автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Выбор конструкций станков на основе оценки их компактности

Министерство общего и професионального образования ---------------------Российской Федерации______

1осковский государственный технологический университет

"СТАНКИН"

На правах рукописи

УДК 621.9.06:681.3.067.001.24(043.3)

Толстое Кирилл Михайлович

ЫБОР КОНСТРУКЦИЙ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ ИХ КОМПАКТНОСТИ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физикотехнической обработки; станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1998

Работа выполнена на кафедре "Станки" Московского Государственного Технологического Университета "СТАНКИН"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Бушуев В. В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Прохоров А.Ф., кандидат технических наук, Кириллов В. К.

Ведущая организация:

ОАО "Московский завод

автоматических линий"

Защита состоится

1998 г. в _ часов на заседании

специализированного совета К063.42.05 Московского Государственного Технологического Университета "СТАНКИН" по адресу: 101472, Москва ГСП, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ "СТАНКИН".

Автореферат разослан "_" _ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета

к. т. н., доц. ПОЛЯКОВ

П

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проектируя машину, конструктор всегда стремится к повышению ее эффективности и производительности, рациональному использованию занимаемого машиной пространства, снижению ее массы и материалоемкости, то есть, стремится к созданию компактной конструкции.

В технике под компактностью можно понимать эффективное использование механизмом занимаемого им пространства. В данном случае эффективность является комплексным показателем, который определяет в какой мере реализуется главное назначение оборудования. Конструкция будет более компактной, если:

- при одинаковых с прототипом размерах она обеспечивает большие мощность, прочность, жесткость, имеет лучшие рабочие параметры (передаточные отношения, крутящий момент и др.);

- конструкция имеет меньшие по сравнению с прототипом размеры, массу и гарантирует выполнеие своего назначения.

Компактность часто сказывается на важнейших эксплуатационных характеристиках станков, таких как производительность, точность, надежность и комплексно характеризует уровень разработок.

В отдельных случаях, при больших размерах обрабатываемой детали очень важно уменьшить занимаемую станком площадь, снизить массу, то есть компакность выступает в качестве целевой функции.

В последнее время появились различные оригинальные концепции станков на базе многозвенных механизмов (например, "гексаяодов"), а также новые решения приводов главного движения (мотор-шпиндели, многофункциональные головки и др.), оценить которые только на основе принятых методик в полной мере не представляется возможным. В этих условиях критерий компактности, заключающийся в определении отношения релизуемой мощности резания к массе станка, существенно дополняет их и позволяет производить количественную оценку при выборе методов формообразования, схем движения и компоновок.

Цель работы. Повышение эффективности конструирования станков на основе количественной оценки компактности станков, их узлов, а также способов повышения компактности.

Поставленная цель в диссертационной работе достигается, по мнению автора, установлением критерия и разработкой методики количественной оценки компактности станков, их основных узлов (двигателей, коробок скоростей и несущих систем), а также количественной оценкой эффективности способов повышения компактности.

Общая методика исследования. Исследования базируются на использовании методов теории упругости, теоретической механики, теории электрических машин, математического моделирования с использованием метода компьютерной алгебры и оптимизации. Для оценки достоверности выводов сопоставлялись результаты теоретических и экспериментальных исследований реально существующих станков и их узлов.

Научная новизна работы состоит:

1. В установлении количественного критерия оценки компактности станков и их характерных узлов (двигателей главного движения, коробок скоростей, несущих систем) в виде удельной производительности, определяемой отношением реализуемой мощности резания к массе станка.

2. В определении количественной взаимосвязи между основными конструктивными особенностями и параметрами узлов станков, таких как кинематическая структура, передаточные отношения коробок скоростей, размеры элементов несущей системы и др. и их компактностью.

3- В математических моделях для оценки компактности станков и их характерных подсистем, учитывающих влияние основных параметров главного привода и несущей системы, таких как мощность, жесткость, конструктивные особенности и др. на уровень компактности.

Практическая полезность работы заключается:

1. В инженерной методике оценки компактности станочного оборудования и их характерных подсистем.

2. В количественной оценке способов повышения компактности станков и их характерных механизмов.

3. В ранжировании по критерию компактности станков характерных компоновок (консольных, портальных, "гексаподов", и т.д.), а также наиболее распространенных коробок скоростей.

-э-

4. В разработке рекомендаций по выбору характерных приемов

повышения -компактности - станочного--- оборудования,----таких—как:--------

использование новой технической идеи или иного физического принципа; расширение универсальности; исключение "лишних" звеньев и объединение механизмов; применение многопоточных схем; рационализация силовых и конструктивных схем; применение более рациональных, с точки зрения, компактности материалов; увеличение быстродействия.

Реализация результатов работы. Методика оценки компактности

станков приведена в методических указаниях "Использование метода компьютерной алгебры при конструировании станочного оборудования" кафедры "Станки" МГТУ "Станкин". Результаты работы использованы при постановке учебных курсов и курсовом проектировании.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на:

1) ХХ111 Гагаринских чтениях в РГТУ МАТИ им. К.Э. Циолковского, Москва, 1997 г;

2) Научной конференции "Автоматизированные технологические и мехатронные системы" в УГАТУ, Уфа, 1997 г;

3) Научной конференции, посвященной 50-летию Кабардино-Балкарского государственного университета, Нальчик, 1997 г.

4) ХХ17 Гагаринских чтениях в РГТУ МАТИ им. К.Э. Циолковского, Москва, 1998 г;

5) Заседаниях кафедры "Станки" МГТУ "Станкин".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных

работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и четырех приложений. Она содержит 214 страниц основного текста, 109 рисунков (ЭОстраниц), 23 таблицы (в основном тексте), 125 наименований использованной литературы (8 страниц), 64 страницы приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности работы, ее научную новизну и практическую полезность.

