CC BY
5ФОРМИРОВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ И ЖЕСТКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УЗЛА ШАРИКОВОГО ВИНТА ПРИ СБОРКЕ СТАНКОВ С ЧПУ
Емельянова И.В.
к.т.н. доц, каф. «Инженерная графика» Самарского государственного технического университета, Россия
Емельянов Н.В. ст. преп., каф. «Инженерная графика» Самарского государственного технического университета, Россия
FORMATION OF PRECISION AND STIFFNESS CHARACTERISTICS OF THE BALL SCREW ASSEMBLY DURING ASSEMBLY OF CNC MACHINES
Emelyanova I.
Candidate of Technical Sciences Assoc., kaf. Engineering Graphics of Samara State Technical University, Russia
Emelyanov N Senior Lecturer, Department kaf. Engineering Graphics of Samara State Technical University, Russia
Аннотация
Рассматривается влияние погрешностей изготовления элементов опор узла шарикового винта и передачи винт - гайка качения при сборке на точность перемещения и жесткостные характеристики исполнительного органа. Проведен машинный эксперимент, моделирующий упругие деформации узла в зависимости от полезной нагрузки и величины предварительного натяга в соединениях. Осуществлена оценка факторов, влияющих на величину зоны нечувствительности при реверсе.
Abstract
Influence of errors of manufacturing of elements of support of knot of the ball screw and transfer the screw-nut качения is considered at assemblage on accuracy of moving executive office characteristics. The machine experiment modeling elastic deformations of knot depending on useful loading and size of a preliminary tightness in connections is made. The estimation of the factors influencing size of a zone of tolerance at a backspacing is carried out.
Ключевые слова: привод подачи, шариковый винт, опора, жесткость, точность, сборка, погрешность, деформация, перемещение.
Keywords: a giving drive, the ball screw, a support, rigidity, accuracy, assemblage, an error, deformation, moving.
Одной из основных эксплуатационных характеристик станка с ЧПУ (числовым программным управлением) является точность и жесткость деталей и узлов несущей системы и приводов главного движения и подачи. Эти характеристики являются функцией конструктивных параметров деталей и их соединений.
Количество значительного числа элементов и их соединений узла шарикового винта, необходимость, наряду с жесткостью, обеспечить требуемое быстродействие привода, точность позиционирования, величину контурной погрешности, зоны нечувствительности при реверсе и другие рабочие характеристики, представляют собой сложную задачу, решаемую методами сквозного проектирования (CAD/CAM/CAE - технологии) на этапах конструирования, изготовления, сборки и эксплуатации технологического оборудования [1,2,4,9].
Задача повышения эффективности и качества станочных систем - станок с ЧПУ, РМ, РТК (робо-
тотехнических машин, робототехнических комплексов) и т.д. - является задачей анализа сложной системы, заключающаяся в построении математических моделей, изучение которых дает возможность разработки и реализации способов и средств достижения цели [1,3,9].
При представлении математической модели системы привода подачи, АСУЭП (автоматизированная система управления электроприводом) в векторах пространства состояний, система матричных уравнений имеет вид [3]:
[А] {х} = [В] {и} + [Н] {]}
[К] {и} = [К ] {х} + [Н] {/}
рег 2
где [А], [В], [К], [К ], [Н], [Н) - соответ-
рег Г 2
ственно взвешенные вершины - матрицы коэффициентов системы привода с координатами переменных- {х}, вектора управления - {и}, собственных операторов регуляторов, законов регулирования и коэффициентов вектора внешних воздействий -{/} на исполнительный орган -[Н ] и регуляторы - [Н].
Структура механической части привода подачи, может быть приведена к трехмассовой расчетной модели (рис.1), параметрами которой являются приведенные моменты инерции - /• , движущие и нагрузочные моменты - М-, углы поворота
вала двигателя и упругие звенья - ф- - (или угловые скорости - ф) , приведенные податливости - 1/ Су (или жесткости - Су) и приведенное демпфирование - Ьу .
Рисунок 1 - Структурная блок-схема механической части привода
Важнейшим условием достижения высоких точностей является учет жесткости и зоны нечувствительности при перемещениях рабочих органов станка. Зона нечувствительности проявляется в том, что при обработке деталей сложного контура при изменении направления движения на противоположное рабочие органы некоторое время не начинают движения в новом направлении, что может явиться причиной возникновения погрешности обработки.
