Содержание к диссертации
Введение
I. ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРИВОДА ПОДАЧ СТАНКОВ С ШАРИКОВЫМИ ВИНТОВЫМИ УЗЛАМИ 8
1.1. Анализ задач автоматизированных расчетов привода подач станков с ЧПУ 9
1.2. Анализ методик расчета шариковых винтовых узлов привода подач станков с ЧПУ 15
1.3. Современный уровень расчета устройств возврата шариков винтовых механизмов 28
1.4. Постановка задач исследования 52
2. ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ РАСЧЕТОВ ШАРИКОВЫХ ВИНТОВЫХ УЗЛОВ ПРИВОДА ПОДАЧ СТАНКОВ С ШАРИКОВЫМИ ВИНТОВЫМИ УЗЛАМИ 33
2.1. Задачи автоматизации проектирования шариковых винтовых узлов 33
2.2. Критерии проектирования шариковых винтовых узлов 34
2.3. Общая модель математического обеспечения для автоматизированных расчетов шариковых винтовых узлов 49
2.4. Методика автоматизированного расчета толщины смазочной пленки на пятне контакта винтовых поверхностей 63
2.5. Методика автоматизированного расчета шариковых винтовых узлов 102
3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ УСТРОЙСТВ ВОЗВРАТА ШАРИКОВ ВИНТОВЫХ МЕХАНИЗМОВ 123
3.1. Критерии проектирования устройств возврата шариков. 123
3.2. Общая модель математического обеспечения для автоматизированных расчетов устройств возврата шариков 129
3.3. Разработка математических моделей устройств возврата шариков 140
3.4. Исследование устройств возврата шариков. . 163
3.5. Автоматизированный расчет устройств возврата шариков 173
4. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ШАРИКОВЫХ ВИНТОВЫХ МЕХАНИЗМОВ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ. 184
4.1. Методика расчета параметров окна гайки шариковых винтовых механизмов 184
4.2. Разработка шариковых винтовых механизмов новой конструкции 193
4.3. Сравнительные экспериментальные исследования работоспособности шариковых винтовых механизмов 195
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 210
ЛИТЕРАТУРА 212
ПРИЛОЖЕНИЕ 222
- Анализ задач автоматизированных расчетов привода подач станков с ЧПУ
- Задачи автоматизации проектирования шариковых винтовых узлов
- Критерии проектирования устройств возврата шариков.
- Методика расчета параметров окна гайки шариковых винтовых механизмов
Введение к работе
В настоящее время машиностроение переживает сложный этап комплексного освоения систем автоматизированного проектирования (САПР). В II пятилетке программа САПР отнесена к числу важнейших научно-технических тем, предусматривающая применение средств вычислительной техники на всех стадиях проектирования изделий машиностроения.
На современном этапе развития САПР большое место занимают вопросы методологии: автоматизированного проектирования, усиленно развиваемые учеными ведущих промышленно развитых стран.
С позиции автоматизации проектирования станок рассматривается как "система", включающая в себя ряд "подсистем", в качестве которых, в частности, выступают привод подач, главный привод, шпиндельный узел станка и т.д.
В рамках САПР отрасли в ЭНИМСе подготовлены технические задания и разработаны автоматизированные подсистемы расчетно-конст-рукторских работ ряда элементов станков. К ним относятся [2,3,4]: "Привод подач и вспомогательных перемещений", "Главный привод", "Шпиндельный узел". Методологической основой данных подсистем является применение ЭВМ на всех стадиях формирования конструкций объекта расчета и автоматизированное выполнение расчетных процедур от формирования математических моделей до обобщения полученных результатов. Подсистемы ориентированы на ведущих конструкторов станков и их узлов и позволяют пользователю расчитывать конструкции на принципах вариантных расчетов, значительно сократить трудоемкость, сроки проектирования и одновременно повысить качество проектных расчетов.
Большое влияние на производительность, точность, надежность и долговечность металлорежущих станков оказывают показатели ка- - 5 -качества приводов подач. Наиболее ответственным элементом привода является шариковый винтовой узел (шариковый винтовой механизм с опорами).