В первой главе диссертации на основе работ Журавлева В.Н., Орлова П.И., Бушуева В.В., Башты Т.М., Трифонова О.Н., Кудрявцева В.Н., Каминской В.В., Левиной S.M., Решетова Д.Н., рассмотрено влияние компактности машин на эффективность выполнения ими своих основных функций.

Рассмотены различные приемы повышения компактности машин и механизмов из разных областей техники. Основными способами повышения компактности машин являются.

1. Применение новой технической идеи для повышния компактности. Например, использование иной, более рациональной, схемы движений в станках. Применение мехатронных устройств, сочетающих в себе силовую, управляющую и информационную системы, таких как "платформа Стюарта" и других.

2. Расширение универсальности узлов машин и механизмов. В станках наибольшего повышения компактности можно достичь при расширении универсальности узлов, несущих инструмент и заготовку, так как в этом случае появляется возможность обработки сложных поверхностей за одну установку.

3. Исключение лишних конструктивных звеньев и реализация одинаковых и подобных функций одним влементом. При устранении из конструкции некоторых звеньев необходимо, чтобы их функции выполнялись другими механизмами.

4. Применение многопоточных силовых схем, например, планетарных механизмов.

5. Рационализация конструктивной и силовой схем, которая может заключаться в рациональном взаиморасположении узлов и механизмов конструкции, применении более совершенного вида силового нагружения.

6. Применении более выгоднго, с точки зрения компактности, материала, обладающего повышенными удельной прочностью, жесткостью, ударной прочностью.

7. Повышении быстродействия и быстроходности машин и механизмов там, где это возможно.

Было отмечено отсутствие единого критерия оценки компактности машин, количественных методов определения компактности механизмов и узлов, а также количественной оценки того эффекта, который

рстигается тем или иным способом повышения компактности. __ Во в*горой_ главе _ сформулирован—общий--критерий оценки :омпактности машин и механизмов, заключающийся ■дельной производительности, представляющей флективной мощности машины к ее массе.

Методика определения компактности машин ¡аключается в вычислении следующего выражения

определении их собой отношение

и механизмов

п

У = 2 (УЛ^к.),

1=1 111

где

У - удельная производительность всей машины; У^ - удельная [роизводительность 1-го рабочего органа; т^ - коэффициент [спользования 1-го рабочего органа, определяемый как отношение времени работы 1-го рабочего органа ко времени рабочего цикла гашины; к^ - коэффициент комоновки 1-го рабочего органа, отределяемый как отношение массы 1-го рабочего органа к массе всей сашины. Коэффициенты и к^ могут менять свои значения от О до 1.

При определении компактности станок рассматривается как гавокупность наиболее энергоемких его подсистем:

1) приводов гланого движения - ПГД (Уу.);

2) несущей системы станка с приводами подач - НС (У )

у = к| (+ ЗДз-

ПГД состоит из двигателя с максимальной мощностью и

Шал

■»робки скоростей, предназначенной для увеличения степени ^пользования максимальной мощности ПГД путем расширения диапазона регулирования привода (рис.1). Поэтому, удельная

1роизводительность ПГД выражается через удельные

■производительности его двигателя (У_) и коробки скоростей (У„_)

ДВ КС

= Удвкдв + ^С^КС-

Ы.вт

N.

шах

1произ ¡зодитёль" ность^коЕобки__

«Ух

средняя используемая мощность , .двигателя

средняя используемая мощность ПГД

расч

и4* ном

шах

тах

Рис.1. Определение средней используемой двигателя и производительности коробки скоростей

со, рад/с мощности

ПГД,

Удельная производительность НС определяется выражением:

Р

Ув = в~п

+-+ -

УПу

УП„

где

6 - коэффициент универсальности, равный отношения максимальной площади поверхности детали, которую моясно обработать за одну установку, к площади рабочего пространства станка; п - число приводов подач;

р - число одновременно управляемых координат;

Б.„, В. . Б. - проекции средних величин подач 1-го привода XX х^г

подач на координатные оси X, Гиг;

[5]х, СбЗу, - допустимые деформации по осям X, У и Ъ\

УП^, УПу, УП2 - удельные податливости НС по осям X, У и Ъ. Третья глава посвящена оценке компактности электродвигателей (ЭД) и гидромоторов (ГМ), использующихся в станочных приводах, по критерию их удельной производительности. Удельная

производительность ЭД определяется зависимостью

Уда = и/р)Б0),

ном'

где

(f/p) - отношение удельной подъемной силы к плотности ротора

характеристика материала^ ротора};------------------------------

■- S= S^S^S' - безразмерный коэффициент конструкции ЭД,

ciu.3

Sa = z(0,075D-0,005), где

z - число полюсов ЭД, D - наружный диаметр ЭД; S^ - коэффициент, зависящий от типа ЭД (постоянного тока, синхронный или асинхронный); S_ - коэффициент, учитывающий влияние

5

истемы охлаждения на удельную производительность ЭД; Ч™. - номинальная угловая скорость ЭД.

xiUM

'асхождение удельной производительности ЭД, рассчитанной по данной юрмуле, с ее реальными значениями составили не более ЗЬ%-

Была произведена сравнительная оценка различных ЭД и ГМ по ритерию компактности при номинальной угловой скорости G) ,= 150..

ном

¡00 рад/с, результаты которой приведены в таблице 1.

