цилиндрах фиксации. В последнем случае
команда на зажим может быть подана преждевременно вследствие закли-
нивания фиксаторов стружкой или упора их в деталь при неточной оста-
новке транспортера.
Контроль выполнения зажима производится при помощи гидравличе-
ских реле давления. В устройствах с клиновым зажимом контроль раз-
жима надежнее производить при помощи электрических конечных выклю-
чателей, так как реле давления может сработать и при заедании клина.
Фиксация и зажим детали занимают 0,03—0,1 мин.
Заданная величина силы зажима сохраняется неизменной в течение
всего времени обработки гидро- или пневмоприводом. Превышение этой
силы предотвращается специальной блокировкой.
МЕХАНИЗМЫ ФИКСАЦИИ И ЗАЖИМА КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
497
Фиг. VI, 245. Приспо-
собление для базиро-
вания и закрепления
при помощи плоского
клина картера коробки
передач
Фиг. VI, 246. Приспособление для базирования и закрепления блока цилиндра дисковым
клином
498 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Приспособление с зажимом детали при помощи дискового клина по-
казано на фиг. VI, 246.
Для отвода стружки в нижней плите приспособлений делают проемы
с наклонными стенками (см. фиг. VI, 245).
§ 5. ПЕРЕНАЛАЖИВАЕМЫЕ ЛИНИИ ДЛЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
Из всех видов автоматических линий наиболее трудно переналижи-
ваются на другую деталь линии для корпусных деталей. Возможность
переналадки этих линий достигается различными способами.
Фиг. VI, 247. Переналаживаемая автоматическая линия фирмы Сандстренд (США) для
корпусов гидравлических узлов:
1 — расположение рабочих позиций; 2 — мойка; 3 — роликовый конвейер для возврата спутников
с деталями; 4 — пневмоцилиндр штангового транспортера линии, ход 19 или 38 дюймов для одинар-
ной или парной обработки деталей; 5 — разгрузочная и загрузочная позиции
Переналадка линии на обработку различных деталей одного типа
может быть достигнута за счет придания детали такой конструкции,
которая обеспечивала бы возможность обработки ее на одной автоматиче-
ской линии.
Так, например, у блоков четырех- и шестицилиндровых двигателей
(см. фиг. VI, 231) с этой целью делают одинаковыми основные размеры —
диаметры цилиндров, расстояния между их осями, расстояние от базовой
торцовой поверхности, высоту и пр.
Для установки в зажимных приспособлениях на отливках преду-
сматривают дополнительные приливы. Все отверстия на обоих блоках
делают одинаковыми по размерам и расположению. Если в одном блоке
нет отверстий, то в нем делают углубления, чтобы не вынимать сверл,
нужных для сверления отверстий в другом блоке. Всю обработку, разли-
чающуюся для разных деталей, переносят на последнюю линию потока
с целью упрощения переналадки основных линий.
ПЕРЕНАЛАЖИВАЕМ ЫЕ ЛИНИИ ДЛЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
499
В автоматических линиях из агрегатных станков гибкость переналадки
может быть достигнута сменой многошпиндельных коробок с кондуктор-
ными плитами у силовых головок и введением промежуточных индиви-
дуальных крепежных приспособлений для крепления детали в унифици-
рованных спутниках. При этом условия базирования, фиксации и зажима
Фиг. VI, 248. Спутник и сменная державка для изделия
спутника с деталью в зажимных приспособлениях остаются неизменными
при переналадке линии.
Примером может служить шестипозиционная автоматическая линия
фирмы Сандстренд (США) для сверления, зенкерования, растачивания,
развертывания отверстий в пяти различных корпусных деталях гидрав-
лических узлов (фиг. VI, 247). Шесть столов несут по две силовые головки
с многошпиндельными коробками для двух смежных позиций обработки.
Рабочая подача и быстрый ход столов производятся через коробки
подач от электродвигателей мощностью
~0,75 кет.
Градуированные шкалы облегчают
установку при переналадке командных
кулачков (упоров), управляющих дви-
жением столов.
Многошпиндельныекоробкикрепятся
к корпусам силовых головок четырьмя
болтами, могут быстро сменяться при
переналадке и хранятся вместе с кон-
дукторными плитами, прикрепленными
к ним с нагрузкой пружинами, на спе-
циальных стеллажах с выдвижными (на
роликах) полками и подъемниками, под-
вешенными на монорельсах.
Сменные державки 6, особые для
Фиг. VI, 249. Установка детали
на спутнике
каждого вида детали, с закрепленными
в них обрабатываемыми деталями монтируют на приспособления-спут-
ники (фиг. VI, 248), один комплект которых (из 12 шт.) используется при
обработке всех пяти различных корпусных деталей.
Каждый спутник имеет закаленную и шлифованную стальную нижнюю
базовую плиту с двумя закаленными точными втулками для фиксации.
На верхней поверхности спутника имеются два Т-образных паза 2
для болтов, центральная шпоночная канавка 3 и центральный штифт 4,
точно размещенный относительно направляющих втулок 5 в головках
двух стоек 1 спутника. Спутник перемещается по направляющим планкам
500 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
транспортером, фиксируется автоматически двумя фиксаторами, входя-
щими во втулки в его основании, а затем четыре гидроцилиндра, нажимая
на него снизу, располагают верхнюю его плоскость на закаленных шлифо-
ванных горизонтальных упорах.
Горизонтальные направляющие скалки шпиндельной коробки входят
в направляющие втулки 5 стоек спутника.
Нижняя плоскость спутника изнашивается при движении его по
направляющим, а верхняя плоскость сохраняет свое точное положение,
благодаря чему значительно возрастает срок службы инструментов.
Державки 6 для деталей, снабженные втулкой 8 и шпонкой 7 легко
выверяются по центральному штифту 4 и шпоночной канавке <?.
Для обработки корпусной детали в различных положениях — верти-
кальном (фиг. VI, 249) или горизонтальном державка с двумя базовыми
плоскостями перемонтируется на спутнике и снова проходит через все
позиции линии после ее переналадки.
Два человека переналаживают линию, включая смену 12 многошпин-
дельных коробок и 12 державок для деталей в течение 5 ч.
ГЛАВА XVIII
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СТРУКТУРА
АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
§ 1. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
Расчетная штучная производительность Qm однопоточной автомати-
ческой линии равна
Q/n = “7" шпг/мин = -у-, (VI, 82)
где штучное время — расчетный такт линии:
т = Тц тах ~ 1вл мин; (VI, 83)
здесь Тцтах—продолжительность цикла лимитирующего станка или
позиции в мин;
teA — продолжительность несовмещенных вспомогательных опе-
раций на автоматической линии (перемещение детали
транспортером, работа автооператора, фиксация, зажим,
разжим, расфиксирование детали) в мин.
Фактическая штучная производительность линии ($ф меньше расчет-
ной вследствие внецикловых потерь времени:
О.ф = Qm—Ял = = т" шт/ч = “г шт1мин = ’ <VI>84)
где qA — потеря выпуска всей линии в единицу времени в шт.;
t — длительность среднего интервала выпуска детали с последней
позиции линии в мин;
т]л — коэффициент использования линии.
Из формулы (VI, 84) видно, что
= <VI'851
Относительная доля рл потери штучного выпуска линии
рл = = 1 _ Пл. (VI,86)
Ч.т
Потери выпуска qA в шт. для линии:
Qm $ф - О “ Пл) Qm - Qmh- (VI, 87)
Потери штучной производительности автоматической линии qA и тех-
нический коэффициент ее использования зависят: а) от частоты непо-
ладок в элементах оборудования автоматической линии, вызывающих
простой отдельных ее агрегатов по их собственным неполадкам; б) от
длительности устранения этих неполадок и простоя агрегатов по их
502 ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СТРУКТУРА АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
собственной вине; в) от простоя агрегатов не по собственной вине, а вслед-
ствие жесткой связи при рабочем цикле с другим агрегатом, в котором
возникли неполадки.
Такой вид простоев оборудования наиболее полно проявляется в одно-
поточных сблокированных линиях.
§ 2. ПОТЕРИ И ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ОДНОПОТОЧНОЙ СБЛОКИРОВАННОЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ
При собственном простое одного из агрегатов (т. е. простое для устра-
нения неполадок в одном из элементов агрегата) сблокированной автома-
тической линии останавливаются все остальные агрегаты линии и в это
время в них не могут возникнуть собственные простои. Поэтому собствен-
ные простои агрегатов сблокированной автоматической линии происходят
только последовательно и не могут совмещаться по времени.
Обозначим длительность собственных простоев, отнесенную в среднем
на единицу времени фактической работы, у первого агрегата через /7С1,
у второго — 77с2, У третьего — Пс3 и т. д.
Средняя полная (от собственных и дополнительных простоев) длитель-
ность потерь, приходящаяся на единицу времени работы Пп1 для каж-
дого агрегата линии будет составлять
w
nni^na, (VI, 88)
4=1
где N — общее количество сблокированных агрегатов линии.
Расчетная производительность линии Qm одинакова для всех рабочих
агрегатов сблокированной линии, но при наличии потерь Qm деталей
w
обрабатывается на каждом агрегате за 1+2 единиц времени,
4=1
т. е. фактическая производительность линии
=-----%----- (VI, 89)
1 + 5 Пс1
4=1
Технический коэффициент использования сблокированной автомати-
ческой линии т]сл, не учитывающий потерь, вызванных организацион-
ными неполадками, выразится соотношением
Q4>
Q
1
N
1+2 па
4=1
(VI, 90)
Отсюда видно, что при наиболее простой (т. е. однопоточной без на-
копителей заделов) структурной схеме на сблокированных автоматических
линиях общие (итоговые) потери линии равны сумме собственных потерь
всех агрегатов линии.
Собственный коэффициент использования агрегата
и собственные простои этого агрегата (по его неполадкам) на единицу
времени его работы
nci =1±М. (VI, 92)
ПОТЕРИ И ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
503
Следовательно, технический коэффициент использования автоматиче-
ской сблокированной линии можно выразить также в форме
=------4-------• (VI, 93)
Из формул (VI, 88) и (VI, 90) следует, что общие итоговые потери сбло-
кированной автоматической линии (за единицу времени ее работы) равны
средней длительности полных потерь (от собственных и дополнительных
простоев) каждого ее агрегата, отнесенных к единице времени его работы.
Дополнительные потери каждого агрегата сблокированной линии воз-
растают с увеличением N — числа агрегатов. Поэтому сблокированные
линии или участки линий не строят с большим количеством станков —
редко больше 10 станков у линий для корпусных деталей. Количество
вспомогательных агрегатов линии также стремятся уменьшать. С другой
стороны, каждый агрегат связанной конструкции является сблокирован-
ным, и на его узлы и конструктивные элементы распространяются форму-
лированные положения о собственных и дополнительных простоях в пре-
делах как агрегата, так и всей автоматической линии.
Поэтому для повышения коэффициента использования сблокирован-
ных автоматических линий существенное значение имеет возможное умень-
шение количества узлов и конструктивных элементов как в пределах
самих агрегатов (общий привод многих шпинделей и их подачи в агрегат-
ных станках), так и в пределах всей линии: общий привод фрезер-
ных головок и штангового транспортера одним гидроцилиндром (см.
фиг. VI, 222), привод штангового транспортера от стола продольно-
фрезерного станка (см. фиг. VI, 230). Такие меры оказываются особенно
эффективными, когда простыми и надежными механическими блокиров-
ками достигается надежная синхронизация работы агрегатов и отпадают
узлы с относительно менее надежными конструктивными элементами.
В условиях режимов, применяемых на автоматических линиях, соб-
ственные потери станков, транспортных устройств и прочего оборудова-
ния практически не зависят от нагрузки. Это дает возможность определять
собственные потери оборудования по данным наблюдений за эксплуата-
цией автоматических линий. Примерные данные таких наблюдений при-
ведены в табл. VI, 6 [100].
Пользуясь табл. VI, 1, определим потери по оборудованию для сбло-
кированной линии, имеющей 16 силовых головок, восемь зажимных
устройств средней сложности, 18 приспособлений-спутников, два устрой-
ства для зажатия и освобождения заготовок в спутниках, два подъемника
для транспортирования спутников, один транспортер для возврата спут-
ников, одно приспособление для контроля глубины отверстий, один
комплект общих устройств линии.
Итоговые общие потери* Псл сблокированной линии равны полной
длительности потерь каждого ее агрегата:
N
Псл = ПпХ =2 77„-= 0,42 • 16 + 0,1-8 + 0,01-18 + 0,09-2 -4
i—1
4- 0,02-2 + 0,02-2 + 0,06-1 + 0,09-1 Н- 0,75-1 = 8,82 мин на
каждые 100 мин работы линии.
504 ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СТРУКТУРА АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
Таблица VI, 6
Собственные потери оборудования автоматических линий
Наименование устройств Число простоев на 100 мин работы Средняя длитель- ность простоев на 100 мин работы в мин
Силовая головка 0,009 0,42
Зажимное устройство средней сложности 0,003 0,10
со сложным зажимом 0,005 0,20
Приспособление-спутник с простым зажимом де- тали 0,001 0,01
Устройство для автоматического зажима детали в спутнике 0,002 0,09
Поворотное устройство 0,002 0,06
Толкатель или подъемник для транспортирования спутников 0,001 0,02
Транспортер для возврата спутников 0,002 0,06
Опрокидыватель для удаления стружки из отвер- стий 0,002 0,05
Устройство для контроля глубины отверстий . . 0,003 0,09
Общие устройства участка линии (штанговый транспортер, гидропривод транспортера и за- жимного устройства, электрооборудование) . , 0,05 0,75
Потери времени из-за инструментов зависят от режима обработки,
от которого зависят, в свою очередь, период стойкости инструментов
и — максимальное количество деталей, обрабатываемых между
^переточками каждой группы инструментов (см. стр. 469). На смену группы
инструментов затрачивается на каждые 100 мин работы:
(ti под+ -^--100
Пи1 =-------5---------- мин, (VI, 94)
Hi max
где Qm — расчетная производительность в шт/ч;
tinod — время на подноску группы инструментов к станку в мин;
ticM — время на смену одного инструмента данной группы в мин;
т( — количество инструментов в данной группе.
Для группы в mt = 10 сверл диаметром 8—25 мм при Rt max = 380 шт.,
tinod = 1 мин, tCM = 0,2 мин, Qm = 40 tum/ч (по хронометражу)
' 40
(1+0,2-10).-^-.100
/7Ш =-------зэд-------^0,53 мин
на 100 мин работы линии.
Наряду с простоями из-за закономерного затупления инструментов
возможны случайные простои из-за неполадок, преждевременного затуп-
ления, поломок инструментов. Примерные данные о случайных потерях
по инструменту приведены в табл. VI, 7 [100].
Для группы в т = 10 сверл при /?тах = 380 шт. между переточками
и Qm = 40 tum/ч случайные потери
0,12- т-^-100 лп ...
----------------------------= 0,12-10.41-^0,21 (VI,95)
на 100 ч работы линии.
ДЕЛЕНИЕ СБЛОКИРОВАННОЙ ЛИНИИ НА ПОТОКИ
505
Таблица VI, 7
Случайные простои, вызываемые инструментами
Наименование инструмента Среднее число случайных простоев за период стойко- сти инструмента Средняя длитель- ность случайных простоев за период стойкости в мин
Спиральное сверло малого диаметра или с боль- 0,03 0,18
шим отношением длины к диаметру . . .
Спиральное сверло среднего размера .... 0,01 0,12
Метчик малого диаметра 0,05 0,30
Метчик диаметром 8—25 мм 0,03 0,27
Зенкер, цековка 0,02 0,18
Развертка Резцы в борштанге: 0,015 0,18
черновой 0,02 0,20
чистовой 0,015 0,18
Подсчитав закономерные и случайные потери для всех групп инстру-
ментов и отнеся потери к 1 мин и просуммировав их с потерями по обору-
дованию линии, можно определить технический коэффициент использо-
вания сблокированной линии по формуле
Пел =----jv-------------й------’ <VI> 9б)
1+2 ^<+2 Пи1 +2
i’=l i=l i=l
где U — количество групп инструментов.
Данные хронометража о простоях по оборудованию и по инструменту,
приведенные выше в таблицах, в значительной мере условны, однако
дают возможность относительного сравнения различных вариантов ли-
ний по их техническому коэффициенту использования.
§ 3. ДЕЛЕНИЕ СБЛОКИРОВАННОЙ ЛИНИИ НА ПОТОКИ
Большая длительность лимитирующей операции, а также большая
программа изготовления деталей могут потребовать применения на ли-
митирующих операциях параллельной обработки нескольких деталей.
При этом возможны два варианта:
1. Установка станков для лимитирующей операции в одной общей
цепочке.
При небольших размерах детали на одном станке обрабатывается
параллельно несколько заготовок (фиг. VI, 251). Большие заготовки
обрабатываются параллельно по одной на каждом станке (фиг. VI, 250).
При z параллельно обрабатываемых деталях шаг транспортера в обоих
случаях принимается в z раз больше расстояния между смежными заго-
товками. Между станками вводятся холостые позиции.
При параллельной обработке в одном потоке увеличивается количество
сблокированных станков, что снижает технический коэффициент исполь-
зования сблокированной линии. Поэтому при большом числе станков
в линии такой способ параллельной работы не применяется.
2. Станки, параллельно обрабатывающие несколько деталей, устанав-
ливаются на параллельных частях автоматической линии, снабженных
транспортными устройствами, которые позволяют этим частям линии рабо-
тать независимо друг от друга. Вследствие этого технический коэффициент
506 ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СТРУКТУРА АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
использования значительно повышается по сравнению со сблокированной
автоматической линией. Такие части линии называются потоками.
В каждом из четырех потоков автоматической линии по фиг. VI, 252
для обработки цилиндровых блоков тракторных двигателей производится
чистовое растачивание подшипников коленчатого и распределительного
валов, протачивание замкового торца и контроль размеров.
1-я операция 2-я операция
Н----1---*4
Фиг. VI, 250. Схемы параллельной обработки нескольких больших деталей
в одном потоке
Каждый поток снабжен тремя штанговыми транспортерами: А — под-
водящим; В — подающим заготовки в потоке и С — выдающим. Потоки —
сблокированные линии туннельного типа. Транспортная система линии
работает следующим образом.
Если в позиции Зг имеется заготовка, на потоке 1 обработка закон-
чена, позиция выгрузки di свободна, то срабатывает транспортер Вх.
Если какой-либо из этих признаков отсутствует, а позиция 32 занята,
то заготовка на позиции Зг остается неподвижной.
Фиг. VI, 251. Схема параллельной обработки нескольких небольших заготовок
в одном потоке
Если при этом позиция 32 свободна, то срабатывает транспортер Аг
и на позицию 32 подается заготовка. По аналогичным признакам эта заго-
товка подается во второй поток, остается на месте или перемещается
транспортером Л2 к позиции З3.
Аналогично управляются третий и четвертый потоки. По соответствую-
щим признакам работают и выдающие транспортеры С19 С2 и С3.
В сблокированной линии из р параллельных потоков с независимой
друг от друга работой собственные простои элементов оборудования про-
исходят последовательно только в пределах каждого потока, т. е. в пре-
делах -i- части единиц оборудования. Поэтому полная потеря (сумма
собственных и его дополнительных потерь, равная сумме собственных
потерь элементов оборудования каждого отдельного потока) каждого
потока в р раз меньше, чем у однопоточной сблокированной линии. Так
РАЗДЕЛЕНИЕ ЛИНИЙ ДЛЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА СЕКЦИИ
507
как общие итоговые потери сблокированной линии Псл равны полной по-
тере (т. е. сумма собственных и дополнительных потерь) каждого ее эле-
мента, то потери при р параллельных потоков в р раз меньше, чем у одно-
поточной сблокированной линии с тем же оборудованием. Технический
коэффициент использования при делении на потоки увеличивается:
Пл = —i(VI, 97)
— 1 4- 21^
Р 1 2-
1 +
Фиг. VI, 252. Автоматическая линия из четырех потоков для обработки цилиндровых
блоков тракторных двигателей
Потери в подводящих и выдающих транспортерах (фиг. VI, 252) могут
быть учтены коэффициентом увеличения потерь с величиной порядка
1,01—1,02.
На многопоточных линиях возможны одновременные простои на не-
скольких потоках; поэтому во избежание простоев из-за ожидания налад-
чика число наладчиков должно быть больше, чем на однопоточной линии.
На линиях для обработки корпусных деталей переход от многопоточ-
ного участка к однопоточному (см. фиг. VI, 218, стр. 477) или от много-
поточного участка к многопоточному же, но с иным числом потоков, осу-
ществляется при помощи поперечного транспортера.
§ 4. РАЗДЕЛЕНИЕ ЛИНИЙ ДЛЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА СЕКЦИИ
Если вследствие сложности технологического процесса деталь обра-
батывается на большом числе последовательных позиций сблокированной
линии, то для уменьшения потерь и повышения технического коэффи-
циента ее использования сблокированная линия делится накопителями
заделов на последовательные секции. Накопители вводятся и при наличии
многопоточного участка у сблокированной автоматической линии.
Наиболее простые накопители заделов корпусных деталей выполняются
в виде площадок-складов, расположенных в стыке участков линии и обслу-
живаемых рабочими.
Автоматизированные накопители заделов корпусных деталей приме-
няются двух типов — проходные (транзитные) и тупиковые.
Проходные накопители характеризуются тем, что в них
детали транспортируются не только при простое одной из смежных
508 ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СТРУКТУРА АВТОМАТИЧЕСКИХ линий
секций, но и при их нормальной работе. Детали не застаиваются и не подвер-
гаются коррозии в таком накопителе, но неполадки накопителя вызывают
простои смежных с ним секций. Поэтому обычно в качестве проходного
накопителя корпусных деталей используется транспортер для передачи
заготовок из секции в секцию (фиг. VI, 253). Транспортер выполнен в виде
бесконечной цепи со свободно вращающимися роликами 1. При упоре
детали 2 в неподвижный упор 3 или в ранее поданную деталь ролики
прокатываются по ее нижней поверхности.
Тупиковый накопитель работает только при простое
одной из смежных с ним секций; поэтому его неполадки не вызывают
дополнительных простоев секций при их нормальной совместной работе
(фиг. VI, 254).
Секция 8 передает детали на позицию 6, соединенную с поперечным
транспортером 7, а также с транспортером 5, предназначенным для пере-
дачи деталей в тупиковый накопитель заделов и из него. Накопитель
выполнен в виде стеллажей с полозками, по которым детали переме-
щаются штангами с двумя рядами противоположно направленных собачек
(фиг. VI, 255). Переход от подачи заготовок в накопитель к выдаче их про-
изводится поворотом штанги на 180°. Наличие деталей на позициях 2
(фиг. VI, 254) и 6 контролируется конечными выключателями. Транспортер
секции 8 выдает деталь на позицию 6 лишь при условии, что на позиции 6
нет детали.
Транспортер секции 7 совершает ход вперед только в том случае, если
на позиции 6 есть заготовка (ее он забирает), а на позиции 2 она отсут-
ствует.
Транспортер секции 1 совершает ход вперед (по окончании цикла обра-
ботки на секции /), забирая деталь с позиции 2, лишь если на этой позиции
есть деталь.
РАЗДЕЛЕНИЕ ЛИНИИ ДЛЯ КОРПУСНЫ X ДЕТАЛЕЙ НА СЕКЦИИ
509
Эти условия соблюдаются при нормальной совместной работе секций.
При простое секции 8 позиции 6 и 2 свободны (и транспортеры 7 и секции 1
не работают), и если на первом транспортере 3 накопителя есть деталь (это
регистрируется конечным выключателем), то транспортер 3 выдает деталь,
транспортер 5 подает ее в позицию 6, и этим включаются транспортеры 7
и секции 1. Если начнет работать секция в, то выдача деталей из накопи-
теля прекращается. Если секция в не рабо-
тает, то израсходуется весь запас и оста-
новятся все транспортеры секций 8 и 1
и накопителя.
Если при нормальной работе с пози-
ции 2 деталь не забирается секцией 2
и в накопителе есть свободная емкость,
то с позиции 6 деталь забирается транс-
портером 5, и штанга накопителя начи-
нает работать в накопление до тех пор,
пока не начнет работать секция 1 или не
окажется израсходованной емкость накопи-
теля.
Схема автоматической линии с тупи-
ковым накопителем заделов приведена на
фиг. VI, 256. Линия спроектирована СКБ-1
для обработки блоков двигателей на 12
агрегатных станках — по три станка на
участках / и II и шесть станков на уча-
стке III. На каждом станке одновременно
обрабатываются по два блока в двухмест-
ном приспособлении. Линия разделена на
участки в местах установки поворотных
устройств.
Фиг. VI, 254. Схема тупикового
накопителя корпусных деталей
При прямолинейной компоновке линии
накопители заделов для кор-
пусных деталей, выполненные в виде реверсивных транспортеров, могут
располагаться параллельно * транспортной трассе линии (фиг. VI, 257).
В процессе работы линии запасы деталей в накопителях заделов колеб-
лются от нуля до максимальной величины. Чтобы эти запасы с течением
Фиг. VI, 255. Штанга транспортера накопителя
времени не истощались, средняя производительность секций (участков
линии между бункерами-накопителями) должна возрастать к началу обра-
ботки (фиг. VI, 258).
Деление линии на секции и выбор места расположения накопителей
заделов целесообразно производить так, чтобы длительность простоев
смежных секций по неполадкам и времени, необходимому на их устранение,
была одинакова. При ином делении суммарные потери линии будут равны
длительности простоев участка с максимальными потерями, а участки
с меньшими простоями вынуждены будут простаивать дополнительно.
510 ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СТРУКТУРА АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
Участок 1 Участок П
Участок III
Фиг. VI, 256. Автоматическая линия для обработки блоков двигателей:
1,2,3 — станки участка /; 4, 9, 25 — гидростанции; 5, 18 — поворотные барабаны; 6, 7, 11 — станки
участка I Г, 8, 22 — вытряхиватели стружки; 10, 24 — контрольные приспособления; 12 — пово-
ротный стол; 13—17 — транспортеры бункера; 19, 20, 21, 23, 26, 27 — станки участка ИГ, 28 —
общий пульт управления линией; 29, 30 — пульты управления участками //и III
I участок И участок
Фиг. VI, 257. Схема расположе-
ния накопителей заделов для
корпусных деталей параллельно
основной транспортной трассе
линии
Обозначения:
Фиг. VI, 258. Диаграмма изменения производительности секций автоматической
линии
РАЗДЕЛЕНИЕ ЛИНИЙ ДЛЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА СЕКЦИИ
511
При этом различие длительности простоев двух смежных секций до 30—
40% мало влияет на величину технического коэффициента использова-
ния т]Л автоматической линии [100 ]. Поэтому накопители заделов разме-
щают в местах технологических разрывов автоматических линий.
При делении сблокированной линии с итоговой длительностью простоев
за единицу времени работы Псл на т секций при (т — 1) бункерах с дли-
тельностью собственного простоя Пб за единицу времени, одинаковой
у каждого бункера, длителность Пл простоев разделенной линии за еди-
ницу времени равна:
пл = пся 1 + (^~1)-g + Пь(т - 1); (VI, 98)
здесь о — коэффициент наложения потерь, учитывающий увеличение
потерь каждой секции, вызванное простоем смежной секции при израсхо-
довании запаса бункера или его переполнении.
При этом предполагается, что сблокированная линия разделена на
участки с одинаковым количеством t/z неполадок, возникающих в единицу
времени, и с одинаковой удельной длительностью В£ простоя участка для
устранения неполадок за единицу времени. Такое деление является опти-
мальным в отношении общих потерь разделенной линии: как показали
исследования [14], в этом случае коэффициент наложения о определяется
из формулы
здесь t — средняя длительность действия каждого участка линии в мин\
zm — емкость бункера;
k = kL = ~ — величина, обратная средней длительности уст-
ранения одной неполадки в мин.
Из формулы (VI, 98) определяется коэффициент ji уменьшения потерь
при делении сблокированной линии на секции:
м — (т — 1)g । 1) (у] Ю0)
Псл т Псл
Определение экстремума из этого соотношения = 0^ дает сле-
дующее оптимальное число секций однопоточной линии по минимуму
общих потерь разделенной линии:
(VI, 101)
при = 90 и а = 0,3 из формулы (VI, 101) получается т — 8.
В настоящее время общая теория автоматических линий еще не вполне
разработана, и опыт их эксплуатации пока недостаточно обобщен. Имеются
также исследования, приводящие к заключению, что при данной сумме
емкостей накопителей потери системы тем меньше, чем больше число ее
секций и что поэтому для уменьшения потерь желательно вводить накопи-
тели заделов между каждыми двумя смежными станками, как это делается
в неавтоматизированных поточных линиях.
Уменьшение потерь — не единственный критерий для деления линии
на секции. Существенное значение имеет себестоимость накопителя.
Накопитель заделов вводится между двумя смежными станками, если это
512 ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И СТРУКТУРА АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
не связано с крупными затратами, и он включается в систему транспортиро-
вания или ориентации деталей (мелкие детали). Иногда накопители совсем
не применяются из-за больших затрат, вызванных их введением. Линии
со спутниками обычно не делятся на секции, так как это ведет к осложне-
ниям и значительно увеличивает количество спутников.
Емкость накопителей заделов возрастает со средней длительностью
простоя секции и, следовательно, со средней длительностью собственного
простоя элементов оборудования.
Теоретически рекомендуется [14] брать емкость бункера не меньше
десятикратного числа заготовок, накапливающихся (или расходуемых)
за время простоя средней длительности. На линиях для крупных корпус-
ных деталей при средних значениях длительности единичного собствен-
ного простоя 20—30 мин емкость накопителя принимается обычно в пре-
делах 30—120 мин.
ГЛАВА XIX
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ
Для фрезерования торцов заготовок и центрирования их применяются
не только двусторонние однопозиционные, но (при достаточно большой
программе) также и шестипозиционные фрезерно-центровальные станки
барабанного типа (станок мод. МР-78).
В последнее время предпочитают обтачивать валы на гидрокопиро-
вальных полуавтоматах типа МР-106 мод. 1712, 1722 и других, а не на мно-
горезцовых. Гидрокопировальные полуавтоматы имеют ряд преимуществ
перед многорезцовыми: продольное обтачивание производится одним рез-
цом, что снижает время на подналадку станка, уменьшает расход резцов,
дает возможность оснастить станок автоматическим подналадчиком; валы
обрабатываются с допуском 0,1—0,15 мм по диаметру вместо 0,3—0,4 мм
при обработке на многорезцовых станках.
Сливная стружка иногда большой длины при однорезцовой обработке
повышает требования к компоновке станка и его суппортов в отношении
отвода стружки и доступности зоны резания и транспортера стружки
для наблюдения и устранения неполадок в отводе стружки. Валы шли-
фуются на круглошлифовальных полуавтоматах и на бесцентрово-шлифо-
вальных станках.
Удобство фиксации вала в центрах и зажима самодействующими патро-
нами упрощает конструкцию зажимных устройств. Этому способствует
возможность точной ориентации на призмах при транспортировании.
В зависимости от компоновки станков (суппортных узлов станков то-
карной группы) применяются три основные системы транспортирования
обрабатываемых валов: верхняя, фронтальная и сквозная.
Верхняя система с вертикальной загрузкой детали (фиг. VI, 259) при-
меняется при горизонтальной компоновке станков токарной группы:
специальных полуавтоматов для обработки коленчатых валов, распреде-
лительных валов и других деталей, обрабатываемых с поперечной подачей
инструментов при отсутствии длинной сливной стружки.
Верхняя загрузка детали удобна для универсальных токарно-винто-
резных станков или их модификаций. Однако эти станки неудобны для
встраивания в автоматические линии для обработки валов, особенно при
применении копировальных суппортов, так как компоновка последних
не приспособлена к автоматическому отводу стружки из зоны резания.
Фронтальная система с горизонтальной загрузкой детали применяется
при вертикальных токарных полуавтоматах и горизонтальных с верти-
кальной или наклонной компоновкой суппортов.
Сквозная горизонтальная система транспортирования валов через
место зажима может применяться только при наклонной или вертикальной
компоновке суппортов полуавтоматов рамной конструкции (пример —
станки мод. 1712 и 1722).
17 Ачеркан. Зак. 659
514
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ
10
Ж
11
Фиг. VI, 259. Схема верхней заг-
рузки валов на многорезцовый
полуавтомат:
1—цепной транспортер с призмами:
4—гидроцилиндр для зажима кле-
щей 2 при захвате заготовки; 5 —
рельсы; 6 — цилиндр для опусканий
и подъема траверсы 3 с клещами 2; 7 — подъемник загрузки детали; 8 — подъемник для съем;
обработанной детали; 9—гидроцилиндр для перемещения транспортера 1 на один шаг; 11 —элект-
родвигатель редуктора для перемещения тележки 10 бесконечной цепью
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ'ОБРАБОТКИ ВАЛОВ
515
В начальной стадии построения автоматических линий для валов в СССР
линии отличались характерной особенностью: они имели общий штанговый
транспортер, толкающий валы вдоль общего желоба, в разрывы которого
заходят призмы-лотки питателей (фиг. VI, 260).
Питатели однозахватные (фиг. VI, 261) работают все одновременно при
следующем цикле: останов станка и ход питателя на съем обработанной
детали, разжим детали и захват ее питателем, перенос детали питателем
на линию желоба, захват питателем новой детали, перенос ее на линию
центров, зажим новой детали, пуск станка и отход питателя.
Фиг. VI, 260. Схема транспортной системы автомати-
ческой линии для валов электродвигателей:
/ — гидроцилиндр привода питателей; 2—общий вал при-
вода питателей; 3—захват питателя; 4—гидроцилиндр при-
вода штанги 7 транспортера; 5—роликовая опора штанги 7;
6 — собачки штанги 7, перемещающие валы по лотку 8 и
призмам захватов 3 питателей
При переносе обработанной детали со станка на транспортер, пере-
мещении деталей транспортером и подаче новой детали к месту за-
жима станок не работает. В этом недостаток такой транспортной
системы.
Накопителя заделов в линии нет, что вызывает излишние потери
времени при простоях от неполадок и при переналаживании линии.
При дальнейшем усовершенствовании линий этого типа были введены
двухзахватные питатели, что изменило схему работы транспортной сис-
темы (фиг. VI, 262) и питателей (фиг. VI, 263) и сократило время простоя
линии при съеме обработанной детали и загрузке новой.
В связи с применением двух захватов питателя, которые снимают де-
таль с желоба и вводят в желоб на различной высоте, у каждого станка
делается отдельный желоб с уклоном в сторону транспортирования дета-
лей (фиг. VI, 264).
Для уменьшения потерь времени при простоях из-за неполадок и для
переналаживания линии Э-200 на другую деталь, после группы токарных
станков МР-106 введен накопитель заделов Э-204 (фиг. VI, 264).
На линии Э-200 для обработки шлицевых (зубчатых) валов на четырех
круглошлифовальных станках мод. ЭВ153 и ЭШ153 установлены приборы
516
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ
Фиг. VI, 261. Однозахватный
питатель:
1 — корпус питателя; 2—вал при-
вода питателей; 3 — шестерня; 4—
рейка; 5—пружины, поддерживаю-
щие заготовку; 6 — призма-лоток
на конце рейки; 7 — рычаги с пру-
жинами 5
Фиг. VI, 262. Схема работы транспортной
системы при двухзахватном питателе:
/—штанга шагового транспортера; 2—собачка
штанги; 3 — наклонные лотки транспортера;
4 — обрабатываемые валы в лотках; 5—гидро-
цилиндр привода штанги; 6 — гидроцилнндр
захвата для съема детали; 7 — гидроцилиндр
захвата для загрузки детали; 8, 10 — призмы-
лотки захватов; 9 — центры станка
Фиг. VI, 263. Двухзахватный питатель
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ
Фиг. VI, 264. Общий вид транспортной системы линии Э-200:
ЗМ ___загрузочный магазин; СЧ — счетчик проходящих валов; Р — роликовая опора штанги; Л — логок; ШС—штанга с собачками; Э201—торцефрезерный
станок; Э202 — центровальный агрегатный станок; ПУ — поворотное устройство; ПР — привод штанги транспортера; РМ разгрузочный магазин
518
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ
активного контроля. На всех остальных станках производится наладчи-
ками выборочный контроль на измерительных приборах, установленных
рядом со станками.