В настоящее время выбор конструктивных схем и параметров шариковых винтовых узлов (ШВУ) осуществляется по рекомендациям, обобщающим опыт проектирования. При этом, оптимизация параметров и определение соответствий характеристик заданным требованиям не производится, а основным критерием выбора является жесткость узла.
Целесообразность создания более совершенных методов определяется широкой сферой применения, разнообразием условий эксплуатации и необходимостью повышения качественного уровня технических решений шариковых винтовых узлов.
В этой связи особую важность приобретает разработка автоматизированных методов проектирования, так как это позволяет автоматизировать трудоемкий процесс синтеза конструкций шариковых винтовых узлов с учетом основных требований, предъявляемых к ним.
В настоящей работе предпринята попытка создания методических и программных средств для решения задач, связанных с автоматизацией проектирования ШВУ, что определяет ее научную ценность.
В процессе выполнения работы проведены исследования, на основании которых получен комплекс новых научных результатов. Наиболее существенными являются: дано научное обоснование оптимизационным автоматизированным расчетам шариковых винтовых узлов привода подач станков с учетом векторного ограничения; разработана математическая модель устройств возврата шариков винтовых механизмов, описывающая процесс силового взаимодействия шариков и позволяющая оптимизировать эти устройства; получен коэффициент оптимальной длины канала возврата шариковых винтовых механизмов, регламентированных ОСТ 2 Н23-7.
Полученные научные результаты имеют и практическую ценность, поскольку позволяют сделать шаг к увеличению долговечности и плавности работы ШШ в приводе подач. Целесообразность повышения долговечности подчеркивает тот факт, что динамическая грузоподъемность витка резьбы составляет 0,2*0,4 от статической грузоподъемности
, а этот же параметр для подшипников качения, в частности и тех, которые применяются в опорах винта, составляет 0,9-0,98.
Практическую ценность работы определяют следующие решенные задачи: разработан комплекс программ расчета шариковых винтовых узлов, позволяющий конструктору непосредственно в процессе проектирования выполнять трудоемкие расчеты в режиме диалога,что повышает качественный уровень техничесішх решений; разработаны рекомендации повышения качества сборки шариковых винтовых механизмов; разработана конструкция шариковых винтовых механизмов, обладающих высокими параметрами работоспособности.
Автор защищает:
Метод автоматизированного проектирования шариковых винтовых узлов с учетом основных требований, предъявляемых к ним.
Методику автоматизированного расчета толщины смазочной пленки на пятне контакта винтовых поверхностей, позволяющую определять толщину смазочной пленки в зависимости от основных геометрических и эксплуатационных параметров шариковых винтовых механизмов.
Критерии расчета и оптимизации устройств возврата шариков, основанные на определении силового взаимодействия шариков в рабочем пространстве канала возврата и соотношения его длины и цепи шариков, участвующих в перекатывании из витка в виток резьбы.
Математическую модель устройств возврата шариков,описывающую процесс силового взаимодействия шариков и позволяющих оптимизировать эти устройства, а также упрощенную математическую модель, позволяющую определять основные геометрические параметры.
Конструкцию шариковых винтовых механизмов, обладающую высокими параметрами работоспособности.
Методику автоматизированного расчета геометрических параметров окна в гайке, обеспечивающих компенсацию погрешностей изготовления стыкующих поверхностей при сборке шариковых винтовых механизмов.
Результаты работы представляют интерес для научно-исследовательских и проектных организаций, а также коне трукторско-технологических бюро машиностроения.
Работа выполнена на кафедре "Металлорежущие станки" Московского станкоинструментального института под руководством доктора технических наук, профессора Владимира Георгиевича Беляева. Экспериментальная часть работы выполнена на заводе Мосремточстанок.
Анализ задач автоматизированных расчетов привода подач станков с ЧПУ
Привод подач является важной подсистемой станка, что и объясняет значительные усилия ученых, направленных на повышение качества его проектирования.
