Проектирование механизма поворота автоматизированных станков

Федеральное агентство по образованию

Санкт - Петербургский

государственный политехнический университет

Механико-машиностроительный факультет



                                                               



Кафедра:   ГАК









Пояснительная записка

Расчётное задание № 1

Проектирование механизма поворота

 автоматизированных станков 





                          



                                                                                     

          Работу выполнил: 

            студент гр. 5043/10                                                                           Пискарёв П. Ю.

            Работу принял:                                                                                       Петков П. П.        









                                                                        







Санкт – Петербург

2010 г.


СОДЕРЖАНИЕ



Введение	2

Исходные данные	3

1. Кинематический анализ и расчёт мальтийских механизмов	4

	1.1. Основные особенности и принцип действия                                                       мальтийских механизмов	4

	1.2. определение углов поворота и коэффициента времени                                                 работы мальтийских механизмов	4

	1.3. Определение угловой скорости и углового ускорения                                                     мальтийского креста	5

2. Определение основных параметров мальтийских механизмов	7

3. Силовой расчёт мальтийских механизмов	8

	3.1. Определение моментов и усилий, действующих в механизме	8

	3.2. Проверка на прочность деталей механизма	9

Приложение	11

Список литературы	14

	


Введение



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

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

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

Цель работы:

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

Весь расчёт, выполненный в MathCAD представлен в приложении.


Исходные данные

	

	Таблица 1

	Индивидуальные данные по расчётному заданию

	Тип мальтийского механизма

	Механизм с внешним зацеплением

	Число пазов креста Z

	12

	Межосевое расстояние А, мм

	400

	Время поворота tд, с

	2,5

	Диаметр планшайбы D, мм

	1200

	Масса подвижного узла G, кг

	1200

	


Кинематический анализ и расчёт мальтийских механизмов



Основные особенности и принцип действия мальтийских механизмов



Наиболее широко применяют “правильные” мальтийские механизмы с внешним и внутренним зацеплением, а также сферические, обеспечивающие поворот узлов на равные углы с постоянной продолжительностью периодов простоя и движения. Мальтийские механизмы состоят из следующих основных элементов: мальтийского креста, кривошипа (поводка) с пальцем. Кривошип вращается с постоянной скоростью 0, а палец входит поочередно в радиальные пазы креста, поворачивая его каждый раз на 1/z оборота, где z-число пазов креста. После выхода пальца (ролика) из паза крест останавливается, и его положение фиксируется каким-либо устройством. Время поворота подвижного узла соответствует времени холостого хода, а время простоя – времени обработки в цикле технологического процесса.

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



Определение углов поворота и коэффициентов времени работы мальтийских механизмов



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



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

Полный угол поворота креста: 

Тогда: , ;

Время движения креста:  .

Следовательно, частота вращения вала кривошипа: 

Угловая скорость вращения кривошипа:  

Время простоя (останова):  ;

Время полного оборота кривошипа:  

Коэффициент  времени работы мальтийского механизма: 



Определение угловой скорости и углового ускорения мальтийского креста



Угловая скорость креста:



где  - угловая скорость кривошипа;



 - текущий угол поворота кривошипа;

- передаточное отношение мальтийского механизма.

Максимальных значений угловая скорость креста  и передаточное отношение  достигают при                                      

 





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





Угловое ускорение креста:



где - коэффициент ускорения креста.

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

    

 



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



Определение основных параметров мальтийских механизмов



Радиус креста:     

Длина кривошипа: 

Диаметр ролика предварительно выбирают из соотношения:  Примем 

Длина паза креста: 



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

Наружный диаметр креста: 



где с = 2 мм – фаска.

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



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

	

Силовой расчёт мальтийских механизмов



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



Определение моментов и усилий, действующих в механизме



Статический момент сил трения в опорах карусели:



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

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

dш = 14,49 мм - диаметр шариков подшипника;



Момент инерции карусели:   

где rk - приведённый радиус карусели;  

 



Максимальное усилие на ролике кривошипа: 

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



Максимальный момент сопротивления на валу креста 

где - 



Средний крутящий момент на валу кривошипа:                                          

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

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



Средняя мощность, необходимая для вращения кривошипа:



Максимальный крутящий момент на валу кривошипа: 



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



Проверка на прочность деталей механизма



Ролик кривошипа проверяется на прочность при изгибе:   

где Ми - изгибающий момент, действующий на ролик кривошипа,

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

 

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

   

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

Вал кривошипа проверяется на прочность при кручении: 

где кр - допускаемое напряжение при кручении для материала вала кривошипа (для стали 45, закалённой до твёрдости HRCэ = 45-55, [кр] = 100 Н/мм2 [1]).

  

В нашем случае диаметр вала кривошипа (25 мм) удовлетворяет условию прочности.

Вал креста проверяется на прочность при кручении:  

где [кр] = 100 Н/мм2 допускаемое напряжение при кручении для материала вала креста.

  

Диаметр вала креста (65 мм) также удовлетворяет условию прочности.

Рабочие поверхности паза креста и ролика проверяются на контактные напряжения:   

где b1 = 30 мм – толщина креста (конструктивно);

rp = 15 мм-радиус ролика кривошипа;

Е = 2∙105 Н/мм2 - модуль упругости для стали; 

 [к] - допускаемое контактное напряжение (для стали 20Х, цементированной и закалённой до твёрдости HRCэ = 56-62, [к] = 240 Н/мм2 [1]).

   

Условие прочности  к (43,819) ≥ [к] (240) - выполняется.




Приложение




Список литературы



Автоматы и станочные комплексы: лабораторный практикум / Сост.: Н. Г. Переломов, П. П. Петков, Ю. М. Панкратов – Ленингр.: Изд-во гос. техн. ун-т, 1991. – 80 с.

Автоматы и автоматические линии. Ч.2 Системы управления и целевые механизмы / Под ред. Шаумяна Г. А. – М.: «Высш. школа», 1976. – 336 с.

ГОСТ 7872-89 - Подшипники упорные шариковые одинарные и двойные. Технические условия.







1