На линии для валов-роторов после каждого из токарных полуавто-
матов 1712^ производится 100%-ный контроль на контрольных автома-
тах, подающих команду на подналадку резцов.
На линии Э-200 для обработки шлицевых валов (фиг. VI, 264) у токар-
ных гидрокопировальных полуавтоматов мод. МР-106 и шлицестрогаль-
ных станков МА-4В стружка удаляется за пределы станков шнековым
транспортером. У остальных станков стружку убирают наладчики-опера-
торы вручную один раз в конце смены.
Управление последовательностью всех операций цикла путевое. Если
какая-либо операция цикла не была выполнена, на центральном пульте
загорается сигнал о неисправности, и линия останавливается.
§ 1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ МР-107
Сквозное транспортирование вала через зону зажима применено
в автоматической линии МР-107 из двух токарных гидрокопировальных
станков, выполненных на базе станка мод. 1712. Станки установлены один
против другого для возможности обтачивания вала диаметром до 90 и дли-
ной до 380 мм с двух концов, без поворота заготовки.
Валы загружаются в цепной магазин емкостью на 30 мин работы линии.
Цепь магазина 1 вращается (фиг. VI, 265) от электродвигателя 10, пока
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ М Р-107
519
1 — шпиндель станка № 1; 2 и 6 — механизм поворота шаблонов; 3 — загрузочный механизм; 4 —
цепной магазин; 5 — копировальный суппорт; 7 и 12 — задние бабки; 8 — подрезной суппорт;
9 — перегружатель; 10 — шпиндель станка Ха 2; 12 — механизм выгрузки деталей
Фиг. VI, 267. Схема компоновки линии МР-107:
1 — цепной магазин; 2 — первый станок; 3—качающийся перегружатель; 4 — второй
станок; 5 — сборник обработанных деталей; 6 — сборник для стружки
520
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВАЛОВ
очередная заготовка не придет в исходное положение для ее захвата
загрузочным транспортером и не нажмет на конечный выключатель. Для
уменьшения длины и времени хода поворотных штанг 5 и 6, подающих заго-
товку из цепного магазина на линию центров станка, расстояние между
цепным магазином и осью станка разделено на три участка. На стыке
этих участков расположены две неподвижные призмы 3 и 4 для проме-
жуточного приема валов при их загрузке. Поворотные параллельные
штанги 5 и 6 загрузочного транспортера, поворачиваясь около осей 2 и 7
под действием гидроцилиндра 9, приподнимают очередную заготовку вала,
находящуюся в исходном положении на цепи магазина, а также заготовки,
лежащие на промежуточных призмах 5 и < и принимают обработанную
деталь из центров станка. Все эти валы захватываются призматическими
вырезами на штангах и перемещаются при ходе штанг вперед (под воздей-
ствием гидроцилиндра 8 через реечные передачи на оси 2 и 7, выполненные
как круглые рейки) на величину шага, равного расстоянию между проме-
жуточными призмами 3 и 4,
При этом обработанная деталь снимается со станка, а очередная заго-
товка подводится на линию центров, две заготовки располагаются над про-
межуточными призмами. Поворачиваясь, штанги опускаются, располагая
детали на промежуточных призмах, в центрах станка и в призмах пере-
гружателя с пружинными захватами (фиг. VI, 266), подающего деталь
в центры смежного станка.
Таким же загрузочным устройством, но работающим на съем детали,
снабжен смежный станок, с которого обработанные валы сходят в сбор-
ник. Съем обработанной детали и загрузка очередной заготовки занимают
9—10 сек,
В момент подачи заготовки загрузочными штангами на линию центров
станка пиноль задней бабки перемещается в среднее положение, центр
пиноли входит в центровое гнездо заготовки, не перемещая ее в осевом
направлении, во избежание поломки загрузочного транспортера при обра-
ботке детали сложного профиля. В этом положении пиноль фиксируется,
так как обе полости гидроцилиндра пиноли запираются золотниковым
устройством, находящимся на гидропанели.
Передний центр перемещается своим гидроцилиндром до упора в центро-
вое гнездо заготовки. Загрузочные штанги поворачиваются и отходят.
Пиноль перемещает заготовку до упора ее торца в базовый торец патрона,
преодолевая силу давления переднего центра, гидроцилиндр которого
имеет диаметр 65 мм, тогда как у гидроцилиндра пиноли диаметр равен
105 мм. Вал зажимается самозахватывающим центробежным патроном.
На призмах перегружателя установлены слаботочные контакты,
контролирующие наличие на нем детали. При ее отсутствии качания пере-
гружателя в сторону второго станка не произойдет, и пуск второго станка
не состоится. При вертикальном положении перегружателя (фиг. VI, 267)
станки доступны для обслуживания.
Между станками линии МР-107 нет накопителя заделов, что является
недостатком этой линии. При дальнейшем развитии линий со сквозным
транспортированием были применены также гидрокопировальные станки,
выполненные на базе мод. 1712 и 1722 в количестве до пяти в линии, с вер-
тикальными цепными магазинами для накопления заделов между ними
и фрезерно-центровальным станком мод. МР71, допускающим сквозное
транспортирование.
ГЛАВА XX
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ
ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Зубчатые колеса изготовляются как в условиях массового производства
на редко переналаживаемых автоматах, так и на предприятиях с серийным
производством зубчатых колес в большом количестве типов и размеров.
При серийном производстве линия строится для группы зубчатых
колес определенного типа в определенных пределах их размеров. Для
этой группы колес разрабатывается типовая технология для переналажи-
ваемой линии из переналаживаемых станков общего назначения или вы-
полненных на их базе.
При массовом производстве колес вследствие большой программы
выпуска линии строят обычно многопоточными, также из станков общего
назначения, имея в виду лучшую отработку их конструкции в результате
широкого применения, а также удобство переналаживания автоматиче-
ской линии при изменении программы.
Выбор транспортной системы автоматической линии для обработки
зубчатых колес зависит не только от размера колеса, но не в меньшей мере
и от программы выпуска.
При относительно небольшой программе на каждой операции требуется
по одному станку, за исключением зубофрезерных, которых может потре-
боваться два или три. Линия (может быть построена как однопоточная со
штанговым транспортером, приспособленным последовательно подавать
заготовки на зубофрезерные станки, пропуская станки, не окончившие
фрезерования зубьев (линия для одновенцовых колес). При большой про-
грамме выпуска колес линия бывает многопоточной, требующей распреде-
лительного транспортера для распределения заготовок по вызову любого
из параллельно работающих станков.
На линии фирмы Бюик (США) для массового изготовления мелких
зубчатых колес (диаметром 28 мм) применены лотковые транспортеры
с распределительными заслонками перед вибрационным бункером, уста-
новленным у каждого станка.
На участке зубодолбления 15 станков работают параллельно, осталь-
ные участки тоже многопоточные, что при наличии бункеров у станков
сильно повышает коэффициент использования линии.
Распределительные транспортеры иного типа (вследствие больших раз-
меров зубчатых колес) применены на многопоточной линии для изготовле-
ния больших конических ведомых колес заднего моста грузовых автомо-
билей.
Для транспортирования и распределения конических колес по пяти
параллельно работающим вертикальным восьмишпиндельным токарным
полуавтоматам применен продольный цепной замкнутый тележечный
522
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
распределительный конвейер непрерывного действия, в ячейках которого
размещены колеса. Схема подачи заготовок в горизонтальный приемный
лоток станка показана на
фиг. VI, 268.
При отсутствии в прием-
ном лотке 1 заготовки колеса
упор 2, расположенный на
конвейере перед станком, под-
нимается электромагнитным
Фиг. VI, 268. Схема выдачи заготовок из ячеек транспортера на приемный
лоток станка
устройством. При движении ячейки 4 транспортера рычаг 5, упираясь
в неподвижный упор, отклоняется и выталкивает заготовку в приемный
лоток 1 станка, после чего упор 2 опускается под действием электромаг-
нита, и последующие заготовки проходят мимо станка.
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
ОДНОВЕНЦОВЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Описанная ниже линия построена в 1958 г. заводом «Станкоконструк-
ция» по проекту ЭНИМСа для завода «Красный пролетарий». Линия пред-
назначена для обработки с переналадкой десяти типов одновенцовых ци-
линдрических зубчатых колес 2-го класса точности с наружным диаметром
от 88 до 220 мм, с модулем от 1,75 до 4 мм к станку мод. 1К62; годовая
программа — 120 000 шт/год при величине партии 1000 шт. (фиг. VI, 269).
Работа линии по обработке колес одного наименования запланирована
в течение пяти-шести рабочих смен. Переналадка линии при трех наладчи-
ках занимает 4,5 ч.
Технологический процесс обработки штампованных заготовок с про-
шитыми отверстиями приведен на фиг. VI, 270. Промежуточный контроль
зубчатых колес производится наладчиками на приборах вне линии.
Линия скомпонована из однопозиционных станков вертикального типа
общего назначения (это дает возможность выверить конструкцию станков
в различных условиях эксплуатации и вследствие этого повысить их на-
дежность), нового типа (это может быть и не целесообразно, если достаточ-
ной выверки конструкции в эксплуатации не было). Для всех операций
обработки достаточно по одному станку, за исключением зубофрезерова-
ния, для которого, как видно из циклограммы работы линии (фиг. VI, 271),
требуется два станка.
Линия — прямолинейной компоновки (см. фиг. VI, 269) с фронтальным
транспортированием деталей одним общим штанговым транспортером,
хотя линия и разделена на две секции накопителем заделов, введенным
после чистового обтачивания детали. С штангового транспортера детали
подаются на станки поперечными перегружателями.
ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
523
При ходе штанги, равном 900 мм, висящие на ней собачки перемещают
заготовки на различные длины — от 300 до 790 мм. По длине транспор-
тера установлены копиры, которые поднимают висящие собачки для
пропуска заготовок. Для деления потока около зубофрезерных станков
заготовки перемещаются на двойной шаг.
Фиг. VI, 269. Автоматическая линия для обработки одновенцовых зубчатых колес:
а — общий вид линии; б — схема операций обработки
Токарная обработка, станок А
Токарная обработщстанок 6
Зубошевингование, станок Ж
Шевер
Зубофрезирование
станки Д1и Д2
Агрегат 6,
метопе рационный запас
в автоматическом бункере
Фиг. VI, 270. Технология обработки одновенцового зубчатого колеса
524 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Время в секундах Время 6 секундцх
2 U 6 8 10 # /4 0 2 0 6 8 10*12 /4
UXOftUQ _
QOX
'НУХЭЯйП —
QOX
HdlQOU
QOX ~~
HVWfiUQ —
паатит атш
gmoHwowfidaadau
- wowfidaadau щлш
gad aug luoMfidг odd и
' mowfidzdddu Minis
- ""(OOL+Oty,
ndauidouoHnduj
- ‘шпМгаОаи ipinr
_ дпспн mnnifidaad
мд нэк n teadauHuou
gadaug unwfidaad
-изэдэ nadnuim
3U QOX
ндчдоц
du дох
тшичигт дпнояэпир
дпсон Kifauin)Kfid2adau~gox
— wauiDXfidzadau tdunis apHpxo fiL^
‘ ~gddaug машпжййгаЗмдох
-----wauinxfidaadau-iqunis 'ющщ------------
HH(QOl+OM)Ddauidou3HDdiu дох
WduwwfTdzddau nuvy anHUxaduQT —
дугой uu’duJiM<fid2dddu gox ________
uiag Нэю n wMaadau iqunis нэцоП
gadaug mLunMndzaddir gox —
оитшар з пдйкшт начдод
Линия загружается пр г
помощи автоматической:
манипулятора (фиг. VI.
272), снимающего заготов-
ку с штыря поворотногс
магазина (фиг. VI, 273) и
подающего заготовку на
транспортер линии. Раз-
гружается линия также
манипулятором, подающи?:
обработанное колесо с
транспортера линии на
штырь поворотного мага-
зина. Самозахватывающш
патрон 4 манипулятора
(фиг. VI, 272) перемещается
вертикально с кронштей-
ном 6 по колонне 5 цеп-
ной передачей с приводов
от электродвигателя 1 че-
рез червячную передачу,
трензель с коническим!
колесами и перегрузочнук
муфту 3.
Пружинный патрон 4.
упираясь в деталь при дви-
жении, сверху вниз, при
нечетных нажимах схва-
тывает деталь со штыря
магазина (при загрузке),
а при четных отпускает
ее на транспортер (при за-
грузке). При нажиме пат-
рона срабатывает перегру-
зочная муфта 5, патрон
останавливается, затем
срабатывает трензель, уп-
равляемый кулачковым,
барабаном 2. Кронштейн
с патроном поднимается,
пока не дойдет до ограни-
чителя подъема. Тогда
срабатывает перегрузоч-
ная муфта 5, трензель ре-
версирует движение, и
цикл продолжается. Ку-
лачковый барабан 2 через
рычажную передачу пово-
рачивает колонну 5 с крон-
штейном 6, и патрон начи-
нает опускать деталь, пока
она не упрется в транспор-
тер или в поддон или а
для ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
525
526
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
обработанные колеса на штыре магазина при разгрузке. Тогда патрон
освободит деталь и начнет подниматься. Когда патрон поднимется, колонна
повернется в исходное положение.
ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
527
Когда один из штырей магазина опорожнится или заполнится (при
разгрузке линии), оператор освобождает фиксатор поддона магазина 7
нажимом педали и поворотом поддона подводит очередной штырь.
Поперечный перегружатель, подавая деталь с транспортера на станок,
перемещает ее в поперечном горизонтальном направлении, а также и в вер-
тикальном. Поперечный перегружатель (фиг. VI, 274, а и б) используется
на всех позициях и получает поперечное перемещение от вала /, проходя-
щего вдоль всей линии, через зубчатые колеса 2, ведущие рейки 3 и связан-
ные с ними осями 8 лапы 9 перегружателей. При продольном переме-
щении тяги 4 поворачивают рычаги 5 и сектор 6 и через реечные зацепле-
ния перемещают круглые рейки-толкатели 7, поднимающие лапы 9 и за-
хваты 10, поворачивая их около осей 8. У станков, где зубчатые колеса
обрабатываются на шлицевых оправках, применяются специальные меха-
низмы для автоматиче-
ской установки зубчато-
го колеса на шлицевую
оправку и механизмы
для съема обработан-
ных колес с оправок.
9
900
7Я
ный перегружатель:
б—продольный вид и разрез
ГЛАВА XXI
РОТОРНЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ
§ 1. УСТРОЙСТВО И ОСОБЕННОСТИ РОТОРНЫХ линий
Роторные линии состоят из роторных станков и загрузочных и транс-
портных роторов (фиг. VI, 275), находящихся в непрерывном вращении.
Транспортирование детали от станка к станку, загрузка и съем произво-
дятся загрузочными и транспортными роторами. На каждой позиции ротор-
ного станка работа производится по одному циклу параллельно, но со сдви-
Фиг. VI, 275. Схема роторной линии:
1—подводящий лоток; 2—транспортный ротор; 3—отводящий лоток; 4—рабочий ротор
гом фаз цикла. Темп роторной линии и ее производительность опреде-
ляются количеством позиций роторных станков и скоростью вращения
их роторов.
Особенности роторных линий, отличающие их от других автомати-
ческих линий, состоят в следующем:
1. Производительность роторных линий не зависит непосредственно
от длительности операций, так как для увеличения производительности
достаточно увеличить число позиций роторных станков.
2. Возможность обеспечить одинаковую производительность всех
роторных станков линии при различной длительности отдельных операций.
3. При параллельной работе (со сдвигом фаз) и нескольких позициях
каждого роторного станка мы имеем одну общую транспортную трассу,
а не несколько параллельных линий. Это ведет к интенсивности
использования транспортных средств — транспортных роторов и роторов
станков.
Благодаря возможности получать одинаковую производительность
роторов за счет соответствующего выбора числа шпинделей удается объе-
динять в одну линию такие операции, объединение которых на базе ста-
УСТРОЙСТВО И ОСОБЕННОСТИ РОТОРНЫХ ЛИНИЙ
529
ционарных машин практически нецелесообразно. Например, при обра-
ботке детали типа небольшого шпинделя производится сверление, развер-
тывание и закалка. Пусть сверление и развертывание занимают по 10лшн,
Фиг. VI, 276. Схема совмещения сверления, развертывания и закалки
в одной роторной линии
а закалка 2 мин. Объединение пяти стационарных станков для сверления
и пяти станков для развертывания с одной закалочной установкой потре-
бовало бы сложного транспортного устройства. Два ротора по 20 шпинде-
лей для сверления и развертывания и
один четырехшпиндельныи ротор для
закалки при двух транспортных роторах
составляют роторную линию с произво-
дительностью 120 tum/ч (фиг. VI, 276).
Рабочий ротор состоит из группы
рабочих инструментальных блоков 8
(фиг. VI, 277), расположенных по окруж-
ности на общем валу и совершающих
непрерывное вращательное движение,
во время которого каждый инструмент
получает от верхнего 4 и нижнего 10
ползунов возвратно-поступательное дви-
жение по закону, заданному профилем
верхнего 5 и нижнего 11 неподвижных
кулачков. Загрузка и съем деталей осу-
ществляются транспортными роторами
12 и 13, которые оснащены захватами 7
и 9, Транспортные роторы 12 и 13 кине-
матически связаны с валом 6 рабочего
ротора через зубчатые колеса 1, 2 и 3,
Компоновка рабочего ротора в основ-
ном ориентирована на применение в ра-
бочих инструментальных блоках цент-
ровых инструментов, работающих по
простым (т. е. без поперечных движе-
ний) линейным циклам. Это ограничи-
вает применение роторных станков при
обработке деталей резанием.
Фиг. VI, 277. Схема роторного станка
530
РОТОРНЫЕ АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ
Роторные линии относятся к сблокированному типу линий. Неполадка
одного элемента вызывает простой всей линии. В роторных линиях высо-
кая производительность может быть достигнута при невысоких скоростях
резания и высокой стойкости инструментов, что сокращает простои для
смены и подналадки инструментов.
В роторные линии могут быть встроены устройства для автомати-
ческого контроля и автоматической смены инструментов. При механи-
ческом приводе подач транспортное движение рабочего ротора совмещается
с приводом подач рабочих органов от неподвижных кулачков. Это упро-
щает привод транспортного движения и привод подач и управление циклом
их движений и значительно повышает надежность роторных линий по
сравнению со стационарными сблокированными линиями.
§ 2. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ РОТОРНОЙ линии
Производительность роторной линии
Qp = иип/мин\ (VI, 102)
здесь М — число шпинделей на станке роторного или стационарного
типа; время изготовления одной детали в мин
Фиг. VI, 278. Схема
расположения рабочих
шпинделей в роторном
станке
t = tm -b (VI, 103)
где tm — основное технологическое время в мин\
te— вспомогательное время в мин.
Число оборотов ротора
(VI, 104)
1т “Г 1в
Производительность линии стационарного типа
Qc =-т—'У шт/мин, (VI, 105)
чи т *вс
а линии роторного типа
Qp — . .— turn!мин. (VI, 106)
ЧП ~Г *вр
Так как каждый шпиндель, проходя зону выгрузки, выдает одну деталь,
то производительность равна числу прохождений шпинделей через эту
зону в единицу времени, т. е.
Qp = turn! мин, (VI, 107)
где vmp— окружная скорость центров рабочих шпинделей;
vmp = nDn м!мин\ (VI, 108)
h — дуга окружности между осями шпинделей в м (фиг. VI, 278).
Разгрузка и загрузка детали совершаются за время tep мин при пово-
роте рабочего ротора на
Соответственно
детали совершаются за время tep
угол w°.
$вр * °* __ t,
tm 360 — (О — р
(VI, 109)
или
kptnv
(VI, 110)
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ РОТОРНОЙ линии
531
Подставляя в формулу (VI, 106), получаем
Q______________________________М
(1 + М tm •
(VI, 111)
Сопоставление кривых Qc и Qp в зависимости от основного технологи-
ческого времени tm приведено на фиг. VI, 279.
С увеличением tm производительность Qp снижается сильнее, чем
так как tep зависит от tm, тогда как /всот tm не зависит. Из равенства Qc =
= Qp следует t'm = . При tm < tm теоретически Qp> Qc.
Первый транспортный ротор
необходимо загрузить М дета-
лями за время tp — tm 4- tep-,
поэтому
tP>Mt3P, (VI, 112)
где tap — время загрузки одной
детали. Это ограничивает мини-
мальное значение tm некоторой
величиной t"m (см. фиг. VI, 279).
Теоретически при технологи-
ческом времени tm за преде-
лами Ст и t'm производитель-
ность роторных линий ниже,
чем линий стационарных. Об-
ласть применения роторных
линий—обработка деталей с не-
большой длительностью tm ос-
Фиг. VI, 279. Сравнение производительности
стационарной и роторной автоматических линий
новного технологического цик-
ла, а если учесть параллельную работу (со сдвигом фаз) М шпин-
делей на рабочем роторе, то такт выпуска продукции роторной линии
должен быть в несколько раз меньше времени обработки, т. е. очень
коротким. Это возможно при массовой обработке простых мелких
деталей, если требования в отношении точности допускают операционный
процесс с несколькими перезакреплениями детали.
Роторные линии нашли применение в первую очередь для массового
изготовления небольших деталей с несложной технологией обработки.
I.
ГЛАВА ХХП
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
Большинство агрегатов и механизмов автоматической линии снабжены
отдельными приводами и представляют собой самодействующие узлы или
комплексы узлов каждый со своей системой управления обычно с путевым
контролем, обеспечивающей их частный автоматический или полуавтома-
тический рабочий цикл.
При встраивании в автоматическую линию автоматический цикл
обработки на станке должен быть увязан с циклом работы транспортной
и загрузочной системы. Это вызывает необходимость введения в систему
управления команд на включение станков от транспортной системы по
окончании цикла транспортирования и зажима, а также команд на вклю-
чение транспортной системы по окончании цикла обработки.
Наряду с этим для автоматического действия линии служит комплекс-
ная система автоматического управления, включающая в себя:
1) систему управления последовательностью действия агрегатов линии;
2) систему блокировки, обеспечивающую безаварийную работу
линии;
3) систему регулирования при подналадке станков и инструментов
для получения стабильных размеров детали;
4) систему контроля размеров детали;
5) систему наладочного управления агрегатами* и инструментами;
6) систему сигнализации, облегчающую обслуживание линии, отыска-
ние неполадок, учет моментов смены и подналадки инструментов.
Система управления автоматической линии должна обеспечивать два,
а иногда три режима работы:
1. Рабочий автоматический цикл, постоянно повторяющийся.
2. Полуавтоматический цикл работы, при котором системой управле-
ния обеспечивается автоматическая работа только в пределах одного
цикла; при подаче детали на загрузочную позицию рабочий каждый раз
должен нажать кнопку предварительного пуска. Полуавтоматический ре-
жим применяется в очень сложных автоматических линиях.
3. Наладочный цикл, обеспечивающий индивидуальный пуск пол-
ный цикл и остановку отдельных рабочих агрегатов линии; для этого пре-
дусматриваются наладочные пакетные выключатели, при помощи которых
при наладке из работы выключаются любые агрегаты или группы
агрегатов.
В комплексной системе управления автоматической линией согласова-
ние работы независимых секций и участков линии производится всегда при
помощи электрической сети управления.
Согласование работы отдельных агрегатов ^участка линии в общем авто-
матическом цикле осуществляется преимущественно комбинированными
УПРАВЛЕНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ АГРЕГАТОВ
533
средствами управления — электромеханическими, электрогидравличе-
скими и электропневматическими.
Внутренние связи управления автоматическим циклом отдельных
агрегатов в зависимости от исполнительных механизмов их рабочих орга-
нов выполняются различно. Они бывают комбинированными, механи-
ческими, гидравлическими и пневматическими. Путевой контроль исклю-
чает возможность развертки частных циклов отдельных рабочих органов
агрегата в пространстве. Включение отдельных агрегатов участка линии
предпочитают делать от электрической сети управления, роль которой
как средства цикловой связи между агрегатами возрастает по мере услож-
нения участка линии.
§ I. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬЮ ДЕЙСТВИЯ
АГРЕГАТОВ ЛИНИИ
Для обеспечения последовательности действия агрегатов линии при-
меняют централизованные, децентрализованные и смешанные системы
управления.
Выбор системы управления зависит от назначения линии, ее компо-
новки, размеров, длительности цикла, а главным образом от состава обо-
рудования.
В частных случаях работа отдельных агрегатов может быть с успехом
скоординирована введением простых механических связей между ними
(см. фиг. VI, 222, стр. 479), что повышает коэффициент использования
линии. Вообще же система управления последовательностью действия обо-
рудования линии должна быть согласована с типом привода агрегатов,
их внутренних цикловых связей и системой управления их частными авто-
матическими циклами.
В агрегатах автоматических линий наибольшее распространение
получили приводы с нецикловыми исполнительными механизмами —
гидравлические, пневматические и механические приводы с парами винт —
гайка, реечные и цепные передачи; частные циклы рабочих органов с не-
цикловыми исполнительными механизмами управляются системами с путе-
вым контролем. Поэтому для управления последовательностью действия
агрегатов автоматических линий получили широкое применение системы
управления с путевым контролем.
Путевой контроль в системах управления частными циклами рабочих
органов отдельных агрегатов дает возможность, не опасаясь разверки
циклов в пространстве, централизованно управлять последовательностью
действия агрегатов линии сигналами от непрерывно и равномерно вращаю-
щегося вала командоаппарата. Однако вследствие нежесткой кинемати-
ческой характеристики гидравлического привода, широко применяемого
в автоматических линиях, командные сигналы должны подаваться по мак-
симально возможной длительности частных циклов, что вызывает допол-
нительные внутрицикловые потери.
Командоаппарат состоит из одного или нескольких дисков, несущих
щетки, которые замыкают контакты или кулачки, переключающие распо-
ложенные вокруг дисков электрические путевые переключатели или гид-
равлические или пневматические золотники.
Такие системы управления чередованием фаз цикла применены во
многих линиях. Децентрализованные системы управления с сигналами
по пути от датчиков различных видов получили широкое распространение
вследствие большой гибкости и простоты управления. При исправной
работе они исключают возможность аварийных включений. Вместе с тем
534
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
эти системы имеют и недостатки. Датчики для подачи командных сигналов
приходится нередко располагать в рабочей зоне станков и других агрега-
тов, где они подвергаются воздействию паров смазывающей и охлаждающей
жидкостей и металлической пыли, что может вызывать неполадки
и подачу неправильных команд при закорачивании цепей .и вызывать
аварии.
Недостаток децентрализованной системы управления — большое коли-
чество электроаппаратуры, что увеличивает простои по неполадкам в си-
стеме управления.
Более совершенны централизованные системы управления с путевым
контролем. Вал командоаппарата поворачивается периодически от сигна-
лов датчиков, контролирующих выполнение предшествующих команд
по пути перемещения рабочих органов, сопротивлению перемещению,
скорости перемещений и другим показателям.
Вал командоаппарата, несущий диски с командными кулачками, пово-
рачивается на угол между последовательно расположенными кулачками,
переключающими схему управления на выполнение последующих фаз
работы агрегатов линии. За цикл работы линии вал командоаппарата
делает один оборот.
Такая система управления обладает большой гибкостью. Она дает
возможность устанавливать длительность выполнения каждой фазы по фак-
тически необходимому времени независимо от длительности других фаз,
а также контролировать исполнение различных фаз цикла, причем не
только по косвенным, но и прямым показателям изменения размеров
и формы обрабатываемого изделия.
В этом преимущество этой системы перед централизованной системой
управления с подачей командных сигналов от равномерно вращающегося
вала командоаппарата через определенные промежутки времени.
По сравнению с децентрализованной системой командоаппарат с перио-
дическим поворотом вала, являясь сам блокирующим устройством, позво-
ляет обходиться значительно меньшим количеством блокировок.
Переход на наладочный режим упрощается. При наладке поворот
вала командоаппарата в новую позицию производится нажатием кнопки
управления.
При этой системе управления, как и при децентрализованной системе
с путевым контролем, время срабатывания системы управления не совме-
щается с временем выполнения команд; это ведет к дополнительным поте-
рям времени на работу системы управления.
§ 2. СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬЮ ФАЗ РАБОТЫ ЛИНИИ
Управление частными автоматическими циклами станков и других
агрегатов автоматических линий производится средствами электро-,
гидро- и пневмоавтоматики. Подача команд для координации работы стан-
ков и других агрегатов в общем автоматическом цикле линии и контроль
выполнения этих команд производятся обычно средствами электроавтома-
тики, а гидро- и пневмоавтоматика используются для исполнения
команд.
Командный импульс создается датчиком сигналов, усиливается или
передается дальше с замедлением на некоторый промежуток времени
в преобразователе сигналов и реализуется в исполнителе — приводном
механизме, осуществляющем данный прием управления. Кроме устройств
этих трех видов, к средствам управления относятся командоаппараты.
УПРАВЛЕНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ФАЗ РАБОТЫ ЛИНИИ
535
В зависимости от возникновения сигналов различают датчики путевые,
размерные, силовые, мощностные, скоростные. Наибольшее применение
в автоматических линиях получили путевые датчики — путевые переклю-
чатели и конечные выключатели, сигнализирующие о выполнении опре-
деленного перемещения. Датчики остальных типов, упомянутые выше,
применяются для управления частными автоматическими циклами рабочих
органов станков.
Простые переключатели широко применяются при скоростях переме-
щения свыше 0,4 м/мин. При меньших скоростях нашли применение мо-
ментные переключатели, в большинстве случаев — двухпозиционные. Путе-
вые переключатели нередко засоряются металлической пылью, маслом
и охлаждающей жидкостью, так как их приходится устанавливать около
рабочих зон агрегатов линии. Это снижает их надежность — они иногда
не срабатывают или закорачиваются. Поэтому в последнее время начинают
применять бесконтактные переключатели, отличающиеся высокой точ-
ностью срабатывания, большой надежностью работы при очень широком
диапазоне скоростей движения командного кулачка (упора) и практически
неограниченным сроком службы.
Для преобразования командных импульсов датчиков сигналов служат
промежуточные реле и реле времени.
Промежуточные реле применяются для усиления импульса сигнала
включением цепи питания током более высокого напряжения. Они исполь-
зуются в дополнение к путевому переключателю, когда в нем не хватает
контактов для подачи сигналов.
Для замедления подачи команд наибольшее распространение получили
пневматические реле времени.
В качестве исполнительных электрических средств управления при-
водами агрегатов линии применяются асинхронные короткозамкнутые
электродвигатели, нередко с встроенными тормозами, электромагнитные
муфты, электромагниты для перемещения золотников.
Схема устройства командоаппарата с периодическими фазовыми пово-
ротами вала от сигналов исполнения предыдущих команд показана на
фиг. VI, 280.
На валу 5 командоаппарата закреплены кулачки 6, передвигающие
рычажными передачами 9 золотники 8 управления гидросистемой линии
и обеспечивающие последовательное выполнение всех фаз цикла работы
линии за один оборот вала командоаппарата. На валу 5 закреплен изоли-
рованный от него ползунок 2 коммутатора с диском 1. Вал 5 поворачивается
храповиком 10 при качании на валу сектора 3 с собачкой 4. Шток-рейка 16,
качающая сектор 3, несет упор-скобу 12, замыкающую конечный выклю-
чатель 11 при ходе вверх и размыкающую его при ходе вниз.
На диске 1 расположены контакты 18, к каждому из которых присоеди-
нено по одной ветви цепей питания путевых переключателей с нормально
разомкнутыми контактами. Вторая общая ветвь этих цепей присоединена
к диску коммутатора через электромагнит 15 золотника 14, конечный вы-
ключатель 11 и щетку 17. При установке ползуна коммутатора на какой-
либо из контактов 18 ток в электромагните 15 отсутствует, пока не будет
замкнут очередной по циклу работы путевой переключатель, контроли-
рующий исполнение предыдущей команды. При открытых контактах пере-
ключателей шток-рейка 16 находится в верхнем положении, а контакты
выключателя И замкнуты.
При исполнении предыдущей команды срабатывает соответствующий
переключатель, его контакты замыкаются, на электромагнит 15 подается
536
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
ток, золотник 14 передвигается в нижнее положение, поток рабочей жид-
кости подается в верхнюю штоковую полость гидроцилиндра 13, шток-
рейка 16 идет вниз и взводит собачку 4 на поворот храповика 10.
В конечном нижнем положении штока-рейки 16 скоба 12 размыкает
контакты выключателя 11, электромагнит 15 обесточивается, золотник 14
возвращается в верхнее положение, и рабочая жид-
храповой механизм поворачивает вал 5 на определенный угол. Положение
вала 5 в конце поворота индексируется звездочкой 7.
При повороте вала 5 кулачок 6 через рычажную передачу 9 передви-
нет золотник 8 управления гидросистемой линии в положение, соответст-
вующее очередной команде, а ползунок 2 коммутатора устанавливается
на следующий из контактов 18, подготовляя очередную команду. Хотя
выключатель 11 при верхнем положении скобы 12 замкнут, электромаг-
нит 15 остается обесточенным, пока не будет замкнут путевой переключа-
тель, контролирующий исполнение следующей команды; после этого цикл
работы командоаппарата повторяется.
§ 3. БЛОКИРОВАНИЕ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМИ
ЛИНИЯМИ
Система блокирования отключает или не дает возможности включать
в работу те агрегаты линии, на которых имеются неполадки, и таким обра-
зом она обеспечивает безаварийную работу оборудования, приспособлений
и инструментов линии.
БЛОКИРОВАНИЕ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ
537
Блокирование обычно применяется для проверки правильности уста-
новки деталей в приспособлениях, исправности режущих инструментов,
работы систем смазки, охлаждения
и отвода стружки.
Фиг. VI, 281. Предварительный конт-
роль положения блока цилиндров перед
фиксацией:
1 — блок цилиндров; 2 — отверстия под
фиксирующие штифты; 3—блокировочный
переключатель
Фиг. VI, 282. Контроль правиль-
ности базирования блока пневмо-
датчиком:
1 — блок цилиндров; 2 — каналы под-
вода воздуха к базовым плоскостям;
3 — стружка, попавшая под базовую
плоскость; 4 — подвод воздуха из сети
к пневматическому датчику
Правильное положение корпусной детали на рабочих позициях линии
определяется ориентирующими, базирующими и зажимными элементами
приспособления. При неправильной подаче детали в приспособление фик-
Фиг. VI, 283. Схема контрольной позиции для проверки глубины сверления
отверстий:
1 — направляющие; 2 — деталь, 3 — фиксирующий штифт; 4 — стержень, несущий щуп;
5 — рычаг; 6 — выключатель; 7 — гидроцилиндр
сирующие штифты могут войти не в отверстия корпусной детали, а в ее
внутреннюю полость, и в конце их пути система управления последователь-
ностью фаз работы агрегатов линии даст команду на зажим корпусной
детали в неправильном положении.