В настоящее время опубликовано большое количество работ по расчету привода подач станков с ЧПУ, в том числе и с помощью средств вычислительной техникой, выполняемого непосредственно в процессе проектирования [2,8,10,47,60 и т.д.].
В ЭНШСе подготовлено техническое задание и разработана под руководством А.И.Левина автоматизированная подсистема расчетно-конструкторских работ "Привод подач и вспомогательных перемещений" [2]. Методологической основой автоматизированных расчетов привода станков, в том числе и станков с ЧПУ, является использование ЭВМ на всех стадиях формирования конструкций и автоматизированное выполнение всех расчетных процедур от формирования математических моделей до обобщения полученных результатов.
Автоматизированная подсистема реализует синтез оптимальных конструкций привода на основе двухэтапного имитационного моделирования [47]. На рис.1 показана укрупненная структурная схема подсистемы.
На первом этапе синтезируют оптимальную в том или ином смысле упрощенную ММ привода и определяют ее характеристики и параметры, к которым, в частности относятся: минимально допустимая приведенная жесткость, отношение моментов инерции и собственных частот двигателя и нагрузки, допустимый зазор в передаче, желательные характеристики регуляторов. Полученные данные используют при выборе двигателя, при проектировании блока управления приводом, при синтезе механической части привода методами расчета деталей машин на прочность, жесткость, долговечность.
После доработки эскиза и схемы блока управления до уровня технического проекта выполняют второй этап имитационного моделирования. Отличительная особенность- второго этапа - использование уточненной ММ, адекватной по структуре и параметрам техническому проекту. При этом проверяют соответствие полученных характеристик оптимальным характеристикам, определенным на первом этапе.
class2 ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ РАСЧЕТОВ ШАРИКОВЫХ ВИНТОВЫХ УЗЛОВ ПРИВОДА ПОДАЧ СТАНКОВ С ШАРИКОВЫМИ ВИНТОВЫМИ УЗЛАМИ class2
Задачи автоматизации проектирования шариковых винтовых узлов
Основными целями, приследуемыми при автоматизации проектирования элементов станков, являются [32 J:
- повышение качества и технико-экономического уровня проектируемой и выпускаемой продукции;
- Повышение эффективности объектов проектирования;
- сокращения сроков, уменьшение трудоемкости проектирования.
Шариковые винтовые узлы являются наиболее ответственными элементами приводов подач станков. Это определяет необходимость поиска наиболее оптимального технического решения и использования средств вычислительной техники, как технических средств, повышающих качество и производительность труда конструкторов-разработчиков.
Повышение качества шариковых винтовых узлов может быть достигнуто на основе структурной и параметрической оптимизации.
Задачей структурной оптимизации является выбор конструктивной схемы узла, характеризуемой схемой защемления винта, типами элементов, схемой крепления гайки к рабочему органу станка. При проведении параметрической оптимизации решаются задачи выбора параметров элементов. Учитывая, что в настоящее время элементы ШВУ стандартизированы, то полученные соответствующие параметры должны быть откорректированы в соответствии со стандартными значениями.
Проведение оптимизационных автоматизированных расчетов ШВУ предопределяет решение следующих задач:
- выбор критериев расчета и оптимизации;
- выбор комплекса ограничений, в том числе функциональных и п араметрических;
- выбор основных параметров, которые принимаются как оптимизируемые величины;
- разработка математических моделей объекта расчета;
- разработка способа нахождения оптимальных параметров.
Наиболее сложной и в тоже время трудоемкой задачей является выбор критериев расчета и разработка математических моделей.
Шариковым винтовым узлом характерны различные условия эксплуатации в приводе подач станков. В этой связи возникает противоречивость основных предъявляемых к ним требований. Сложность конкретизации основных требований и выбора на этой основе критериев оптимальности обусловлена необходимостью учета большого количества взаимосвязанных и взаимообусловленных факторов.