I а б ji и ц а 1

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА КОМПАКТНОСТИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ГИДРОМОТОРОВ

Тип двигателя Удв,Вт/кг

Радиально-поршневой гидромотор До 35

Электродвигатель постоянного тока 15...SO

Асинхронный электродвигатель 30...150

Синхронный электродвигатель 50...250

Лопастной гидромотор 100...250

Винтовой гидромотор до 250

Аксиально-поршневой гидромотор 80...500

Шеотреренный гидромотор до 500

Удельная производительность ЭД значительно падает с уменьшением их механической мощности, в то же время изменение удельной производительности гидромоторов одного конструктивного ряда с изменением их средней мощности и массы незначительно. Поэтому преимущество большинства конструктивных схем ГМ (за исключением радиально-поршневых) над двигателями переменного тока

в 1,5___2 раза и над двигателями переменного тока в 3...4 раза

сохраняется до 10 кВт. При больших мощностях преимущество ГМ незначительно.

В четвертой главе, была разработа математическая модель для оценки компактности коробок скоростей (КС) по критерию их удельной производительности на этапе разработки их кинематических схем. Этот показатель может служить комплексным показателем, оценивающим качество конструкции КС, и определяется по формуле

Укс = ^оУР^ном'

а0 2/Р _ удельная прочность материала зубчатых колес;

со ,, - но ном

3 = ^К'

коэффицие КС, определяется выражением

Ч_„ _ номинальная угловая скорость на входном валу коробки;

НОМ

I = 8

Бп - коэффициент, зависящий от компановки (конструктивной системы)

2т~6 арас(Нк-1> /,п "АН т

Бп = ---/ 2 -5— + 2 -р- ' где

5бг„ г-1/— / 4=1 ¿=1 и/

2И /е / 1 в 1 3 т д

- коэффициент, определяющий тип КС; а_ - число силовых потоков i, р

в КС; - число зубьев наименьшего колеса на расчетной ветви; И, -

ш л

диапазон регулирования КС; и - число скоростей КС; - расчетная угловая скорость первого колеса; з ~ коэффициент заполнения наименьшего колеса материалом; пит- число ведущих и ведомых колес в КС, соответственно; и - число зубьев, расчетная

угловая скорость и коэффициент заполнения материалом 1-го ведущего колеса, соответственно; гшв. ни. - число зубьев, угловая

и *} «] и

скорость, коэффициент заполнения и передаточное отношение между

гловой скоростью вала ведомого колеса и угловой скоростью вала его ведущего колеса на расчетной частоте,'"соответственно, б- коэффициент, зависящий от линейных размеров КС, равен

Зк = А/(Ьь(А+0,5)), где

А - сумма всех межосевых расстояний КС;

- относительная длина КС, выраженная числом рядов зубчатых колес, которое можно разместить вдоль осевого размера КС.

Была разработана методика определения массы КС на начальных этапах проектирования по известным входному моменту, материалу зубчатых колес и структуре КС.

Расчеты удельной производительности и массы КС серий С? и 2К показали, что отклонения расчетных значений этих параметров от фактических составили 7...34 %-

Был проведен количественный анализ компактности КС

различных конструктивных схем (рис.2) путем определения

коэффициента 3 в зависимости от диапазона регулирования и

п к

передаточного отношения на первой ступени расчетной ветви КС (и^ д). Удельная производительность этих КС определялась при значениях диапазона регулирования = 4, суммы межосевых

расстояний А = 0,5 м. При этом у всех КС разбиение передаточных отношений было оптимальным, материалом зубчатых колес являлась легированная сталь, а номинальная угловая скорость на входном валу ш = 100 рад/с. Результаты расчета удельной производитнельности приведены в табл.2.

Для рассмотренных коробок оказались характерными:

1) по мере увеличения диапазона регулирования до некоторого значения, определяемого типом и числом скоростей КС, наблюдается рост ее удельной произодительности, затем удельная производительность снижается;

2) удельная производительность всех КС увеличивается при увеличении удельной почности материала (а0 2/р) и угловых скоростей вращения ее зубчатых колес - ш;

3) оптимальное число зубьев ведущих колес всех КС, с точки зрения компактности - 2=12...20;

4) удельная производительность двух- и трехскоростног одноступенчатых КС оказалась примерно равной, так как рост массь трехскоростной КС компенсировался ростом ее средне} производительности;

5) применение КС с оптимальным разбиением передаточныз отношений между быстроходной и тихоходной ступенями приводит к увеличению удельной производительности трехваловой КС по сравнения с двухваловой примерно в 1,5... 1,75 раза;

б) при одинаковом диапазоне регулирования оптимальное разбиение передаточных отношений в двухступенчатых КС исходя иг равнопрочности - и12= -/ между быстроходной и тихоходной ступенями позволит увеличить удельную производительность КС почте в три раза по сравнению с наиболее неблагоприятными случаями;

С-ИЗ:

г*2

22 2 4

€

•7-11—

1_1 1

б)

в)

] т

1 ГП

—1 и- 1 ь

».ГП

. J

5

] Л

л

2Э

г)

д)

е)

ж)

Рис. 2. Кинематические схемы коробок передач

5

7) применение КС с перебором приводите-увеличению "удельной фоизводительности-в-1,5ГГ.2,5 раза по сравнению с обычными КС;

8) увеличение числа силовых потоков в КС с перебором с >дного до трех приводит почти к двухкратному росту удельной троизводительности;

9) удельная производительность планетарных КС (при зптимальном для нее значении диапазона регулирования -фимерно на порядок выше удельной производительности >днопоточных КС и раз в 5 выше удельной производительности фехпоточных.