Для исключения возможности аварии применяют дополнительный кон-
троль положения корпусной детали перед ее фиксацией при помощи
538
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
электрического путевого блокировочного переключателя (фиг.VI, 281). Для
этой же цели применяется контроль установки корпусной детали пневмо-
датчиком по давлению воздуха в щели между базовой плоскостью детали
и установочной поверхностью приспособления (фиг. VI, 282). При непра-
вильной установке детали не все отверстия будут перекрыты, и пневмо-
датчик подаст команду на остановку работы линии.
Во избежание поломки метчиков между позициями сверления отвер-
стий и нарезания резьбы иногда вводится контрольно-блокировочное
устройство, проверяющее наличие отверстий и глубину их под резьбу
(фиг. VI, 283). Глубина отверстий контролируется введением в них щупов,
на 1—2 мм меньших по диаметру проверяемого отверстия и установленных
на контролируемые глубины сверления. Если отверстие недосверлено или
в нем остался обломок сверла, то щуп отходит назад, это смещение регист-
рируется микропереключателем, соответствующая часть линии останавли-
вается, и световой сигнал указывает, в какой группе инструментов про-
изошла поломка. Для предотвращения поломок метчиков контроль глу-
бины горизонтально расположенных отверстий совмещают с выдуванием
из них стружки; для этого в щупах делают каналы, к которым подводится
сжатый воздух. Применение приспособления см. на фиг. VI, 218 (пози-
ция 12).
РАЗДЕЛ VII
ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
ГЛАВА I
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ СТАНКОВ
В процессе создания станка новой конструкции и после изготовления
серийного станка, а также после ремонта, перед пуском станка в эксплуа-
тацию, проводятся разные по целям и объему экспериментальные иссле-
дования, испытания и проверки станка и его отдельных частей.
Требования, предъявляемые к точности современного станка, его произ-
водительности, надежности, автоматизации управления, делают очень
широким и разносторонним круг испытаний и исследований станков,
в особенности опытных образцов и прототипов.
Основными видами испытаний станков в СССР являются приемочные
испытания серийных станков и испытания опытных образцов новых моде-
лей станков.
мИЛомимо испытаний в лабораторных условиях, проводят более глубокие
и разнообразные исследования как самих станков, так и отдельных их
узлов и механизмов. Такие исследования часто проводятся на специаль-
ных стендах, имитирующих работу того или иного механизма станка
в разнообразных эксплуатационных условиях и оснащенных соответствую-
щей измерительной аппаратурой. Параллельно с экспериментами все
чаще в настоящее время ведутся теоретические исследования с использо-
ванием электронно-вычислительных машин и моделирующих установок.
Приемочные испытания завершают процесс проектирования и изго-
товления серийного станка. Эти испытания проще испытаний других
видов (см. ниже), и их проводят обычно контролеры ОТ К завода в цехо-
вых условиях с целью проверки работоспособности и соответствия станка
техническим условиям.
В соответствии с существующими техническими условиями приемочные
испытания включают предварительное опробование станка и испытание
станка на холостом ходу; испытание станка в работе под нагрузкой;
проверку станка на соответствие нормам точности; испытание на жесткость
и на виброустойчивость при резании.
Эти испытания, занимая мало времени и не требуя сложной аппара-
туры, дают, как правило, общее представление о качестве станка. Поэтому
на заводе-изготовителе, а также после капитальных и средних ремонтов
проводят обязательно приемочные испытания. Для этого станок устанав-
ливают на специальном фундаменте. При помощи регулировочных клиньев
или башмаков, располагаемых так же, как перед эксплуатацией, станок
выверяют по уровню в продольном и поперечном направлениях. Фунда-
ментные болты не затягивают. После опробования станка включением
различных механизмов и установления возможности его безаварийной
работы приступают к испытаниям на холостом ходу. Эти испытания начи-
нают с последовательного изменения скорости привода главного движения
540
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ СТАНКОВ
станка от минимальной до максимальной. На наибольшей скорости
станок должен работать до достижения установившейся температуры
в шпиндельных подшипниках. При этом температура опор шпинделя не
должна превышать 85° С для подшипников качения и 70° С для подшип-
ников скольжения. В других механизмах температура подшипников не
должна превышать 50° С. Одновременно проверяют работу механизма
подач на низших, средних и высоких рабочих подачах, а также при бы-
стрых перемещениях. Проверяют работу автоматических устройств, упо-
ров и делительных механизмов; мертвый ход подающих винтов ручного
управления; работу механизмов зажима заготовки и инструмента; работу
систем смазки и охлаждения; работу систем электро- и гидрооборудования;
надежность защитных устройств и величины сил на органах ручного
управления. На всех скоростях главного движения при этих испытаниях
измеряется мощность холостого хода Nx. х (об измерении Nx. хсм. стр. 601).
За испытанием на холостом ходу следуют испытания под нагрузкой.
При этом образцы обрабатывают на режимах, обеспечивающих достижение
наибольшей допустимой нагрузки и — кратковременно — при перегрузке
на 25%, применяя современный, прогрессивный инструмент. При испыта-
ниях под нагрузкой проверяют работу всех механизмов и систем станка,
работу муфт и тормозов, надежность действия предохранительных уст-
ройств, ведут наблюдение за мощностью Nc, потребляемой электродвига-
телем (см. стр. 601). Оценку результатов испытания производят по внеш-
нему виду обработанной поверхности (шероховатость поверхности, следы
вибраций). Испытания под нагрузкой станков, для которых в ТУ ука-
зана штучная производительность (операционные станки, автоматы ит. п.),
проводят при наибольшей штучной производительности (для типовой
детали). В ряде случаев испытания под нагрузкой резанием заменяют
с целью уменьшения расхода металла испытанием с помощью нагрузоч-
ных устройств (стр. 605).
Далее проверяют станок на соответствие нормам точности и жесткости
и испытывают на виброустойчивость при резании (подробнее см. ниже).
Для контроля общего уровня технологии производства и более глубо-
кой оценки качества изготовления и сборки серийных станков указанные
выше обязательные испытания дополняют обычно выборочными испыта-
ниями, которым подвергают от 0,5 до 10% всех выпускаемых станков.
Такие выборочные испытания могут включать, помимо обязательных
проверок, измерения статической жесткости всех основных узлов, более
глубокие испытания на виброустойчивость с выявлением причин вибра-
ций, измерение к. п. д. привода станка, проверку по нормам температурной
стабильности и колебаний на холостом ходу и т. д.
Вторым видом испытаний станков являются завершающие создание
новой модели испытания опытного образца станка. Эти испытания проводят
в лабораторных условиях, а материалы испытаний предъявляют приемоч-
ной комиссии, дающей заключение о целесообразности запуска модели
в серийное производство.
В последних работах ЭНИМСа дается подробная методика испытаний
опытных образцов станков. Эти испытания систематизированы [20] после-
дующим основным критериям оценки станков:
1) оценка соответствия станка утвержденному техническому заданию,
стандартам и ТУ, а также требованиям удобства и безопасности работы
на станке (в том числе проверка на шум) и удобства его ремонта; сюда же
обычно относят оценку правильности выбранной степени универсальности,
механизации и автоматизации станка;
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ИСПЫТАНИЙ СТАНКОВ
541
2) оценка работоспособности и безотказности механизмов станка на
холостом ходу и под нагрузкой, а также долговечности станка по износу
и усталостной прочности;
3) оценка точности работы станка;
4) оценка производительности станка; для станков широкого назна-
чения и универсальных эта оценка производится по величине реально
используемой эффективной мощности с учетом потерь на трение в при-
воде главного движения и ограничений, связанных с недостаточной вибро-
устойчивостью станка; при оценке производительности станка обязательно
уделяют внимание определению эффективности введения различных
устройств, сокращающих продолжительность вспомогательных операций,
не совмещенных по времени с процессом формообразования (например,
переключение скоростей, зажим, загрузка и выгрузка заготовок, измере-
ние обработанной детали и т. п.).
Для правильной оценки опытных станков желательно, чтобы все их
качественные показатели были нормированы, т. е. давалась определен-
ная количественная оценка по каждому такому показателю. Однако в на-
стоящее время еще отсутствуют нормы по ряду показателей.
В последующих главах этого раздела излагается методика проведения
экспериментальных исследований и испытаний станков, а также кратко
разбирается ряд вопросов, связанных с эксплуатацией станков.
ГЛАВА И
ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ, ПРОВОДИМЫЕ
ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ СТАНКОВ
Точность обработки на станке характеризуется величинами отклоне-
ний размеров, формы и относительного положения элементов получаемой
поверхности от соответствующих параметров заданной геометрической
поверхности.
В последние годы требования к точности и качеству поверхности
деталей, обработанных на станках, резко возросли. Например, для пре-
цизионных круглошлифовальных станков допускается некруглость детали
не более 0,3 мкм при шероховатости поверхности V10—V12 по ГОСТу
2789—59. Необходимость получения деталей, удовлетворяющих таким
высоким требованиям, делает весьма актуальными исследования, свя-
занные с оценкой точности станков. Для того чтобы проверить точность
работы станка, надо знать характер и степень влияния отдельных факто-
ров, вызывающих погрешности при обработке заготовок на станках. До
настоящего времени практически не существует таких норм точности ра-
боты станка, которые определяли бы ее однозначно. Это объясняется
большим количеством факторов, влияющих на точность работы станка.
Основными из них являются следующие: 1) геометрическая в том числе
кинематическая точность системы СПИД (станок—приспособление—ин-
струмент—деталь), включая влияние зазоров и погрешностей технологи-
ческой базы заготовки; 2) температурные деформации системы; 3) техно-
логическая жесткость, характеризующая деформации системы под на-
грузкой; 4) устойчивость системы при установке, перемещениях узлов
станка и при обработке; 5) вынужденные колебания; 6) размерный износ
инструмента.
Все эти факторы, за исключением геометрической точности станка,
являются переменными и отчасти управляемыми; влияние их на точность
детали можно почти устранить, снижая или меняя режим обработки и пр.,
так что в конечном итоге достижимая точность будет определяться гео-
метрической точностью станка. Последняя характеризует качество изго-
товления и сборки станка и, хотя не может количественно характеризовать
точность детали, обработанной на этом станке, является одной из важных
характеристик возможностей станка.
Геометрическая точность должна контролироваться для каждого серий-
ного станка. Впервые нормы геометрической точности станков были раз-
работаны Г. Шлезингером, предложившим в 1927 г. систему проверок для
определения точности изготовления станков. Эта система была положена
в основу принятых в ряде стран правил испытаний станков на точность
методов проверки и в значительной степени — также и норм точност?
(допускаемых отклонений). В СССР точность станков нормируется
ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ СТАНКОВ 543
ГОСТами «Нормы точности», построенными на предположении, что гео-
метрические погрешности данного станка являются систематическими
постоянными погрешностями, которые полностью переносятся на обра-
ботанную деталь. Это позволяет не проводить анализ результирующей
погрешности на детали с целью выявить влияние только геометрических
погрешностей станка, что очень трудно, а заменить проверку детали соот-
ветствующей геометрической проверкой станка. Путем анализа возможных
способов формообразования удалось выяснить связь между погрешно-
стями относительного перемещения инструмента и заготовки на станке,
с одной стороны, и погрешностями формы и относительного расположения
поверхностей на детали, с другой. На основе этого для каждого типа станка
было разработано определенное количество инструментальных проверок
геометрической точности, проводимых обычно в статическом состоянии,
при перемещениях и поворотах отдельных частей станка, осуществляемых
вручную или на малых скоростях.
При проведении испытаний и исследовании геометрической точности
станков большое значение имеют условия, при которых проводятся изме-
рения. Установка станка должна быть аналогичной установке при эксплуа-
тации. Некоторые (немногие) станки, главным образом небольшие,
с весьма жесткой станиной, устанавливают на три точки опоры. Большин-
ство же станков устанавливают в рабочее положение и выверяют уровнями
на жестком фундаменте — стенде на опорах, число которых больше трех.
Фундаментные болты перед этим не затягивают. При помощи клиньев
или регулируемых башмаков станине станка придается положение, при
котором деформации ее направляющих, измеряемые уровнями, будут
наименьшими. Все перемещающиеся части станка ставят в их средние
положения. По возможности исключают влияние температуры на резуль-
таты измерений. На точность станок обычно проверяют после испытаний
на холостом ходу и под нагрузкой. Общий объем испытаний определяется
соответствующими нормами точности, предусмотренными ГОСТом. В ка-
честве типовых проверок обычно указываются проверки точности: гео-
метрической формы посадочных поверхностей (непрямолинейность, не-
плоскостность, величина овальности, конусности и т. п.); взаимного
расположения поверхностей (непараллельность, неперпендикулярность,
несоосность); формы траектории движения исполнительных звеньев станка;
координатных перемещений и точности кинематических цепей.
В качестве основных измерительных инструментов при проверках
геометрической точности станка применяют поверочные линейки (кон-
трольные — длиной от 500 до 3000 мм и лекальные — длиной обычно
до 300 мм); поверочные угольники; концевые меры; щупы (наиболее
распространенный набор — из пластин толщиной 0,03—0,5 мм); консоль-
ные или центровые контрольные оправки (каленые до HRC 52 с шерохо-
ватостью поверхности не ниже V9); индикаторы с ценой деления 0,01,
0,002 и 0,001 мм); различные уровни с ценой деления от 0,02 до 0,05 мм
на 1000 мм и, наконец, оптические приборы. Методы инструментальных
проверок геометрической точности станков, указанные в стандартах,
являются арбитражными и могут быть в отдельных случаях заменены
другими, обеспечивающими не меньшую точность измерений. Остановимся
более подробно только на проверках прямолинейности и точности кине-
матических цепей станков, как на наиболее сложных.
В соответствии с основными методическими положениями, разрабо-
танными ЭНИМСом [30], измерение прямолинейности направляющих
станков может быть произведено либо измерением линейных величин,
544 ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ СТАНКОВ
определяющих положение отдельных участков направляющей относи-
тельно исходной прямой, либо измерением расположения этих участков
относительно друг друга последовательно вдоль всей направляющей.
В первом случае прямолинейность определяют оптическим методом
визирования (фиг. VII, 1, в), измерением по струне (фиг. VII, 1, а),
Ползушка с маркой
°)
Зрительная труба
с дополнительной линзой
Ьлин
сходная
□ прямая
измерением при помощи контрольной линейки, набора концевых мер и
щупа или гидростатическим методом (фиг. VII, 1, б). Исходной прямой,
относительно которой производятся измерения, в этих методах служат
соответственно «оптическая прямая» — ось зрительной трубы, горизон-
тальная проекция натянутой струны, поверхность линейки или уровень
воды.
Измерительный прибор, роль которого выполняет, в зависимости от
принятого метода, ползушка с маркой (стеклянной пластиной, в центре
которой нанесено штриховое перекрестие), микроскоп, набор концевых
мер или гидростатическая головка, последовательно устанавливается
на 0-ю, 1-ю, 2-ю, . . ., n-ю элементарные площадки вдоль направляющей.
В каждом положении фиксируются отклонения hAUH i площадок направ-
ляющей относительно исходной прямой. В общем случае из-за несовпаде-
ния направлений проверяемой направляющей и исходной прямой отклоне-
ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ для ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ СТАНКОВ 545
ние hAUHni измеренное на последнем участке, представляет собой накоп-
ленную погрешность. Вычисляя постоянную погрешность, отнесенную
к каждому участку bt = hjluw z, где i — номер площадки, получим от-
клонения от прямолинейности в виде h = hAUH — b\ ЭНИМС рекомендует
результаты измерений заносить в таблицу
№ площадки i Результаты измерения мкм Постоянная погрешность Ь- в мкм, отнесенная к каждому участку Отклонения от прямоли- нейности hi = hAUHi ~ bi В МКМ
Для наглядности по вычисленным значениям рекомендуется построить
график — масштабное изображение действительной формы направляю-
щей. Примерный вид графика показан на фиг. VII, 2.
Во втором случае измерение прямолинейности производится уровнем
или коллимационными методами.
Рассмотрим кратко проверку прямолинейности с использованием зри-
тельной трубы и коллиматора (фиг. VII, 1, г).
Подставка с коллиматором, представляющим осветительное устрой-
ство, из которого лучи выходят параллельным пучком, ставится после-
довательно на 0-ю и 1-ю, 1-ю
и 2-ю, 2-ю и 3-ю и т. д. пло-
щадки на направляющей.
Коллиматор имеет в фо-
кальной плоскости объектива
пластину со шкалой, по кото-
рой можно отсчитывать вели-
чину угла а наклона оси кол-
лиматора относительно оси
Зрительной Трубы. Зритель- фиг. VII, 2. График действительной формы направ-
ная труба при проверке фоку- ляющей
сируется на бесконечность.
Превышение одной площадки над другой вызывает появление угла а
между оптическими осями коллиматора и зрительной трубы (оптическая
ось последней предварительно устанавливается параллельно направляю-
щей) и смещение изображения перекрестия коллиматора относительно
перекрестия зрительной трубы, равное fa, где f — фокусное расстояние
объектива зрительной трубы и угол a — в рад. Переставляя подставку
с коллиматором вдоль направляющей, через каждые 100—200 мм замеряют
угол а. Переходя затем при обработке результатов от значений превыше-
ния одной площадки над другой Ыгугл = А а (Л — база подставки кол-
лиматора) к значениям Ьугл^^к1гугл, представляющим расстояния
элементарных площадок до исходной прямой (аналогично далее
идем путем, указанным выше. При использовании автоколлиматора
(см. фиг. VII, 1, д), объединяющего в одном корпусе источник света и оку-
ляр, точность измерений возрастает вдвое.
18 Ачеркан. Зак. 659
546 ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ СТАНКОВ
В автоколлиматоре изображение перекрестия пластины 4. которая
помещена в фокальной плоскости объектива S, направляется через откло-
няющую призму 3, разделительную призму 2 и зеркала 6 и 7 в бесконеч-
ность параллельным пучком света от источника 5. Попадая на зеркало,
наклоненное вследствие непрямолинейности проверяемой направляющей
относительно оптической оси автоколлиматора на угол а, изображение
отражается и накладывается на исходное перекрестие со смещением (в поле
зрения окуляра) на величину, равную 2f а, где f — фокусное расстояние
объектива автоколлиматора. Окуляр-микрометр /, используемый в авто-
коллиматорах, позволяет отсчитывать углы а с точностью до 0,5*.
Если определена действительная форма одной направляющей, то форма
другой направляющей определяется по паспортизованной направляющей
и результатам измерения углов поворота мостика, установленного на обе
направляющие и перемещаемого вдоль них. Углы поворота 0 измеряются
уровнем, расположенным на мостике. Превышение одной направляющей
над другой (при данном положении мостика) будет ДЛ = Л0, где А —
расстояние между направляющими.
Проверка геометрической точности станка очень важна, но потреби-
телю она дает лишь косвенную гарантию точности обработки на станке,
так как не учитывает даже такого важного фактора, как технологическая
жесткость станка, от которой зависит точность станка под нагрузкой.
Поэтому с целью проверки непосредственно точности обработки ГОСТами
предусмотрена проверка точности станков на обработанной детали («про-
верка станка в работе») и одновременно проверка шероховатости обрабо-
танной поверхности. Вид образца, его материал, характер и режим обра-
ботки, крепление инструмента и тому подобное назначаются с таким рас-
четом, чтобы при сравнительных испытаниях свести к минимуму влияние
факторов, не имеющих прямого отношения к качеству изготовления станка:
например, заранее аттестовать точность инструмента и приспособления,
кратковременностью проверки исключить влияние температурных де-
формаций и т. д. Отклонения от геометрической формы образцов, обра-
ботанных на чистовых режимах, не должны превышать величин, указан-
ных в соответствующем ГОСТе. Обработанная поверхность должна быть
чистой, без следов дробления и вибраций.
ГЛАВА III
ПРОВЕРКА ТОЧНОСТИ КИНЕМАТИЧЕСКИХ
ЦЕПЕЙ СТАНКОВ
В тех случаях, когда поверхность детали на станке образуется одним
или несколькими сложными формообразующими движениями, станок
должен иметь не только достаточную геометрическую точность, но и обла-
дать высокой кинематической точностью. Под кинематической точностью
понимают точность сохранения заданных отношений скоростей движения
исполнительных звеньев станка, участвующих в создании какого-либо
сложного движения формообразования. Кинематические ошибки станка
являются результатом действия погрешностей звеньев внутренних кине-
матических цепей. При изготовлении нового станка, а также при эксплуа-
тации и ремонте станка необходимо знать его’кинематическую точность.
Для этого стандартами предусмотрены проверки соответствующих вну-
тренних кинематических цепей зубообрабатывающих, токарно-винторез-
ных, токарно-затыловочных, резьбофрезерных и резьбошлифовальных
станков, проводимые при испытании станка на точность.
Точность винторезных цепей токарно-винторезных и тому подобных
станков проверяют обычно на ходу — ощупыванием измерительным на-
конечником прибора витка эталонного винта, устанавливаемого в центрах
испытуемого станка, настроенного на шаг этого винта. Прибор, который
может быть снабжен самопишущим устройством, устанавливают на суп-
порте станка.
Более подробно рассмотрим методы проверки кинематической точ-
ности на примере зубообрабатывающих станков, для которых кинемати-
ческая точность является одним из наиболее важных качеств.
Кинематические погрешности станка Дф проявляются на детали
в виде ошибок шага и профиля зубьев, накопленной ошибки основного
и окружного шагов. Для оценки способности станка производить каче-
ственные колеса необходимо проверить его кинематическую точность,
локализировать и устранить причины возникновения кинематических
погрешностей.
Наиболее простым методом проверки кинематической точности является
проверка теодолитом. Для этого станок настраивают на нарезание колеса
с максимально возможным на этом станке числом зубьев. Теодолит уста-
навливают в центре стола станка и визируют по коллиматорной трубе,
неподвижно установленной рядом со станком. Шпинделю станка дают
один оборот. При этом стол станка с теодолитом поворачивается на угол <р,
теоретически равный
= 2ш’ рад,
где i — передаточное отношение проверяемой кинематической цепи. Затем
оптическую трубу теодолита поворачивают в первоначальное положение
*
548
ПРОВЕРКА ТОЧНОСТИ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ СТАНКОВ
до совпадения ее оптической оси с осью коллиматора, а по шкале теодолит:
производят отсчет фактического угла ср, на который повернулся стол
Разность Лф = срт — ф есть кинематическая погрешность на угле ф пово-
рота стола. Далее эти операции повторяют до тех пор, пока стол не повер-
нется на 360°. Точность такого метода может достигать 1—2", однак:
периодические остановки станка, недопустимые при изготовлении точны
зубчатых колес, не соответствуют условиям проявления ошибок станк^
в работе.
Этого недостатка нет в методе проверки кинематомером (ЦНИИ?-
МАШ). Проверку ведут на холостом ходу, что позволяет исключит.
Фиг. VII, 3. Схема кинематомера ЦНИИТМАШа
влияние искажающих измерения инерционных сил в звеньях кинемаг -
ческой цепи. Прибор (фиг. VII, 3) состоит из трех частей: отправителя 7:
электрической части 15 и индикатора 14. Отправитель, устанавливаемы-
на столе станка 1 и вращающийся вместе с ним, представляет собой диск .
по окружности которого на равных расстояниях один от другого распол о-
жены взаимно параллельные ролики 4. Над отправителем в неподвижны
центрах подвешивается линейка 5, на концах которой имеются изолирован-
ные друг от друга ножи 7. При вращении стола ножи, соприкасаясь с дна
метрально расположенными роликами, периодически замыкают электр. -
ческую цепь, зажигая безынерционную лампу 13, находящуюся внутр
индикатора. После момента замыкания линейка с ножами автоматическ
отклоняется толкателем, приводимым через специальное устройство -
от кулачкового диска 8. При этом под нож проходит ролик, идущий на-
встречу отклонению ножа.
Индикатор состоит из неподвижного цилиндра 11, имеющего примуи
сквозную щель со шкалой, и внутреннего подвижного цилиндра 12 с узкс -
винтовой щелью в стенке. Цилиндр 12 связан с фрезерной оправкой 6 стан-.
карданным валиком 9 и зубчатой передачей 10, повышающей углов; -
скорость вращения цилиндра 12 в целое число раз по сравнению с оправке
При подаче сигнала отправителем газосветная безынерционная лампа :
дает вспышку, длящуюся тысячные доли секунды, которую наблюдатег.
видит в точке пересечения щелей обоих цилиндров. Отмечая по шкае-
положения последовательных световых пятен, нетрудно определить '
взаимные смещения, пропорциональные погрешностям угловых пер.
ПРОВЕРКА ТОЧНОСТИ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ СТАНКОВ
549
мещений стола станка. Обладая чувствительностью до Г и не имея не-
достатков первого метода, прибор, однако, измеряет лишь дискретные
значения функции относительного движения исполнительных звеньев
станка. Для анализа погрешностей кинематической цепи эти значения
необходимо в дальнейшем подвергнуть довольно сложной математической
обработке, что является существенным недостатком метода. Кроме того,
Фрезерная Шпиндель впрадка
опрадка долдяка стола
а/
поведение станка внутри интер-
валов, ограниченных получен-
ными дискретными значениями,
остается неисследованным.
В настоящее время широкое
применение в практике нашел
способ непрерывной проверки,
разработанный А. В. Левашо-
вым на заводе «Комсомолец».
Работа синхрономера конструк-
ции А. В. Левашова (фиг. VII,
4, а, б) основана на кинемати-
ческом замыкании проверяе-
мой цепи другой параллельной
цепью,выполненной в виде дис-
ков, связанных трением или
Фиг. VII, 5. Схема прибора
для проверки кинематической
точности станков сейсмиче-
ским методом
61
Фиг. VII, 4. Схема синхро номера системы
А. В. Левашова: ‘
/, 2, 9, 10, 12 — приемные диски; 3, 4, 5, 6,
7, 8, 14, 15 — диски фрикционных передач;
11 — самописец; 13 — измерительный рычаг;
16, 17 — направляющие ролики
гибкой связью (лентами). Синхрономером можно проверять любые цепи
с передаточным отношением от 1 : 1 до 1 : 250,' причем снятие одной
диаграммы (один оборот стола) занимает от 30 сек до 4 мин в зависимости
от настройки станка. Применяя вместо рычажного самописца более чувст-
вительный электрический самопишущий прибор БВ-662 с индуктивным
датчиком БВ-785, можно получить масштаб увеличения до Х5000. Синх-
рономер дает результат проверки работающего станка в виде непрерыв-
ной диаграммы, представляющей точную запись ошибок элементов цепи
станка. По числу волн на диаграмме, получающемуся за один оборот
стола, можно установить местонахождение источника ошибки в станке.
К числу хороших способов непрерывной проверки кинематической
точности следует отнести и сейсмический метод измерения, разработанный
Высшей технической школой в Аахене. Прибор (фиг. VII, 5), работаю-
щий по этому методу, состоит из корпуса, несущего опоры 1 для закрепле-
ния очень податливой, работающей на кручение пружины 2, на которой
подвешена большая масса 3. Прибор устанавливают на стол станка. При
550
ПРОВЕРКА ТОЧНОСТИ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ СТАНКОВ
равномерном вращении стола относительное положение корпуса и подве-
шенной массы не меняется. Кинематические погрешности проверяемой
цепи нарушают равномерность вращения стола, что вызывает поворот
подвешенной массы относительно корпуса прибора в силу ее инерцион-
ности. Этот поворот фиксируется каким-либо бесконтактным измеритель-
ным датчиком 5 (например, емкостным или индуктивным) и передается
на регистрирующий прибор. Для гашения колебаний измерительной
системы предусмотрены демпфирующие магниты 4. Так как собственная
частота колебаний массы 3 на пружине очень низка, масса движется прак-
тически равномерно. Усилитель и осциллограф позволяют увеличить
показания датчика до 30 000 раз, что соответствует точности измерения
0,1 мкм на диаметре 4000 мм.
Недостатком сейсмического метода является невозможность измерения
частот ниже 0,2—0,3 гц, т. е. частот более низких, чем собственная частота
колебаний сейсмической массы 3.
Прибор позволяет замерить все
колебания угловой скорости эле-
ментов кинематической цепи стан-
ка, кроме тех, которые вызываются
накопленной ошибкой шага зубьев
червячного делительного колеса
(эта ошибка проявляется 1 раз за
оборот стола станка). Это снижает
Фиг. VII, 6. Схема изме-
рения передаточного отно-
шения червячной дели-
тельной пары методом маг-
нитных масштабов
ценность метода.
Для контроля равномерности вращения делительных червячных пере-
дач зубообрабатывающих станков в Пражском научно-исследовательском
институте металлорежущих станков был предложен метод «магнитных
масштабов», принцип^которого сходен с «измерением длин» при помощи
длины световой волны. Круговой магнитный масштаб представляет собой
металлический диск, покрытый специальным слоем, пригодным для магнит-
ной записи. На диске записаны волны определенной частоты. Специальный
метод записи позволяет достигнуть большой равномерности длин волн
(максимальная накопленная погрешность составляет 1").
Рассмотрим схему измерения передаточного отношения делительной
червячной передачи (фиг. VII, 6). На валах червяка 1 и червячного ко-
леса 2 закрепляют круговые масштабы 3 и 4. Число магнитных волн на
них соответствует передаточному отношению проверяемой передачи. При
работе передачи заццод^считываются магнитными головками 5 и 6, сиг-
налы с которых через усилители подаются на фазомер 7 и записывающий
прибор (осциллограф) 8. Сдвиг по фазе^обоих считываемых* сигналов,
улавливаемый фазомергом' 7, определяет величину неравномерности вра-
--^цжнягэд^ментов^яередачи. Метод позволяет быстро измерять относитель-
ную погрешность до 10“7. Он может быть также использован и для кон-
троля кинематических погрешностей цепей обкатки и деления зубообра-
батывающих станков. Однако при всех достоинствах метода с его помощью
не могут быть зафиксированы погрешности, обусловленные быстроход-
ными звеньями цепи (частота свыше ~4 гц). Это связано, до некоторой сте-
пени, с минимальной длиной волны (~20 мк), которую можно удовлетво-
рительно записать на круговом магнитном масштабе.
ГЛАВА IV
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУР И ТЕМПЕРАТУРНЫХ
ДЕФОРМАЦИЙ В СТАНКАХ
Выше уже отмечалось, что теплообразование и связанные с ним темпе-
ратурные деформации являются одним из факторов, обусловливающих
погрешности механической обработки. Для целого ряда деталей и узлов,
таких как подшипники, направляющие и тому подобные, нагрев является
и одним из критериев работоспособности. Причинами нагрева станка могут
быть как внешние источники тепла (солнечные лучи, отопительные устрой-
ства), так и источники, расположенные внутри станка. При постоян-
ной температуре среды станок нагревается от тепла, образованного в зоне
резания, и тепла, выделяющегося при работе механизмов и систем станка.
Значение перечисленных источников образования тепла различно и зави-
сит во многом’от типа и конструкции станка. Процесс резания оказывает
слабое влияние на температурные деформации в станках для отделочных
операций ввиду малых припусков на обработку.
Температурные деформации станка слагаются из деформаций его
отдельных деталей и часто, непрерывно меняясь, достигают существенной
величины. По данным ЭНИМСа [30], например, передний конец шпинделя
станка мод. 1А62 при непрерывной работе вхолостую на п 1200 об/мин
в течение 5 ч перемещается в горизонтальной плоскости почти на 20,
а в вертикальной плоскости на 80 мкм.
Температурные деформации, являясь систематическими переменными
погрешностями, влияют на точность линейных размеров обрабатываемой
заготовки, ее геометрической формы и взаимного расположения ее поверх-
ностей. Если первое легко компенсируется рабочим в универсальных стан-
ках (процесс разогрева которых длится 4—8 ч) и при помощи подналад-
чика — в автоматах, то второе и третье часто компенсировать не удается.
Результатом этого может быть выход детали за пределы поля допуска
по точности и шероховатости обработанной поверхности. Поэтому при
проектировании точных станков необходимо уметь определять величину
и направление температурных деформаций частей станка, время стабили-
зации температуры при разогреве, определять температурное поле (сово-
купность мгновенных значений температуры в разных точках) станка для
выявления источников тепла (наиболее нагретых мест).
Основными приборами для измерения температур в станках являются
термометры сопротивления и термопары.
В основе действия термометров сопротивления лежит свойство метал-
лов и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при
изменении температуры. Во многих случаях термосопротивлением (т. е.
чувствительным элементом термометра) является тонкая проволока диа-
метром 0,02—0,06 и длиной 5—50 мм, намотанная на каркас из изоля-
552 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУР И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ
ММТ, ТОС и другие, у которых а
Фиг. VII, 7. Схема неуравновешенного
одинарного моста с логометром для изме-
рения температур термометром сопротив-
ления
ционного материала и защищенная чехлом. Материал проволоки должен
обладать возможно большим и постоянным температурным коэффициен-
том а при одновременно возможно большем удельном сопротивлении.
Наиболее распространены термосопротивления из платины (/до 500° С),
меди (/до 180° С) и никеля (/ до 250—300° С). В качестве термосопротивле-
ния могут быть использованы полупроводниковые сопротивления типов
ММТ, ТОС и другие, у которых а в 8—10 раз больше, чем у металлов.
Обладая малыми габаритами (до деся-
тых долей миллиметра) и высокой ста-
бильностью, чувствительные элемен-
ты из полупроводников очень удобнь
для измерений в «точке» поверхности
что особенно важно при наличии рез-
кого перепада температур. Для изме-
рения температур термометры сопро-
тивления включают в соответствую-
щие измерительные цепи. Наиболее
широко применяют цепь неуравно-
вешенного одинарного моста с магни-
тоэлектрическим логометром в каче-
стве измерителя [88] (фиг. VII, 7). Три
плеча моста образуют манганиновые сопротивления Лх, Л 2 и Четвер-
тое плечо включает термосопротивление Rt и сопротивления 7?0 и Rr
служащие для уравновешивания моста перед началом измерений. Логс-
метр состоит из двух жестко связанных между собой рамок и Re *
укрепленных на общей оси в поле постоянного магнита. Если силы токое
протекающих через сопротивления #г1 и 2, одинаковы, то стрелка
логометра показывает нуль. При нагревании меняется величина чт:
вызывает разбалансировку моста, умень-
шение тока в одной из рамок и поворот
рамок вместе со стрелкой. Часть сопро-
тивления /?5 выполняется из меди, что
позволяет компенсировать температурную
погрешность логометра. Показания лого-
метра в известных пределах не зависят
от напряжения источника питания.
Более универсальным и удобным сред-
ством измерения температур при исследо-
вании станков являются термоэлектриче-
ские преобразователи-термопары, состоя-
щие из двух разнородных проводников,
одни концы которых спаяны (горячий спай термопары), а другие соеди-
няются с измерительным прибором. При нагревании горячего спая термс-
пары в измерительной цепи пойдет ток, термоэлектродвижущая силе
(т. э. д. с.) которого зависит только от материала термопары и разност
температур горячего спая и свободных концов проводников. Наиболее
Фиг. VII, 8. Схема измерения тем-
пературы термопарой с компенса-
цией нагрева свободных концов тер-
мопары
распространенные термопары медь-константан, железо-константан и них-
ром-константан на 100° Сдают т. э. д. с. порядка нескольких милливольт
Поэтому при измерении температуры при помощи термопар предполагай*
наличие в цепи очень чувствительного милливольтметра. Для компенса-
ции нагрева свободных концов термопары применяют различные схемь
одна из которых показана на фиг. VII, 8 [88]. Здесь термопара и милл; -
вольтметр включены в измерительную диагональ моста, плечи которог:
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУР И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ 553
за исключением одного — медного выполнены из манганиновой про-
волоки. Сопротивление 7? помещают около свободных концов термопары.
