Проект токарно-винторезного станка с разработкой привода вращательного движения и конструкции шпиндельного узла

   Федеральное Агентство РФ по Образованию 

   Кубанский Государственный Технологический  Университет 

   Кафедра СУиТК 
 
 

   ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА  

   к курсовой работе 

       по дисциплине: «Конструирование, моделирование, САПР и испытание технологического оборудования»

       на тему: «Проект токарно-винторезного станка с разработкой привода вращательного движения и конструкции шпиндельного узла» 

       Выполнил: студент  Борисенко А.С __________________________________

                           группы  07-М-АП1_____________________ 

       Допущен к защите ________________

       Консультант курсовой работы _______________________________________

       Нормоконтролёр _________________________________________________

       Защита ___________________      Оценка  ______________

      Члены комиссии ____________________________

                                   ____________________________

                                   ____________________________

     Краснодар 2011 
 
Реферат 

     Количество  страниц: 46

     Количество  рисунков: 31

     Количество  таблиц: 7

     Количество  источников: 5

     Количество листов формата А1: 3 

     Основные  термины, используемые в курсовой работе: привод, множительная структура, структурная формула, структурная сетка, график частот вращения, диапазон регулирования, вал, шестерня, крутящий момент, шпиндель.

     В данной курсовой работе производится расчет кинематической структуры привода главного движения токарно-винторезного станка и конструирование этого привода вместе со  шпиндельным узлом. Результатом работы является выполненный чертеж  развертки привода главного движения станка.

Введение………………………………………………………………………………...5

1 Кинематические  расчеты…………………………………………………………….6

1.1 Построение  кинематической схемы и структурной  сетки привода………….6

1.2 Построение  графика частот вращения исполнительного  звена………………7

1.3 Определение  числа зубьев колес……………………………………………….9

1.4 Определение  действительного значения частот  вращения исполнительного звена…………………………………………………………………………………11

2 Силовые  расчеты……………………………………………………………………13

2.1 Определение  расчетной частоты вращения шпинделя………………………13

2.2 Определение величин крутящих моментов и мощностей на валах привода.13

2.3 Предварительное определение диаметров валов привода…………………..15

2.4 Расчет цилиндрических зубчатых колес……………………………………...16

3 Проектирование развертки сборочной единицы и конструкции шпиндельного узла……………………………………………………………………………………18

3.1 Шпиндельные узлы металлорежущих станков………………………………18

3.2 Методика проектирования шпиндельных узлов……………………………..19

4 Моделирование привода главного движения станка……………………………..21

4.1 Построение расчетной схемы привода………………………………………..21

4.2 Параметризация расчетной схемы привода…………………………………..21

4.3 Упрощение топологической схемы привода…………………………………30

4.4 Моделирование динамики привода в пакете DYNAR…………………….....32

4.5 Определение собственных зубцовых частот зубчатых передач……...…………36

5 Моделирование динамики шпинделя……………………………………………...38

5.1 Построение расчетной схемы динамики шпинделя………………………….38

5.2 Определение параметров опор шпинделя………………………………….....39

5.3 Определение точек приложения нагрузок и их расчет………………………40

5.4 Моделирование динамики шпинделя в пакете SPINCH……………………..41

5.5 Результаты моделирования прогиба шпинделя………………………………42

5.6 Результаты моделирования динамики шпинделя………………………….....43

Заключение…………………………………………………………………………….45

Список  литературы……………………………………………………………………46

Приложение  А 
 
 
 
 
 

     Введение 

     Конструирование металлорежущих станков по настоящее  время остается, по-прежнему, во многом процессом творческим, где большую роль играют не точные расчеты на прочность, жесткость, экономичность, а дань традициям, существующим конструкторским решениям, опыт инженера-конструктора.

     Тем не менее, часть процесса конструирования  МРС уже достаточно отработана, например проектирование привода главного движения производится по стандартной готовой схеме, приводящейся во многих источниках.

     Конструирование шпиндельного узла, напротив, является типичным примером интуитивного решения задачи. Оценить результат такой работы может лишь моделирование его специализированным ПО или проверка готового изделия.

     1 Кинематические расчеты

     1.1 Построение кинематической  схемы и структурной  сетки привода

     На  основе исходных данных структурной  формулы привода построим кинематическую схему привода и структурную сетку.

     Определим диапазон регулирования привода по формуле:

     где  - максимальная частота вращения шпинделя, ;

              - минимальная частота вращения шпинделя,  .

     Подставим численные значения:

     Таким образом данный привод может быть осуществлен в виде простой множительной структуры с j=1,41. Т.к. выполняется неравенство  

     Рисунок 1.1 – Кинематическая схема привода

     Рисунок 1.2 – Структурная сетка привода

     1.2 Построение графика  частот вращения  исполнительного  звена

     Построение  начинается с нижней кинематической цепи. Определим  кинематической цепи, связывающей частоту вращения приводного электродвигателя n_M с минимальной частотой вращения исполнительного звена:

     где – минимальная частота вращения исполнительного звена, об/мин;

           – частота вращения приводного электродвигателя.

     Выразим последнее число через знаменатель  ряда φ:

      где А –  постоянное число, которое нужно  найти.

     Из  последней формулы выразим А:

     Определим пределы, в которых могут находиться минимальные передаточные отношения в группах передач:

     а) для основной группы:

      где р_а – число передач в основной группе;

           х₀ – характеристика основной группы.

     б) для переборной группы:

     где р_b – число передач в переборной группе;

           х₁ – характеристика переборной группы.

     Распределим по группам передач, принимая во внимание отрезки, в которых находятся передаточные отношения в группах:

     где – передаточное отношение клиноременной передачи;

     где – передаточное отношение между III-м валом и шпинделем.