Таблица2 УДЕЛЬНАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ КОРОБОК СКОРОСТЕЙ

Структура коробки скоростей 5п Зк Укс,Вт/кг

Двухваловая двухскоростная (а) 2•10~б 0,125 3,25

Двухваловая трехскоростная (б) 2,6-10~б 0,083 2,82

Трехваловая двухскоростная (в) 3,5-Ю~6 0,125 5,69

Трехваловая двухскоростная (г) 2,9-Ю-6 0,125 4,71

Однопоточная с перебором (д) 5,3-Ю-6 0,125 8,61

Трехпоточная с перебором (е) 8,8-10~б 0,125 14,3

Планетарная 2К-Н (ж) 26-10""6 0,250 84,5

Пятая глава посвящена количественной оценке компактности юсущих систем (НС), заключающейся в определении их удельной гроизводительности, которая зависит от:

1 ) числа обрабатываемых на станке и одновременно управляемых соординат;

2) средней величины рабочей подачи (зависящей, при заданных :корости и глубине резания от стойкости режущего инструмента);

3) удельной податливости НС;

4) усилий приводов подач.

Удельная податливость НС оказывает существенное влияние не производительность и точность станка и определяющее влияние на егс массу. В работе использовался средний интегральный показатель статической удельной податливости станка по всему рабочему пространству, так как только его, с достаточной степеньк достоверности, можно определить на етапе разработки компоновки станка.

Методика расчета удельной податливости НС по осям координат (У!^ у заключающаяся в суммировании отношениий удельных податливостей последовательно соединенных элементов НС (УП „ .) к их коэффициентам компоновки к.

и

ш

Количественная оценека влияния конструкции и рабочих параметров шпиндельного узла на компактность станка, в целом, подтвердила то, что для обеспечения максимальной компактности станка следует повышать жесткость шпинделя при сохранении требуемой из режимов резания его максимальной угловой скорости.

Расчет удельной податливости вертикальных и портальных стоек, а также НС на базе механизмов параллельной структуры, производится по формуле

УП^ у 2 ~ удельная податливость стойки или параллельного механима по одной из осей X, У, Ъ, соответственно;

р/Е - удельная податливость основного материала конструкции;

В - ширина стола станка;

„г „ - безрамерный коэффициент, определяемый соотношением размеров конструкции. Таким образом, появилась возможность количественно оценивать влияние соотношения размеров на удельную податливость, например, для вертикальной стойки они будут равны

2(вшл,в у2 у 2,7. V2 л -

X Xж, V2

= ^ 0,56—[1 + ъ + -2 + з.1г ; К, = —+ 2); / С дЧ У у ^ ^ 3 ЛуУ2

Яу, И^ - коэффициенты влияния формы и оребрения сечения,

ж, у и X - отношения размеров стойки вдоль осей X. У и 2, эответствено, к ширине стола.

Для несущих систем параллельной структуры (типа "платформа гюарта" и "манипулятор Данилевского") были определены зоны абоченго пространства и соотношения размеров, при которых их дельная податливость становится минимальной.

Выгодность материалов, применяемых для изготовления несущих истем, по критерию их удельной податливости определяется зличиной (р/Е).

Расчет удельной податливости горизонтальных станин, консолей, уппортов, шпиндельных бабок и других элементов несущих систем, гформации которых определяются жесткостью их направляющих состоит вычислении произведения податливости направляющих на массу втих злов.

Произведена количественная оценка удельной податливости радиционной компоновки и конструкции типа "манипулятор анилевского" горизонтальных многоцелевых станков (рис.3).

Результаты расчета показали, что по оси X в

аправлении, перпендикулярном оси шпинделя и параллельном лоскости стола, НС "манипулятор Данилевского" имеет в 2 раза еныпую удельную податливость по сравнению с традиционной НС истемой. По оси шпинделя ¥ превосходство "манипулятора" по ритерию удельной податливости достигает 4 раз. Удельная одатливость обеих компоновок по оси Ъ одинакова.

Произведена количественная оценка удельной податливости ертикальных многоцелевых станков одностоечной, портальной омпоновки и "гексапода" (рис.4).

Результаты вычислений показали, что по оси X, вдоль поперечной оси стола, портальная компоновка в 4...5 превосходит одностоечную по удельной податливости, а НС "гексапод" - в 2 раза портальную, по оси У превосходство портальной компоновки над одностоечной по удельной податливости оценивается, примерно, в 2,5 раза, а "гексапода" над портальной - в 2 раза. По оси Z одностоечная компоновка имеет несколько меньшую удельную податливость, чем портальная, а "гексапод" превосходит их по удельной податливости в 4...5 раз. Преимущество несущих систем параллельной структуры объясняется тем, что они работают на растяжение-сжатие и не имеют направляющих.

В шестой главе произведена количественная оценка компактности различных станков (вертикальных и горизонтальных многоцелевых, токарных и зубофрезерных) путем расчета и сравнения их удельной производительности. На ее основе определена эффективность основных способов повышения компактности.

1. Наиболее аффективным способом повышения компактности станочного оборудования является использование новой технической идеи, связанной с изменением методов формообразования, схемы движений и компоновки станка. Так, использование несущей системы "гексапод" в вертикальном многоцелевом станке НЗТИ вместо традиционной компоновки с крестовым столом и вертикально-подвижной шпиндельной бабкой (2254ВМФ4) позволило увеличить удельную производительность в 10 раз. Использование метода трехкоординатного деления на станке КУ-250 при обработке секторов зубчатых колес диаметром до 20 метров вместо традиционного -двухкоординатного привело к увеличению удельной цроизводательности в 5 раз по сравнению со станком КУ-279.

2. Увеличение универсальности горизонтальных многоцелевых станков Mandelli Regent 1500 и Ingersoll Type S 1500 путем увеличения сторон, обрабатываемых за одну установку с четырех до пяти, привело к увеличению удельной производительности несущей системы примерно в 1,5 раза'. Однако, рост удельной производительности всего станка не наблюдался, так как и при четырехсторонней, так и пятисторонней обработках требутся переустановка детали для полной ее обработки.