При нормальной работе термопары мост не оказывает влияния на пока-
зания милливольтметра. При повышении же температуры свободных кон-
цов термопары значение R тоже увеличивается, мост выходит из равно-
весия, а напряжение, возникшее на измерительной диагонали, компенси-
рует уменьшение т. э. д. с. термопары. Точность компенсации при этом
достигает 0,04 мв на 10° С.
На точность измерений оказывает
большое влияние способ установки
и крепления термопар на деталях
станка. Некоторые из способов креп-
ления показаны на фиг. VII, 9.
Для измерения температурных
деформаций применяют микронные
индикаторы, микрокаторы и уровни
с ценой деления не грубее 0,02 на
1000 мм. Стойки и мостики, на кото-
рых крепят измерительные приборы,
должны быть тщательно теплоизоли-
рованы во избежание искажения ре-
зультатов измерений. Часто темпера-
турные деформации измеряют по их
результатам на детали — обработкой
на станке (например, круглошлифо-
вальном) через определенные проме-
жутки времени специально приготов-
ленной заготовки с последующим
измерением ее размеров.
Узлы станка в течение всего экспе-
римента не получают механических
перемещений, и врезание осуществ-
Фиг. VII, 9. Способы крепления термопар
для измерения температур деталей стан-
ков:
ляется только за счет температурных
перемещений. Эксперимент продол-
жается до наступления установив-
шейся температуры.
Если на результаты эксперимента
/ — свинцовая прокладка; 2 — текстолитовая
пробка; 3 — легкоплавкий сплав; 4 — пла-
стинка с хорошей теплопроводностью
влияют другие факторы, также
вызывающие систематические переменные погрешности, например размер-
ный износ инструмента, то эксперимент проводят следующим образом.
Обрабатывают несколько партий заготовок с точно выдержанным при-
пуском и тщательно подобранных по качеству. В каждой партии in заго-
товок, где i — номер партии в порядке обработки. По результатам обра-
ботки каждой очередной партии заготовок строят точностную диаграмму
(фиг. VII, 10, а), а испытания прекращают до полного охлаждения станка
до температуры окружающей среды. Только после этого начинают обра-
ботку следующей партии заготовок. На точностной диаграмме по оси орди-
нат откладывается суммарная систематическая погрешность какого-либо
геометрического параметра (например, диаметра) детали, основными при-
чинами'которой являются температурные деформации и размерный износ
инструмента. Кривая OHi показывает постепенное увеличение суммарной
систематической погрешности в процессе обработки первой партии заго-
товок. В точке испытание было прекращено, и станку дали остыть до
первоначальной температуры. Это позволило при обработке первых
554 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУР И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ
деталей второй партии выделить влияние на суммарную погрешность раз-
мерного износа инструмента (отрезок Оставшаяся часть — отрезок
характеризует долю температурных деформаций в суммарной макси-
мальной погрешности деталей первой партии. Поступая аналогично при
обработке других партий заготовок, можно построить график изменений
во времени погрешностей обработки, вызванных влиянием температурных
деформаций и износа (фиг. VII, 10, 6). Если влияние температурных
деформаций велико, то их детально
исследуют, для чего одновременно
измеряют температурные поля, ве-
личины и направления температур-
ных деформаций основных узлов и
деталей станка. По результатам
измерений строят графики, анало-
гичные показанному на фиг. VII.
10, б. Для установления влияния
отдельных источников тепла на
величину температурных деформа-
ций проводят те же эксперименты,
но с последовательной теплоизо-
ляцией этих источников (напри-
мер, асбестовыми прокладками).
Исследования температур и тем-
пературных деформаций в станках
позволили разработать мероприя-
тия по уменьшению влияния наг-
рева на точность работы станка.
К числу этих мероприятий следует
отнести использование для изго-
Фиг. VII, 10. График изменений во времени товления деталей станков материа-
систематических переменных погрешностей ЛОВ С малым коэффициентом линей -
обработки кого расширения (например, инва-
ра); компенсацию возникающих
деформаций специальными механическими устройствами; стабилизацию
температуры цеха; меры по уменьшению количества тепла, выделяемого
самим станком (хорошее охлаждение электродвигателя; размещение гидро-
станции за пределами станка; повышение точности, минимальные натяга
и смазка подшипников шпинделя масляным туманом; сокращение коли-
чества зубчатых передач в коробке скоростей станка и т. п.).
Для более полной оценки станка по точности температурные деформа-
ции должны учитываться при проверке станка по нормам точности.
В ЭНИМСе 1 разработаны нормы температурной стабильности для коор-
динатно-расточных и круглошлифовальных станков, дополняющие нормы
точности для этих станков. Эти нормы основаны на обобщении результа-
тов измерения температурных смещений в станках отечественного произ-
водства. На фиг. VII, 11 приведены результаты таких измерений,
полученные при испытании серийного координатно-расточного станка
мод. 2В440. Станок работал на холостом ходу при пшпинд = 1000 об!мин.
Температура воздуха в помещении, где он находился, поддерживалась
постоянной. В течение 6 ч через каждые 15—20 мин проводили измерения,
которые дали возможность построить графики температурных линейных
1 Под руководством В. Н. Алферова и Ю. Н. Соколова.
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУР И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ 555
и угловых смещений оси шпинделя в зависимости от времени работы станка.
Для этого на столе станка перпендикулярно оси шпинделя закрепляли
контрольный диск с точными цилиндрической и торцовой поверхностями.
На оправку, укрепленную в шпинделе станка, надевали быстросъемную
державку с двумя микронными индикаторами (фиг. VII, 12). При ручном
повороте шпинделя первый индикатор измерял неперпендикулярность
оси шпинделя к плоскости
.диска (стола) на диаметре
D, второй — несоосность
Линейное температурное смещение
Время работы станка
Фиг. VII, 11. Графики температурных линейных и угло-
вых смещений оси шпинделя координатно-расточного
станка мод. 2В440 (ширина рабочей поверхности стола
400 лш; Н — 350 лиг, Д=110 лги; п 1^= 1000 об/мин)
Фиг. VH, 12. Прибор для изме-
рения линейных и угловых пере-
мещений шпинделя координатно-
расточного станка вследствие
температурных деформаций
шпинделя и стола. Определив отклонения в двух диаметрально противо-
положных точках до нагрева у1хал и у2хал и после нагрева у1нагр и у2нагр>
находили нормируемые линейное Д^ и угловое А^ смещения осей шпин-
деля и стола в плоскости yOZ по формулам
_____ (У1нагр У1хол) (Уъкагр — Уъхол)
тл — ~ MfCMj
д ____ (У1нагр И1хол) (У^пагр — 9ъхол}
тУ 1000.0 ’
где Уънагр< У1хол> Учнагр> Уъхол — в мкм, a D — в мм. Те же отклонения
в плоскости XOZ оказывались значительно меньшими.
ГЛАВА V
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ
ЖЕСТКОСТИ СТАНКОВ
При обработке на станке какой-либо детали сила резания не остается
постоянной из-за изменения сечения среза, припуска на обработку, меха-
нических свойств материала обрабатываемой детали или режима обра-
ботки. К изменению силы резания приводят также затупление и износ
инструмента, наростообразование и некоторые другие факторы. Под дей-
ствием изменяющихся сил резания и трения, при воздействии со стороны
двигателя упругие элементы станка деформируются, изменяя тем самым
условия резания, трения или условия работы двигателя. Цепь воздей-
ствий оказывается замкнутой (см. раздел V, гл. XII), а сами воздей-
ствия, называемые связями, носят направленный характер. Контур,
который определяет поведение всей системы станка в данных условиях,
называется главным контуром связи. Наиболее часто главным контуром
связи динамической системы станка при резании является контур «упругая
система—резание», так как жесткая характеристика асинхронного двига-
теля достаточной мощности и малое изменение трения в подшипниках
качения шпинделя (при отсутствии защемления тел качения) при измене-
нии деформации позволяют пренебречь остальными контурами связи.
Для того чтобы объяснить разнообразные явления, происходящие
при работе станка, в том числе и погрешности размеров и формы детали,
необходимо знать свойства элементов замкнутой системы станка. Эти свой-
ства можно характеризовать соотношением между воздействием на дан-
ный элемент со стороны предыдущего элемента (входная координата)
и результатом этого воздействия (выходная координата) — характеристи-
кой элемента. При неизменности во времени входной координаты харак-
теристика будет статической, при изменении же во времени входной коор-
динаты — динамической.
Статической характеристикой упругой системы, в состав которой
входят все детали и узлы станка, обрабатываемая заготовка и инструмент,
является в частном случае (представляющем, однако, большой практи-
ческий интерес) отношение перемещения у вершины режущего инстру-
мента по нормали к обрабатываемой поверхности к силе Р, имитирующей
постоянную силу резания. Эта характеристика
k = мм!н (или мкм/н)
называется податливостью.
В практике часто пользуются величиной, обратной fe, называемой
жесткостью*.
Р
j = — н!мм (или н! мкм).
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ЖЕСТКОСТИ СТАНКОВ
557
Жесткость является одним из основных критериев работоспособности
станка, так как определяет точность станка под нагрузкой в установив-
шемся режиме работы (статическую ошибку). Чем меньше жесткость
системы, тем больше погрешности формы и размеров обработанной детали,
т. е. ниже точность обработки.
Первое капитальное исследование жесткости было проведено К. В. Во-
тиновым еще в 1935 г. Позднее в трудах советских ученых А. П. Соколов-
ского, Д. Н. Решетова, Б. С. Балакшина, X. М. Еникеева и других во-
просы жесткости получили дальнейшее развитие. Исследования показали,
что суммарная деформация у системы при действии на последнюю силы Р
в большей степени зависит от деформации в стыках, чем от собственных
деформаций деталей станка. А так как деформации в стыках во многом
зависят от качества поверхности (точности формы, шероховатости), т. е.
от технологии производства, то для объективной оценки не только кон-
струкции станка, но и качества его изготовления, жесткость должна
контролироваться для каждого станка в дополнение к испытаниям на гео-
метрическую точность. Станки — сложные системы. В зависимости от
изменения величины и направления сил резания и положения узлов в них
могут работать различные поверхности стыков; соответственно будут
различны и значения жесткости.
Поэтому для того, чтобы результаты проверки на жесткость были
достаточно достоверны и объективны, необходимо при испытаниях по
возможности приблизиться к наиболее типичным реальным случаям
обработки, сохраняя для простоты испытаний статическое нагружение
системы. Для этого должен быть решен целый ряд частных задач.
1. Направление нагружающей силы выбирается на основе анализа
* р р
величин углов а и 0, где а = arctg и 0 = arctg (здесь и ниже Рх,
*2 *2
Ру и Рг — соответственно осевая, горизонтальная и вертикальная со-
ставляющие силы резания). В зависимости от обрабатываемого материала,
геометрии инструмента и пр. углы аир меняются в довольно широких
пределах. Однако, как установлено работами ЭНИМСа, для токарных
станков уже при а = 13-4-22° и меньше перемещение резца по горизон-
тали равно нулю, поэтому а не может быть меньше 25—30°. Для упроще-
ния испытаний было принято (3 = 0, так как жесткость мало меняется при
изменении р в диапазоне наиболее типичных значений. В связи с незна-
чительным влиянием крутящего момента на точность обработки его влия-
ние не учитывается. Все это позволяет окончательно нагружать станок
равнодействующей сил Ру и Рг, направленной через линию центров (так
как влияние диаметра обрабатываемой детали на жесткость невелико)
под углом а = 30°, причем такое упрощение схемы нагружения практи-
чески не отражается на результатах. Аналогично поступают и для других
станков.
2. Величина нагружающей силы должна быть достаточной для того,
чтобы вызвать перемещения, которые можно точно зафиксировать при
помощи обычного индикатора с ценой деления 0,01 мм, но она не должна
превышать нагрузки, допускаемой для испытуемого станка. Работы
В. А. Веденского дают значения нагружающей силы как функции основ-
ного размера станка. Например, для токарных станков Р = 0,75с1’5,
где D — максимальный диаметр обрабатываемой детали в мм.
3. Координаты точки приложения силы выбираются в соответствии
с типичным случаем обработки и исходя из удобства размещения приборов.
Учитывая, что положение поперечных салазок и изменение вылета резня
558
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ЖЕСТКОСТИ СТАНКОВ
в пределах от h до 2Л (Л — высота сечения резца) слабо влияют на жест-
кость, для токарных станков ЭНИМС рекомендует принимать расстояние
от точки приложения силы до резцедержателя Н = мм. При испыта-
ниях в патроне положение точки приложения силы у передней бабк*>
определяется вылетом и диаметром центра. Для испытаний в центра \
оговаривается вылет пиноли задней бабки (фиг. VII, 13).
4. Рекомендуется определенное типичное расположение перемещаемы"
узлов на станке (фиг. VII, 13).
Для станков с Д до 1000 мм
Для станков с наибольшим диаметром
обрабатываемой заготовки D — 400 мм
50 140 40
0,75—0,85 наиб, рас-
стояния между цен-
трами
При конусном от-
верстии в шпинделе
или пиноли
Морзе № 4
Морзе № 5
Морзе № 6
70
90
В случае прилагаемой силы Р=560 кГ
наибольшее допускаемое перемещение в мл
резцедержателя относительно
оправки в шпинделе 0,21
оправки в пиноли 0,27
Фиг. VII, 13. Условия проверки по нормам жесткости токарных станков общего назначе-
ния по ГОСТу 7895—56:
1 — нагрузочное устройство; 2 — индикатор для измерения относительных перемещений
5. Станок устанавливают так же, как при эксплуатации; перед испыта-
нием элементы, неподвижные во время работы станка, закрепляют; про-
веряют регулирование подвижных соединений и затяжку неподвижных
стыков.
6. Для того чтобы можно было судить и о качестве регулирования
стыков, должно быть соблюдено требование о нагружении сразу же
после установки узлов станка в заданные положения.
В соответствии с требованиями о направлении, величине и координа-
тах точки приложения нагружающей силы ЭНИМС разработал для раз-
ных станков ряд универсальных приборов для измерения жесткости.
Основными частями каждого такого прибора являются нагрузочное уст-
ройство (домкрат и предварительно протарированный динамометр с инди-
катором нагрузки) и индикаторы перемещений. Чтобы более точно выдер-
жать направление и координаты точки приложения силы, последнюю пере-
дают элементам станка через промежуточную деталь с шаровой поверх-
ностью. В качестве примера на фиг. VII, 14 показан прибор конструкции
ЭНИМСа для измерения жесткости токарных станков.
Показатели жесткости для производственных испытаний станков —
комплексные. Они дают суммарную жесткость станка, характеризуемую:
смещением вершины режущего инструмента относительно жесткой обра-
батываемой заготовки при нагружении силами резания. Суммарная
жесткость может быть получена как среднее арифметическое значений
жесткости станка, полученных для нескольких (четырех-пяти) ступеней
нагрузки. Величины ступеней зависят от выбранной величины максималь-
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ЖЕСТКОСТИ СТАНКОВ
559
ной силы (см. стр. 557). Для большей достоверности полученных резуль-
татов измерения испытание проводят 2—3 раза.
В качестве норм жесткости, с которыми сравниваются полученные
значения суммарной жесткости, в ГОСТах приводятся показатели, являю-
щиеся результатом обобщения статистических данных о фактической жест-
кости выпускаемых станков. Такие нормы являются вполне выполнимыми
и в то же время позволяют поддерживать качество проверяемых станков
на высоком уровне. В. А. Веденский (ЭНИМС) выразил жесткость в форме
Фиг. VII, 14. Прибор для измерения жесткости токарных станков в производственных
условиях:
1 — корпус? 2 — винт; 3 —• гайка; 4 — динамометр; 5 — оправка; 6 — индикатор перемещений
по оси г, 7 — индикатор динамометра; 8 — вертикальная стойка; 9 — пружина; 10 — штифт; 11 —
индикатор перемещений по оси у\ 12 — червяк
степенной функции основного размера станка. Например, для токарных
станков эта эмпирическая зависимость имеет вид (12]
/ = 1800D н!мм —у передней бабки
и
з---------------------------
/ = 1400 у D н/мм — у задней бабки,
где D имеет указанное выше (стр. 557) значение.
Для упрощенного контроля в производственных условиях в нормах
жесткости дается величина наибольшего допустимого перемещения частей
станка при действии максимальной нагружающей силы (см. фиг. VII, 13).
Статический метод определения суммарной жесткости станков, при-
нятый на наших заводах, прост, но, как и любой другой статический
метод, не учитывает всей специфики процесса резания. Поэтому до настоя-
щего времени не прекращаются поиски достаточно простого метода опре-
деления жесткости станков при резании.
В основе существующих методов лежит обработка за один проход
заготовки эксцентричной или ступенчатой формы. Следовательно, в про-
цессе обработки глубина резания резко меняется, вызывая мгновенное
560
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ЖЕСТКОСТИ СТАНКОВ
увеличение сил резания и смещение инструмента вместе с суппортом.
В результате появляются погрешности геометрической формы детали,
а на основании величин этих погрешностей оценивается жесткость станка.
Один из таких методов был разработан в Ленинградском политехническом
институте им. М. И. Калинина под руководством А. П. Соколовского.
На токарном станке обтачивают заготовку с эксцентричным пояском
(фиг. VII, 15, а) с минимальной глубиной резания 0,1—0,2 мм. Размеры
заготовки и геометрия резца в разных опытах берутся одинаковые, чтобы
можно было сопоставлять полученные резуль-
таты. Определив биение заготовки до обта-
чивания Дзаг (порядка 5—6 мм) и биение
детали после обтачивания Д$ет, находят так
называемое «уточнение» е = ~аг- и опреде-
&дет
ляют жесткость станка по эмпирической фор-
муле
/ = 10XCpS°’75 8 н/мм,
где
<9
Фиг. VII, 15. Виды заготовок,
используемых для определения
жесткости станков при резании
СР — коэффициент из формулы для вер-
тикальной составляющей силы реза-
ния (находится по справочнику ре-
жимов резания);
s — подача в мм/об.
В зависимости от геометрии, состояния
режущей кромки инструмента и материала
обрабатываемой заготовки значения Ср и X
меняются в довольно широких пределах. Так,
для встречающихся обычно значений главного
угла в плане ср величина X колеблется в пре-
делах 0,3—0,65, для конструкционной машиностроительной стали СР =
= 144-J-205, для чугуна СР= 100-4-150. Необходимость точно определять
значения Хи Ср применительно к конкретным производственным условиям
делают этот метод или громоздким, или весьма неточным (погрешность
до 50% и более), в силу чего его нельзя рекомендовать для примене-
ния. Поиски новых производственных методов определения жесткости
продолжаются. Так, в Запорожском машиностроительном институте был
предложен метод двух оправок и ступенчатого валика [101]; при этом методе
результаты эксперимента, характеризующие жесткость станка, оказы-
ваются непосредственно не зависящими от марки обрабатываемого мате-
риала, режимов резания и геометрии инструмента, которые сохраняются
постоянными в разных опытах. Два ступенчатых совершенно одинако-
вых образца, насаженные на две оправки с разной жесткостью (фиг. VII,
15, б), обрабатываются нав станке последовательно. Условия обработки
(вылет пиноли, зажим гаек бабки, установка резца и пр.) при этом сох-
раняются. Исходя из равенства сил резания при обработке образцов на
обеих оправках
У1 Уъ
i ionp i / ionp 2
где уг и у2 — соответственно величины перепада в радиусах на ступенча-
тых образцах^ обработанных на разных оправках, а /, jonpl и jonp2 —
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ЖЕСТКОСТИ СТАНКОВ
561
соответственно жесткости станка и оправок (по данным авторов jonp j —
= 9200 н!мм и jonp 2 = 21 000 н/мм), жесткость станка определится как
(У1 — У2) lonp 1 jonp 2
lonp 2 У2 — lonp 1 У1
н/мм.
Существуют и другие методы оценки суммарной жесткости станка.
При проведении испытаний на жесткость в лабораторных условиях
можно построить график отжатий в функции нагрузки у = f (Р) (фиг. VII,
16), который может дать лишь общее представление об особенностях упру-
гой системы.
Например, сильно вогнутая нагрузочная ветвь кривой у == f (Р) сви-
детельствует об уменьшении жесткости упругой системы с увеличением
нагрузки, что большей частью имеет
место при создании в отдельных
стыках, подшипниках и т. п. пре-
дварительного натяга. Когда наг-
рузка превысит величину затяжки,
стык раскрывается, и жесткость
системы падает.
Выпуклая нагрузочная ветвь
той же кривой, наоборот, харак-
теризует увеличение жесткости
упругой системы по мере роста
нагрузки на нее. Так бывает, нап-
ример, при плохой обработке сты-
ковых поверхностей, когда факти-
ческий контакт имеет место лишь
характеристика упругой системы станка мод.
1Д62М
в отдельных точках. При увели-
чении нагрузки происходит деформирование выступов поверхностей, пло-
щадь прилегания поверхностей увеличивается и жесткость возрастает.
Как правило, статическая характеристика упругой системы станка у =
= f (Р) нелинейна. Ее нелинейность может быть вызвана нелинейностью
упругих сил или влиянием сил трения. При более глубоком исследовании
станка разделение этих сил очень важно, так как их роль в динамических
процессах принципиально различна. При хорошем качестве сборки и при
отсутствии в несущей системе станка зазоров и слабых звеньев площадь
петли гистерезиса уменьшается, а сама характеристика приближается
к линейной. Для упрощения анализа характеристику линеаризуют в любом
случае. Выражая в аналитической форме такую линеаризованную харак-
теристику, приходят к уже известной зависимости
« Хаых У * Р
k = = -2— ИЛИ 1 =—.
Хвх Р J У
Однако знание только суммарной жесткости не всегда достаточно:
часто для того, чтобы предотвратить появление конструкций с низкой
жесткостью из-за одного слабого элемента, необходимо бывает оценить
жесткость отдельных элементов или узлов станка, качество их изготовле-
ния и сборки. Тогда составляется, обычно в лабораторных условиях,
баланс упругих перемещений (или, более строго, определяется структура
перемещений). Для этого при статическом нагружении, имитирующем дей-
ствие силы резания, измеряют, а затем пересчитывают к точке приложения
силы перемещения элементов упругой системы станка. Баланс упругих
562
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ЖЕСТКОСТИ СТАНКОВ
- индикаторы., измеряющие линейные
перемещения от общей базы 6 плоскости
чертежа (плоскость X0Z)
®/ —индикатор, измеряющий линейные
Т перемещения по оси, перпендикулярной
плоскости чертежа
Фиг. VII, 17. Схема расстановки приборов для состав-
ления укрупненного баланса упругих перемещений
в токарных станках при обработке в патроне
Укрупненный баланс упругих перемещений в токарном станке
для случая обработки в патроне
Элементы, переме- щения которых оп- ределяют перемеще- ние точки прило- жения силы Составляющие полного перемещения точки приложения силы J
бх (по оси X) Ьу (по оси У) 62 (по оси Z)
Передняя бабка 6Х1 = Д5 х — Аз%1 °»1- х,-х, л &%Х 4 — Д4 X 2 °Z1- х4-х2
Суппорт ~ Д7 = Д8 = Д6
Полное перемеще- ние точки прило- жения силы = — &Х1 4- &х2 бг = вг1-в2 2
Примечание. Дг«— истинное перемещение (измеренное от недеформируемой базы) > в точке, перемещения которой измеряются индикатором Z; Х^— координата точки, пере- мещения которой измеряются индикатором i. !
Фиг. VII, 18. Таблица обработки результатов измерений
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ЖЕСТКОСТИ СТАНКОВ
563
перемещений может иметь форму: укрупненного баланса упругих пере-
мещений, который дает общее представление о распределении перемещений
по узлам, детального баланса упругих перемещений узла и детального
баланса упругих перемещений станка; при составлении баланса этого вида
полное смещение точки приложения силы выражается в долях, определяе-
мых как собственными деформациями элементов упругой системы, так и
контактными деформациями в стыках.
В работах ЭНИМСа [30 1 даются общие методические указания по со-
ставлению балансов упругих перемещений при исследовании жесткости
станков. В качестве примера приведем схему расстановки приборов для
составления укрупненного баланса упругих перемещений в токарных
станках для случая обработки в патроне (фиг. VII, 17) и таблицу обработки
результатов измерений (фиг. VII, 18). Нагрузочные устройства, применяе-
мые при исследовании структуры перемещений, аналогичны описанным
выше (см. стр. 559), а в качестве измерительных приборов обычно приме-
няют индикаторы с ценой деления 0,01 и 0,002 мм, устанавливаемые на
стойках на общей недеформируемой базе. Для измерения угловых пере-
мещений используют уровни с ценой деления на 0,02 на 1000 мм.
Составление детального баланса более трудоемко, так как требует
экспериментального определения контактных деформаций, характеризуе-
мых взаимными перемещениями контактирующих тел в их соединениях.
ГЛАВА VI
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ.
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ В СТАНКАХ
В процессе эксплуатации станков часто наблюдается потеря устойчи-
вости системой. Это приводит к возникновению в процессе резания авто-
колебаний, которые ухудшают чистоту и точность обрабатываемой поверх-
ности, снижают производительность и сокращают межремонтные сроки
станков.
Неустойчивость системы проявляется в виде неравномерного, скачко-
образного движения узлов станка, чаще всего наблюдаемого при малых
скоростях скольжения. «Скачки», сопровождающие процесс резания, осо-
бенно вредны для станков, на которых выполняются окончательные (фи-
нишные) операции; при установочных перемещениях эти скачки снижают
точность установки столов, стоек, бабок и тому подобных узлов станков
«на координату» (точность позиционирования).
Одной из важнейших задач современного станкостроения является
создание станков, обладающих высокой виброустойчивостью. Выше (см.
раздел V, гл. XII) уже указывалось, что условия потери устойчивости
системой определяются значениями параметров всех элементов замкнутой
динамической системы станка, а также их связями, т. е. в первую очередь
конструкцией станка и условиями его работы. Дефекты изготовления и
сборки станка могут влиять на значения параметров упругой системы,
вносить в систему новые связи, создавать различного рода возмущения и
так далее, снижая установленный уровень устойчивости системы. Следо-
вательно, устойчивость динамической системы станка может служить на-
дежным критерием правильности конструкции, качества изготовления и
сборки станка и использоваться для оценки соответствия станка тем техно-
логическим возможностям, на которые он рассчитан. Этим объясняется
существование ряда специальных испытаний, которым подвергают как
опытные образцы станков новых моделей, так и серийно выпускаемые
станки. Методика лабораторных испытаний на виброустойчивость опыт-
ных образцов станков применительно к токарным и консольно-фрезерным
станкам общего назначения была разработана в ЭНИМСе под руководством
В. А. Кудинова [45].
Перед испытанием станок должен быть проверен на точность и жест-
кость, установлен и выверен по уровню при помощи клиньев или регули-
руемых башмаков на фундаменте, имеющем двойную амплитуду колеба-
ний от внешних воздействий не более 5—10 мкм. Станок устанавливают
без затяжки фундаментных болтов, если таковые предусмотрены.
Методику проведения таких испытаний покажем на примере токарного
станка. Испытания сводятся к определению так называемой предельной
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ
565
стружки и ее зависимости от скорости резания для характерных видов
обработки и определенной подачи. Под предельной стружкой понимается
максимальная ширина среза, снимаемая на станке без вибраций.
Основными характерными видами заготовок при испытании токарного
станка являются (фиг. VII, 19): вал, обрабатываемый в центрах (фиг VII,
19, а), (длина заготовки равна 0,7
Заготовки V в м/мин S в мм/об
а б в г 20—150 20—150 20—120 20—150 о р-^рр — ьэ — 1111 ~рр~ OUWQ
Фиг. VII, 19. Виды заготовок и режимы
резания, рекомендуемые для лабора-
торных испытаний токарных станков
на виброустойчивость (размеры .заго-
наибольшей длины обрабатываемой
детали); вал, закрепляемый консольно
в конусе шпинделя (фиг. VII, 19, б);
кольцо зажимаемое в патроне (фиг.
VII, 19, в); вал, зажимаемый в пат-
роне и поддерживаемый задним цент-
ром (фиг. VII, 19, г).
На фиг. VII, 19 заготовки даны
с размерами, рекомендуемыми для
проверки станка с высотой центров
200мм; материал заготовок—сталь 45.
Для экономии металла можно поль-
зоваться, например, составной оправ-
кой конструкции Оргстанкинпрома,
где участок резания расположен на
сменном полом кольце (фиг. VII, 20).
В качестве инструмента рекомен-
дуется проходной резец определен-
ной геометрии из быстрорежущей
стали для скоростей резания v <
Фиг. VII, 20. Составная оправка Орг-
станкинпрома
товок и режимы резания указаны для
станка с наибольшим диаметром обра-
ботки 400 мм)
< 30 м/мин или с пластинками из твердого сплава ВК8 или Т15К6 при
v > 30 м!мин. Регламентируются также размеры державки и вылет резца.
Резец должен быть строго установлен по высоте по заднему центру.
В процессе испытаний необходимо следить за состоянием режущей кромки
резца. Резцы должны перетачиваться без отклонения от принятой геометрии.
Испытания проводятся на рекомендуемых режимах резания (для токар-
ного станка с высотой центров 200 мм см. табл, на фиг. VII, 19) на всех
ступенях скорости привода главного движения и при трех-пяти различ-
ных подачах.
Определение предельной стружки является довольно трудной опера-
цией, так как предельный режим работы станка по своей природе весьма
неустойчив. Поэтому при определении предельной стружки по следам на
обработанной поверхности (при v < 25 м/мин), по характерному звуку
во время работы станка (v = 25-г-50 м/мин) или по сильной волнистости
и зазубренности сходящей стружки (v = 50-ь200м/мин) возможна ошибка
до 1 мм и больше.
566
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ
Для повышения точности определения предельной стружки и полу-
чения более объективных результатов рекомендуется в процессе испытаний
при помощи малоинерционной аппаратуры (например, индуктивного дат-
чика) параллельно вести наблюдения за уровнем колебаний заготовки,
корпуса шпиндельной бабки, стола и т. д.
На фиг. VII, 21 показана схема расположения аппаратуры при опре-
делении предельной стружки. Индуктивный датчик (фиг. VII, 22) пред-
ставляет собой катушку с же-
лезным сердечником, вклю-
ченную в цепь переменного
тока. Сила тока, протекаю-
Индуктидньгй, датчик
„ балансировочный "
Фиг. VII, 21. Схема установки датчиков и
соединения аппаратуры при определении пре-
дельной стружки
Фиг. VII, 22. Индуктив-
ный датчик:
1 — корпус датчика; 2—гай-
ка; 3'—сердечник; 4 — каркас
катушки; 5 — обмотка
щего в катушке, при постоянных напряжении и частоте питания прямо
пропорциональна зазору между сердечником и якорем. Если в качестве
якоря использовать какой-либо элемент упругой системы станка (на фиг.
VII, 21 якорем служит заготовка), то располагая датчик так, чтобы вели-
чина зазора составляла 0,1—0,3 мм, можно зафиксировать перемещения
этого элемента.
Для работы с такими датчиками используются различные мостовые
схемы с балансировочным датчиком, в измерительную диагональ которых
включается усилитель переменного тока. Сигнал с усилителя через спе-
циальную согласующую приставку подается на катодный осциллограф.
Момент возникновения предельной стружки будет сопровождаться резким
увеличением амплитуд колебаний, фиксируемых на экране осциллографа.
Параллельно с определением предельной стружки желательно фикси-
ровать частоты f возникающих при этом на станке вибраций.
Частоту f можно рассчитать по длине волны I мм и известной скорости
резания v м/мин:
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ
567
Фиг. VII, 23. График границ устойчивости
станка мод. 1К62 при обработке консольной
заготовки
или определить по экрану осциллографа. Знание этих частот (так назы-
ваемых частот собственных неустойчивых форм колебаний) полезно при
дальнейшем исследовании станка.
Полученные данные позволяют построить графики зависимости пре-
дельной стружки от скорости резания при различных подачах для каждого
вида обработки — так называемые графики границ устойчивости. Пример-
ный вид графиков границ устойчивости приведен на фиг. VII, 23. По вы-
соте расположения над осью абсцисс ломаных линий — границ устойчи-
вости — можно судить о способности станка снимать определенную
стружку без вибраций. Границы устойчивости удобны и для выяснения
влияния на виброустойчивость станка как различных конструктивных изме-
нений, вносимых в станок в про-
цессе испытаний опытного образца,
так и погрешностей изготовления.
В качестве примера рассмот-
рим влияние величины радиаль-
ного зазора переднего подшипника
шпинделя токарного станка мод.
1К62 на амплитуду относительных
колебаний заготовки при резании.
Разной величине радиального зазо-
ра соответствовал различный от-
жим переднего конца шпинделя
при нагружении заготовки гори-
зонтальной силой примерно 6000 н.
На фиг. VII, 24, а при отжиме
0,02 мм уровень относительных
колебаний заготовки значительно
отжим составлял 0,05 мм. В обоих случаях скорость шпинделя п =
= 500 об/мин, глубина резания t = 2 мм. Очевидно, что при отжиме
0,05 мм система обладает меньшим запасом устойчивости.
Для оценки ограничений технологических возможностей станка по
виброустойчивости ЭНИМС рекомендует пользоваться его производствен-
ной характеристикой. Как известно, производственная характеристика
станка, предложенная А. И. Кашириным [35], позволяет определять
область практического использования станка.
Производственные характеристики (фиг. VII, 25) строятся в логариф-
мической системе координат «скорость резания (пересчитанная на диа-
метр 100 мм) — подача» для наиболее типичных видов обработки и режи-
мов резания станка.
На производственную характеристику наносятся границы использо-
вания станка: 1 — по эффективной мощности на шпинделе или по мощ-
ности электродвигателя; например, для токарных станков
__ 6120М,
v Рг 9
р2 = Ср #>^-0,15.
2 — по стойкости инструмента, например, при обработке заготовки из
стали 45, проходным резцом с пластинкой из сплава Т15К6 с <р = 45° и
стойкости Т = 60 мин
меньше, чем на фиг. VII, 24, б, когда
где
165
- />.15^0.3 ’
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ВИБРОУСТОИЧИВОСТЬ
Фиг. VII, 24. Осциллограммы относительных колебаний заготовки
при резании на токарном станке мод. 1К62
Фиг. VI 1,25. Производственная характеристика токарного станка
с границей устойчивости
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ВИБРОУСТОИЧ ИВОСТЬ
569
3 — по прочности механизма подач — с использованием формулы Рх =
= СИ$°'Ч'~0’4 (для токарных станков); 4—по виброустойчивости.
Для построения последней границы пользуются экспериментально
полученными графиками границ устойчивости (фиг. VII, 23). Значе-
ния tnp с этих графиков наносятся на производственную характери-
стику, причем точки одинаковых значений tnp соединяются ломаными
линиями; образуется, таким образом, семейство границ использования
станка по виброустойчивости при определенной глубине резания.
Если на производственную характеристику нанести теперь область
преимущественного использования станка (на фиг. VII, 25 заштрихована)
при различных видах обработки (предварительной, окончательной), по-
строенную на основе статистических материалов, то будет видно, удовлет-
воряет ли данный станок предъявляемым к нему требованиям или нет.
В процессе лабораторных испытаний станка определяют условия и ре-
жимы цеховых испытаний его. Из различных видов заготовок выбирается
та, которая дает наименьшую устойчивость. Подачу рекомендуется брать
среднюю, вызывающую резкое увеличение амплитуды колебаний при уве-
личении глубины резания. Скорость выбирается равной скорости в зоне
наименьшего значения предельной стружки по графику границы устой-
чивости для выбранной ранее подачи. Глубина резания должна быть не-
много меньше или равна глубине резания при предельной стружке, полу-
чаемой на большинстве станков данной модели.