     Причем  .

     Принимаем . Тогда:

     Построим  график частот вращения, начиная построение с нижней кинематической цепи, используя последнее выражение и структурную сетку:

     Рисунок 1.3 – График частот вращения привода 

     По  графику частот вращений определим  передаточные отношения зубчатых передач  в группах:

     а) клиноременная передача:

     б) основная группа:

     в) переборная группа:

     1.3 Определение числа  зубьев колес

     По  величинам передаточных отношений  в группах определим числа  зубьев колес и нанесем их на кинематическую схему и на график частот вращения:

     а) клиноременная передача:

     Тогда диаметры шкивов принимаем диаметр  ведущего D₁=67мм и диаметр ведомого D₂=77,5мм.

     б) основная группа:

     Примем  , тогда:

1. при
2. при

     в) переборная группа:

     Примем  , тогда:

1. при
2. при
3. при

     Нанесем числа зубьев колес на кинематическую схему и график частот вращения привода.

     Рисунок 1.4 – Кинематическая схема привода

     Рисунок 1.5 – График частот вращения

     1.4 Определение действительного  значения частот  вращения исполнительного  звена

     Найдем  действительные значения частот вращения исполнительного звена для каждой кинематической цепи по формуле:

     где i_общ.i – передаточное отношение между валами;

           n_M – частота вращения двигателя, мин^-1.

      Произведем  проверку фактических частот вращения шпинделя:

     где φ – знаменатель ряда.

     Из  последних расчетов следует, что  погрешность частот вращения шпинделя допустимая. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2 Силовые расчеты

     2.1 Определение расчетной  частоты вращения  шпинделя

     Определим, какую частоту вращения шпинделя нужно принимать для определения крутящих моментов, передаваемых приводом:

     где R_n – диапазон регулирования привода, равный ,

     n₁ – минимальная частота вращения шпинделя, об/мин.

     Принимаем ближайшую стандартную расчетную  частоту вращения шпинделя 400 об/мин.

     2.2 Определение величин  крутящих моментов  и мощностей на  валах привода

     В предыдущем пункте была найдена расчетная  частота вращения шпинделя, равная 400 об/мин. Это означает, что силовой  расчет будем вести по кинематической цепи .

     Найдем  величины крутящих моментов на валах  привода.

     Крутящий  момент на любом i-том участке вала привода равен:

     где – крутящий момент на j-том участке вала привода, Нм;

       – КПД участка расчетной  кинематической цепи привода  между j-тым и    i-тым валами;

      – величина передаточного отношения  того же участка цепи.

     Крутящий  момент на I валу привода равен:

      где – крутящий момент на роторе двигателя, равный:

     где Р_м – мощность двигателя, кВт;

         n_м – частота вращения ротора двигателя, об/мин.

           – КПД участка между  двигателем и I-м валом – КПД ременной передачи, равный 0,95.

     Крутящий  момент на II валу привода равен:

     где – КПД участка между I-м и II-м валами – КПД зубчатой передачи, равный 0,97;

       – передаточное отношение между I-м и II-м валами привода.

     Крутящий  момент на III валу привода равен:

     где – КПД участка между II-м и III-м валами – КПД зубчатой передачи, равный 0,97;

       – передаточное отношение между II-м и III-м валами привода.

     Крутящий  момент на шпинделе равен:

     где – КПД участка между III-м валом и шпинделем – КПД зубчатой передачи, равный 0,97;

       – передаточное отношение между II-м и III-м валами привода.

     Найдем  мощность на шпинделе привода:

     где Р_м – мощность электродвигателя, кВт;

           – общее КПД привода,  равное:

     где – КПД зубчатой передачи, равное 0,97;

           – КПД ременной передачи, равное 0,95;

         k – количество зубчатых передач;

         m – количество ременных передач.

     2.3 Предварительное определение диаметров валов привода

     Диаметр i-того вала на чистое кручение определяется:

     где М_кр – крутящий момент на i-том валу привода, Н·мм

     1) Диаметр I-го вала:

     Принимаем d₁=25 мм

     2) Диаметр II-го вала:

     Принимаем d₁=25 мм

     3) Диаметр III-го вала:

     Принимаем d₃=30 мм

     2.4 Расчет цилиндрических  зубчатых колес

     С помощью программы ZUB определим модуль, межцентровое расстояние и ширину венца зубчатых колес. Результат расчета приведен в приложении А.

     Определим недостающие параметры – диаметр вершин и диаметр впадин зубьев по следующим формулам:

1. зубчатая пара 34:34:

     2) зубчатая пара 30:38:

     Для неё модуль, межцентровое расстояние и ширина зубчатого венца будут  такими же, как и для пары 34:34, так как совокупность этих двух зубчатых пар образует единый блок. Тогда недостающие параметры:

     3) зубчатая пара 24:48:

     4) зубчатая пара 32:40

     Для неё модуль, межцентровое расстояние и ширина зубчатого венца будут  такими же, как и для пары 24:48. Тогда недостающие параметры:

      5) зубчатая  пара 40:32

     Для неё модуль, межцентровое расстояние и ширина зубчатого венца будут  такими же, как и для пары 24:48. Тогда недостающие параметры:

     6) зубчатая пара 60:60

     3 Проектирование развертки  сборочной единицы  и конструкции  шпиндельного узла

     3.1 Шпиндельные узлы  металлорежущих станков

       Шпиндель – наиболее ответственная  деталь станка, служащая для закрепления  детали, заготовки или инструмента  и обеспечивающая взаимное расположение  инструмента и заготовки в  процессе обработки.