Критерии проектирования устройств возврата шариков
Устройства возврата шариков являются одним из самых ответственных элементов шариковых винтовых механизмов, определяющих в наибольшей степени плавность вращения винта и долговечность ШШ. Это объясняет значительные усилия, направленные на повышение качества процесса их проектирования.
Большое разнообразие конструкций устройств возврата, малое использование средств вычислительной техники, а также отсутствие критериев расчета и оптимизации не позволяют быстро и эффективно выделить наиболее приемлемый вариант с оптимальной формой и геометрическими параметрами.
В этой связи в настоящей главе поставлены и будут решены следующие задачи:
1) разработать систему критериальных оценок качества проектирования устройств возврата шариков;
2) разработать общие принципы синтеза математических моделей;
3) разработать математические модели устройства возврата шариков и комплекс программ расчета.
Главным геометрическим параметром этой кривой является ее длина L , которую условно назовем длиной канала возврата -пространственная траектория движения центра шариков от точки входа до точки выхода из натяга.
В зависимости от формы корпуса вкладыша и ширины канала возврата, рабочее пространство канала по длине может быть ограничено тремя парами точек (см.рис.3.1 ) входа и выхода шариков в натяг.
Принимая условно движение шариков по стрелке (см.рис. 3.1 )f выход из натяга шарика происходит тогда, когда его центр находится либо в точке Ар либо в точке к%, либо в точке В. Вход в натяг возможен в точках Ар А или в точке А . Вход в точке А произойдет тогда, когда ширина канала возврата на этом участке больше ширины резьбы гайки (винта).
Методика расчета параметров окна гайки шариковых винтовых механизмов
В предыдущей главе рассмотрены вопросы критериального подхода к расчету и оптимизации устройств возврата шариков разработаны математические модели и программы расчета.
Настоящая глава посвящена разработке и экспериментальному исследованию работоспособности ШВМ геометрические параметры вкладыша и канала возврата которых получены при критериальных исследования. С целью повышения качества процесса сборки ШШ приводится методика расчета параметров окна гайки.
Сборка вкладыша канала возврата с резьбовой гайкой может быть осуществлена:
1) запрессовкой в окно гайки;
2) установкой с зазором, вклеиванием или впаиванием; 3) установкой с зазором на упругих элементах.
Наиболее распространенным и наименее эффективным способом сборки в отечественном станкостроении является установка вкладыша в окне гайки с натягом. Ему присуши следующие недостатки: неточность сопряжения участка входа (выхода) шариков в натяг канала возврата с резьбой гайки; вероятность появления признаков усталости материала гайки (появление трещин).
Основной недостаток сборки с натягом заключается в необходимости доводить шлифовальными инструментами места стыка канала возврата и резьбы гайки, которая производится ручным способом и в этой связи имеет низкое качество доводки. Таким образом, если даже при проектировании вкладыша его геометрические параметры и параметры канала возврата получены оптимальными, то после сборки и доводки оптимальность исчезает.
Прогрессивной технологией сборки, позволяющей ликвидировать выше названные недостатки, является установка вкладыша с зазором, ориентирование его относительно резьбы гайки на специальном приспособлении и фиксация тем или иным методом. Его прогрессивность заключается в возможности компенсировать погрешности изготовления стыкующихся поверхностей, а следовательно, и ликвидировать такую дорогостоящую операцию, как доводка места стыка.
Для применения этой технологии перед конструктором-разработчиком стоит задача выбора размеров окна гайки с учетом геометрических параметров вкладыша и погрешностей изготовления.
Погрешности изготовления могут быть классифицированы на три группы: погрешности изготовления вкладыша; погрешности изготовления окна; погрешности изготовления резьбы гайки.
Наименее значительными погрешностями, величинами которых можно пренебречь, являются погрешности изготовления резьбы: погрешности шага (внутришаговые отклонения); погрешности внутреннего радиуса резьбы; погрешности радиуса профиля резьбы. Эти величины составляют несколько микронов и в процессе эксплуатации винтовых механизмов исчезают.