Цеховые испытания серийных станков проводят по сокращенной про-
грамме; цель их — проверка виброустойчивости как критерия качества
изготовления и сборки каждого станка.
В процессе цеховых испытаний заготовку обрабатывают при выбранных
таким образом режимах (для станка мод. 1К62 v = 30 4-35 м/ман, s =
= 0,12 мм/об, t = 2 лш). При отсутствии на обработанной поверхности
следов вибраций станок признается виброустойчивым, а в противном слу-
чае бракуется по виброустойчивости.
В лабораторных условиях виброустойчивость станка можно опреде-
лить и без резания — по амплитудно-фазовой частотной характеристике
(АФЧХ) системы, с использованием частотного критерия устойчивости.
Такой метод оказывается полезным при оценке влияния того или иного
параметра на устойчивость системы. Оценка производится по АФЧХ разом-
кнутой системы (см. раздел V, гл. XII), которая в данном случае полу-
чается перемножением АФЧХ резания и упругой системы. АФЧХ про-
цесса резания в настоящее время обычно берется по имеющимся экспери-
ментальным данным в простейшем виде — в виде коэффициента пропор-
циональности kp между силой резания и изменением толщины стружки
(передаточный коэффициент). Он равен произведению удельной силы реза-
ния k (для стали k % 20 000 бар) на ширину b стружки.
АФЧХ упругой системы станка может быть получена эксперименталь-
ным путем. Для этого в системе искусственно возбуждаются колебания
при помощи вибратора, создающего между суппортом и заготовкой сину-
соидальную возбуждающую силу в направлении силы резания в диапа-
зоне частот примерно 30—300 гц.
Для этой цели можно использовать электромагнитный вибратор
(фиг. VII, 26). Основой такого вибратора является электромагнит, на сер-
дечник 2 которого плотно насажена катушка 3 с двумя обмотками. Одна
из этих обмоток (обмотка подмагничивания 4) питается постоянным током
и создает постоянный магнитный поток в сердечнике, действующий с
определенной силой на якорь 1 электромагнита. Ко второй обмотке 5
570
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ
подводится переменный ток определенной частоты. Результатом работы
обеих обмоток является периодическое изменение силы, с которой якорь
притягивается к сердечнику электромагнита.
Якорь электромагнита соединяется с державкой 7, жестко закрепленной
в суппорте (в токарном станке).Сердечник вибратора крепят к оправке 3,
устанавливаемой в центрах или в патроне между передней и задней баб-
ками станка. Следовательно, периодическая сила, созданная вибратором,
будет передаваться упругой системе станка.
Фиг. VII, 26. Схема электромагнитного вибратора Фиг. VII, 27. Схема емкостного
датчика для измерения силы
Конструкция вибратора обычно предусматривает возможность изме-
нения направления возбуждающей силы, которая выбирается в соответ-
ствии с направлением результирующей силы резания. Величина возбу-
ждающей силы регистрируется при помощи специального встроенного ди-
намометра 6 с емкостным датчиком, представляющим собой конденсатор
переменной емкости. Схема динамометра показана на фиг. VII, 27. Сила
воспринимается жесткой мембраной, роль которой выполняет верхняя
часть 1 динамометра. С центром мембраны связана одна из пластин емкост-
ного датчика 2, электрически изолированная от корпуса. Вторая его пла-
стина 3, тоже изолированная от корпуса, отделена от первой воздушным
зазором 0,1—0,2 мм.
В конструкции датчика предусмотрена возможность регулирования
величины начального зазора. Под действием переменной силы мембрана
прогибается, изменяя расстояние между пластинами и, следовательно,
изменяя емкость конденсатора.
Жесткость мембраны выбирают с таким расчетом, чтобы зазор при ра-
боте менялся в пределах до 30% от первоначального (при этом характери-
стику датчика можно считать практически линейной).
Датчик обычно включают в мостовую схему, измерительная диагональ
которой через усилитель соединяется, для записи величины силы н-
пленку, со шлейфовым осциллографом.
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ
571
Фиг. VII, 28. Проволочный датчик (а)
и измерительная мостовая схема пере-
менного тока для проволочных датчи-
ков (6)
При неработающем станке при помощи вибратора для разных частот ш
снимают амплитудную и фазовую частотные характеристики упругой си-
стемы станка (см. фиг. VII, 30). Для этого на пленке одновременно фикси-
руются кривая изменения силы Р (вход-
ная координата элемента «упругая сис-
тема») и кривая относительного переме-
щения заготовки и суппорта у2 в нап-
равлении, нормальном к обрабатываемой
поверхности (выходная координата). Для
записи относительного перемещения у2
удобно использовать головку виброщупа
К61-А [36] с упругим элементом, на
который наклеены проволочные датчики
сопротивления. Проволочный датчик
(фиг. VII, 28,^ а) представляет собой
решетку из тонкой, чаще всего кон-
стантановой проволоки. Датчик при-
клеивают определенным образом к по-
верхности деформирующегося тела. Де-
формации тела приводят к растяжению
или сжатию проволок решетки, что соп-
ровождается изменением омического соп-
ротивления датчика, которое фикси-
руется электрическими средствами. Дат-
чики обычно включают в мостовую схему,
повышающую чувствительность измере-
ний. Одна из распространенных мосто-
вых схем для работы с усилителем при-
ведена на фиг. VII, 28, б. Рабочие датчики /?1? R2i R3 и Т?4 включают
в плечи моста, питаемого переменным током. Частота тока (1000—10 000гц)
должна быть заведомо выше частоты записываемого процесса. При помощи
потенциометра Rb балансируются активные соп-
ротивления плеч моста. Реактивные сопротив-
ления плеч (мост питается переменным током)
балансируются потенциометром Re и перемен-
ным конденсатором С19 включенным параллельно
плечам R3 и /?4.
Выход моста (измерительную диагональ) под-
ключают к специальному усилителю. Ток в изме-
рительной диагонали сбалансированного моста
отсутствует. Изменение сопротивлений датчиков
разбалансирует мост, в результате чего появ-
ляется ток тем больший, чем значительнее изме-
нилось сопротивление датчиков. Направляя сиг-
нал, полученный от моста, к усилителю, а затем
на осциллограф, фиксируют таким образом очень
незначительные деформации упругого элемента
головки виброщупа. Упругий элемент головки
виброщупа К61-А (фиг. VII, 29) [36] представляет собой изогнутую в виде
дуги пружину 1 с иглой 5; концы пружины запаяны в планке 4. Дат-
чики 2 наклеивают попарно с внешней и внутренней сторон пружины
около иглы. Для записи относительных колебаний головку крепят на суп-
порте, а игла упирается в поверхность оправки, относительные колебания
Фиг. VII, 29. Упругий эле-
мент головки виброщупа
К61-А (конструкции С. С.
Кедрова — ЭНИМС)
572
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ
которой исследуются. Образец кадра пленки с записанными кривыми
изменения силы Р и относительного перемещения у2 для опреде-
ленной частоты приведен на фиг. VII, 30, а. Обрабатывая пленку, строят
амплитудную и фазовую частотные характеристики (фиг. VII, 30, 6),
а по ним в плоскости комплексного переменного — амплитудно-фазовую
частотную характеристику упругой системы (фиг. VII, 30, в).
Фиг. VII,30. Построение амплитудно-фазовой частотной характеристики (АФЧХ)
по экспериментальным данным:
а — образец кадра пленки; б-—амплитудная (/) и фазовая (2) частотные характеристики
упругой системы; в — АФЧХ упругой системы
Для получения фазы <р по данным, взятым с пленки, находят отноше-
ние смещения волн двух колебаний S и длину волны %. Отношение этих
величин, умноженное на 360° или на 2л, дает фазу в градусах или радиа-
нах, т. е.
Ч>=4-360°.
Перемножение АФЧХ резания и упругой системы сводится практи-
чески к изменению масштаба экспериментально построенной АФЧХупру-
гой системы в kp раз. По виду полученной в результате перемножения
АФЧХ разомкнутой системы (фиг. VII, 31) можно судить об устойчивости
замкнутой системы, каковой является работающий станок (см. раздел V.
гл. XII). По ней также можно найти предельное значение коэффициента kr
(на фиг. VII, 31 отрезок АВ), а значит и максимальную ширину стружки Ь.
при которой система еще не потеряет устойчивости.
Влияние нелинейностей упругой системы станка, а также сложность
или отсутствие аппаратуры в ряде случаев ограничивают возможность
использования частотного метода. Но зато метод оценки виброустойчи-
вости станка по АФЧХ не требует превращения металла в стружку при
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ
573
испытаниях. Этот метод оказывается также полезным при оценке влияния
того или иного параметра системы (жесткости, массы, скорости резания
и т. п.) на ее устойчивость и при проверке результатов теоретических рас-
четов устойчивости станков.
В случае недостаточной виброустойчивости станка одним из методов
выяснения причин этого является анализ форм колебаний упругой си-
стемы станка.
Формой колебаний для линейной системы называется совокупность
отношений перемещений отдельных колеблющихся точек к перемещению
какой-либо одной точки упругой системы,
взятых в определенный момент времени
(с учетом сдвига фаз) для заданной частоты.
Форма колебаний нелинейной системы,
какой является станок, может быть лишь
очень приближенной, но позволяющей судить
о перемещении отдельных точек станка при
колебаниях.
Форма колебаний определяется для всех
частот интенсивных вибраций, которые были
выявлены при испытании на виброустойчи-
вость резанием. Колебания в системе при этом
создают искусственно либо резанием на виб-
рационном режиме, либо используя вибра-
тор, как при снятии АФЧХ упругой системы.
Перед тем, как выбрать точки измерения
колебаний, грубо оценивают интенсивность
колебаний. В месте, достаточно удобном для
монтажа датчика, где колебания очень интен-
сивны и имеют правильную форму, уста-
Фиг. VII, 31. Разомкнутая сис-
тема и ее амплитудно-фазовая
частотная характеристика
навливают на все время эксперимента датчик
контрольной точки. Им может быть датчик для измерения относительных
колебаний, если он установлен на недеформируемой базе. Например, для
токарного станка колебания в контрольной точке (колебания заготовки
у задней бабки в вертикальной плоскости) измеряются индуктивным дат-
чиком, установленным на станине, которая в вертикальной плоскости
при колебаниях практически не деформируется. Колебания в контроль-
ной точке могут быть измерены и виброметром сейсмического типа. Один
из таких виброметров с индуктивным датчиком показан на фиг. VII, 32
[36]. Виброметр закрепляют в контрольной точке. При этом его корпус 4
начинает колебаться, повторяя колебания той детали, на которой он уста-
новлен, а сейсмический груз /, подвешенный на двух очень податливых
плоскопараллельных пружинах 2, практически остается неподвижным (при
условии, что частота собственных колебаний груза на пружинах сущест-
венно ниже частоты колебаний корпуса). Абсолютные колебания корпуса
относительно неподвижного сейсмического груза фиксируются при помощи
индуктивного датчика 3, реагирующего на изменение зазора при колеба-
ниях.
Другие точки замера колебаний выбираются с таким расчетом, чтобы
можно было выявить характер деформирования или перемещения всех
деталей упругой системы станка. Детали, амплитуда колебаний которых
относительно невелика, могут считаться жесткими. Перед определением
формы колебаний составляется схема расположения всех точек на станке,
а сами точки нумеруются (на фиг. VII, 33 точки 1—42).
574
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ
Фиг. VII, 32. Виброметр сейсмического
типа с индуктивным датчиком (конструк-
ции С. С. Кедрова — ЭНИМС)
Фиг. VII, 33. Примерная схема распо-
ложения точек измерения при снятии
формы колебаний токарного станка
Фиг. VII, 34. Схема работы виброщупа К61-А
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ
575
Для замера абсолютных колебаний упругой системы в этих точках
удобно использовать виброщуп типа К61-А конструкции Кедрова С. С.
с проволочными датчиками [36]. Головка виброщупа была описана на
стр. 571, фиг. VII, 29. Головку прикрепляют к массивной державке —
корпусу, который при измерениях держат в руке, с определенным натя-
гом прижимая иглу чувствительного элемента к колеблющемуся объекту.
Натяг контролируется микроамперметром (50—0—50 мка), встроенным
в корпус щупа и включенным параллельно шлейфу осциллографа (фиг.
VII, 34). Поставив переключатель в положение «грубо», увеличивают
576
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ВИБРОУСТОЙЧИВОСТЬ
натяг до тех пор, пока стрелка микроамперметра не станет на нуль. После
этого, переключившись на «работу», измерительную диагональ моста через
усилитель соединяют со шлейфом. Исключение при этом из цепи микро-
амперметра сопротивления 2—10 ком позволяет более тонко регулировать
натяг. Шунтирующее влияние цепочки 1—сопротивление 1—4 ком —
микроамперметр (имеющий большое внутреннее сопротивление) — 2—3
на шлейф незначительно.
Основной тон колебаний пружины (500 гц) подавляется при достаточ-
ном натяге упругого элемента щупа. Влияние качаний руки оператора,
держащего щуп, практически незаметно при небольшой длине кадра.
После обработки осциллограмм результаты измерений (т. е. перемеще-
ние контрольной точки, точки измерений и фазы между ними) протоко-
лируются. Полученные данные (средние по трем-пяти замерам для каждой
точки) позволяют найти относительные амплитуды колебаний точек с уче-
том фазы и в определенном, удобном для пользования масштабе нанести
полученную форму колебаний на схематический чертеж станка (фиг. VII.
35). На схематическом чертеже суппорта обозначены точки (1—18) замера
колебаний.
Наряду с регистрацией поступательных перемещений намеченных точек
упругой системы снимаются формы крутильных колебаний привода, для
чего могут быть использованы проволочные датчики, наклеенные на валы
привода по схеме для измерения крутящих моментов (см. стр. 617).
Формы колебаний наглядно показывают, перемещения каких элемен-
тов станка и в какой мере определяют относительное движение заготовки
и инструмента, приводящее к возникновению автоколебаний при резании.
Например, фиг. VII, 35 показывает, что у токарного станка наибольшие
перемещения имеет задний конец заготовки, перемещения же суппорта
примерно в 5 раз меньше. Знание форм колебаний станка имеет очень
большое значение для обоснования расчетной схемы его упругой системы
(см. раздел V, гл. XII).
ГЛАВА VII
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ СТАНКОВ НА ХОЛОСТОМ
ХОДУ
Одним из условий высокого динамического качества станка является
возможно более низкий уровень относительных колебаний инструмента
и заготовки при его работе.
По характеру своему колебания могут быть самовозбуждающимися
(автоколебаниями) и вынужденными.
Выше было показано, как определяют предельные условия (режим,
сечение стружки и пр.), при которых в станке возникают автоколебания.
Остановимся теперь на вынужденных колебаниях.
В числе причин, вызывающих усиление относительных колебаний ин-
струмента и заготовки работающего станка, можно назвать различные
внешние силовые и кинематические воздействия, оказывающие при устой-
чивой системе вредное влияние на качество обрабатываемой поверхности и
являющиеся одним из источников повышенного шума станков. К этим
воздействиям относятся периодические силы из-за неуравновешенности
роторов электродвигателей, шлифовальных кругов, шкивов, заготовок
и т. д.; периодические силы из-за погрешностей зубчатых зацеплений (на-
« nz
пример, погрешность шага зацепления может проявиться с частотой ,
где п и z — соответственно число оборотов в минуту и число зубьев колеса),
погрешностей и влияния ременных передач (например, с частотой попереч-
ных вибраций ветви ремня), погрешностей зубчатых (шлицевых) и шпо-
ночных соединений, несоосности муфт, волнистости дорожек в подшипни-
ках качения (здесь возможны также случаи резонанса при совпадении
одной из вынужденных частот с собственной частотой одного из колец
подшипника, в связи с чем важное значение имеет характер посадки
подшипника в корпус и на вал и величина предварительного натяга)
и т. д._
Все эти возмущения, наряду с воздействиями на фундамент станка
от внешних источников и изменением настройки системы станка приводят
к вынужденным колебаниям, проявляющимся на поверхности детали в виде
волнистости и микронеровностей. Наибольшее влияние вынужденные коле-
бания оказывают на работу отделочных станков.
Влияние такого рода периодических и непериодических воздействий,
являющихся следствием дефектов изготовления станка и в первую оче-
редь — его привода, особенно заметно на холостом ходу станка. Поэтому
уровень колебаний холостого хода станков удобно использовать для оценки
качества их изготовления и сборки: при одинаковом частотном спектре
колебаний холостого хода двух станков погрешности будут большими
у того, амплитуды колебаний которого больше.
19 Ачеркан. Зак. 659.
578
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ СТАНКОВ НА ХОЛОСТОМ ХОДУ
С целью разработки отраслевой нормали допустимых колебаний стан-
ков на холостом ходу в ЭНИМСе под руководством В. А. Кудинова и
Т. С. Воробьевой ведется, начиная с 1960 г., работа по исследованию
колебаний холостого хода.
Нормы должны явиться результатом статистической обработки данных
измерения уровня колебаний холостого хода станков, удовлетворительно
прошедших испытания на точность, жесткость и виброустойчивость.
Наибольший интерес представляют измерения относительных колеба-
ний инструмента и заготовки, как непосредственно влияющих на точность
обработки, и изучение влияния разного рода возмущений на уровень
этих колебаний.
a/\AA/V\A/\A/vvvWA/
а)
/\AA/\A/VW\A/V\/V\/
б)
GJ)? сек Н—
______I------1______।___’—।
б)
Фиг. VII, 36. Схема измерения уровня
относительных колебаний заготовки на
холостом ходу:
1 — прибор АВ-1 (или ИВ-2); 2 — индук-
ционный датчик ЛДС-13; 3 — прокладка
из фольги; 4 — оправка
Фиг. VII, 37. Осциллограммы относи-
тельных колебаний инструмента и заго-
товки токарно-винторезного станка
мод. 1К62:
а—при снятых приводных ремнях; б—при
нормальном натяжении приводных ремней;
в — при сильном натяжении приводных
ремней
Так как изучению в данном случае подлежат возмущения, вызываемые
дефектами станка или его узлов, то какие-либо иные возмущения (напри-
мер, передаваемые через фундамент) должны иметь значительно более
низкий уровень. В некоторых случаях после соответствующей проверки
размаха колебаний фундамента можно ввести дополнительную виброизо-
ляцию станка. Для станков нормальной точности такой виброизоляции
обычно не требуется.
Так как колебания измеряют при работающем на разных числах обо-
ротов в минуту станке, большое влияние на показания приборов оказы-
вает биение оправки, укрепляемой в конусном отверстии шпинделя станка
и выполняющей роль заготовки. ЭНИМС рекомендует использовать при
исследовании токарных станков специальную регулируемую оправку
с биением не более 5 мкм, при исследовании шлифовальных станков —
оправку с доведенными центрами и отбалансированным хомутиком.
Относительные колебания оправки измеряют, как правило, при помощи
головки виброщупа К61-А или индукционного датчика ЛДС-13, которые
устанавливают и закрепляют в резцедержателе (в случае исследования то-
карного станка) или на столе (если исследуется круглошлифовальный
станок). Игла датчика (фиг. VII, 36) через прокладку из алюминиевой или
латунной фольги толщиной в несколько сотых миллиметра касается ци-
линдрической шейки вращающейся оправки. Прокладка уменьшает износ
иглы датчика, а наносимая на поверхность оправки графитовая смазка
предотвращает быстрое протирание прокладок. Ни прокладка, ни смазка
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ СТАНКОВ НА ХОЛОСТОМ ХОДУ
579
существенных искажений в характер записанных кривых не вносят. При
исследовании круглошлифовальных станков дополнительно измеряют отно-
сительные колебания стола и шлифовальной бабки. При измерении вибро-
щупом сигнал от него поступает через усилитель на шлейфовый осцилло-
граф, где фиксируется на пленку. Полученные кривые часто имеют негар-
монический характер, и возбудитель вынужденных колебаний удается
выявить лишь последовательным отключением различных элементов при-
вода или изменением характера их влияния с одновременным фиксирова-
нием на пленку и анализом полученных таким способом результатов.
Фиг. VII, 38. Индукционный датчик ЛДС-13 (конструкции ЭНИМСа) для измерения
относительных перемещений
На фиг. VII, 37 приведены осциллограммы, показывающие влияние
на уровень относительных колебаний токарного станка колебаний элек-
тродвигателя при разном натяжении приводных ремней. Хорошо видно,
что если при нормальном натяжении ремней уровень относительных коле-
баний почти такой же, как и при отсутствии ремней, то сильное их натя-
жение приводит к резкому (в 3—4 раза) возрастанию амплитуды этих
колебаний, причем несколько меняется и их частота.
Удобен для измерения относительных колебаний и разработанный
в ЭНИМСе индукционный датчик ЛДС-13 (фиг. VII, 38). Корпус датчика,
представляющий собой стальной цилиндр 7 диаметром 50 и длиной ПО мм,
закрепляется на суппорте или столе станка. Игла 9 датчика при помощи
винта 8 связана с двумя катушками 6, подвешенными на плоских круглых
пружинах 1 с дугообразными вырезами. Катушки 6 при нажатии на иглу
перемещаются в кольцевых зазорах, образованных изнутри полюсными
наконечниками 2 постоянного магнита 5, запрессованного в центре дат-
чика в силуминовой втулке 4, и снаружи — полюсами 5, концентричными
полюсным наконечникам. Катушки соединены последовательно навстречу
друг другу, и концы их выведены из корпуса. При перемещениях катушек
в кольцевых зазорах в них появляется ток, напряжение которого пропор-
ционально скорости перемещений. Индукционный датчик, являясь генера-
торным довольно мощным датчиком, не требует специального усилителя,
как проволочные датчики, что особенно ценно при работе в цехе.
580
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ СТАНКОВ НА ХОЛОСТОМ ХОДУ
Датчик ЛДС-13 может работать в комплекте с электронным прибо-
ром АВ-1 (конструкции ЭНИМСа) для анализа вибраций. В схеме при-
бора имеется интегрирующая ячейка, что дает возможность по величине
отклонения стрелки микроамперметра прибора определять непосредственно
амплитуду какой-либо составляющей относительного колебания. Анали-
затор достаточно портативен и удобен для быстрого проведения анализа
сложного колебания с определением у овней отдельных частотных соста-
Амплитуда
вынужденных колебании,
при резании
а)
Фиг. VII, 39. Частотный спектр колебаний
холостого хода эталонного станка мод. 1К62
1пшп—1250 об/мин; биение оправки 0,010 мм
(а); определение амплитуды вынужденных
колебаний при резании (б)]
вляющих по показаниям стрелоч-
ного прибора. При одинаковом
уровне составляющих сложного
колебания прибор позволяет выде-
лить колебания, отличающиеся по
частоте на 5%.
На фиг. VII, 39 приведен при-
мерный вид частотного спектра
колебаний холостого хода токар-
ного станка мод. 1К62, построен-
ного при помощи прибора АВ-1.
Частотный спектр колебаний холо-
стого хода определяется в основ-
ном наиболее мощными возбуди-
телями и собственными колеба-
ниями упругих элементов системы.
Для контроля качества изготовле-
ния станка ЭНИМС предложил
нормировать уровень колебаний
холостого хода по частотным диа-
пазонам.
В основе этого предложения
лежат разработанные В. А. Куди-
новым теоретические положения
о связи между динамической пог-
решностью Обработки при внешне:»'
силовом или кинематическом воз-
действии и амплитудой относитель-
ных колебаний инструмента и заго-
товки на холостом ходу Ахх.
Согласно этим положениям амплитуды АХлХ вынужденных относитель-
ных колебаний холостого хода при резании увеличиваются, если длина
радиуса-вектора Азн амплитудно-фазовой характеристики разомкнутой
системы для их частот меньше единицы (фиг. VII, 39), и тем сильнее, чем
ближе частоты этих колебаний к собственным частотам неустойчивых форм
колебаний системы и чем меньше устойчивость системы. Амплитуды х
относительных колебаний с частотами, для которых величина коэффици-
ента ASH > 1, наоборот, уменьшаются.
Обычно амплитуда колебания, кратного числу оборотов шпинделя,
при холостом ходе значительно больше амплитуды колебаний неустойчи-
вой формы. При обработке же на повышенных режимах резания увеличи-
вается амплитуда колебаний неустойчивой формы вплоть до возникнове-
ния автоколебаний. Амплитуда колебаний неустойчивой формы при этом
может значительно превысить амплитуду более низкочастотных колебанш:
Из сказанного выше видно, во-первых, то, что для разных моделе..
станков очень важно определять собственные частоты неустойчивых форм
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ СТАНКОВ НА ХОЛОСТОМ ХОДУ
581
колебаний (например, при испытаниях на виброустойчивость резанием),
а во-вторых, то, что нормы по уровню колебаний на холостом ходу для
составляющих, частоты которых в спектре лежат ближе к частотам воз-
можных в системе автоколебаний, должны быть более жесткими, чем для
других частотных диапазонов, т. е. нормирование должно проводиться
дифференцированно, по частотным диапазонам.
Для возможности быстрой проверки уровня колебаний холостого хода
станков по частотным диапазонам в ЭНИМСе был разработан электронный
прибор-измеритель вибраций ИВ-2 для работы с датчиком ЛДС-13. При-
бор ИВ-2 при помощи переключателя настраивается на пропускание задан-
ного диапазона частот; при этом частоты, лежащие вне этого диапазона,
ослабляются. Как и анализатор АВ-1, прибор ИВ-2 имеет интегрирующую
ячейку и поэтому позволяет непосредственно по показаниям микроампер-
метра определять среднее значение амплитуд относительных колебаний
в микрометрах в заданном диапазоне частот.
Из спектра относительных колебаний холостого хода видно, что очень
высокие пики колебаний наблюдаются и на частотах, сравнительно далеких
от опасных (в смысле усиления колебаний при резании) частот. Среди этих
пиков, как правило, наибольшим по высоте является пик на частоте, опре-
деляемой числом оборотов электродвигателя (при пэ ~ 1500 об/мин —
25 гц). Даже при ослаблении уровня этих колебаний, которое произойдет
при резании, амплитуда их может оказаться недопустимо большой. По-
этому ЭНИМС предложил дополнительно измерять и нормировать уро-
вень колебаний наиболее вероятных и мощных источников внешних воз-
мущений и, в частности, уровень колебаний узла электродвигателя.
Найдя соответствие между уровнем абсолютных колебаний электро-
двигателя и реакцией системы на эти колебания — в виде повышения
уровня относительных колебаний инструмента и заготовки (своего рода
коэффициент передачи) — для проверяемых станков, можно проверять
и нормировать непосредственно колебания самого электродвигателя еще
до установки его на станок.
Для измерения колебаний электродвигателя можно пользоваться сей-
смическим индукционным датчиком ЛДС-13С, построенным на базе дат-
чика ЛДС-13. После сравнительно несложной реконструкции (которая
сводится к удалению иглы, увеличению податливости пружин 1 (см.
фиг. VII, 38), увеличению массы, подвешенной на этих пружинах, и изме-
нению наконечника корпуса) датчик ЛДС-13С в комплекте с теми же реги-
стрирующими приборами дал возможность сравнительно просто измерять
уровень абсолютных колебаний в интересующих нас точках.
В качестве примера использования описанных выше приборов при-
ведем некоторые данные о колебаниях электродвигателей и их влиянии
на уровень относительных колебаний в зоне обработки, полученные
в ЭНИМСе при проверках круглошлифовальных станков мод. 31 ЮМ.
Электродвигатель, являясь одним из наиболее вероятных источников
возмущений, совершает колебания в горизонтальной и вертикальной пло-
скостях, причем первые по величине — наибольшие и достигают 6—15 мкм,
а в отдельных случаях 25 мкм (без ременной передачи). В спектре колеба-
ний электродвигателя особенно выделяются составляющие на частоте,
равной числу его оборотов (основная составляющая из-за неуравновешен-
ности ротора), и на частоте 100 гц (из-за несимметричности электромагнит-
ного поля). Ременная передача обычно повышает уровень колебаний элек-
тродвигателя на 20—30% в направлении передачи. Исследования кругло-
шлифовальных станков, проведенные в ЭНИМСе, показали, что колебания
582
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ СТАНКОВ НА ХОЛОСТОМ ХОДУ
электродвигателя сильно влияют на уровень относительных колебаний
между столом и корпусом шлифовальной бабки. Величины колебаний на-
(фиг. VII, 40). Это указывает на на-
личие явно выраженной положи-
тельной корреляции между изме-
ряемыми величинами.
Исследования большого количе-
ства станков, проведенные ЭНИМ-
Сом при помощи этих приборов,
подтвердили основные теоретиче-
ские положения, лежащие в основе
работы по изучению колебаний
холостого хода станков. У всех без
исключения станков, у которых
наблюдался повышенный уровень
колебаний на холостом ходу и осо-
бенно на частотах, близких к час-
тотам собственных неустойчивых
форм колебаний станка, вибро-
устойчивость при резании оказа-
лась пониженной; однако не все
станки, удовлетворительно про-
шедшие испытания по уровню коле-
баний холостого хода, оказыва-
ходятся в вероятностной зависимости
Фиг. VII, 40. Зависимость относительных
колебаний шлифовальной бабки станка мод.
31 ЮМ от уровня колебаний электродвига-
теля (по данным ЭНИМСа)
лись достаточно виброустойчивыми при резании. Это не только подтверж-
дает необходимость проведения таких испытаний для каждого станка
с целью более полной оценки качества его изготовления и сборки, но и
одновременно доказывает, что испытания на холостом ходу ни в коей мере
не исключают проведение испытаний на виброустойчивость (резанием или
по АФЧХ).
ГЛАВА VIII
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ШУМ
При повышении рабочих скоростей современных металлорежущих
станков предъявляются более высокие требования к качеству их изгото-
вления. Одним из критериев качества изготовления и сборки станка
является шум, возникающий при его работе. Анализ частотных спектров
шумов станков позволяет выявить наиболее интенсивные источники воз-
никновения шума. В первую очередь это вынужденные колебания, вызван-
ные погрешностями изготовления. Некоторые частотные составляющие
вызываются также автоколебательными процессами и свободными колеба-
ниями с частотой собственных колебаний отдельных деталей станков.
Интенсивными источниками шума являются также гидросистемы и электро-
двигатели станков, причем у последних наиболее неприятна высокочастот-
ная составляющая магнитного шума, излучаемого поверхностью статора.
Повышенный уровень шума вредно действует на людей, работающих
вблизи станка. Для обеспечения нормальных условий работы уровни
шума в производственных помещениях регламентируются. В зависимости
от частотной характеристики шума устанавливаются допустимые общие
уровни шума в производственных помещениях в соответствии с табл. VII, 1.
Таблица VII, 1
Класс шума Характеристика шума Допустимый уро- вень в дб
1 Низкочастотный — наибольшие уровни в спектре расположены ниже частоты 350 гц 90
II Среднечастотный — наибольшие уровни в спектре расположены ниже частоты 800 гц 85
III Высокочастотные — наибольшие уровни в спектре рас- положены при частотах в гц: 800—1600 Св. 1600 до 4000 80 75
Примечание. Уровень шума в децибелах выражает собой десятичный логарифм отно-
шения измеряемой мощности звуковой волны и мощности звука на пороге слышимости 'при ча-
стоте 1000 гц (10-^ вт/см2).
Шум каждого отдельного станка должен быть значительно ниже этой
нормы и ограничивается предельными максимальными уровнями частот-
ных составляющих спектра (фиг. VII, 41).
584
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ШУМ
Выбор значений уровней в основном определяется мощностью привода
главного движения станка. Частотный спектр шума не должен выходить
за границы соответствующей предельной линии: При мощности при-
вода в кет:
Фиг. VII4, 41. Предельные максимальные
уровни частотных составляющих спектра
шума. ПС — порог слышимости
До 1 ПС-50 4—6,3 ПС-70
1—1,6 ПС-55 6,3—10 ПС-75
1,6—2,5 ПС-60 Св. 10 ПС-80
2,5—4 ПС-65
Для измерения шума обычно
применяют объективные шумомеры
типов Ш-3, Ш-52, Ш-60 (СССР), а
также приборы фирм Dawe (Англия)
и Брюль и Кьяр (Дания). Объек-
тивный шумомер состоит из мик-
рофона, лампового усилителя с вы-
прямителем и стрелочного при-
бора-указателя, проградуирован-
ного в децибелах. Человеческое
ухо наиболее чувствительно к зву-
кам средних частот (примерно от 700 до 5000 гц). Соответственно и харак-
теристики усилителя подбираются подобными кривым чувствительности
слуха—так называемым «кривым равной громкости» (фиг. VII, 42). При
этом одинаковые по силе, но разные по частоте звуки будут усиливаться
по-разному и вызывать раз-
ные отклонения стрелки
прибора.
В ЭНИМСе под руко-
водством В. А. Васильева
разработана методика ис-
пытания станков на шум
[11]. Измерение общего
уровня шума является обя-
зательным при испытаниях
опытных образцов новых
моделей станков и выбо-
рочно для серийных стан-
ков.
Для получения правиль-
ных результатов измере-
ния шума следует обратить
внимание на два обстоя-
Фиг. VII, 42. Кривые равной громкости
тельства:
1. Шумовые помехи от посторонних источников шума должны быть
слабее минимального суммарного уровня шума примерно на 10—12 дб:
в противном случае в результаты измерений необходимо внести поправку
в соответствии с данными, приведенными ниже [11]:
Разность уровней при включенном
и выключенном испытуемом
станке в дб..................1
23456789 10
Поправка, которую вычитают из
суммарного уровня шума, в дб 6,9
4,3 3,0 2,2 1,7 1,3 1,0 0,7 0,6 0,5
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ШУМ
585
2. В помещении должны отсутствовать стоячие волны; в противном
случае следует избегать установки микрофона в «мертвых точках» — точ-
ках с резким снижением уровня шума.
Станок устанавливают на упругих виброизолирующих опорах, пре-
пятствующих передаче вибраций от станка фундаменту. Микрофон объек-
тивного шумомера помещают на рабочем месте на расстоянии примерно
Фиг. VII, 43. График уровня силы шума на различных
ступенях чисел оборотов
0,5 м от станка, а иногда в нескольких точках, расположенных равномерно
вокруг станка (на фиг. VII, 43 — точки 1, 2,3 и 4). Уровни шума измеряют
при работе станка на холостом ходу при последовательном включении
всех чисел оборотов шпинделя. Результаты измерения шума заносят в про-
токол, по ним строят кривые зависимости уровня шума от числа оборотов
в минуту шпинделя (фиг. VII, 43). В случае наличия в станке узлов или
агрегатов, являющихся самостоятельными источниками интенсивного
шума, проводятся дополнительные измерения шума вблизи этих источ-
ников.
Для выяснения причин повышенного шума во время работы станка
и возможных способов его ослабления во время испытаний опытных образ-
цов станка при значениях чисел оборотов шпинделя, на которых уровень
шума был максимальным, производят частотный анализ этого шума. Для
586
ИСПЫТАНИЕ СТАНКОВ НА ШУМ
этого применяются различные анализаторы звуковых частот, подключае-
мые к шумомеру. Например, анализаторы с полосовыми фильтрами в осноз
своей имеют набор электрических фильтров, каждый из которых прог;»
скает колебания только в узкой полосе частот, а остальные задерживав"
Настраивая такой анализатор на различные частоты, от низких до высо-
ких, при помощи выходного прибора определяют уровни шума в отдель-
ных частотных полосах, выделенных из общего спектра измеряемого шума
Условием точности анализа является применение фильтров с узкс
полосой пропускания частот (ширина полосы в 1 октаву и отношены,
средних частот соседних полос 1 : 2, или ширина полосы в 7з октавь
и отношение 1 : 1,26).