в)

Рис 4- Компоновки вертикально-многоцелевых станков консольная (а), "гексалод" (б), портальная (в)

3. Увеличение компактности узла станка цри уменьшении числе звеньев особенно ярко выражено при сравнении привода главногс движения станка 2254ВМФ4, имеющего двигатель постоянного тока i трехскоростную коробку передач, и мотор-шпинделя ЭВ~2 экспериментального "гексапода" НЭТИ: удельная производительность последнего (при равной мощности примерно 6 кВт) выше в 15 раз, чтс позволило не только повысить компактность станка в целом, но к резко снизить динамические нагрузки на его несущую систему.

4. Увеличение числа силовых потоков за счет увеличения числе приводов подач в станке Ingersoll Type S 1500 с четырех до пяте позволило увеличить его удельную производительность на 20...25%.

5. Совершенствование конструктивной и силовой схемы станка 17А40ФЗ путем уменьшения удельной податливости несущей систем*, примерно на треть по сравнению со станком 16К20Т1, а также увеличение быстродействия за счет повышения скоростей подач примерно в 2 раза позволило увеличить удельную производительность станка 17А40ФЗ по сравненнию со станком 16К20Т1 в 1,5 раза.

6. Влияние приводов главного движения и несущих систем на компактность разных станков различна. У наиболее компактных станков удельная производительность несущей системы составляет более 50% общей удельной производительности.

Оценка результатов расчета удельной производительности станков показала, что в тех случаях, когда конструкторы стремились к увеличению компактности станко в (например, при создании "гексапода" и станка КУ-250), улучшались и их рабочие показатели (такие как, жесткость, скорости подач и др.). И с другой стороны, когда конструкторы увеличивали жесткость, производительность и универсальность станочного оборудования, наблюдался и рост егс компактности (например, станки Ingersoll Type S 1500 и 17А40ФЗ).

Заключение содержит основные выводы и результаты работы.

В приложениях изложены: краткое описание метода компьютерной алгебры; инженерная методика оценки компактности станков; пример определения удельной производительности станка 2254ВМФ4; оценка универсальности разработанной методики.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 .______Предложен дополнительный обобщенный показатель

Ьфективнооти станочного оборудования в виде критерия жпактности, который определяется отношением реализуемой мощности >зания к массе станка и учитывает такие показатели качества :анков по ГОСТ 4.93-86, как размеры заготовки и рабочего зостранства станка, количество управляемых осей координат и число фавляемых осей, пределы частот вращения, рабочих подач, силовые фактеристики станка, показатели точности (жесткость) и зоизводительности. При этом станок рассматривается как )Вокупность наиболее энергоемких подсистем: приводов гланого зижения и несущей системы станка.

2. Критерием оценки компактности электродвигателей гидромоторов, использующихся в станочных приводах главного

зижения, является их удельная производительность, представляющая эбой отношение средней используемой мощности электродвигателя к го массе. Разработанная математическая модель для определения змпактности электродвигателей позволяет оценивать их Ёфективность на начальных этапах проектирования станка, эавнительная оценка электродвигателей и гидромоторов (при =

НОМ

Ю...300 рад/с) показала преимущество большинства конструктивных сем гидромоторов (за исключением радиально-поршневых) над зигателями переменного тока в 1,5...2 раза, а над двигателями зстоянного тока - в 3-..4 раза, для приводов главного движения эщностыо до 10 кВт. Для приводов большой мощности преимущество здромоторов невелико.

3. Математические модели для расчета удельной зоизводительности и массы коробки скоростей можно зпользовать на этапе разработки ее кинематической схемы как для денки эффективности различных конструктивных схем, так и для химизации параметров (например, передаточных отношений) внутри энной конструктивной схемы. Оценка различных схем коробок соростей при характерных для приводов главного движения станков с !У диапазоне регулирования коробки = 3...6 и номинальной лловой скорости на входном валу со> = 100 рад/с подтвердила

не-

значительное преимущество планетарных (в 15...30 раз) многопоточных с перебором (в 3—5 раз) коробок скоростей нг традиционными конструктивными схемами. Оптимизируя передаточнь отношения внутри данной конструктивной схемы, можно повысич компактность до 3...4 раз по сравнению с наиболее неблагоприятны» случаями.

4. Удельная производительность несущей системы в значительнс мере определяется усредненным интегральным значением удельне податливости несущей системы по всему рабочему пространст! станка. Математические модели для расчета удельнс производительности и удельной податливости позволили оцени1: компактность различных компоновок несущих систем. Эта оценг показала преимущество несущих систем параллельной структу] ("гексаподов" ж др.) над портальными в 2...5 раз, а парталыв компоновок над консольными - в 2...3 раза.

5. Разработана инженерная методика оценки компактное^ станка, с использованием которой была произведена оцеш многоцелевых, токарных и тяжелых зубофрезерных станков. Оценг показала эффективность различных способов повышения компактное^ Наиболее эффективным оказался метод применения новой техническс идей, связанный с использованием более эффективных методе формообразования, схем движений и компоновок, который позвол! повышать компактность станков в 5--.10 раз. Применеие друп способов повышения компактности позволяло повысить ее в 1,3... раза. Влияние приводов главного движения и несущих систем I компактность разных станков различна. У наиболее компактш станков удельная производительность несущей системы составляв более 50% общей удельной производительности.

6. Методику оценки компактности наиболее целесообраз! применять на ранних этапах проектирования, а именно щ разработки концепции станка, выборе методов формообразования, сх< движений и компоновок станков; при разработке тяжелых станкоз когда важно уменьшить занимаемую ими площадь; при разработз кинематических схем как на этапах выбора их структуры, так и щ оптимизации ее параметров; при оценке многофункциональных узлов.