В общем случае величина зоны нечувствительности при реверсе (ЗНПР) может быть определена по формуле [3]
5 = А + 2Г/С,
знпр Е
где: Г - полная сила трения; С - жесткость цепи привода; А - суммарный зазор в цепи привода.
Таким образом, величина ЗНПР является одной из важнейших характеристик привода, зависящих как от сил трения в цепи, так и от ее жесткости.
Для повышения точности отработки в приводах подач станков с ЧПУ нужно иметь минималь-
ный момент холостого хода и наивысшую жесткость при оптимальном выборе величины предварительного натяга в соединениях, так как увеличение предварительного натяга повышает осевую жесткость узла шарикового винта, но одновременно также увеличивает момент холостого хода. Кроме того, чрезмерный предварительный натяг может снизить долговечность пары винт - гайка качения потому, что для одной из гаек в зависимости от направления движения сила предварительного натяга суммируется с осевой рабочей нагрузкой.
Жесткость привода подачи обеспечивается как беззазорным исполнением пары винт - гайка, так и конструктивным оформлением опор ходовых винтов, комбинация которых выбирается в зависимости от длины ходового винта, действующих нагрузок и класса точности станка.
На рис. 2 представлены опоры ходового винта привода гайки 12 продольного перемещения исполнительного органа станка с ЧПУ.
Рисунок 2 - Жесткие опоры с предварительным натягом ходового винта
В обоих опорах используют комбинированный подшипник.
Подшипник состоит из опорных колец 2 и 8, роликов 3 и 7, наружной обоймы 6 и иголок 5. При создании натяга в опоре гайкой 1 невозможно превысить величину, которую обеспечил завод-изготовитель, так как осевая нагрузка воспринимается кольцом 2, роликами 3, обоймой 4, роликами 7, кольцом 8, промежуточной втулкой 9, опорным
буртом винта и одновременно внутренней обоймой 6, ограничивающей сближение колец 2 и 8.
Особенность данной конструкции состоит в том, что затягивание гайки 11 при отпущенной гайке 10 приводит к растяжению ходового винта. Такое растяжение можно использовать для выпрямления оси винта, чтобы ликвидировать провисание его от действия сил тяжести и уменьшить радиальное биение винта. Кроме этого, повышается осевая жесткость винта.
Рисунок 3 - Этапы сборки ходового винта
Сложность обеспечения требуемых предварительных натягов объясняется тем, что сборка и регулировка такого привода осуществляется в несколько этапов, на каждом из которых происходит перераспределение созданных на предыдущих этапах усилий (рис. 3):
1 этап. Приложением к гайке 6 крутящего момента Mкрр прижимаем упорные подшипники 3 и
4 к жестко закрепленному на ходовом винте упору 8, создавая в них предварительный натяг.
2 этап. С помощью гайки 5 приложением момента M^p растягиваем ходовой винт, создавая
одновременно натяг в подшипнике 1 левой опоры.
3 этап. Окончательно предварительный натяг в подшипнике 1 и натяг в подшипнике 2 создается
MIII
, Кр.
Анализ конструкций узлов ходовых винтов станков с ЧПУ моделей 16Б16Т1, 1716ПФ3, 1716ВФЗ показывает, что в осевом направлении
V. ' 2 3
они представляют собой расчетную схему в виде совокупности параллельно-последовательных соединений линейных и нелинейных упругих элементов (рис. 4) [3,5,6].
Математическая модель жесткости узла шарикового винта для схемы монтажа опор (рис. 2, 4)
имеет вид:
1,11 -1 -1 -
С = {[(0 +Х/ЕЕ) +(0 +(Ь-Х)/ЕЕ) ]
оп1 оп2
1 -1
+0 +0 } ,
вгк г-ио
где 0 ,0 - податливости узлов и (или) правой
оп1 оп2
опор шарикового винта, воспринимающих осевые нагрузки; Х - текущее расстояние от опоры I до передачи "винт-гайка качения", мм; Ь - расстояние между опорами, мм; Е - модуль упругости материала винта; Е - площадь поперечного сечения винта, 2
мм ; 0 - податливость передачи винт-гайка каче-
вгк
ния; 0 - податливость системы "корпус гайки - ис-
г-ио
полнительный орган".
