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

1. Кинематический анализ и расчёт мальтийских механизмов

1.1. Основные особенности и принцип действия мальтийских механизмов

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

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

1.2. Определение углов поворота и коэффициентов времени работы мальтийских механизмов

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

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

Полный угол поворота креста:

Тогда: , ;

Время движения креста: .

Следовательно, частота вращения вала кривошипа:

Угловая скорость вращения кривошипа:

Время простоя (останова): ;

Время полного оборота кривошипа:

Коэффициент времени работы мальтийского механизма:

1.3. Определение угловой скорости и углового ускорения мальтийского креста

Угловая скорость креста:

где - угловая скорость кривошипа;

- текущий угол поворота кривошипа;

- передаточное отношение мальтийского механизма.

Максимальных значений угловая скорость креста и передаточное отношение достигают при

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

Угловое ускорение креста:

где - коэффициент ускорения креста.

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

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

2. Определение основных параметров мальтийских механизмов

Радиус креста:

Длина кривошипа:

Диаметр ролика предварительно выбирают из соотношения: Примем

Длина паза креста:

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

Наружный диаметр креста:

где с = 2 мм – фаска.

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

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

3. Силовой расчёт мальтийских механизмов

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

3.1. Определение моментов и усилий, действующих в механизме

Статический момент сил трения в опорах карусели:

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

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

d_ш = 14,49 мм - диаметр шариков подшипника;

Момент инерции карусели:

где r_k- приведённый радиус карусели;

Максимальное усилие на ролике кривошипа:

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

Максимальный момент сопротивления на валу креста

где -

Средний крутящий момент на валу кривошипа:

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

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

Средняя мощность, необходимая для вращения кривошипа:

Максимальный крутящий момент на валу кривошипа:

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

3.2. Проверка на прочность деталей механизма

Ролик кривошипа проверяется на прочность при изгибе:

где М_и - изгибающий момент, действующий на ролик кривошипа,

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

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

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

Вал кривошипа проверяется на прочность при кручении:

где _кр - допускаемое напряжение при кручении для материала вала кривошипа (для стали 45, закалённой до твёрдости HRC_э = 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);

r_p= 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 HRC_э = 56-62, [_к] = 240 Н/мм² [1]).

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

Приложение

Список литературы

1. 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.

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

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