7. Основными способами повышения компактности машин и ;анизмов, применяемыми в процессе проектирования—являются: :ользование_ иной—технической" идеи или физического принципа; ширение универсальности; исключение звеньев и объединение .анизмов; применение многопоточных схем; рационализация силовых инструктивных схем; применение более рациональных материалов; личение быстроходности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Толстов К. М. Количественный метод оценки компактности обок скоростей станков с ЧПУ.// Межвузовский научный сборник, ледование станков и инструментов для обработки сложных и точных ерхностей. - Саратов: СГТУ, 1997 г., стр. 71 -81.

2. Толстов К. М. Количественный метод оценки компактности нков,// XXIII Гагаринские чтения. Сборник тезисов докладов чной конференции. Москва, 8-12 апреля 1997 года. (Часть 6) -РГТУ МАТИ, 1997 г., стр. 65 - 66.

3. Толстов К. М. Оценка компактности несущих систем по терию удельной мощности.// Сборник научных трудов конференции томатизировэнные технологические и мехатронные системы в иностроении". Уфа, 1997 г. - Уфа: УГАТУ, 1997 г., стр. 60-61.

4- Толстов К. М. Несущие системы "гексапод".//Сборник научных дов. Проектирование технологических машин., М: МГТУ "Станкин", 7 г., вып. 6, стр. 51 - 54.

5. Толстов К. М. Оценка компактности станочного рудования.// СТИН, 1998 г.

6. Виноградова Т.И., Толстов K.M. Использование метода юьютерной алгебры при конструировании станочного рудования.// Методические указания. М: МГТУ "Станкин", кафедра •анки", 1998 г., 38 с.

7. Толстов К. М. Удельная производительность коробок >ростей,// XXIV Гагаринские чтения. Сборник тезисов докладов чной конференции. Москва, 8-12 апреля 199S года. (Часть Ь) -

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата нических наук

Толстов К.М.

Выбор конструкций станков на основе оценки их компактности

Сдано в набор Подписано в печать

Формат 60x90/16 Бумага 80 гр/м2

Объем 1.2 уч. - изд. л. Тираж 100 экз. Заказ №639

Издательство "Станкин" 101472, Москва, Вадковкий пер.,

ПЛД № 53-227 от 09.02.96г.

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Московский государственный технологический университет «Станкин»

На правах рукописи

УДК 621.9.06:681.3.067.001.24.(043.3)

Толстов Кирилл Михайлович

ВЫБОР КОНСТРУКЦИЙ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ ИХ КОМПАКТНОСТИ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физикотехнической обработки; станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва. 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................... . .. ..................................5

ГЛАВА 1 . КОМПАКТНОСТЬ И КОНСТРУИРОВАНИЕ.........................10

1.1. Компактность при рациональном конетрзпировании....... .10

1.2. Применение новой технической идеи для повышения компактности...............................11

1.3- Повышение компактности машины путем расширения

универсальности отдельных ее узлов...................25

1.4. Повышение компактности путем исключения из конструкции лишних звеньев и реализации одинаковых и подобных функций одним элементом........26

1.5. Применение многопоточных схем для повышения компактности.........................................35

1.6. Повышение компактности путем рационализации существующей конструктивной схемы....................38

1.7. Влияние материала конструкции на ее

эффективность по критерию компактности...............54

1 .8. Быстроходность машины и ее компактность..............54

1.9. Цели, и задачи исследования.... —................... .55

1 .10. Выводы по главе 1....................................56

ГЛАВА 2. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ КОМПАКТНОСТИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОДУКЦИИ....................................58

2.1. Общая постановка задачи. Количественный

критерий оценки компактности машины...................58

2.2. Компактность станочного оборудования.

Общая постановка...................................... 67

2.3. Выводы по главе 2.....................................83

ГЛАВА 3. КОМПАКТНОСТЬ ПРИВОДОВ СТАНКОВ--------............----- .86

,3.1. Удельная производительность электродвигателя

постоянного тока......................................88

3.2. Удельная производительность асинхронного электродвигателя......................................96

3.3. Удельная производительность синхронных электродвигателей............................................................104

3-4. Оценка массы электродвигателей. ......................110

3.5. Удельная производительность гидромоторов.............112

3.6. Основные способы повышения компактности

приводов станочного оборудования.....................123

3.7. Выводы по главе 3....................................124

ГЛАВА 4. КОМПАКТНОСТЬ КОРОБОК СКОРОСТЕЙ........................128

4.1. Удельная производительность коробок скоростей........130

4-2. Оценка массы коробок скоростей.......................153

4.3. Влияние основных параметров коробок

скоростей на их компактность.........................159

4.4. Оценка компактности наиболее распространенных конструктивных схем коробок скоростей................166

4.5. Выводы по главе 4....................................185

ГЛАВА 5- КОМПАКТНОСТЬ НЕСУЩИХ СИСТЕМ СТАВКОВ...................189

5-1. Удельная податливость шпиндельных узлов..............194

5.2. Удельная податливость вертикальных стоек станков.....199

5-3. Удельная податливость портальных станин станков......210

5-4. Удельная податливость несущих систем на основе

пространственных механизмов параллельной структуры—221 5-5. Рациональный выбор материалов несущих систем

по критерию, удельной податливости....................243

5.6. Удельная податливость горизонтальных станин, консолей, суппортов , шпиндельных бабок и других элементов несущих систем, деформации которых определяются податливостью их направляющих...........244

5-7. Рациональный выбор наиболее распространенных компоновок несущих систем по критерию удельной

податливости.........................................257

5-8. Определение допустимых деформаций несущей системы....269

5-9. Выводы по главе 5....................................269

ГЛАВА 6. ОЦЕНКА КОМПАКТНОСТИ СТАНКОВ. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ

РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА КОМПАКТНОСТЬ МАШИН................... . 273

6.1. Оценка компактности многоцелевых станков вертикальной компоновки с шириной стола 600-700 мм...........................................273

6.2. Оценка компактности горизонтальных многоцелевых станков с шириной стола

1100-1500 мм.........................................278

6.3. Оценка компактности токарных станков ■ с наибольшим диаметром обработки над

станиной 500-630 мм..................................286

6.4. Оценка компактности тяжелых зубофрезерных

станков..............................................291

6.5. Выводы по главе 6....................................295

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................298

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............................305

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МЕТОДА КОМПЬЮТЕРНОЙ АЛГЕБРЫ.....313

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА КОМПЬЮТЕРНОЙ АЛГЕБРЫ ПРИ

КОНСТРУИРОВАНИИ СТАНОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.........................317

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. РАСЧЕТ УДЕЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

СТАНКА 2254ВМФ4....................................... . -...... ..356

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ КОМПАКТНОСТИ.....369'

-5-ВВЕДЕНМЕ

Проектируя машину, конструктор всегда стремится к повышению ее эффективности и производительности, рациональному использованию занимаемого машиной пространства, снижению ее массы и металлоемкости, то есть, стремится к созданию компактной конструкции.

В технике под компактностью можно понимать эффективное использование механизмом занимаемого им пространства. В данном случае эффективность является комплексным показателем, который определяет, в какой мере реализуется главное назначение оборудования. Под занимаемым машиной пространством можно понимать тот объем, который заполнен ее веществом. Конструкция будет более компактной, если:

. - при одинаковых с прототипом размерах она обеспечивает большие мощность, прочность, жесткость, имеет лучшие рабочие параметры (передаточные отношения, крутящий момент и др.);

- конструкция имеет, меньшие, по сравнению с прототипом, размеры, массу, и гарантирует вылолнеие своего служебного назначения.

В различных областях техники существуют свои взгляды на необходимость создания компактных конструкций и на критерии оценки компактности. Так при разработке авиационной военнной и транспортной техники, компактность является одной из важнейших характеристик, потому что каждый лишний килограмм уменьшает полезную мощность, скорость, грузоподъемность, дальность действия. Именно в этих областях разработано и применяется наибольшее количество различных критериев оценки компактности. Например, в авиации такими показателями являются удельная мощность и тяговооруженность, измеряемые соответственно в Вт/кг и Н/кг. Эти критерии используются не только для оценки компактности летательных аппаратов целиком, но и для анализа качества конструкции их отдельных узлов и агрегатов (например двигателей, гидроприводов, редукторов различного назначения) [50].

Для определения компактности военной техники используется целый ряд показателей. Наиболее интересным примером здесь может

служить оценка рациональности конструкции танков. Так как в них должны сочетаться огневая мощь, броневая защита и подвижность. Для оценки компактности конструкции танковой пушки (как и любого другого орудия) можно воспользоваться ее эффективной удельной мощностью, которая может быть выражена как .произведение дульной энергии на скорострельность орудия и на вероятность попадания в цель, отнесенное к массе танка (артиллерийской установки) [49]. Для оценки степени защищенности объекта применяют показатель отношения приведенной толщины брони лобовой проекции танка к забронированному объему и, наконец, при: оценке подвижности используют отношение мощности танкового двигателя к массе танка.

На транспорте часто пользуются показателем удельной грузоподъемности, характеризующим отношение массы (веса) полезной нагрузки к массе (весу) транспортной машины [49]. Этот показатель удобен для оценки компактности железнодорожных вагонов,-однако, для самодвижущихся транспортных средств этот показатель; невыразителен, так как нужно учесть еще и скорость. Поэтому необходимо использовать другие критерии. Например, для оценки компактности экскаваторов используют отношение производительности (м-учас) к его массе [ 49 3 -

В отличие от вышеперечисленных примеров, при проектировании станка не всегда обращают внимание на его компактность. Между тем, компактность часто сказывается на важнейших эксплуатационных характеристиках, таких как точность, надежность и комплексно характеризует уровень разработок. Так, при проектировании новых станков (в том числе на базе мехатронных систем) важно производить их количественную оценку на этапах выбора методов формообразования, схем движений и компоновок.

В отдельных случаях, при больших размерах обрабатываемой детали очень важно уменьшить занимаемую станком площадь, снизить его массу, то есть компакность выступает в качестве целевой функции.

Но даже при неизменных размерах конкретной машины выгодно иметь более компактные отдельные узлы и механизмы (например, коробки скоростей), поскольку их рабочие функции в этом случае могут выполняться наиболее эффективно, тем более, что повышение

компактности перемещаемых узлов, может снизить динамические нагрузки в станках.

Ввиду недостаточного внимания, уделяемого компактности в станкостроении, критерии ее оценки в этой области развиты значаительно хуже, чем в других отраслях машиностроения. Иногда качество конструкции металлорежущих станков оценивают отношением номинальной мощности приводного электродвигателя к массе станка [21], [22] (показатель этот невыразительный, так как он не учитывает точность, степень использования номинальной мощности, а также производительность станка). Иногда пользуются показателем металлоемкости, представляющим отношение массы к-производительноети станка, выраженной через количество обрабатываемых деталей в единицу времени. Недостатком этого показателя является то, что он не учитывает размеров, формы и материала заготовки [231. Для оценки качества несущей системы станка (наиболее спецефической его составляющей) пользуются такой характеристикой как статическая (реже динамическая) удельная жесткость, которая характеризует спосбность несущей системы сопротивляться упругим деформациям [82].