О О au
/2 44 40 НУ\Л"МЛЛ-1 s Ó 6 ¿ГрЛмДЛЛЛ-1 40 // 42
^ рЛгЛЛд |ЛЛг-У\г| |-ЛЛА-уЛАгЛЛг
7
-WVH
9 s
■лл/члл^
Рисунок 4 - Обобщенная расчетная модель жесткости привода подачи станка с ЧПУ
Анализ суммарной осевой жесткости шарикового винта показывает, что жесткость определяется жесткостями опор, передачей винт - гайка качения, ходовым винтом и соединением «гайка-суппорт». Проведение такого анализа и синтеза системы с учетом все возрастающей сложности инженерных решений возможно лишь с применением самых эффективных современных компьютерных САЕ-технологий (ANSYS; WinMachine, SolidWorks и др.
(см. рис. 5-8)).
В ряде случаев создание модели 3D (рис. 6) при ее последующем расчете методом конечных элементов (МКЭ) средствами САЕ-технологий является, как правило, более трудоемкой операцией, чем создание данной модели средствами CAD (КОМПАС, ACAD, LMC Virtual Lab и т.д.) с последующей передачей в расчетную программу [2].
S.hk
о гоо too 600 aoo tooo в. к г
-» -» -»a)-»-» -» -» -» -»
Рисунок 5 - а) Расчет передачи винт-гайка в САЕ системе; б) Зависимость осевого перемещения передачи винт-гайка качения S от нагрузки Q при различной величине предварительного натяга
Рисунок 6 - Модель 3D опоры узла шарикового винта в CAD системе
Рисунок 7 - Импорт STEP-модели
Так, например, для программы WinMachine, представляющей собой совокупность модулей АРМ Studio для расчета и проектирования деталей и узлов методом CAD/CAE технологий, в том числе МКЭ, импорт STEP-модели в САЕ систему для последующего расчета детали или узла производится в последовательности согласно (рис. 7).
Дальнейшими этапами расчета являются: на основе разработанной математической модели [1,4,5,9], задание силовых нагрузок, начальных и граничных условий и разбиение на объемные КЭ твердотельной модели деталей и сборочного узла привода (рис.8)
Рисунок 8 - Разбиение на объемные КЭ деталей сборочного узла шариковой гайки привода продольной
подачи станка с ЧПУ в APM Studio
Заключение деформаций отдельных элементов привода наме-
Приведенный анализ позволяет получить с тить основные пути совершенствования приводов удовлетворительной точностью величину суммар- подач станков с ЧПУ (рис. 9): ной жесткости и зоны нечувствительности, и в результате дифференцированного учета сил трения,
Рисунок 9 - Жесткость привода подачи станка с ЧПУ модели 1716ПФ3
- исключение в передачах зазоров;
- уменьшение упругих деформаций в элементах кинематической цепи; исключение или максимальное упрощение конструкции зубчатого редуктора или применение вместо редуктора передачи зубчатым ремнем; уменьшение сил трения и обеспечение плавности перемещений на низких скоростях; обеспечение наибольшего отношения Мдв /
1привед,
- исключение резонансов механической системы и следящего привода с частотами возмущающих воздействий; уменьшение нагрева элементов
привода; применение ДОС высокой точности; перенос ДОС от двигателя к исполнительному органу.
Однако эффект переноса ДОС от двигателя к исполнительному органу снижается (из-за включения в замкнутую цепь регулирования погрешностей элементов привода), и для его реализации должны соблюдаться повышенные требования к жесткости системы привода подач и явлению перекоса суппорта [3].
Список литературы
1. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). -СПб.: Питер, 2004. -560 с. Басов К.А. ANSYS и Virtual Lab. Геометрическое моделирование. -М.:ДМК Пресс, 2006.-240 с.
2. Денисенко А.Ф., Зубенко В.Л. Повышение точности металлорежущих станков на основе анализа и синтеза технологических систем. Монография. Самара, 1999. - 376с.
3. Емельянова И.В., Емельянов Н.В. CAD-CAE технологии при проектировании автоматизированных станочных систем /Компьютерные технологии в науке, практике и образовании. Труды Всерос. межвуз. н-практич. конф. Самара, СамГТУ. 2005. -139-143 с.