По результатам измерений строят графики спектра шума (фиг. VII, 44 >
Чтобы уменьшить затраты времени на выполнение частотного анализа
шума до 1—2 мин при лабораторных испытаниях в последнее время стал?:
применять панорамные анализаторы гармоник, автоматически дающие
развертку спектра шума на экране катодного осциллографа. Недостатков
таких анализаторов является их относительная громоздкость.
Для более детального изучения причин шума рекомендуется последо-
вательно определить уровни шума отдельных звеньев кинематически?,
цепей или узлов исследуемого станка и составить баланс уровней шума
станка. По результатам баланса уровней шума, а также сопоставляя рас-
четные значения частот вынужденных и свободных колебаний с резуль-
татами частотного анализа, можно выявить причины шума станка на дан-
ной ступени чисел оборотов и наметить пути их устранения. Одновременно
определяются средние значения уровней шума отдельных элементов станка,
которые принимаются в качестве нормативных.
При отсутствии необходимой звукоаналитической аппаратуры ЭНИМС
рекомендует записывать шум на магнитную пленку, которую обрабаты-
вают на предприятии, снабженном всей необходимой звукоаналитическон
аппаратурой.
ГЛАВА IX
УСТАНОВКА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
НА ФУНДАМЕНТ
Качество работы станка и его долговечность в значительной степени
зависят от правильной установки его на фундаменте. Фундамент дает воз-
можность равномерно передать на большую площадь грунта нагрузку
от веса станка и установленной на нем заготовки и позволяет быстро дости-
гнуть при монтаже заданного положения станка. При установке большин-
ства токарных, карусельных, сверлильных и других станков нормальной
точности с преобладающей статической нагрузкой при весе до 1,5—2 т
и достаточно жесткой станине (если отношение ее длины / к высоте h не
превышает примерно 2) иных требований к фундаменту обычно не предъ-
являют. Как правило, фундаментом для таких станков является бетонный
пол цеха толщиной 150—250 мм. Если в цехе нет бетонного пола, роль
фундамента может выполнить отдельная бетонная плита толщиной до
300 мм и размерами в плане до 4 X 4 м*. Если вес устанавливаемых стан-
ков невелик, а динамические нагрузки во время работы отсутствуют или
незначительны, допускается выбирать размеры фундамента по конструк-
тивным соображениям, без предварительного расчета. Довольно часто,
особенно в случае установки специальных станков, объединенных в линию,
в качестве фундамента можно применять бетонные ленты шириной 1,5—3 м
и длиной до 6 м или сплошное бетонное полотно толщиной 300—400 мм.
Поверочный расчет таких фундаментов сводится обычно к определению
прогибов fi в различных точках при заданной нагрузке на основе теории
балок или плит на упругом основании с последующим определением удель-
ного давления на грунт
О = eft,
где с — коэффициент, зависящий от характера грунта.Станины станков
больших размеров и веса нередко бывают недостаточно жесткими. В подоб-
ных случаях к фундаменту предъявляется дополнительное требование —
увеличение жесткости станины станка за счет скрепления ее с фундамен-
том и образования одного общего с ним замкнутого контура. Скрепление
осуществляется чаще всего при помощи различной формы фундаментных
болтов.
Наконец, в случае установки прецизионных станков или станков,
в которых преобладают динамические нагрузки, фундамент должен вы-
полнять еще одну функцию: защищать станок от внешних вибраций,
а вследствие увеличения общей массы снизить частоту собственных коле-
баний системы, что ведет к уменьшению амплитуд вынужденных колеба-
ний станка. Наиболее типичен в подобных случаях индивидуальный фун-
дамент в виде отдельного монолитного блока высотой 0,6—0,9 м.
588
УСТАНОВКА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ НА ФУНДАМЕНТ
Расчет фундамента начинают обычно с составления расчетной схемы
и определения величин и координат точек приложения сил, действующих
на фундамент. При этом динамические нагрузки обычно приводятся к экви-
валентным статическим:
1. При вращательном движении, когда динамическая нагрузка со-
здается центробежными силами неуравновешенных вращающихся масс
станка, эквивалентную статическую нагрузку можно приближенно опре-
делить по формуле
где G — вес вращающихся масс;
g — ускорение силы тяжести;
е — эксцентрицитет вращающихся масс; можно принять е = 0,1
диаметра обрабатываемой детали;
п — число оборотов в минуту детали;
kduH = 1,5-f2,0 — динамический коэффициент.
2. При возвратно-поступательном движении эквивалентную статиче-
скую нагрузку можно принять равной пяти- или шестикратному значению
силы резания.
После составления расчетной схемы приступают к определению раз-
меров фундамента. На основании установочного чертежа, на котором ука-
зываются общие и монтажные габаритные размеры станка, расстояния
между отверстиями под фундаментные болты и прочее, определяются
контур и размеры фундамента в плане. При этом контур максимально упро-
щают, одновременно стремясь к тому, чтобы смещение центра тяжести
станка и фундамента относительно центра подошвы фунадмента не превы-
шало 0,03—0,05 размера стороны подошвы, в направлении которой про-
исходит это смещение.
Вес фундамента вф определяют приближенно по эмпирической формуле
кф @ст ’
где Gctn — вес станка;
кф — эмпирический коэффициент, принимаемый для станков со ста-
тической нагрузкой равным 0,6—1,5, а для станков с динами-
ческой нагрузкой 2—3.
Зная вес фундамента G^, площадь его основания Рф и удельный вес
материала уф, можно вычислить высоту фундамента
Н —
ф ’ FфУф '
Высота фундамента Нф подвергается ряду проверок:
1. Для того чтобы не было выпирания грунта по бокам фундамента,
высота Нф должна удовлетворять формуле С. И. Белзецкого
где аг — удельное давление на грунт в н/м2, получающееся под подошвой
фундамента при выбранных размерах;
у — удельный вес грунта в н/м3;
Ф — угол естественного откоса в град;
Ь — ширина фундамента в м.
УСТАНОВКА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ НА ФУНДАМЕНТ
589
2. Высота Нф должна быть достаточной для размещения фундаментных
болтов, длина которых определяется из условия равнопрочности болта
на растяжение и участка фундамента в виде опрокинутой усеченной пира-
миды на отрыв. В зависимости от материала фундамента длина фундамент-
ного болта / составляет (154-20) dlt где — внутренний диаметр болта.
3. Для тяжелых станков высота Нф должна быть больше глубины про-
мерзания грунта в данной местности.
4. Для устранения влияния фундаментов друг на друга из-за оседания
грунта угол <р между подошвами соседних фундаментов должен быть
меньше угла естественного откоса грунта
(фиг. VII, 45, а). Углом естественного откоса
называют острый угол, образованный ли-
нией откоса с горизонтальной поверхностью
?Г1
Фиг. VII, 45.
6ф
Г
а — расчетная схема монолитного фундамента; б—зависимость глубины зало-
жения фундамента от глубины соседних фундаментов
основания насыпи. Значения этого угла составляют 15—20°—для влаж-
ной и жирной глины и до 50° — для сухого суглинка. Среднее значение
Фест, отк 40 .
После определения и проверки геометрических размеров монолитного
фундаментного блока:
1. Сравнивают величину среднего давления фундамента на грунт ог
с допустимым а/?:
где 2 А. — сумма всех вертикальных сил, действующих на фундамент
со стороны станка с учетом приведенных динамических нагрузок;
коэффициент а для станков составляет 0,84-1; R в зависимости от
грунта, его пористости и заполнения водой варьирует в пределах (14-6)х
X 10® н!м\
2. Проверяют устойчивость фундамента от опрокидывания вокруг ре-
бер а и b (фиг. VII, 45, б), вычисляя соответствующие коэффициенты
устойчивости:
м ^Рг + Оф)-^-
t, _____ lvlycm. а_________* .
о Мопр а- (Мх + % РуЦф) ’
м h (2^ + <М-|-
и _ м Уст. b_______________z
«уст. Ь ' ммР' ь ~ {Му + 2 РхНф) ’
где Муст и М.тр — моменты соответственно устойчивости и опрокиды-
вания;
должно быть
kycm А 1»84-2.
590
УСТАНОВКА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ НА ФУНДАМЕНТ
3. Проверяют фундамент на резонанс. Частоты в гц собственных коле-
баний фундамента со станком определяют по формулам:
для вертикальных колебаний
пг.=0,1б/4;
для горизонтальных колебаний
Пх.=0,1б/^;
для качательных колебаний
Оф. =0,16
где А2, kx и — коэффициенты жесткости, равные
kz = с2Рф н!м\
kx — схРф н!м\
н*м;
с2 — коэффициент упругого равномерного сжатия грунта в н!м3\
сх — 0,5с2 — коэффициент упругого сдвига грунта в н!м3\
сф = 2с2 — коэффициент упругого неравномерного сжатия грунта
в н/м3;
Рф — площадь подошвы фундамента в jw2;
М —масса фундамента вместе со станком в н-секЧм;
J — момент инерции площади подошвы фундамента относительно
оси, проходящей через центр тяжести подошвы перпендику-
лярно плоскости колебаний в м*;
JM — момент инерции массы фундамента вместе со станком отно-
сительно той же оси в н-м-сек2.
Для исключения опасности резонанса, при котором амплитуды коле-
баний станка могут недопустимо возрасти, должен быть выдержан опре-
деленный разрыв между частотами п0 собственных колебаний станка с фун-
даментом и частотами п возмущающих периодических сил.
Виброизоляция, т. е. ослабление колебаний, происходит при отноше-
нии — >1/2. При —0/2 происходит усиление колебаний, которые
По «о
достигают наибольшей интенсивности при п — и0 (резонанс).
В качестве основного материала для изготовления фундаментов под
станки используют бетон марок не ниже 75 (обычно 75, 90, а для ответст-
венных фундаментов — НО). Цифра, обозначающая марку бетона, харак-
теризует прочность бетона на сжатие в барах в возрасте 28 суток. Бетонные
фундаменты под станки весом более 10—12 т, а также под станки с высо-
кими динамическими нагрузками армируют стальной сеткой из круглых
прутков, которая укладывается под подошвой станины станка на расстоя-
нии 20—30 мм. При большой протяженности фундамента он может быть
армирован сразу двумя сетками (вторая — у подошвы фундамента); бетон
для армированного фундамента выбирается марки не ниже 100. Иногда
при нагрузке более 0,5 бар бетонный пол цеха тоже армируют сеткой.
В случае изготовления ленточных фундаментов лучше применять более
вязкие бетоны, способные к значительным деформациям без разрушения.
Другими материалами фундаментов могут быть: бут — дешевый местный
камень любых пород с прочностью не ниже 100 бар; хорошо обожженный
УСТАНОВКА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ НА ФУНДАМЕНТ
591
кирпич. Кирпичные фундаменты боятся действия грунтовых вод,
и поэтому в случае заложения такого фундамента ниже уровня грунтовых
вод необходима его гидроизоляция (например, гудронирование поверх-
ностей).
Изготовление фундамента начинается с рытья котлована; на его дне
для выравнивания подошвы устраивают подушку из утрамбованного песка,
щебня, шлака или гравия. Вдоль стен котлована делают опалубку из ров-
ных досок, по возможности без щелей. В соответствии с установочным
чертежом станка в места расположения фундаментных болтов закладывают
деревянные пробки; для удобства извлечения пробок после бетонирования
лучше делать их разборными. В котловане, если это предусмотрено зада-
нием, укрепляют арматуру. Укладку бетона ведут с применением вибра-
торов. Бетон укладывают горизонтальными слоями без перерыва в работе
(для получения хорошей монолитности).
Через 3—5 суток после бетонирования, когда прочность бетона будет
составлять не ниже 50% проектной, можно приступать к монтажу станка
на фундаменте. Установка станка с достаточной точностью непосредст-
венно на фундаменте практически невозможна, так как отклонение
поверхности фундамента от горизонтальности — обычно не меньше (0,25—
0,5) мм/1000 мм. Поэтому для возможности выверки при установке станка
на фундаменте применяют: 1) отдельные подкладки толщиной от 0,3 до
3,0 мм и установочные клинья — для легких и средних станков нормальной
точности; 2) установочные башмаки и массивные чугунные фундаментные
плиты—для крупных и для прецизионных станков. После установки и вы-
верки станка по уровню оставшийся между фундаментом и станком зазор
(минимум 50—70 мм) подливают пластичным бетоном или цементным рас-
твором. Такая подливка является простейшим видом соединения станка
с фундаментом и широко применяется при установке большинства средних
станков на бетонном полу цеха. До подливки по периметру фундамента
устанавливают опалубку из досок, высота которой на 20—30 мм выше
уровня подливки. Для более надежного крепления применяют фунда-
ментные болты. Фундаментные болты вставляют в отверстия станины
так, что при монтаже станка их головки попадают в предварительно под-
готовленные колодцы в теле фундамента. Во время подливки цементным
раствором колодцы тоже оказываются залитыми, и после затвердевания
бетона и затяжки болтов станок оказывается достаточно жестко соединен-
ным с фундаментом. При использовании анкерных болтов в нижней части
колодцев нужно предусмотреть анкерные плиты. Фундаментные болты
рассчитываются на растяжение с учетом предварительной затяжки:
1,35Р = _1(аЬ
где dr — внутренний диаметр резьбы болта;
1,35 — коэффициент, учитывающий предварительную затяжку;
[о] — допускаемое напряжение материала болта на растяжение.
В случае установки станков на бетонных лентах толщиной 200—300 мм,
на перекрытиях и т. п., когда невозможно применить фундаментные
болты, основным видом крепления станков (кроме подливки) являются
монтажные полы, называемые еще лагами и стелюгами. Для изготовления
монтажного пола в толщу бетона устанавливают несколько рядов швелле-
ров или балок других профилей так, чтобы они образовали Т-образные
пазы.
592
УСТАНОВКА ' МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ НА ФУНДАМЕНТ
Работу на станке, установленном на фундамент, рекомендуется начи-
нать не раньше, чем бетон затвердеет до прочности не менее 70% проект-
ной (примерно 7 дней).
В последнее время для установки станков, оказывающих динамическое
воздействие на окружающую среду, для установки высокоточных, чувст-
вительных к колебаниям оснований станков, а также многих станков
общего назначения стали широко применять упругие виброизолирующие
опоры. При таком способе установки монтаж станка производится во много
раз быстрее, повышается качество обработанных поверхностей на преци-
зионных станках, снижается шум и запыленность воздуха в цехах. Такие
установке станков на перекрытиях верхних
этажей зданий, при перестановке станков
в связи с изменением технологического про-
цесса и т. п. Опоры различных конструкций
выпускаются за рубежом многими фирмами.
Эти опоры можно классифицировать по типу
материала упругого элемента: 1) резиновые
(прокладки, ковры) и резинометаллические
опоры; 2) цельнометаллические опоры (опоры
со спиральными, листовыми, тарельчатыми
пружинами или из объемной металлической
сетки); 3) фетровые прокладки (применяются,
как правило, при сжимающей нагрузке, обла-
дают большим демпфированием); 4) пробко-
вые прокладки (из-за сравнительно высо-
кой жесткости применяются главным обра-
зом для звукоизоляции); 5) пластмассовые
опоры очень удобны при
Фиг. VII, 46. Резинометалличе-
ская опора (фирмы «Barry Cont-
rols Inc» США)
прокладки (слоеные, пропитанные виниловой пластмассой, допускают
регулирование по высоте); 6) пневматические опоры.
Исследования различных образцов упругих опор, проведенные
в ЭНИМСе Е. И. Ривиным [33], показали, что для установки станков целе-
сообразнее применять резинометаллические опоры с резиной, работающей
на сжатие. В качестве примера на фиг. VII, 46 «показана эффективная
резинометаллическая опора фирмы Barry Controls Jnc. (США). Станина
станка устанавливается непосредственно на крышку опоры. Последняя
допускает регулирование по высоте за счет деформации резинового ободка
при вращении регулировочного винта, упирающегося в металлический
упорный фланец.
В зависимости от материала резины и размера опоры она выдерживает
нагрузку от 600 до 27 000 н. Арматура опоры защищает резину от воздей-
ствия масел, растворителей, солнечного света и способствует увеличению
срока службы опоры. Резинометаллические опоры, в которых резина
работает на сжатие, обеспечивают виброизоляцию и в горизонтальном
направлении, притом более совершенную, чем в вертикальном. Это объяс-
няется меньшей жесткостью опоры на сдвиг и, следовательно, значительно
более низкими частотами собственных колебаний станка на опорах в гори-
зонтальном направлении, что как раз соответствует требованиям, предъяв-
ляемым к виброизоляции станков.
Применяя различные упругие опоры, можно получать различные собст-
венные частоты вертикальных колебаний станка fQ:
для /0>25 гц—прокладки из резины, пробки, фетра, пластмасс ит. п.;
для 25 eif > /0 > Ю гЧ — резиновые и резинометаллические опоры,
в которых резина работает на сжатие;
УСТАНОВКА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ НА ФУНДАМЕНТ
593
для 10 > /о > 5 — резинометаллические опоры, в которых ре-
зина работает на сдвиг, опоры из объемной металлической сетки;
для /о 4 5 гц наиболее целесообразны спиральные или листовые
стальные пружины.
Частоту собственных колебаний /0 можно определить более точно
по формуле
/о - 5 ] гц,
г 'ст
где k — отношение жесткости опоры при колебаниях к жесткости при
статическом нагружении (так называемый динамический коэффи-
циент);
\ст — статическая деформация опор от веса станка в см.
Неправильный выбор упругих опор может привести к усилению вибра-
ций, если окажется, что /0 и частота возмущающей силы f близки.
Для активной виброизоляции (см. ниже), когда нетрудно определить
частоту возмущающей силы Д используется обычно область частот f/f0 > 2,
достаточно удаленная от резонанса; при этом колебания ослабляются
в 3—4 раза.
При пассивной виброизоляции высокоточных станков значения /0
определяются специальными исследованиями (см. ниже).
19 Ачеркав. Зак. 65G.
ГЛАВА X
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАССИВНОЙ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ
СТАНКОВ
Одним из средств повышения точности обработки и улучшения качества
обработанных поверхностей является изоляция станка от колебаний осно-
вания. Такая изоляция носит название пассивной в отличие от активной
виброизоляции, когда изолируется внешний источник колебаний, и вибра-
ции на фундамент не передаются. Пассивная виброизоляция имеет очень
большое значение, особенно для высокоточных станков. Пользуясь сей-
смическими датчиками, ЭНИМС проводил измерения создаваемых работой
металлорежущего оборудования колебаний полов механических цехов
ряда машиностроительных предприятий. Результаты этих измерений пока-
зали, что амплитуды колебаний оснований относительно велики и дости-
гают нескольких микрометров и даже сотых долей миллиметра. Следствие
этого — появление на обработанной поверхности волн, длина которых
определяется частотой возмущения, а высота примерно пропорциональна
амплитуде колебаний основания. В таких условиях получение требуемого
качества детали при допусках, измеряемых десятыми долями микрометра,
на высокоточных станках невозможно без применения пассивной вибро-
изоляции.
Жесткая установка станка на фундамент — на клиньях с подливкой
или на башмаках (см. выше) — не всегда обеспечивает нужную виброизо-
ляцию станка.
Специальный виброизолированный фундамент, подвешенный на пру-
жинах и имеющий собственную частоту колебаний порядка 1,5—2 гц,
дает нужный эффект, но очень дорог и поэтому применяется для установки
лишь уникальных прецизионных станков. Поэтому в последние годы все
шире применяют перспективный и дешевый способ установки прецизион-
ных станков на упругие виброизолирующие опоры. Такие опоры часто
применяют и для установки станков нормальной точности (см. стр. 592).
До последнего времени характер явлений, происходящих в станке
при колебаниях основания, был совершенно не изучен, в связи с чем и вы-
бор того или иного способа виброизоляции был случайным, а сама вибро-
изоляция могла оказаться либо излишней, либо недостаточной.
Исследование виброизоляции станков, проведенное в ЭНИМСе под ру-
ководством В. В. Каминской [32], позволило до некоторой степени выяс-
нить вопрос о чувствительности отдельных типов станков к колебаниям
оснований и установить эффективность определенной системы виброи-
золяции для заданных конкретных условий.
При предварительном исследовании колебаний оснований в цехах с раз-
личным составом оборудования на основании результатов статистического
анализа было установлено, что спектр этих колебаний очень широк и со-
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАССИВНОЙ ВИБР0И30ЛЯ ЦИИ СТАНКОВ
595
держит частоты от 1,5—2 до 50—60 гц (так как случайные возмущения ока-
зываются соизмеримыми с периодическими). В связи с этим не всегда воз-
можно осуществить виброизоляцию станка только за счет разрыва в часто-
тах внешних возмущений и собственной частоты колебаний системы станка
как одной массы (так называемая проверка на резонанс). Известно, что
эта (нижняя) собственная частота системы определяется видом установки
станка (жесткая, на упругие опоры и т. д.), который практически не ока-
зывает влияния на верхние собственные частоты системы. Относительные
же колебания инструмента и заготовки, влияющие на точность и качество
обрабатываемой поверхности, происходят именно на этих верхних часто-
тах, определяемых собственными частотами тех узлов станка, которые
несут инструмент и заготовку. По ориентировочным данным ЭНИМСа
наиболее низкие из этих верхних частот для токарных станков составляют
60—100 гц, для плоскошлифовальных — от 30 (при направляющих каче-
ния) до 60 гц и т. д. Колебания станины станка, происходящие обычно
на нижней собственной частоте (кроме жесткой установки, когда они по-
вторяют колебания пола), являются своего рода возмущением для тех
узлов станка, которые несут инструмент и заготовку. Увеличение разности
между частотой этого возмущения и частотами узлов, несущих инструмент
и заготовку, ведет к значительному уменьшению амплитуды их относи-
тельных колебаний. Закономерности передачи колебаний станины в зону
резания по существу и характеризуют качество виброизоляции станка.
Было предложено оценивать эффективность виброизоляции «коэффи-
циентом передачи» — степенью передачи колебаний от основания в зону
резания при различных частотах, соответствующих собственным частотам
колебаний станка на опорах. Коэффициентом передачи k называется
отношение амплитуд относительных колебаний между инструментом и заго-
товкой (аотн) к амплитудам колебаний основания (а), т. е. k = .
Считая связь между колебаниями станка на опорах и колебаниями
верхних узлов станка слабой, что обычно соответствует действительности,
можно представить коэффициент передачи в виде произведения
k = kty =
а аст
где kr — коэффициент передачи колебаний от основания к станине;
у — коэффициент передачи колебаний станины в зону резания;
аст — амплитуды колебаний станины, измеренные в определенном
месте.
Такой прием позволил в общем коэффициенте передачи выделить
часть, определяемую главным образом параметрами опор и станка как
одной массы — коэффициент fex, и часть, зависящую только от параметров
станка — коэффициент у, который, по существу, характеризует чувстви-
тельность станка к колебаниям основания. В простейшем случае, когда
рассматриваются колебания узлов станка только в плоскости, нормальной
к обрабатываемой поверхности (именно они влияют наиболее сильно на
точность детали) приходится учитывать вертикальные (по оси z), горизон-
тальные (по оси у) и качательные колебания станины. Тогда относительные
перемещения инструмента и заготовки будут вызываться всеми тремя
видами возмущений. Связь между вертикальными и горизонтальными ко-
лебаниями обычно бывает слабой, между горизонтальными и качатель-
ными — сильной. Это дает возможность определять отдельно лишь два
коэффициента: у2—коэффициент чувствительности станка к вертикальным
596
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАССИВНОЙ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ СТАНКОВ
колебаниям станины и \у— коэффициент чувствительности станка к го-
ризонтальным колебаниям с учетом их связи с качательными.
Таким образом, экспериментальное исследование чувствительности
станков к колебаниям оснований состояло в измерении относительных коле-
баний инструмента и заготовки (aOfnfi), абсолютных колебаний узлов станка,
главным образом станины (аст), и колебаний пола около станка (а). По-
следние при экспериментах возникали от работы соседнего оборудования
либо возбуждались искусственно — толчком станины, бросанием бол-
ванки рядом со станком, работой центробежного вибратора, установлен-
ного рядом со станком на полу.
Центробежный вибратор (использовались вибраторы конструкции
Г. А. Левита) представляет собой пару сцепленных зубчатых колесе пере-
Фиг. VII, 4/. Центробежный вибратор (конструкции
ЭНИМСа)
даточным отношением z —1 (фиг. VII, 47). По периферии колес имеются
отверстия, в которые в определенном количестве и порядке можно встав-
лять пальцы-грузы. Сборкой колес и расположением пальцев в отверстиях,
симметричным относительно вертикальной плоскости, проходящей через
точку касания начальных окружностей колес, добиваются взаимной ком-
пенсации горизонтальных составляющих центробежных сил от пальцев
и сложения вертикальных составляющих. Этот вибратор, сравнительно
простого устройства и достаточно мощный, развивает строго поступатель-
ные колебания силы. Частота изменения ее регулируется изменением
числа оборотов колес вибратора. Осуществить это можно очень просто,
так как вибратор приводится в движение от аксиально-поршневого
гидродвигателя МГ-151, обеспечивающего устойчивый диапазон скоростей
от 40 до 3600 об/мин за счет объемного регулирования. Амплитуда силы
регулируется изменением материала пальцев (из алюминия, стали и свин-
ца) их количества или расположения в отверстиях зубчатых колес. Недо-
статок вибраторов центробежного типа — зависимость амплитуды воз-
буждаемых колебаний от частоты, так как центробежная сила равна
Рц = zn<u2r,
где — угловая скорость.
Объектами исследования были токарные, плоско- и круглошлифо-
вальные и фрезерные станки разных моделей, установленные на клиньях
или башмаках, подлитые цементным раствором, на пружинном фунда-
менте или на каких-либо упругих опорах.
Исследовали станки, установленные не только на первом этаже, но и на
перекрытиях верхних этажей. Чтобы можно было сравнивать результаты
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАССИВНОЙ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ СТАНКОВ
597
исследований, положение узлов на однотипных станках было одинаковым
и соответствовало некоторому типичному случаю обработки. При резании
на станок действует целый ряд возбудителей колебаний, и выделить влия-
ние колебаний основания становится трудно. Допуская в первом прибли-
жении, что станок представляет собой линейную систему и работает в об-
ласти, далекой от неустойчивости, можно рассматривать действие разных
возбудителей по-отдельности, т. е. проводить эксперименты без резания,
на неработающем станке. Допустимость этого доказывается тем, что между
амплитудами относительных колебаний инструмента и заготовки, измерен-
ными на неработающем станке, и волнистостью поверхности, обработанной
на том же станке, существует вполне определенная связь.
Фиг. VII, 48. Низкочастотный индукционный датчик сейсмического
типа Кишиневского завода «Виброприбор»
Колебания оснований и станин станков измерялись сейсмическими дат-
чиками. В последние годы в СССР разработаны оригинальные низкочастот-
ные датчики сейсмического типа с гальванометр ической регистра-
цией [2]. Один из таких датчиков — модель К-001 Кишиневского завода
«Виброприбор» — обеспечивает коэффициент усиления 1000 в диапазоне
2—200 гц, т. е. позволяет качественно записать колебания с минимальной
амплитудой 0,7—1,0 д/ои.
На фиг. VII, 48 показана схема такого датчика. В корпусе датчика
на специальных подвесах подвешен довольно массивный маятник 1.
На свободном конце маятника укреплены две цилиндрические катушки 6,
каждая в своей магнитной системе, состоящей из магнитопровода 2, по-
стоянного магнита 3 с полюсным наконечником 5.
Магнитная система установлена в корпусе датчика. Между магнитами
для лучшей их центровки и закрепления расположен латунный цилиндр 4.
Для удержания маятника 1 в положении равновесия служит пружина 7.
При установке датчика на вибрирующий объект он вырабатывает э. д. с.,
пропорциональную скорости перемещений. Для того, чтобы иметь возмож-
ность записать сами виброперемещения, напряжение с датчика через регу-
лятор увеличения подается на специальный интегрирующий рамочный
гальванометр (шлейф). Особенностью этих гальванометров является то,
что они работают в сильно переуспокоенном режиме. Поэтому при подаче
на вход гальванометра напряжения, пропорционального скорости пере-
мещения, отклонение его будет пропорционально самому перемещению.
6Г.9
598
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАССИВНОЙ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ СТАНКОВ
Гальванометр (шлейф) устанавливается в обойму шлейфового осцилло-
графа Н700 и позволяет вести запись на фотобумагу.
Относительные колебания между инструментом и заготовкой измерялись
головкой виброщупа К-61А с проволочными датчиками (см. гл. VI, стр. 571).
Фиг. VII, 49. Схема расположения
приборов при исследовании виброизо-
ляции плоскошлифовального станка:
1 — головка виброщупа для измерения
аотнл 2 ““ сейсмический датчик для изме-
рения аст* 3 — сейсмический датчик для
измерения а; 4 — центробежный вибратор
Нафиг. VII, 49 показана примерная
схема расположения приборов при иссле-
довании виброизоляции плоскошлифо-
вального станка.
После обработки результатов измере-
ния строились амплитудно-частотные
характеристики (АЧХ) элементов станка
(фиг. VII, 50) для разных вариантов
установки, причем наибольший интерес
для оценки эффективности системы виб-
роизоляции и чувствительности станка
к колебаниям основания представляли
участки АЧХ в районах резонансов ка-
кого-либо вида колебаний станины.
АЧХ и осциллограммы свободных
колебаний интересующих нас элементов
станка дали возможность построить гра-
фики зависимости коэффициентов пере-
дачи и у от частоты.
На фиг. VII, 51 показан график у=
— У (Г) Для плоскошлифовального стан-
ка. Увеличение значений коэффициента у2 на частоте ~ 30 гц. как видно
из графика, объясняется тем, что примерно здесь лежит собственная
частота горизонтальных колебаний суппорта на направляющих качения
Фиг. VII, 50. Амплитудно-частотные характе-
ристики (АЧХ) плоскошлифовального станка
мод. ЗБ71М на упругих опорах
Фиг. VII, 51. Экспериментальные значе-
ния коэффициентов передачи колебании
станины в зону резания для плоскошли-
фовального станка мод. ЗБ71М:
1 и 2—коэффициенты передачи соответственно
горизонтальных (уу) и вертикальных (уг) коле-
(частота определяется жесткостью ме- баний станины
ханизма подачи).
Значения коэффициента kr для вертикальных колебаний, полученные
в результате экспериментов, колебались в пределах 5—10, причем меньшее
значение kr соответствовало большему демпфированию опор.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАССИВНОЙ ВИБРОИЗОЛ JT ЦИИ СТАНКОВ
599
Величина общего коэффициента передачи колебаний k составляла
около 0,1 при установке станка на упругие опоры с собственной частотой
15 гц и около 1,0 — при жесткой установке.
Полученные графики и зависимости позволяют подбирать основные
параметры системы виброизоляции высокоточных станков следующим
образом. Известно, что амплитуды вертикальных колебаний пола в цехах,
где установлены точные станки, редко превышают 1,5—2 мкм. Будем
ориентировочно считать, что для получения поверхности 10-го класса
чистоты со средней высотой микронеровностей Ra = 0,16 мкм амплитуды
аотн не должны превышать О,57?а, т. е. 0,08 мкм. Тогда коэффициент пере-
дачи, при котором можно получить 10-й класс чистоты,
k = 2°™ = °’08 0 05.
а (1,5 -г 2)
Зная, что kr — 5-ь 10, можно определить коэффициент передачи верти-
кальных колебаний станины станка в зону резания:
_ k _ 0,05
~ fei — (5 4- 10) '
Полагая для определенности — 5, находим по графику фиг. VII, 51,
что уг = —= 0,01 обеспечивается при частоте вертикальных колеба-
ний станины на опорах порядка 17 гц. Зная эту частоту, можно давать реко-
мендации по выбору того или иного способа установки станка.
Накопление данных о значениях коэффициентов передачи у при раз-
личных частотах для станков разных типов дает возможность правильно
и более точно подбирать систему пассивной виброизоляции высокоточных
станков.
ГЛАВА XI
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ СТАНКОВ
(испытания на мощность)
Степень совершенства конструкции привода станка, качество его изго-
товления и сборки, его производственные возможности наряду с другими
факторами характеризуются к. п. д. станка.
Для определения к. п. д., а также потерь на трение в приводе станка
(мощности холостого хода Nx,x) проводятся энергетические испытания.
Для большей надежности результатов испытаний им обычно предшествуют
подготовительные мероприятия: проверяют и регулируют все основные
элементы привода; проверяют в соответствии с инструкцией по смазке
станка сорт и количество залитого масла; разогревают станок, для чего
заставляют его работать при среднем числе оборотов шпинделя (среднем
числе двойных ходов в минуту ползуна, стола и т. п.); испытания могут
быть начаты после того, как установлено, что мощность холостого хода
не меняется по меньшей мере в течение 10—15 мин.
Для станка, совершающего полезную работу, уравнение баланса
мощности может быть написано в виде
= Nni -j- NXt х 4“ Nп 4“ ^эф кет,
где Nc — мощность, потребляемая электродвигателем;
Nni — потери мощности в электродвигателе;
NXt х — потери мощности холостого хода станка;
NH.n — потери мощности в станке при работе под нагрузкой (нагрузоч-
ные потери);
МЭф — эффективная (полезная) мощность, потребляемая в процессе
резания.
Каждая из величин, входящих в уравнение баланса, изменяется при
изменении режима работы станка. Энергетические испытания сводятся,
по существу, к последовательному экспериментальному определению этих
величин при изменении условий работы станка.
Мощность NCi потребляемая электродвигателем, для асинхронных дви-
гателей обычно определяется одним из двух методов: 1) методом двух ватт-
метров (фиг. VII, 52, а); 2) схемой с искусственной нулевой точкой, одним
ваттметром (фиг. VII, 52, б).
Для двигателя постоянного тока Nc= UJ, где U и J—соответст-
венно показания вольтметра и амперметра.
Для определения потерь мощности в электродвигателе Nni чаще всего
пользуются его паспортом, в котором указаны значения к. п. д. двига-
теля Ik при номинальной мощности NHi а также при мощностях 0,25Л^;
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСП ЫТАНИЯ СТАНКОВ
601
0,5Nw; 0,75NH; 1,25NH. По этим значениям нетрудно построить кривую
потерь, определив Nni по формуле
Nnl~-^-Nb
hi
где — мощность, развиваемая электродвигателем;
т|э£ — к. п. д. электродвигателя при этой мощности.
а — способом двух ваттметров; б — одним ваттметром при помощи схемы с искусственной
нулевой точкой; к — коэффициент трансформации трансформаторов тока; с — коэффициент,
зависящий от величины добавочных сопротивлений а — показания ваттметров
Значение Nn0 при нулевой нагрузке можно определить, запуская
электродвигатель вхолостую и измеряя одним из способов Nc. Значе-
ние Nc при этом будет равно искомой
Иногда кривая потерь (фиг. VII, 53)
дается в паспорте электродвигателя.
При отсутствии каких бы то ни было
паспортных данных электродвигатель
снимают со станка и методом торможе-
ния измеряют мощности при нагрузках
0,25ЛГ„; 0,5Vw; 0,75NH; l,0NH и 1,25JV„,
определяя Nni из уравнения баланса
мощности для этого случая '
Nnl —Nc—N m--N с—~кет,
где Nm — тормозная мощность;
Мт — тормозной момент в н. м.;
п — число оборотов в минуту эле-
ктродвигателя, измеренное
тахометром.
Мощность холостого хода NXtX, имею-
величине потерь.