Таким образом, проблема снижения веса машин при одновременном улучшении их\качества привлекает внимание всех машиностроителей и в первую -очередь конструкторов, которые всегда стремятся к созданию компактной (красивой) конструкции, обеспечивая снижение массы, эффективнее используя рабочее пространство, совмещая функции отдельных механизмов и т. п. Тем более, что очень часто вопрос повышения компактности решает судьбу конструкции.

Данная работа посвящена оценке компактности различных машин и механизмов ( в первую очередь станочного оборудования и основных его элементов ) на основе их удельных характеристик, классификации основных принципов повышения компактности, а также оптимизации станков и механизмов станочного оборудования' по критерию компактности при помощи различных физико-технических эффектов. Научная новизна работы состоит:

1 . В установлении количественного критерия оценки компактности станков и их характерных узлов (двигателей главного движения, коробок скоростей, несущих систем) в виде удельной

производительности, определяемой отношением реализуемой мощности резания к массе станка.

2. В определении количественной взаимосвязи между основными конструктивными особенностями и параметрами узлов станков, таких как кинематическая структура, передаточные отношения коробок скоростей, размеры элементов несущей системы и др. и их компактностью.

3. В математических моделях для оценки компактности станков и их характерных -подсистем, учитывающих влияние основных параметров главного привода и несущей системы, таких как мощность, жесткость, конструктивные особенности и др. на уровень компактности.

Практическая полезность работы заключается:

1. В инженерной методике оценки компактности станочного оборудования и их характерных подсистем.

2. В количественной оценке способов повышения компактности станков и их характерных механизмов. .

3. В ранжировании по критерию компактности станков характерных компоновок (консольных, портальных, "гексаподов", и т.д.), а также наиболее распространенных коробок скоростей.

4. В разработке рекомендаций по выбору характерных приемов повышения \ компактности станочного оборудования, таких как: использование новой технической идеи или иного физического принципа; расширение универсальности; исключение "лишних" звеньев и объединение механизмов; применение многопоточных схем; рационализация сшювых и конструктивных схем; применение более рациональных с точки зрения компактности материалов; увеличение быстродействия.

Диссертация содержит введение, шесть глав, заключение и приложения. В первой главе определяется значение компактности как одного из важных принципов рационального конструирования. В ней приведены примеры влияния компактности на достижение главной цели проектирования. Дано описание основных методов повышения компактности. Вторая глава содержит общую постановку задачи количественной оценки компактности станочного оборудования. Третья, четвертая и пятая главы посвящены количественной оценке компактности станочных приводов, коробок передач и несущих систем

соответственно, а также количественную оценку наиболее распространенных физико-технических эффектов и основных способов повышения компактности, применяемых при проектировании данных элементов конструкции станков. В шестой: главе, на основе методики количественной оценки компактности станочного оборудования, приведены примеры оценки компактности станков сверлильно-фрезерно-расточной, токарной и зубофрезерной групп, на конкретных примерах произведена количественная оценка методов повышения компактности, определено то влияние, которое оказывает повышение компактности на основные характеристики станка и, наоборот, как сказывается изменение основных параметров станка на интегральном показателе его компактности. В заключении даны основные выводы по работе и ее результаты. В Приложении 1 дано краткое описание метода компьютерной алгебры, ,примененного в диссертации. В приложении 2 приведена методика оценки компактности -с использованием програмного пакета Maple V R3, реализующего метод компьютерной алгебры. В приложении 3, в качестве примера, приведен расчет удельной производительности станка 2254ВМФ4. В приложении 4 дана оценка универсальности методики.

Диссертация содержит 210 страниц основного текста, 109 рисунков (90страниц), 23 таблицы (в основном тексте), 125 наименований использовнной литературы (8 страниц), 64 страницы приложений.

Основные положения работы докладывались на:

1) XXIII Гагаринских чтениях в РГТУ МАТИ им. К.Э. Циолковского, Москва, 1997 г;

2) Научной конференции "Автоматизированные технологические и мехатронные системы" в УГАТУ, Уфа, 1997 г;

3) Научной конференции, посвященной 50-летию Кабардино -Балкарского университета, г.Нальчик, 1997 г;

4) XXIY Гагаринских чтениях в РГТУ МАТИ им. К.Э. Циолковского, Москва, 1998 г;

5) Заседаниях кафедры "Станки" МГТУ "Станкин".

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

ГЛАВА 1 . КОМПАКТНОСТЬ И КОНСТРУИРОВАНИЕ 1.1. Компактность при рациональном конструировании

Компактность является одним из признаков рациональной конструкции. Целесообразное использование объема повышает производительность и эффективность машины, уменьшает размеры, массу и материалоемкость, положительно влияет на динамические характеристики. Создание компактных механизмов способствует, как правило, повышению жесткости.

Снижение массы имеет наибольшее значение в транспортном машиностроении, особенно в авиации, где каждый лишний килограмм уменьшает полезную грузоподъемность, скорость и дальность действия. В общем машиностроении уменьшение массы машин означает снижение расхода металла и стоимости изготовления.

Следует оговориться, что уменьшение массы конструкции не является безусловной самоцелью. Если уменьшение массы сопряжено с уменыпеием таких параметров как надежность и долговечность машины, то целесообразно иметь более тяжелый, но долговечный механизм. Как правило, создание компактных конструкций вызывает значительные трудности при проектировании, и именно поэтому компактные механизмы обычно отличают высокое качество конструкции, применяемых материалов, рациональность ее схемы, совершенство форм деталей и другие удачные конструкторские решения; то есть компактность может выступать как интегральный показатель оценки качества конструкции.

Неоходимо отметить, что по мере развития техники четко обозначена тенденция к повышению комактности машин различного назначения. Кроме того, наиболее удачные и революционные технические решения обычно сопровождаются резким увеличением компактности. При решении самых разнообразных конструкторских задач проектировщики зача