4. Емельянов Н.В. Повышение параметрической надежности станков с ЧПУ / Будущее машиностроения России: Сб. тр. Всерос. Конф. Молодых ученых и специалистов. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.- 220с. (стр.6-7).
5. Емельянов Н.В., Зубенко В.Л. Повышение надежности и точности автоматизированных станочных систем автомобильного производства. Межвуз. сб. науч. статей «Актуальные проблемы автотранспортного комплекса». САМАРА: Самар. гос. техн. ун-т, 2009.- 18-27 с.
6. Емельянов, Н. В. Вибродиагностика подшипниковых узлов / Сб-к матер-ов Всероссийск. научн. - техн. конф. «Высокие технологии в машиностроении». Самара, СамГТУ. 2007. - С. 94-98.
7. Емельянов, Н. В. Установка для проведения экспериментальных исследований приводов подач станков с ЧПУ / Межвузовский научно-методический сборник «Совершенствование графической подготовки учащихся и студентов». Саратов, СГТУ. 2008.- С. 87-90.
8. Зубенко В.Л. Емельянов Н.В. Приводы станков с ЧПУ. Монография. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2012. - 325 с.: ил.
USE OF SPLINE FUNCTIONS IN DETERMINING RELIABILITY INDICATORS OF VEHICLES IN
HOT CLIMATE CONDITIONS
Kayumov B.
Andijan Machine-Building Institute, PhD in Technics
Abstract
The article presents the possibilities of determining reliability indicators and plotting graphs as a result of processing the test results of cars in a hot climate using spline functions. Based on the results obtained, conclusions are drawn.
Keywords: Hot climate, reliability, spline function, vehice, engine, fuel injection system.
For automobile manufacturers, the problem of improving the reliability of automobiles and parts takesa leading role in the operation process. Given that the total number of vehicles in use is more than one billion, it is in developed foreign countries, includingthe United States, Japan, Germany It is no secret that in countries such as France, there is a systematic monitoring of the performance of automobiles without disrupting them. In this regard, there is a special emphasis on forecasting and improving the reliability and competitiveness of the structural elements of automobiles.
To increase automobile reliability and reduce operational costs, as well as to obtain great economic efficiency due to reduced costs in the automobile use process, Improving automobile reliability is of particular importance. To assist individuals desiring to benefit the worldwide work of Jehovah's Witnesses through some form of charitable giving, abrochure entitled Charitable Planning to Benefit Kingdom Service Worldwide has been undertaken. developing and modeling the laws governing dismissals that occur in elements that limit reliability is oneof the most important tasks.
A number of scientists in our country have dismissed the engine and fuel supply system, air and fuel pollution, which are used in various climatory conditions, To determine the negative effects, Salimov A., Translation S. M., Avliyakulov N. X., Karimhodhokhanov N., Tashpulatov M. M., and a
number of other scientists have done research [1,2,8,9,11,13,14,17].
Regardless of the impact of climate regions on automobile use as a result of pollution in air and fuel, Sheynin A. M., Grigorev M. A., Gurevich D. F., Dmitrievskiy A. V., Kislov V. G., Kosteskiy B. I., Vasilev A. V. Scientists such as [3.4,5,10,12].
Central Asian road-comprehensive analysis of the specific features of vehicles in operation in climatic conditions and studying the main factors affecting the reliability of the engine and its systems. Vehicles to be exploited in the regions of Uzbekistan operateat high air temperatures and dust. The climate of Central Asia is severely continental, summer is persistent and very hot, and winter is short and cold. The absolute maximum temperature of the shadowy air during the day is +45... It dropsto 47 0S and +100S at night, and the temperature changes for 8 hours 25... It can reach 30 0S, andin the mountainous regions, after the very heat of the car +40...470 S, there is an atmospheric temperature passing through the mountainous vans -no 0...+10S fallsinto conditions with a sharp temperature change of 40... It is 460S [15].
The temperature dropped to about minus 10 degrees Fahrenheit [-70°C] and the temperature dropped to about minus 10 degrees Fahrenheit [-70°C]. The temperature of the road cover is raised to +850S,