Фиг. VII, 53. Зависимость к. п. д. Из
и потерь мощности Nn в электродви-
гателе от мощности N на валу элект-
родвигателя
щую непосредственное отношение уже
к механической части станка, опреде-
ляют с разной точностью и с различной
степенью детализации в зависимости от
вида испытания.
При приемочных испытаниях серийных станков или при испытаниях
опытных образцов станков NXt х определяют обычно на всех ступенях ско-
рости из уравнения баланса мощности для холостого хода станка:
Nx х = — Nnh
где Nc и Nni определяют одним из указанных выше способов.
602
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ СТАНКОВ
При лабораторных испытаниях станков мощность холостого хода
целесообразно определить при разных условиях смазки, а также по эле-
ментам привода [30]. Влияние сорта масла и т. п. на потери в коробке
можно выяснить, измеряя NXtX возможно точнее. Для этого в лаборатор-
ных условиях чаще всего используют балансирный электродвигатель
(фиг. VII, 54), у которого статор сделан качающимся. При использовании
Фиг. VII, 54. Балансирный электродвигатель
такого электродвигателя для привода станка на его статоре возникает
реактивный момент Мст, уравновешиваемый грузом, причем существует
соотношение
Мст = М + М0, т. е. М = Мспг — Л40,
где М — внешний момент на валу электродвигателя;
MQ — момент от сопротивления воздуха и потерь в подшипниках при
холостом вращении ротора двигателя.
Следовательно, мощность на валу балансирного электродвигателя
(т. е. мощность, поступающая в станок от двигателя)
дг__ Мп _____ (Мст — Мр) п __ (Qcm Qo)^ к Am
956*1О4 956*104 956* 104 ’
где I — плечо весов в мм;
п — число оборотов в минуту электродвигателя; для большей
точности измерений желательно иметь график зависимости
п = f (Q);
Qctn и Qo — соответственно вес гирь при работе электродвигателя под
нагрузкой и вхолостую в я.
Формулу можно упростить, выбирая в весах длину I равной 956 мм.
При тщательном изготовлении балансирного электродвигателя, учи-
тывая погрешность измерения числа оборотов, можно добиться измере-
ния мощности с погрешностью 1—1,5% и меньше.
По результатам измерений мощности Nx. х строят графики Nx. х = f (п)
(фиг. VII, 55), на которые наносят кривые или семейства кривых, полу-
ченные при испытании. Анализ построенных графиков позволяет сделать
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ СТАНКОВ
603
Фиг. VII, 55. График зависимости
= f (м) для то кар но-ви нто резного
станка мод. 1616
самоторможения — выбег. По
заключение о величине потерь на трение, выбрать наиболее благоприятные
условия смазки или наилучший вариант конструкции привода испытуемого
станка.
Для обнаружения частей привода,
наиболее неблагополучных в отношении
потерь на трение, в лабораторных усло-
виях целесообразно проводить измере-
ние х для отдельных участков и
даже отдельных наиболее ответствен-
ных элементов кинематической цепи,
выключая тем или иным способом осталь-
ные. Например, для исследования потерь
на трение в шпиндельном узле приме-
няют метод выбега. Раскрутив каким-
либо образом отсоединенный от осталь-
ной части привода шпиндель, при по-
мощи любого простейшего самопишу-
щего прибора записывают процесс его
Фиг. VII, 56. Типичная кривая выбега (а) и график зависимости мощности тре-
ния N т и момента трения Мт от числа оборотов шпинделя п в минуту (б)
Уравнение движения вращающегося вхолостую шпинделя имеет вид
MUH + Mm = Q, или + =
где Мин и Мт — соответственно моменты инерции и трения в н. м.\
J —момент инерции вращающихся масс в н-м-сек2;
п — число оборотов шпинделя в минуту.
Отсюда
Графически дифференцируя кривую выбега (т. е. находя в разные
моменты времени) и определив расчетным или экспериментальным путем J,
можно подсчитать значения момента трения Мт в н. м. v
Вычисляя затем мощность трения по известной формуле Nm =
= и04 и строя график Nm = получаем наглядное представле-
ние о потерях на трение в шпиндельном узле (фиг. VII, 56, б).
604
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ СТАНКОВ
Фиг. VII, 57. Однокомпонентный динамометр для изме-
рения силы резания (конструкции Г. А. Левита —
ЭНИМС)
Следующим этапом испытания станка на мощность является определе-
ние его к. п. д. Следует различать к. п. д. всего станка г) = и к. п. д.
передач привода станка (т. е. его механической части)
__ ^эф
где (Nc — Nni) — мощность на валу приводного электродвигателя.
Эффективная мощность Ыэф может быть измерена либо в процессе
резания, либо при торможении. Первый путь измерения Ы9ф является
более правильным, так как
условия нагружения стан-
ка при торможении и при
работе станка различны.
При испытаниях станка
желательно использовать
именно этот путь. Эффек-
тивная мощность или мощ-
ность резания определяет-
ся из равенства
N9ф 60, ЮЗ
где Р—составляющая си-
лы резания в нап-
равлении движе-
ния резания в н;
v — скорость резания
в м/мин.
Для станков с враща-
тельным главным движе-
нием достаточно знатьсред-
нее значение силы резания,
определяемое посредством
механического, гидравлического или электрического однокомпонентного
инерционного динамометра. Один из таких динамометров конструкции
Г. А. Левита (ЭНИМС) для токарных станков показан на фиг. VII, 57.
Здесь сила резания воздействует через резец на торсионные бруски 1 и
закручивает их. При этом планка 2 поднимается, и предварительно про-
тарированный индикатор динамометра, ножка которого упирается в план-
ку 2, показывает среднее значение силы резания. Для более спокойной
работы индикатора предусмотрено простое демпфирующее устройство 3,
На сверлильных станках удобно измерять крутящий момент при свер-
лении с помощью динамометрического столика, устанавливаемого на стол
станка.
На фиг. VII, 58 приведена принципиальная схема такого динамометри-
ческого столика конструкции В. И. Васильева. Крутящий момент, дейст-
вующий при сверлении на верхнюю плиту 2 столика, воспринимается
упругими элементами 4, закрепленными на стойках 5 корпуса /. Упругие
элементы 4 представляют собой пустотелые стержни с наклеенными на них
проволочными датчиками, соединенными дифференциально (т. е. так, что
крутящий момент вызывает одинаковую, но разноименную деформацию
каждой из двух групп датчиков измерительного моста). Каждый упругий
элемент крепится в корпусе 1 прибора на резьбе, что позволяет сильно
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ СТАНКОВ
605
Фиг. VII, 58. Схема двухком-
понентного сверлильного ди-
намометрического столика
(конструкции В. И. Василье-
ва)
сжать расположенные между стержнями выступы плиты 2 и создать
большой предварительный натяг, который повышает жесткость передаю-
щей системы динамометра. Три упругих эле-
мента 3 воспринимают осевую силу. Натяг
в них создается специальным устройством 6.
На фрезерных станках динамометр чаще
всего встраивается в корпус фрезы.
Для определения N эф станков (строгаль-
ных, долбежных), у которых главное движение
возвратно-поступательное необходимо измере-
ние мгновенной силы резания. Поэтому, как
правило, в этом случае сила резания изме-
ряется специальными динамометрами с индук-
тивными или емкостными датчиками. Удобно
применять также проволочные датчики, наклеи-
ваемые на какой-либо упругий элемент динамо-
метра. Датчик соединяется с усилителем, с кото-
рого сигнал может быть подан либо на осцил-
лограф, либо на очень чувствительный стрелоч-
ный прибор.
При измерении Ыэф другим путем — методом
торможения—создание и измерение крутящего
момента на шпинделе осуществляют при помощи
тормоза. Наиболее прост по устройству коло-
дочно-ленточный тормоз (фиг. VII, 59). На шпин-
деле станка укрепляют полый шкив 6. При тор-
можении, когда образуется большое количество
шкива непрерывно подается по трубке холодная вода; она отводится дру-
тепла, в полость этого
гой трубкой, повернутой навстречу вращению шкива. Размеры шкива
могут быть ориентировочно определены по эмпирической формуле
Db = (254-50) N,
где D и b — соответственно диаметр и ширина шкива в см\
N — мощность торможения в кет.
606
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ СТАНКОВ
Меньшие значения коэффициента берутся при высоких скоростях
и малых давлениях на ленте.
Перед работой тормоз тщательно уравновешивают, устанавливая между
шкивом 6 и тормозной колодкой 5 трехгранную призму и перемещая
груз 1. Затем крюк на правом конце рычага 2 подвешивают к динамометру,
измеряющему силу торможения Q. Для большей эффективности торможе-
ния ленту 7 и колодку 5 часто покрывают феродо.
Фиг. VII, 60. Схема порошкового тормоза конструкции ЭНИМСа
Нагружение тормоза осуществляетсся натяжением ленты 7 при помощи
винта и гайки 5. Для большей плавности нагружения поставлена пру-
жина 4.
Момент торможения определяется по формуле
а мощность
А Т Qlfl
N ~ 956- 104 Квт-
Если плечо рычага I взять равным 956 мм, то
N = TW квт-
Тормоз описанной конструкции прост, но при скольжении поверхности
шкива по ленте при определенных условиях возникают вибрации, что при-
водит к непостоянству тормозного момента и снижению точности измерений.
В отношении плавности работы много лучше электрические тормоза
типа балансировочных электрических машин. Наиболее часто в качестве
тормоза применяют машину постоянного тока с независимым возбуждением
или асинхронный электродвигатель с фазовым ротором. Тормозной момент
регулируется у первых — реостатом в цепи возбуждения или в цепи
якоря, у вторых — реостатом в цепи ротора.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ СТАНКОВ
607
В последнее время в ЭНИМСе была разработана гамма электромагнит-
ных порошковых тормозов ПТ, специально предназначенных для испыта-
ния машин. Схема устройства порошкового тормоза показана
на фиг. VII, 60.
На центральном валу 1 тормоза жестко закреплен малоинерционный
ротор 4, отделенный от статора 6 зазором в 1—2 мм, Вся внутренняя полость
зазора заполнена жидкой ферромагнитной смесью (порошок карбониль-
ного железа, смешанный с маслом). Для предотвращения утечек смеси
на валу и в статоре поставлены резиновые уплотнения. При появлении
тока в намагничивающих катушках 2, расположенных соосно с централь-
ным валом (катушки соединены последовательно и питаются постоянным
Фиг. VII, 61. Графики к. п. д. токарно-винторезного станка мод. 1616:
а—на различных ступенях скорости (при входной мощности 4,3 квт\ б—в зависи-
мости от мощности И9ф на шпинделе
током), в магнитопроводе — роторе и статоре тормоза возникает магнит-
ный поток, пересекающий зазор. Электромагнитные силы, действующие
в зазоре, в той или иной мере (в зависимости от величины ампер-витков
намагничивающих катушек) увеличивают вязкость ферромагнитной смеси,
вследствие чего между ротором и статором тормоза возникает связь.
Ротор 4 тормоза через вал 1 и шлицевую муфту может быть соединен с
оправкой, закрепленной в шпинделе станка. Статор 6 может свободно пово-
рачиваться внутри корпуса 3 вокруг центрального вала, так как он смон-
тирован на подшипниках. Реактивный момент на статоре, равный по вели-
чине создаваемому на шпинделе станка тормозному моменту, передается
динамометру 5, закрепленному на корпусе тормоза.
Порошковый тормоз этого типа обладает очень большим быстродейст-
вием, обеспечивает возможность задания любого закона изменения мо-
мента и постоянство мгновенного значения момента. Тормоз имеет систему
водяного охлаждения.
При изменении условий работы станка к. п. д. не остается постоянным.
Поэтому при испытании станка рекомендуется измерять к. п. д. не менее
чем на трех ступенях скорости, лежащих в нижней, средней и верхней
частях общего диапазона регулирования. На каждой ступени скорости
к. п. д. обычно измеряют при нескольких значениях мощности на шпин-
деле, соответствующих мощностям на валу электродвигателя, равным
0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 от его номинальной мощности. При измерении
на нижней ступени скорости, когда использование полной мощности
608
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ СТАНКОВ
может быть невозможно, к. п. д. измеряется при наибольшем допустимом
крутящем моменте. Результаты измерения представляют в виде графиков:
П = Л («) на фиг. VII, 61, а и т) = (Ызф)
на фиг. VII, 61, б.
Обычно при каждом определенном числе оборотов к. п. д. растет с уве-
личением N3Cf), причем интенсивность роста уменьшается с возраста-
нием N зф\ при постоянной же мощности к. п. д., как правило, падает с уве-
личением числа оборотов; при малых скоростях иногда наблюдается сна-
чала рост к. п. д.
Рассмотрение и анализ построенных графиков дают возможность сде-
лать заключение о производственных возможностях станка, оценить его
конструкцию, качество изготовления и сборки и принять эффективные
меры для снижения потерь на трение.
ГЛАВА XII
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ
И ИССЛЕДОВАНИЯ СТАНКОВ
Обеспечение безотказной работы современного станка в течение дли-
тельного времени — важная и сложная задача. Нарушение нормальной
работы станка даже на короткий срок может привести к значительным
материальным потерям, не говоря уже о расходах на преждевременные
ремонты. В настоящее время из-за недостаточной долговечности и непра-
вильной эксплуатации на ремонт и обслуживание промышленного обору-
дования в Советском Союзе ежегодно тратится около 300 млн. руб. Поэтому
в настоящее время проблема обеспечения надежности и долговечности
производственного оборудования вообще и металлорежущих станков
в частности приобрела особенную важность.
Понятия надежности и долговечности тесно связаны и совместно харак-
теризуют работоспособность станка.
Основными критериями работоспособности станков являются стати-
ческая и усталостная прочность; износостойкость; склонность к тепловым
деформациям при колебаниях температуры; жесткость и виброустойчи-
вость.
Оценить станок по критериям жесткости, виброустойчивости, тепло-
стойкости и, отчасти, статической прочности можно на основе результатов
сравнительно кратковременных испытаний; напротив, для оценки надеж-
ности и долговечности станков по износостойкости, усталостной проч-
ности и по статической прочности в связи с динамическими перегруз-
ками нужны длительные эксплуатационные испытания. До сих пор ком-
плексная оценка надежности и долговечности станков не проводилась.
С 1963 г. ряд заводов приступил к исследованию в эксплуатации станков,
выпускаемых крупными сериями. В связи с этим в ЭНИМСе была разра-
ботана под руководством А. С. Лапидуса методика таких эксплуатацион-
ных наблюдений за станками, которые позволяют выявить основные де-
фекты станка, снижающие его долговечность и надежность, установить
причины отказов и повреждений, определить скорость изнашивания
основных деталей и изменение точности станка в процессе эксплуатации.
В результате таких наблюдений могут быть разработаны мероприя-
тия по повышению надежности и долговечности станков.
Эксплуатационные наблюдения (испытания) проводятся специальной
группой сотрудников станочной лаборатории завода. Наблюдения ведутся
на ряде крупных заводов, где имеются и эксплуатируются станки иссле-
дуемых моделей. Для наблюдений выбираются станки, работающие в наи-
более типичных для них условиях. Это создает известные трудности, так
как условия работы универсальных станков (вид обработки, величина
и повторяемость нагрузок, обрабатываемый материал, конфигурация,
жесткость заготовок и т. д.) весьма разнообразны.
610 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СТАНКОВ
Все сведения об использовании станка в период наблюдений фикси-
руются в специальном журнале эксплуатационных наблюдений и учи-
тываются при обработке результатов. Для большей объективности выводов
наблюдениям подвергают до 150—200 станков данной модели. С целью
уменьшения затрат времени эксплуатационным испытаниям подвергаются,
как правило, станки, работающие в две смены.
Чтобы выводы из результатов испытаний можно было распространить
на все выпускаемые станки данной модели, к эксплуатационным испыта-
ниям следует приступать только после достаточной отработки на заводе-
изготовителе технологии изготовления и сборки этих станков, т. е. при
достаточно стабильном их качестве.
В соответствии с планом-графиком сотрудники испытательной группы
через каждые 3—4 месяца работы станков проводят наблюдения, фикси-
руя результаты в журнале. В промежутках между наблюдениями, прово-
димыми группой, учет всех неполадок (стуки, шумы, вибрации, перегревы
и т. п.) и простоев в работе станка возлагается на обслуживающего дан-
ный станок рабочего, который должен быть предварительно подготовлен
к ведению наблюдений.
После окончания всего цикла наблюдений полученные данные система-
тизируются и обрабатываются; определяется время работы станка:
т = т т т
л Р л н * пр 1 П. О>
где Тн — номинальный фонд времени за рассматриваемый период;
Тпр — время простоев станка из-за ремонтов и регулировок;
Тп.о— время простоев станка по организационным причинам.
В процессе эксплуатационных испытаний ведется учет всех отказов
станка, приводящих к потере станком работоспособности. Утрата работо-
способности может быть следствием дефектов конструкции и изготовления
станка или повреждений в процессе его эксплуатации. Дефекты и повре-
ждения могут носить случайный или систематический характер. Наиболь-
ший практический интерес представляет выявление не случайных, а систе-
матических дефектов и повреждений станка, так как они отражают осо-
бенности конструкции, качество изготовления ‘ и сборки, условия
эксплуатации.
Изучение повреждений обычно начинают с установления обстоятельств
их появления. С этой целью проводят опрос персонала, устанавли-
вают периоды (продолжительность) и режимы работы станка, тщательно
осматривают поврежденные детали, особенно поверхности излома, что
позволяет определить вид разрушения, получить данные об условиях
нагружения и часто — выявить концентраторы напряжений, обусло-
вившие снижение прочности детали.
Основными видами повреждений деталей станков являются износ,
усталостные и статические изломы, остаточные деформации. Обычно износ
преобладает над остальными видами повреждений, что объясняется спе-
цифическими условиями работы металлорежущих станков: большим числом
подвижных соединений, часто работающих в условиях смешанного или
даже сухого трения; работой в таких условиях, когда образуется большое
количество стружки, абразивной пыли и т. п. Поэтому изучению износа
ответственных деталей станков при эксплуатационных наблюдениях уде-
ляют особое внимание.
Основными видами износа являются абразивный износ и схватывание.
Последнее имеет место обычно при высоких скоростях скольжения и высо-
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СТАНКОВ
611
ком давлении, когда температура трущихся поверхностей высока, и при
малых скоростях и недостаточной смазке.
Чаще всего определяют так называемый линейный износ, т. е. уменьше-
ние линейных размеров детали по нормали к трущейся поверхности.
В работе [30] приведены способы выражения величины износа при иссле-
довании станков в эксплуатации. В зависимости от назначения и конкрет-
ных условий работы станка износ может быть выражен:
1) через среднюю скорость изнашивания (для универсальных станков,
работающих при выполнении большинства операций)
• — и
1 Р
где И — линейный износ;
Тр — время работы станка (в месяцах, годах двухсменной работы);
2) через приведенную среднюю скорость изнашивания (для универ-
сальных станков, работающих при сравнительно редко выполняемых опе-
рациях — нарезании резьбы и т. п.)
i0= 100-^-,
v птр
где т) — время, затрачиваемое на выполнение данной операции, в процен-
тах от общего времени работы станка;
3) через среднюю интенсивность изнашивания (для специальных стан-
ков, обрабатывающих одну определенную деталь)
• _ и
S ’
где S — путь трения.
Измерение износа лучше производить без разборки станка и снятия
деталей. Если это невозможно, то лучше совмещать измерения с очеред-
ным ремонтом станка.
Основными методами определения величины износа при испытаниях
станков являются методы микрометража и определения местного линейного
износа.
Метод микрометража более прост и основан на измере-
нии либо изменения диаметра или другого какого-либо линейного размера
детали между двумя изнашивающимися поверхностями, либо изменения
расстояния от постоянной базы до исследуемой поверхности. Базой могут
служить любые точные неизнашивающиеся поверхности. Средствами
определения износа в первом случае могут быть микрометры, индикаторы,
миниметры, приборы с индуктивными и проволочными датчиками типа
щупов или бесконтактные пневматические приборы для измерения линей-
ных размеров. Во втором случае находят применение специальные при-
способления (типа индикаторных стоек) с индикаторами.
Большое влияние на точность измерения износа методом микрометража
могут оказать упругие и тепловые деформации деталей, а также непостоян-
ство точек измерения при последовательных экспериментах.
При методе определения местного линейного износа на трущейся
поверхности заранее делают суживающиеся углубления (лунки) определен-
ной формы. На изменение режима трущихся поверхностей такие лунки
(размеры их: глубина 50—75 мкм, длина 1,7—2 мм), нанесенные через
каждые 100—200 мм, практически не оказывают никакого влияния.
По изменению размеров углубления, по мере изнашивания поверхности,
можно судить о величине линейного износа в данном месте.
612 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СТАНКОВ
Углубление (лунку) на поверхности трения можно сделать либо вдав-
ливанием алмазной пирамиды (метод отпечатков), либо вырезанием при
помощи вращающегося алмазного резца (метод вырезанных лунок),
см. фиг. VII, 62. Второй из этих методов лучше, так как по сторонам углуб-
ления не получается вспучивания, восстановление слоев металла, деформи-
рованного при вырезании, очень мало, и это позволяет проводить измере-
ния более точно. Для измерения износа направляющих методом вырезан-
ных лунок институтом Машиноведения разработан специальный прибор,
основными частями которого являются приспособление с алмазным резцом
для вырезания лунок и оптическая система. Последняя позволяет доста-
Фиг. VII, 62. Схемы определения местного линейного износа И:
а — методом отпечатков; б — методом вырезанных лунок; 1 — алмазная
пирамида; 2 — отпечаток; 3 — резец (трехгранная пирамида); 4—лунка
точно точно определить длину лунки до и после установленного срока
работы. Величина местного линейного износа определяется как разность
глубин h лунок до и после износа, вычисленных по формуле
и- р
где I — длина лунки;
г — радиус кривизны углубления.
Период наблюдений для измерения износа обычно составляет 6—18 ме-
сяцев двухсменной работы.
После анализа фактических условий работы исследуемой пары трения
устанавливают причины повышенного износа (если таковой имеет место)
и намечают меры по его снижению.
Другой вид повреждений деталей станков — усталостные и статические
изломы — встречается реже, так как размеры деталей часто определяются
не требованием прочности, а другими критериями работоспособности. Од-
нако в связи с проводимыми конструктивными мероприятиями по умень-
шению износа, а также в результате повышения быстроходности станков,
увеличения динамических нагрузок и уменьшения излишнего запаса проч-
ности значение этих видов повреждений в настоящее время возрастает.
Признаками усталостного разрушения служат характерные зоны на
поверхности излома: очаг разрушения с одним или несколькими фокусами
излома, зона усталостного развития и зона «долома», а также определенный
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СТАНКОВ
613
срок службы детали до разрушения. Определенные правила, в частности
схема строения усталостных изломов (по И. А. Одингу), позволяют по виду
излома установить вид нагружения, величину нагрузки, размер и вид кон-
центратора напряжений.
После определения вида разрушения и обстоятельств поломки перехо-
дят к определению причин разрушений. ЭНИМС предлагает условно раз-
делять все причины на конструкционные, технологические и эксплуата-
ционные. Дать какие-либо общие рекомендации для надежного определе-
ния истинных причин разрушения пока еще невозможно. Причины оди-
накового повреждения одинаковых деталей могут быть различны. По-
этому ЭНИМС в своих работах приводит ряд характерных примеров повре-
ждений с указанием их причин.
Вот некоторые из них:
По группе «ошибки конструктора»:
неправильное назначение допусков приводит к заклиниванию и поломке зубчатых
колес шпиндельных передач токарных станков мод. 1К62 (выпуска до 1962 г.) из-за отсут-
ствия достаточного бокового зазора;
поломки зубчатых колес и скручивание валов в коробках скоростей станков
мод. 1624М, 163, 6Н13П и 6Н13ПБ при торможении на верхних ступенях чисел оборотов
шпинделя из-за размещения тормоза в начале цепи главного движения, наличия больших
инерционных масс и т. д.;
повреждения подшипников и зубчатых колес из-за возможности работы станка, когда
смазка не подается (недостатки блокировки) — станки мод. 1283, 1285 и др.;
неучет возникновения значительных динамических перегрузок при переходных про-
цессах — поломки зубчатых колес, валов, шпонок в приводе главного движения станков
мод. 6Н12, 6Н13, 1А64, 165;
повышенный износ направляющих шлифовальных станков из-за недостаточной их за-
щиты от абразивной пыли.
По группе «технологические причины»:
поломки корпусных деталей станков мод. 6Н12, 6М84Г и других из-за дефектов литья;
поломки «по телу» зубчатых колес станков мод. 1К62, 163, 165 из-за дефектов терми-
ческой обработки;
иоломки зубчатых колес, валов и подшипников ряда станков из-за погрешностей меха-
нической обработки и дефектов монтажа.
По группе «эксплуатационные причины»:
поломки при переключении скоростей на быстром ходу или при резком торможении
путем включения обратного хода;
поломки при наезжании суппорта на переднюю или заднюю бабки из-за неправильной
расстановки упоров или по недосмотру оператора;
поломки из-за превышения допустимых режимов резания;
поломки из-за эксплуатации станка в условиях, не соответствующих его назначению,
например, при использовании универсального станка как операционного, на постоянном
тяжелом режиме работы;
повышенный износ деталей станка из-за плохой работы системы смазки (нерегуляр-
ные смена масла и продувка смазочной системы).
Выяснение и систематизация причин повреждений станков в про-
цессе эксплуатационных испытаний позволяют разработать по всем трем
группам мероприятия, направленные на повышение их надежности и дол-
говечности.
В числе этих мероприятий — устранение непосредственного контакта
трущихся поверхностей путем широкого использования гидро- и аэроста-
тических и гидродинамических опор и направляющих; уменьшение
удельных давлений в сопряжениях; применение в ответственных узлах
станков направляющих качения и шариковых гаек, в которых трение
скольжения заменено трением качения; создание самоустанавливающихся
614 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СТАНКОВ
многовкладышных подшипников скольжения, надежно работающих (из-за
отсутствия кромочных давлений) в условиях жидкостного трения; приме-
нение зубьев бочкообразной формы и механизмов безударного переключе-
ния для часто переключаемых зубчатых колес коробок скоростей, что
сильно уменьшает наиболее распространенный вид повреждения этих
колес — износ торцов зубьев; применение механизмов с автоматической
компенсацией износа; применение достаточно совершенной системы смазки
и т. п.
Очень большое влияние на износостойкость и усталостную прочность
деталей оказывают качество поверхностного слоя, его физико-химические
свойства и микрогеометрия. В настоящее время для повышения износо-
стойкости и усталостной прочности деталей широко применяют поверх-
ностную закалку (газопламенную или т. в. ч.) и химико-термическую обра-
ботку, в процессе которой происходит насыщение поверхностных слоев
детали углеродом (цементация), азотом (азотирование), хромом (хромиро-
вание), одновременно углеродом и азотом (цианирование) и т. д.
Поверхностного упрочнения можно добиться также обкатыванием
поверхности роликами, дробеструйным наклепом, электроискровым мето-
дом, нанесением на поверхность детали гальванического (чаще всего хро-
мового) покрытия.
Для создания качественных конструкций станков необходимо распо-
лагать, наряду с другими важнейшими данными, сведениями об эксплуата-
ционных нагрузках — их величине и характере изменения во времени.
Знание фактических нагрузок, особенно универсальных станков, для кото-
рых характерны переменные режимы работы, позволит создавать надеж-
ные конструкции без излишних запасов прочности, утяжеляющих станок
и увеличивающих его габариты.
Изучение фактических нагрузок на основе эксплуатационных наблю-
дений проводилось в ЭНИМСе, начиная с 1957 г. [671. На ряде станков
наиболее распространенных моделей в течение более или менее длительного
времени (от нескольких часов до нескольких недель) в процессе их нормаль-
ной эксплуатации регистрировалось специальными самопишущими при-
борами суммарное время работы в каждом интервале значений мощности,
потребляемой электродвигателем, и чисел оборотов в минуту шпинделя.
Значения крутящих моментов определялись расчетами по мощности
и соответствующему ей числу оборотов. Изучение обобщенных данных,
полученных для разных моделей станков и разных условий эксплуатации,
о распределении времени работы при различных значениях мощности на
шпинделе универсальных токарных и фрезерных станков показало, что
около 80% времени их работы происходит при использовании менее чет-
верти номинальной мощности NH0M, около 90% — при мощностях, мень-
ших половины NH0Mi и лишь 1—2% — при значениях мощности, превы-
шающих NH0M (фиг. VII, 63). Среднее по времени значение используемой
мощности составляет (0,18ч-0,2) NH0M.
Использование скоростных возможностей станков характеризуется
отношением - ^с~ . По результатам эксплуатационных наблюдений это
отношение для токарных станков мод. 1Д62М, 1Д63 и 1А62 достигает
0,45—0,6; для станка мод. 1К62—0,2—0,25, а для фрезерных станков
мод. 6Н12, 6Н82, 6Н13 и 6Н83 всего лишь 0,15—0,2. Средние обобщенные
данные о распределении крутящих моментов по времени работы станков
примерно аналогичны данным распределения использования по мощности.
Наибольшие значения моментов, зарегистрированные на шпинделе токар-
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СТАНКОВ 615
ных и фрезерных станков указанных выше моделей, достигают ~ 500 нм,
что для токарных станков в 1,5—2,5 раза меньше паспортных значений
максимальных моментов, допускаемых прочностью слабого звена.
Полученные графики типа, показанного на
фиг. VII, 63, позволили при помощи корреля-
ционных уравнений определить плавный закон,
отражающий статистическую зависимость вре-
мени или числа циклов нагружения от значе-
ний нагрузки. На фиг. VII, 64 приведены гра-
фики корреляционных уравнений для двух групп
токарных станков [67], [68].
Я шп. ср-019 Ящп ном
I-----1______| 0,00 k 0.003 0,0003 яш
025 05 075 1.0 1,25 1.5 1.75 20 Я tun ном
Фиг. VII, 63. График распределения времени работы при раз-
личных значения^ мощности на шпинделе для универсальных
токарных и фрезерных станков (обобщенные статистические
данные)
Результаты изучения эксплуатационных режимов нагружения уни-
версальных станков представляют весьма ценный материал, так как позво-
ляют уточнить принятые значения расчетных нагрузок станков. Знание
эксплуатационных режимов
нагружения необходимо и пр и
экспериментальном изучении
работоспособности деталей
станков.
Как уже было указано,
одной из причин выхода,
из строя деталей привода
станков являются их полом-
ки от циклических нагрузок
в результате развития уста-
лостных трещин. В связи
со сложностью явлений, воз-
никающих в системе при-
вода, можно достаточно точно
и быстро оценить надежность
и долговечность деталей
в этом случае, если одновре-
менно с расчетами и относи-
тельно длительными эксплуа-
тационными наблюдениями
проводить ускоренные стен-
Фиг. VII, 64. Графики корреляционных уравнений:
1 — для токарных станков по обобщенным данным {у =
0.019Х п „
—^5“ I ’ 2—для токарных станков, занятых черновой
л л л ( 0,071\
обработкой = —^-1 .
довые испытания.
Методика таких испытаний была разработана в ЭНИМСе Р. М. Прату-
севичем [68]. Для приближения условий работы деталей к реальным
производственным условиям привод станка испытывался в сборе и
при программном нагружении (для станков, выпускаемых крупными
сериями). Для сокращения длительности стендовых испытаний при-
616 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СТАНКОВ
вода на выносливость проводилось форсирование по величине нагрузки,
а не по частоте ее приложения (что обусловлено зависимостью между
величиной нагрузки Q и числом циклов N4 ее действия до разрушения:
0>тЫц = const, где m > 3).
Увеличение нагрузки задавалось таким образом, чтобы максимальные
напряжения, возникающие в слабых звеньях, не превышали предела теку-
Фиг. VII, 65. Программа периодического изменения нагрузок
на входном валу стенда
чести материала деталей, т. е. примерно в 2—3 раза выше расчетного
(номинального) напряжения.
Программа нагружения разрабатывалась в соответствии с данными
об эксплуатационных режимах нагружения универсальных станков.
В частности, для коробок скоростей универсальных токарных и фрезерных
станков средних размеров эта программа составлялась в соответствии
Фиг. VII, 66. Принципиальная схема стенда с программным
нагружением
с уравнением у — , характеризующим (см. фиг. VII, 64) режим нагру-
жения при тяжелых условиях работы. Длительность периода изменения
нагрузки принималась равной примерно 5 мин (фиг. VII, 65). Скоростные
режимы работы при испытаниях также устанавливались в соответствии
с фактическими данными эксплуатационных наблюдений так, чтобы до
разрушения слабого звена произошло большое число переключений ско-
ростей коробки.
Для проведения испытаний коробок скоростей универсальных станков
на форсированной нагрузке по приведенной методике в ЭНИМСе был
разработан стенд, в котором используется схема с разомкнутым силовым
потоком (фиг. VII, 66). Стенд состоит из асинхронного электродвигателя /,
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СТАНКОВ 617
приводящего через клиноременную передачу 2 две одинаковые серийные
коробки скоростей 3 и 5, связанные муфтой 4. На выходе стенда находится
генератор 6, создающий на валу тормозной крутящий момент (величина
момента выбиралась с таким расчетом, чтобы нагрузка на слабое звено
привода оказалась в 2—3 раза больше номинального значения в условиях
эксплуатации). При включении в обеих коробках одинаковых комбинаций
передач при любом числе оборотов их шпинделей скорость вращения вала
генератора не меняется. Изменения величины момента по заданной про-
грамме добивались ступенчатым изменением силы тока в цепи возбуждения
генератора. Последнее осуществлялось при помощи командоаппарата 7
(типа КЭП-12УТ завода «Физприбор»), приводимого асинхронным электро-
двигателем. На стенде был установлен также ряд контрольно-измеритель-
ных приборов для контроля
величины и характера измене-
ния нагрузки во времени, вре-
мени работы стенда до разру-
шения какой-либо детали и чис-
ла циклов нагружения.
В результате стендовых испы-
таний были установлены при-
чины технологического и конст-
руктивного характера, снижаю-
щие долговечность ряда дета-
лей привода.
Результаты стендовых испы-
таний, подтвержденные выбо-
рочными данными из практики
Фиг. VII, 67. Расположение проволочных дат-
чиков на валу при измерении крутящего момента
эксплуатации станков, позво-
лили, например, выявить дефекты термической обработки впадины и
основания зуба у многих зубчатых колес, что значительно снижает их
долговечность по усталостной прочности. Весьма желательно проводить
подобные испытания опытных образцов станков, намеченных к серий-
ному производству.
Опыт эксплуатации станков и эксплуатационные испытания показы-
вают, что поломки деталей привода главного движения станков часто яв-
ляются следствием больших динамических нагрузок, действующих в при-
воде при резании. В связи с этим представляют интерес исследования коле-
бательных явлений в приводе станков. В качестве примера можно привести
работу Е. И. Ривина, проведенную в ЭНИМСе [76]. Экспериментальная
часть работы проводилась на базе консольно-фрезерного станка с разме-
рами стола 1600 X 400 мм. На пяти промежуточных валах коробки ско-
ростей этого станка при помощи проволочных датчиков, наклеенных по
схеме для измерения крутящего момента (фиг. VII, 67), осциллографиро-
вали нагрузки, действующие при резании. Датчики размещали на несколь-
ких валах коробок скоростей с тем, чтобы проследить развитие колебатель-
ных процессов по цепи и получить более надежные и полные данные о дина-
мических нагрузках. В станке мод. 1К62 датчики были наклеены на валу
фрикциона (входном валу коробки скростей), на шпинделе и на предшпин-
дельном валу. Провода от датчиков выводились через осевые сверления
к торцу вала, а затем к токосъемнику.
Сигналы датчиков снимали при помощи токосъемных устройств,
соединенных гибким валиком с торцами исследуемых валов (фиг.
VII, 68).
618 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ СТАНКОВ
Осциллографирование показало, в частности, что в процессе фрезерова-
ния величина крутящего момента на промежуточных валах привода су-
щественно колеблется, причем величина коэффициента неравномерности
4^-= 1,5- 3,2.
Мер
В работе [751 указано, что при обтачивании на токарном станке глад-
кой стальной болванки на черновых и чистовых режимах тот же коэффи-
циент составлял = 1,14-2,0. Приведенные примеры показывают, что
/И
Фиг. VII, 68. Токосъемник с гибким валом (конструкции ЭНИМСа):
1 — провод; 2 — токосъемные кольца; 3 — гибкий вал
довольно распространенное мнение об отсутствии существенных коле-
бательных нагрузок в деталях привода станка при спокойном резании
ошибочно.
Величина коэффициента неравномерности зависит от конструктивных
особенностей привода станка, т. е. его динамических характеристик —
собственных частот, форм колебаний, демпфирования, характера обра-
ботки, режимов работы станка, применяемого инструмента и т. д.
Очевидно, что вследствие большой величины амплитуд колебаний кру-
тящих моментов пренебрежение этими колебаниями при проектировании
станков может привести к заметному снижению их долговечности. Поэтому
экспериментальное и теоретическое исследование динамических нагрузок
целесообразно проводить для всех станков, выпускаемых крупными се-
риями.
Проведенные в ЭНИМСе исследования нескольких станков показали
возможность снижения амплитуд динамических нагрузок на 30—40%
при рациональном построении структурной сетки станка и проведении
динамического расчета привода. Это позволяет значительно повысить
надежность и долговечность привода станков.
Наряду с конструктивными и технологическими мероприятиями очень
большое значение для повышения надежности и долговечности станков
имеет рациональная эксплуатация их. Техническая подготовка рабочего-
станочника, ответственность за сохранность, культура эксплуатации, уход
и содержание оборудования, а также регулярное проведение всех меро-
приятий, предусмотренных системой ППР, необходимы для обеспечения
той долговечности станка, которая заложена в его конструкции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ачеркан Н. С. Расчет и конструирование металлорежущих станков. М., Машгиз,
1952.
2. Б и б е р Л. А. Вибрографы с гальванометрической регистрацией. М., Госэнерго-
издат, I960.
3. Богуславский Б. Л. Токарные автоматы. М., Машгиз, 1958.
4. Богуславский Б. Л. Токарные полуавтоматы, автоматы и автоматические
линии. М., Профтехиздат, 1961.
5. Большаков М. М. Железобетонная станина тяжелого токарного станка мод. 1660.
«Станки и инструмент», 1963, № 7.
6. Б о н д а р ь М. П. Токарные автоматы и полуавтоматы. М., Машгиз, 1953.
7. Бондарь М. П., Лопата А. Я , Орликов М. Л. Токарные автоматы и
полуавтоматы. Киев—Москва, Машгиз, 1959.
8. Б р и т к и н А. С. Первые тульские строители сложных воздействующих машин.
М., Машгиз, 1950.
9. Бриткин А. С., Видонов С. С. Выдающийся станкостроитель XVIII века
А. К- Нартов. М., Машгиз, 1950.
10. Б у л г а к о в А. А. Программное управление металлорежущими станками. М.,
Энергоиздат, 1959.
11. Васильев В. А. Испытание металлорежущих станков на шум. М., НТОМашпром,
1964.
12. В е д е н с к и й В. А. Исследование и нормирование жесткости металлорежущих
станков. Автореферат канд. диссертации. М., 1962.
13. В е й ц В. Л., Доброславский В. Л. Динамический расчет станочных при-
водов при переодической нагрузке с учетом характеристики двигателя. «Новые ме-
тоды расчета и конструирование машин». Вып. 7. М., ЦИТЭИН, Машгиз, 1960.
14. Владзиевский А. П. Автоматические линии в машиностроении. Кн. 1 и 2.
М., Машгиз, 1958.
15. Владзиевский А. П., Белоусов А. П. Устройство автоматических ли-
ний. М., Машгиз, 1963.
16. В о р о б ь е в И. И. Вариаторы с широким клиновым ремнем. Руководящие мате-
риалы. М., ЭНИМС, 1964.
17. Ворошилов М. С. Элементы систем цифрового программного управления ме-
таллорежущими станками. М., Машгиз, 1963.
18. Врагов Ю. Д. Новое в конструкциях опор планшайб и шпинделей карусельных
станков. «Станки и инструмент», 1954, № 7.
19. В у л ь ф с о н И. А, Интерполяторы как кинематическое звено станков. Диссерта-
ция, 1961.
20. В ы д р и н П. Г. Испытание опытных образцов металлорежущих станков. «Станки
и инструмент», 1962, № 10.
21. Дащенко А. И., Нахапетян Е. Г. Проектирование, расчет и исследование
основных узлов автоматических линий и агрегатных станков М., Изд-во «Наука», 1964.
22. Дику шин В. И. Агрегатные станки и автоматические линии. Энциклопедический
справочник «Машиностроение», Т. 9. Гл. XII. М., Машгиз, 1949.
23. Д и к у ш и н В. И. Основные данные для проектирования металлорежущих стан-
ков. Энциклопедический справочник «Машиностроение». Т. 9. М., Машгиз, 1949.
24. Е н и к е е в X. М. Жесткость металлорежущих станков. М., ЭНИМС, ЦБТИ, 1939.
25. 3 о н н е н б е р г С. М. Малые агрегатные станки. М., Машгиз, 1962.
26. Зусман В. Г.,Тихомиров Э. Л. Системы числового программного управле-
ния тяжелых фрезерных станков. «Станки и инструмент», 1965, № 4.
27. 3 у с м а н В. Г. К вопросу о числовом программном управлении станками. Доклад
на первом конгрессе ИФАК. 1960.
28. И в а н о в С. А. Проектирование групповых наладбк токарных автоматов. М.,
Машгиз, 1960.
620
ЛИТЕРАТУРА
29. Игнатьев Н. В. О перекрытии ступеней скорости. Сб. «Исследование в области
металлорежущих станков». Вып. 4. М., Машгиз, 1961.
30. Испытание и исследование металлорежущих станков (Методическое пособие). М.,
ЦБТИ, 1958.
31. Каменецкий Г. И. Следящие золотники для станков с программным управле-
нием. «Станки и инструмент», 1961, № 6.
32. Каминская В. В. Исследование чувствительности станков к колебаниям осно-
ваний. «Станки и инструмент», 1964, № 1.
33. Каминская В. В., Ривин Е. И. Виброизоляция прецизионных станков.
«Станки и инструмент», 1964, №11.
34. Каминская В. В.,Левина 3. М.,Решетов Д. Н. Станины и корпусные
детали металлорежущих станков (Расчет и конструирование), ЭНИМС. М., Машгиз,
1961.
35. К а ш и р и н А. И. Метод составления и анализа производственных характеристик
токарного станка. «Станки и инструмент», 1936, № 10/11.
36. Кедров С. С. Виброщуп и виброметр для измерения колебаний станков. «Станки
и инструмент», 1963, № 7.
37. Кобринский А. Е. Числа управляют станками. М., Изд-во АН СССР, 1961.
38. К о г е л ь П. Г., К и т е н к о А. И. О неразрывности кинематической цепи при
переключении передач механизмами централизованного управления. «Станки и инстру-
мент», 1955, № 9.
39. К р а г е л ь с к и й И. В. Трение и износ, М., Машгиз, 1962.
40. К у Д и н о в В. А. Динамические характеристики процесса сухого трения. В кн.
«Сухое трение». Рига, Изд-во АН Латвийской ССР, 1961.
41. Кудинов В. А. Влияние деформируемости системы станок—деталь—инструмент
на производительность, точность и чистоту поверхности деталей. М., НТО Машпром,
Общественный университет, 1963.
42. Кудинов В. А. Динамическая характеристика резания. «Станки и инструмент»,
1963, № 10.
43. К У Д и н о в В. А. Руководящие материалы по динамическому расчету станков
(устойчивость, стационарные и переходные процессы при перемещении узлов и при
резании). М., ОНТИ—ЭНИМС, 1965.
44. К у Д и н о в В. А. Автоколебания при резании с неустойчивым наростом. «Станки
и инструмент», 1965, № 7.
45. Кудинов В. А., Воробьева Т. С. Испытание станков общего назначения
на виброустойчивость при резании. «Станки и инструмент», 1962, № 8.
46. Кудряшов Н. Н. Поперечно-строгальный станок мод. КУ-39. «Станки и инстру-
мент», 1958, № 8.
47. К У ч е р И. М. Станки с цифровым программным управлением. Лениздат, 1961.
48. Лапидус А. С. Выбор конструкционных материалов для направляющих скольже-
ния станков (Руководящие материалы). ЭНИМС, 1961.
49. Л е в и н а 3. М. Расчет и выбор конструктивных параметров направляющих каче-
ния, ЭНИМС, 1961.
50. Левина 3. М. Направляющие качения в современных металлорежущих станках.
«Станки и инструмент», 1963, № 3.
51. Левина 3. М.,Решетов Д. Н. Исследование и расчет жесткости направляю-
щих качения. «Станки и инструмент», 1961, № 11.
52. Л е в и т Г. А. Передачи винт—гайка качения (шариковые). «Станки и инструмент»,
1963, № 4.
53. Левит Г. А., Борисенко Г. А. Расчет и конструирование передач винт—
гайка качения. М., ЭНИМС, 1964.
54. Л е в и т Г. А., Л у р ь е Б. Г. Определение потерь в элементах приводов подач
станков и расчет направляющих скольжения по характеристикам трения. Руководя-
щие материалы. ЭНИМС, 1961.
55. Л е в и т Г. А., Л у р ь е Б. Г. Расчет гидростатических незамкнутых направляю-
щих. «Станки и инструмент», 1963, № 10.
56. Левит Г. А., Л у р ь е Б. Г. Расчет и выбор основных параметров гидростатических
параметров с дроссельным регулированием. М., ЭНИМС, 1965.
57. Л е в и т Г. А., Ц ы р л и н М. М. Повышение работоспособности круговых направ-
ляющих карусельных станков. «Станки и инструмент», 1956, № 6.
58. М а л к и н Д. Д. Вибрационные загрузочные устройства. М., ЦБТИ, 1962.
59. Молдавский М. X. Селективные механизмы переключения скоростей. «Станки
и инструмент», 1959, № 11.
60. Ниберг Н. Я. Статья в Справочнике машиностроителя, Т. 1. М., Машгиз, 1960.
61. Н и к ит и н Б. В. Расчет динамических характеристик металлорежущих станков.
М., Машгиз, 1962.
ЛИТЕРАТУРА
621
62. Новые приборы для контроля угловых и линейных величин в зарубежном машино-
строении, М., ЦИНТИМАШ, 1961.
63. П а н о в к о Я Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. М., Машгиз, 1957.
64. Повышение точности крупных зубофрезерных станков. Экспресс-информация, серия
«Станкостроение», № 48, М., Изд-во ВИНИТИ АН СССР, 1960.
65. Попов Е. П., П а л ь т о в И. П. Приближенные методы исследования нелинейных
автоматических систем. М., Физматгиз, 1960.
66. П о п о в и ч Б. Г. Роликовые подшипники для быстроходных и точных металло-
режущих станков. М., Машгиз, 1956.
67. П р а т у с е в и ч Р. М. Эксплуатационные режимы нагружения универсальных
станков. «Станки и инструмент», 1960, № 6.
68. П р а т у с е в и ч Р. М. Стендовые испытания приводных механизмов станков на
работоспособность и долговечность. «Станки и инструмент», 1962, № 10.
69. Прибрюков Б. М. Токарный многорезцовый полуавтомат 1730. Руководство
по уходу и обслуживанию. М., ЦБТИ, 1960.
70. П р о н и к о в А. С. Износ и долговечность станков. М., Машгиз, 1957.
71. П у ш В. Э. Малые перемещения в станках. М., Машгиз, 1961.
72. Рабинович А. Н. Комплексная механизация и автоматизация производственных
процессов в машиностроении и приборостроении. Киев, Укргосиздат, 1961.
73. Ратмиров В. А., Ивоботенко Б. А., Цаценкин В. К-, Садов-
ски й Л. А. Системы с шаговыми двигателями. М., Изд-во «Энергия», 1964.
74. Р е ш е т о в Д. Н. Расчет деталей станков. М., ЭНИМС, Машгиз, 1945.
75. Р и в и н Е. И., Пратусевич Р. М., Бульканов А. А. Динамические
нагрузки в приводе станков при резании. «Станки и инструмент», 1960, № 3.
76. Р и в и н Е. И. Исследование динамики привода фрезерных станков. «Станки и инстру-
мент», 1963, № 4.
77. Рысева Р. С. Тяжелые поперечно-строгальные станки мод. 7М386 и КУ-41. «Станки
и инструмент», 1958, № 11.
78. С о к о л о в Ю. Н. Расчет и проектирование многовкладышных шпиндельных опор
^жидкостного трения (гидродинамических). Руководящие материалы. М., ЭНИМС,
79. С о к о л о в Ю. Н. Шпиндельные подшипники скольжения прецизионных станков
«Станки и инструмент», 1963, № 1.
80. Соколов Ю. Н., Фригатнер А. М. Выбор основных параметров шпиндель-
ных узлов прецизионных станков. «Станки и инструмент», 1963, № 8.
81. С о л о д о в н и к о в В. В. и др. Основы автоматического регулирования. М.,
Машгиз, 1954.
82. С п е р а н с к и й Н. В. Проектирование мальтийских механизмов. М., Изд-во
АН СССР, 1960.
83. Спиридонов А. А. Металлорежущие станки с программным управлением. М.,
Изд-во «Машиностроение», 1964.
84. С р и б н е р Л. А., Ш р а г о Л. К- Проектирование позиционных систем програм-
много управления., М., Машгиз, 1962.
85. Т а л а н ц е в А. Д. Преобразователи углов поворота и линейных перемещений
в цифровую форму. «Автоматика и телемеханика», 1959, № 3.
86. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле. М., Физматгиз, 1959.
87. Т л у с т ы й И. Автоколебания в металлорежущих станках. М., Машгиз, 1956.
88. Т у р и ч и н А. М. Электрические измерения неэлектрических величин, М., Гос-
энергоиздат, 1959.
89. Ф и г а т н е р А. М. Шпиндельные опоры качения высокоточных станков. М., ЭНИМС,
ЦИНТИАМ, 1964.
90. Фомин С. Ф. Наладка одношпиндельных автоматов мод. 1112—1136 и 1А112—
1А136. М., Машгиз, 1959.
91. X а р к е в и ч А. А. Автоколебания, М., ГИТТЛ, 1953.
92. Хохлов В. А. Направляющие качения новых отечественных внутришлифовальных
станков. «Станки и инструмент», 1961, № 11.
93. Ш а д р и н В. Н. Фазовое управление от магнитной ленты, М., Изд-во «Энергия»,
1964.
94. Ш а р и н Ю. С. Автоматические линии в машиностроении, М., Машгиз, 1961.
95. Ш а у м я н Г. А. Автоматы. М., Машгиз, 1955.
96. Ш а у м я н Г. А. Автоматы и автоматические линии, М., Машгиз, 1961.
97. Э л ь я с б е р г М. Е. Расчет механизмов подачи металлорежущих станков на плав-
ность и чувствительность перемещения (О разрывных колебаниях при трении). «Станки
и инструмент», 1951, № 11 и 12.
98. Э л ь я с б е р г М.. Е. Об устойчивости процесса резания металлов. «Известия ОТН
АН СССР», 1958, сентябрь.
622
ЛИТЕРАТУРА
99. Эльясберг М. Е. Основы теории автоколебаний при резании металлов. «Станки
и инструмент», 1962, № 10 и 11.
100. Эрпшер Ю. Б. Надежность и структура автоматических станочных систем. М.,
Машгиз, 1962.
101. Якимов А. В., Казимирчик Ю. А., Мокроус М. Ф. Оценка производ-
ственных методов определения жесткости металлорежущих станков. «Известия вузов.
Машиностроение», 1962, № 2.
102. Ямпольский С. М., Эр лих Л. Б. Экономика освоения новых конструкций
машин. М., Изд-во «Машиностроение», 1964.
103. Bobek К., Heift A., Schmidt F., Stahlleichtbau von Maschinen. 2-te Aufl.
Springer-Verlag, 1955.
104. Finkelnburg H. Mehrspindelautomaten. B., 2-te Aufl., 1960.
105. S i m о n W. Die numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen. Munchen, 1963.
106. Szafarczyk M. Sterowanie programowe obrabiarek. Warszawa, WNT, 1963.
107. Tlusty J., Zel eny J. Cislicove fizene obrabeci Stroje. Praha, 1962.
108. Weigand K., Spindellagerungen fur Werkjengmaschinen mit Walglagern. «.Indu-
strie—Angeiger», 1962, N 44.
109. W г о t h у L. T. Podstawy budowy obraliarek. Warszawa WNT, 1964.
ОГЛАВЛЕНИЕ
РАЗДЕЛ V
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
(д-р техн, наук И. С. Ачеркан, д-р техн, наук В. Э. Пуш,
канд. техн, наук И. В. Игнатьев и канд. техн, наук В. А. Кудинов)
Глава I. Критерии качества станков. Исходные положения при проектирова-
нии станков ................................................................. 3
§ 1. Критерии качества станков ......................................... 3
§ 2. Тенденции развития современных станков .......................... 6
§ 3. Методика расчета станков........................................... 8
Глава II. Определение основных технических характеристик проектируемого
станка ...................................................................... 15
§ 1. Выбор предельных скоростей резания и подач........................ 15
§ 2. Ряды чисел оборотов шпинделей станков............................. 15
§ 3. Стандартные значения знаменателя (р. Стандартные ряды чисел оборо-
тов шпинделей.......................................................... 17
§ 4. Выбор значений знаменателей рядов чисел оборотов шпинделей, чисел
двойных ходов и подач.................................................. 19
§ 5. Определение мощности электродвигателей ........................... 21
Глава III. Разработка кинематической схемы проектируемого станка ..... 25
§ 1. Определение передаточных отношений механизмов кинематической цепи 25
Основные кинематические зависимости для привода шпинделя .... 25
Аналитический метод определения передаточных отношений............ 28
Графоаналитический метод определения передаточных отношений 29
§ 2. Особенности подбора передаточных отношений при приводе от много-
скоростного электродвигателя......................................... 33
Структуры, отклоняющиеся от нормальной равномерной структуры 35
§ 3. Определение чисел зубьев колес групповых передач.................. 39
Модули всех передач группы одинаковы .........................• 39
Модули передач группы различны ...........................1 . . 42
§ 4. Указания по разработке кинематической схемы проектируемого станка 43
Варианты структуры кинематических схем ........................ 43
Минимальное число передач........................................ 43
Минимальное количество групп передач ............................ 44
Учет веса привода................................................ 45
Общие соображения о выборе кинематического варианта структуры
привода.......................................................... 46
Глава IV. Коробки скоростей и подач, бесступенчатый привод главного дви-
жения и движений подач....................................................... 50
§ 1-. Коробки скоростей станков ....................................... 50
Общие положения. Требования к коробкам скоростей.................. 50
Технические условия .............................................. 51
Расчетные цепи передач коробок скоростей...................... 52
К- п. д. коробок скоростей ....................................... 52
§ 2. Типы коробок скоростей ........................................... 54
Компоновка коробки скоростей...................................... 54
Способы переключения передач коробок скоростей ................... 56
§ 3. Коробки подач . .................................................. 62
Основные элементы механизма подач................................. 62
624
ОГЛАВЛЕНИЕ
Основные механические связи между элементами механизма подачи 63
Требования к коробкам подач..................................... 64
§ 4. Типы коробок подач............................................... 65
Коробки подач со сменными колесами при неизменном расстоянии
между осями валов ............................................. 65
Коробки подач с передвижными колесами .......................... 65
Коробки подач со встречными ступенчатыми конусами колес и вытяж-
ными шпонками..................................................... 65
Нортоновские коробки.............................................. 67
Коробки подач в форме гитар сменных колес......................... 68
Механизмы типа меандра ................................. 69
§ 5. Механизмы быстрых подач ................................. 70
§ 6. Бесступенчатые приводы в станках ................................. 71
Эксплуатационные преимущества бесступенчатого привода станков 71
Способы бесступенчатого регулирования скоростей резания и подачи 72
Электрическое регулирование ...................................... 72
Бесступенчатое регулирование при помощи гидравлического привода 73
Регулирование при помощи механических вариаторов ................. 73
Способы увеличения диапазона бесступенчатого регулирования ско-
рости приводов .................................................. 74
Конструкции механических вариаторов, применяемых в станках ... 75
Глава V. Шпиндели и их опоры............................................ 79
§ 1. Основные требования к шпиндельным узлам....................... 79
§ 2. Материалы и конструкции шпинделей ............................ 79
§ 3. Расчет шпинделя............................................... 81
§ 4. Опоры шпинделей.............................................. 85
Подшипники качения в опорах шпинделей ....................... 85
Особенности расчета подшипников качения для опор шпинделей ... 89
Материалы для подшипников скольжения в опорах шпинделей .... 90
Конструкции опор скольжения.................................. 91
Глава VI. Механизмы прямолинейного движения .............................. 94
§ 1. Способы осуществления прямолинейного движения в станках........ 94
§ 2. Зубчатое колесо и рейка ....................................... 94
Материалы элементов реечной передачи........................... 95
Указания по расчету ........................................... 95
§ 3. Червяк и рейка ................................................ 96
Мате риалы и особенности конструкции.......................... 96
§ 4. Ходовой винт и гайка .......................................... 97
Технические условия ......................................... 97
Материалы ходовых винтов и гаек................................ 98
Конструкции ходовых винтов и гаек.............................. 98
Расчет механизма винтовой передачи с гайкой скольжения........ 101
Винтовые пары качения......................................... 104
§ 5. Устройства для малых перемещений.............................. 106
Термодинамический привод...................................... 107
Магнитострикционный привод.................................... 108
Привод с упругим звеном.................................... 109
Глава VII. Механизмы для осуществления периодических (прерывистых)
движений.................................................................... НО
§ 1. Периодические движения в станках и устройства для их осуществления НО
§ 2. Храповые механизмы............................................• 111
§ 3. Мальтийские механизмы .......................................... 114
Основные кинематические зависимости ............................ 114
Конструктивное оформление....................................... 118
Расчет плоских мальтийских механизмов с внешним зацеплением ... 119
Плоские мальтийские механизмы с внутренним зацеплением......... 122
Сферические мальтийские механизмы........................ 124
§ 4. Другие механизмы для осуществления периодических движений .... 124
Глава VIII. Реверсирующие устройства...................................... 125
§ 1. Реверсирование движений в станках.............................. 125
§ 2. Требования к реверсирующим устройствам......................... 125
Критерии применимости различных систем реверсирования.......... 125
ОГЛАВЛЕНИЕ
625
§ 3. Потери энергии при реверсировании.............................. 127
§ 4. Конструкции реверсирующих механизмов .......................... 128
Глава IX. Станины. Стойки. Столы. Поперечины (траверсы). Суппорты . . . 134
§ 1. Станины........................................................ 134
§ 2. Материалы станин .............................................. 136
§ 3. Типовые конструкции станин .................................... 139
§ 4. Современное состояние проблемы расчета станин станков.......... 143
§ 5. Стойки, столы, поперечины, суппорты станков.................... 146
Глава X. Направляющие..................................................... 151
§ 1. Направляющие скольжения........................................ 151
§ 2. Гидростатические направляющие.................................. 157
§ 3. Расчет направляющих скольжения................................. 159
§ 4. Направляющие качения........................................... 164
§ 5. Круговые направляющие ......................................... 169
Глава XI. Элементы систем управления станками............................. 172
§ 1. Функции систем управления. Предъявляемые к ним требования .... 172
§ 2. Выбор системы управления и ее конструкции...................... 174
§ 3. Механические системы управления и их основные элементы......... 175
§ 4. Многорычажные и однорычажные (однорукояточные) системы управ-
ления .............................................................. 178
§ 5. Системы управления с предварительным набором скорости главного
движения или подачи................................................. 183
§ 6. Системы избирательного (селективного) переключения............. 185
§ 7. Дистанционное управление....................................... 187
§ 8. Предохранительные устройства станков .......................... 189
Глава XII. Динамический расчет и анализ металлорежущих станков .... 200
§ 1. Показатели динамического качества системы станка............... 200
§ 2. Динамическая система станка.................................... 201
§ 3. Упругая система................................................ 207
§ 4. Рабочие процессы............................................... 218
§ 5. Анализ и расчетное определение показателей динамического качества
системы станка...................................................... 223
РАЗДЕЛ VI
СТАН К И-АВТОМАТЫ И АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ
(канд. техн, наук И. В. Игнатьев, канд. техн, наук А. А. Какойло,
доц. Ю. Е. Михеев)
Глава I. Введение......................................................... 243
§ 1. Значение и развитие автоматизации станков ..................... 243
§ 2. Очередные задачи в области автоматизации станков .............. 249
§ 3. Основные понятия и определения ................................ 249
§ 4. Рабочие циклы станков-автоматов................................ 250
§ 5. Частные циклы рабочих органов . . . . '........................ 250
Глава II. Кулачковые автоматы ............................................ 252
§ 1. Структура кулачковых автоматов ................................ 252
Общие положения................................................ 252
§ 2. Общие структурные свойства цикловых исполнительных механизмов 253
§ 3. Общие свойства автоматов с цикловыми исполнительными механизмами
(кулачковых автоматов)............................................... 254
§ 4. Кулачковые механизмы........................................... 255
Сменные кулачки ............................................... 2§8
Спаренные кулачки ............................................. 259
Привод суппортов инструментальных шпинделей с независимой пода-
чей автомата мод. 1240-6 ...................................... 260
§ 5. Структурные свойства кулачкового механизма .................... 263
§ 6. Структурные свойства других цикловых исполнительных механизмов 266
§ 7. Структурные и кинематические схемы кулачковых автоматов....... 267
§ 8. Структурные и кинематические схемы многошпиндельных автоматов 275
626
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава III. Автоматизированные станки с приводом рабочих органов ходо-
выми винтами................................................. 287
§ 1. Структурные свойства пары ходовой винт—гайка.................... 287
§ 2. Структура автоматизированных станков с ходовыми винтами....... 288
§ 3. Система управления автоматическим циклом при ходовых винтах . . . 289
§ 4. Структурные и кинематические схемы.............................. 290
Схема привода в направляющей плите.............................. 292
Полуавтоматический цикл станка.................................. 297
Глава IV. Автоматизированные станки с гидравлическим приводом........... 303
§ 1. Общие свойства гидравлического привода подач и вспомогательных
движений ............................................................. 303
§ 2. Система управления автоматическим циклом......................... 304
§ 3. Силовая головка с гидравлической системой управления автоматиче-
ским циклом........................................................... 305
§ 4. Применение гидравлических следящих систем для автоматического
управления циклом .................................................... 307
§ 5. Поперечное копирование с автоматическим регулированием скорости
продольной подачи (двухкоординатное копирование) ..................... 308
§ 6. Токарно-копировальный полуавтомат мод. 1712 (станкостроительного
завода им. Орджоникидзе).............................................. 311
Гидравлический привод станка..................................... 311
Работа гидропанели копировального суппорта ...................... 314
Гидропанель подрезного суппорта ................................. 315
Гидравлический привод пиноли задней бабки ....................... 316
§ 7. Токарный шестишпиндельный полуавтомат параллельного действия
мод. 1272 завода «Красный пролетарий»................................. 321
Продольный и поперечный суппорты................................. 322
Пневматический и пневмогидравлический приводы.................... 323
Глава V. Рабочие органы автоматов ........................................ 326
§ 1. Механизмы подачи заготовок..................................... 326
Механизмы подачи материала из бунта................_........... 326
Механизмы подачи пруткового материала.......................... 328
Магазинная подача заготовок ................................... 330
Бункерная подача заготовок..................................... 335
Вибрационные загрузочные устройства............................ 337
Движение заготовки по вибрирующему лотку....................... 338
Ориентация заготовок в вибробункере . . . . ................... 339
Вибраторы...................................................... 341
§ 2. Зажимные устройства............................................ 342
§ 3. Суппорты автоматов............................................. 352
Суппорты одношпиндельных автоматов............................. 352
Суппорты одношпиндельных полуавтоматов......................... 353
Продольные суппорты многошпиндельных горизонтальных автоматов
и полуавтоматов................................................ 355
Поперечные суппорты многошпиндельных автоматов................. 357
Глава VI. Компоновка автоматов и полуавтоматов............................ 360
§ 1. Общие требования к компоновке.................................. 360
§ 2. Компоновка одношпиндельных автоматов........................... 360
§ 3. Компоновка многошпиндельных автоматов.......................... 363
§ 4. Компоновка одношпиндельных полуавтоматов ...................... 363
§ 5. Компоновка многошпиндельных полуавтоматов...................... 366
Глава VII. Производительность автоматов.................................. 369
§ 1. Показатели производительности ................................. 369
§ 2. Способы повышения производительности автоматов................. 371
§ 3. Выбор количества шпинделей .................................... 373
Глава VIII. Наладка автоматов ............................................ 376
§ 1. Составление плана обработки ................................... 376
§ 2. Определение продолжительности операции и координация рабочих
ходов .............................................................. 377
ОГЛАВЛЕНИЕ
G27
§ 3. Общая координация цикла........................................ 378
§ 4. Определение длительности цикла обработки....................... 380
§ 5. Особенности разработки расчетной карты для многошпиндельных авто-
матов .............................................................. 380
Определение радиусов кулачка................................... 382
§ 6. Групповые наладки токарных автоматов........................... 388
Станки с числовым программным управлением
Глава IX. Основные понятия, определения и принцип действия............... 391
§ 1. Общие положения .............................................. 392
§ 2. Понятие о числовом программном управлении станками............ 392
§ 3. Понятие об обратной связи. Некоторые основные положения теории
информации ......................................................... 394
§ 4. Общая схема построения станков с программным управлением .... 395
§ 5. Классификация систем программного управления по технологическим
признакам » ........................................................ 396
§ 6. Область применения станков с программным управлением.......... 397
§ 7. Принцип работы станка с позиционной системой программного управ-
ления .............................................................. 398
Глава X. Программирование и способы кодирования информации............... 402
§ 1. Программирование. Системы счисления и коды.................... 402
§ 2. Программоносители и перфораторы .............................. 407
§ 3. Устройства подачи программоносителя и считывания программы .... 411
Глава XI. Способы контроля положения и перемещения исполнительных узлов
станка................................................................... 414
§ 1. Разомкнутые и замкнутые системы управления.................... 414
§ 2. Общие принципы построения дискретных датчиков исполнения .... 417
§ 3. Принцип работы аналоговых датчиков исполнения................. 421
Глава XII. Структура схем блоков управления в позиционных системах . . . 424
Глава XIII. Примеры станков с позиционными системами программного управ-
ления ................................................................... 429
Глава XIV. Контурные системы программного управления..................... 441
§ 1. Принцип работы станка с контурной системой программного управления 441
§ 2. Подготовка программы для станков с контурными системами программ-
ного управления .................................................... 442
§ 3. Преобразование, запись на магнитную ленту и контроль программы 445
§ 4. Воспроизведение программы. Элементы устройств управления и при-
воды исполнительных узлов........................................... 449
Глава XV. Примеры станков с контурными системами программного управ-
ления ................................................................... 456
§ 1. Вертикально-фрезерный станок мод. 6Н13ЭГ Горьковского завода фре-
зерных станков (ГЗФС)............................................... 456
§ 2. Трехкоординатный фрезерный станок мод. 6441ПР Ленинградского
завода им. Свердлова................................................ 458
Автоматические линии
Глава XVI. Общие вопросы проектирования автоматических линий.............. 461
§ 1. Основные понятия ................................................ 461
§ 2. Типы автоматических линий........................................ 463
§ 3. Требования к обрабатываемым деталям ............................. 465
§ 4. Технологический процесс.......................................... 466
§ 5. Режимы резания и режущий инструмент.............................. 468
§ 6. Оборудование автоматических линий................................ 472
628
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава XVII. Автоматические линии для обработки корпусных деталей .... 475
§ 1. Особенности технологического процесса ............................. 475
§ 2. Транспортные системы автоматических линий для корпусных деталей 480
§ 3. Поворотные устройства.............................................. 486
Транспортные устройства при обработке деталей со спутниками ... 491
§ 4. Механизмы фиксации и зажима корпусных деталей...................... 496
§ 5. Переналаживаемые линии для корпусных деталей ...................... 498
Глава XVIII. Производительность и структура автоматических линий . . . . 501
§ 1. Производительность автоматических линий............................ 501
§ 2. Потери и технический коэффициент использования однопоточной сбло-
кированной автоматической линии....................................... 502
§ 3. Деление сблокированной линии на потоки............................ 505
§ 4. Разделение линий для корпусных деталей на секции.................. 507
Глава XIX. Автоматические линии для обработки валов........................... 513
§ 1. Автоматическая линия МР-107........................................ 518
Глава XX. Автоматические линии для обработки зубчатых колес................... 521
Автоматическая линия для обработки цилиндрических одновенцовых зуб-
чатых колес....................................................... 522
Глава XXI. Роторные автоматические линии ..................................... 528
§ 1. Устройство и особенности роторных линий............................ 528
§ 2. Производительность роторной линии.................................. 530
Глава XXII. Системы управления автоматических линий........................... 532
§ 1. Системы управления последовательностью действия агрегатов линии 533
§ 2. Средства управления последовательностью фаз работы линии .... 534
§ 3. Блокирование в системах управления автоматическими линиями . . . 536
РАЗДЕЛ VII
ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
(канд. техн, наук В. С. Хомяков)
Глава I. Основные виды испытаний станков............................. 539
Глава II. Испытания и исследования, проводимые для оценки точности
станков..................................................... ’542
Глава III. Проверка точности кинематических цепей станков.............. 547
Глава IV. Исследование температур и температурных деформаций в станках 551
Глава V. Исследование статической жесткости станков.................. 556
Глава VI. Испытание станков на виброустойчивость. Приборы и методы экс-
периментального исследования колебаний в станках............. 564
Глава VII. Исследование колебаний станков на холостом ходу............. 577
Глава VIII. Испытание станков на шум ................................... 583
Глава IX. Установка металлорежущих станков на фундамент............... 587
Глава X. Исследование пассивной виброизоляции станков ............... 594
Глава XI. Энергетические испытания станков (испытания на мощность) 600
Глава XII. Эксплуатационные испытания и исследования станков......... 609
Литература.................................................................... 619
Наум Самойлович АЧЕРКАН и др. «МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ СТАНКИ». Том 2.
Редактор издательства Н. А. Иванова
Технический редактор Т. Ф. Соколова Корректоры О. Е. Мишина и Ж- Л. Суходолова
Переплет художника А. Я. Михайлова
Сдано в производство 21IN 1965 г. Подписано к печати 8/Х 1965 г. Т-11193 Тираж 55 000
(2-й з-д. 40001—55000)экз. Печ. л. 54.95. Бум. л. 19,68 Уч.-изд. л. 53. Темплан 1965 г. № 320.
Формат TOxlOSVie- Цена 2 р. 80 к. Зак. 659.
Издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ». Москва, Б-66, 1-Й Басманный пер . 3
Ленинградская типография № 6 Главполиграфпрома
Государственного комитета Совета Министров СССР по печати
Ленинград, ул. Моисеенко, 10