Для обеспечения вращения шпинделя МРС с частотой от nmax до nmin и передачи мощности для осуществления процесса резания, обусловленных технологическим назначением, предназначена коробка скоростей, т.е.:
nmin=1000.Vmin/π.dmax; nmax=1000.Vmax/π.dmin
где Vmax и Vmin — соответственно максимальная и минимальная скорости резания, м/мин; dmax и dmin — соответственно максимальный и минимальный диаметры обрабатываемых заготовок, мм.
Отношение максимальной частоты вращения шпинделя МРС к минимальной частоте вращения называется диапазоном регулирования и выражается следующим образом:
R=nmax / nmin=(Vmax/Vmin).(dmax/dmin)=Rv.Rd
Диапазон регулирования частоты вращения шпинделя зависит только от отношений предельных диаметров и предельных скоростей резания, применяемых при обработке. Как правило, полученный диапазон увеличивают на 20–25%: чтобы иметь некоторый технологический запас на использование перспективных инструментальных материалов.
Коробки скоростей по регулированию частоты вращения шпинделя бывают двух типов:
— с бесступенчатым регулированием;
— со ступенчатым регулированием частоты вращения.
В первом случае, в заданном диапазоне частот вращения шпинделя, можно производить обработку заготовки с эффективной скоростью резания; во — втором — с некоторой потерей от оптимального значения скорости резания.
Для второго случая должно соблюдаться условие, при котором:
ni+1/ni=φ
φ — размерный коэффициент геометрического ряда принятого в станкостроении, который принимает одно из значений
φ=1,06; 1,12; 1, 26; 1,41; 1,58; 1,78; 2.
Соблюдение этого условия позволяет утверждать, что неизбежные потери скорости резания при использовании ступенчатого принципа регулирования заранее учитываются при проектировании и остаются постоянными на всем диапазоне регулирования.
Для последовательного ряда частот вращения шпинделя главного движения имеем:
n2=n1.φ; n3=n2.φ=n1.φ2; n4=n3.φ=n1.φ3
Для каждого члена ряда частота оборотов шпинделя определяется по формуле
nz=n1.φz-1
где z – число различных частот вращения шпинделя.
Таким образом, если наибольшая относительная потеря скорости резания остаются одинаковыми для всех интервалов частот вращения шпинделя, то в этом случае числа образуют ряд по закону геометрической прогрессии.
Коэффициенты размерных геометрических и других рядов в станкостроении стандартизированы и имеют следующие значения:
φ=1,06; 1,12; 1, 26; 1,41; 1,58; 1,78; 2.
Любое значение частоты вращения шпинделя, из перечисленного выше ряда, можно получить из 18 возможных вариантов переключения передвижных блоков, используя при этом выражения уравнения кинематического баланса:
nшп=nдв.iрп.iпост.iблок1.iблок2.iблок3
рис. 3.6. Кинематическая схема главного привода
При проектировании коробок скоростей со ступенчатым регулированием частот вращения выходного вала необходимо учитывать некоторые рекомендации, которые сформулированы на основе опыта проектирования МРС. Эти рекомендации сводятся к следующему:
- при ступенчатом регулировании коробок скоростей МРС общего назначения в основном применяют φ=1,26 и φ=1,41;
- если в кинематической цепи привода предусмотрена настройка кинематики МРС за счет сменных зубчатых колес, то необходимо принимать φ=1,12 или φ=1,26;
- в МРС небольших размеров, предназначенных для обработки мелких заготовок, рекомендуется применять большие значения знаменателей (φ= 1,58, иногда φ= 1,78), в крупных МРС – меньшие (φ= 1,26; φ=1,12, а иногда φ=1,06);
- желательно, чтобы количество ступеней передач в коробке скоростей представляло произведение множителей 2 и 3, то есть z=2E1×3E2 (где Е1 и Е2 – целые числа); этому требованию удовлетворяют значения z=2, 3, 4, 6, 8, 9, 12, 16, 18, 24, 27, 32, 36.
При настройке последовательно включенными групповыми передачами с количеством передач в группах, равным соответственно Ра, Рв, Рс… Рz, количество ступеней частот вращения шпинделя определяется по формуле:
z=Ра.Рв.Рс … Рz.
Для передаточных отношений коробок скоростей установлены следующие ограничения:
imin.пред.=1/4 (понижающая передача),
imax.пред.=2 (повышающая передача) для прямозубого зацепления,
imax.пред.=2,5 (повышающая передача) для косозубого зацепления.
При плавном вращении ведущего вала в МРС малых габаритов допускается принимать imax.пред.=4.
Для коробок подач (тихоходные передачи) пределы передаточных отношений имеют следующие значения: 1/5 < i < 2,8.
Таким образом, общий предельный диапазон регулирования коробки скоростей, исходя из предельных значений повышающих и понижающих передач, может иметь следующее значение:
Rпред.= imax.пред. / imin.пред.= 8.
Передаточные отношения кинематических связей в коробках скоростей удобно изображать графически на логарифмической шкале с постоянными интервалами между соседними точками шкалы (интервалы между точками означают интервалы между частотами вращения при ступенчатом регулировании), равными lgφ (цена деления шкалы), поскольку lg(n2/n1)=lgφ есть (lgn2-lgn1)=lgφ.
Применение методики графоаналитического построения коробки скоростей рассмотрим на примере главного привода токарного станка, показанного на рис. 3.6.
В кинематической схеме привода имеются три передвижных блока, два из которых (тройных) расположены соответственно между валами 111-1V и 1V –V. В соответствии с правилом установления количества ступеней коробки скоростей, находим, что общее количество передач в данном случае будет:
Z=3×3×2=18 скоростей.
Следующий этап методики заключается в определении значений передаточных отношений передач и характера их распределения. Это решается в два шага.
На первом шаге строится структурная сетка привода (рис. 3.7), на втором – график частот вращения шпинделя (рис. 3.8).
рис. 3.7. Структурная сетка привода
рис. 3.8. График частот вращения главного привода
Структурная сетка привода отличается симметричным расположением лучей, отражающих связь передаточных отношений передач в каждом блоке. Поскольку передвижные блоки расположены только между валами 111, 1V, V, то они показаны параллельно друг другу на рис. 3.7. По вертикалям сетка разбита на 18 отрезков (по количеству частот вращения) в логарифмическом масштабе. Структурная сетка строится в следующей последовательности:
- На 111 валу из середины вертикалями выходят три луча (по числу передач в первом блоке) с отклонением друг от друга на величину lgφ;
- С 1V вала на V вал из каждой точки первого вала выходят по три луча (по числу передач во втором блоке) с отклонением друг от друга на 3lgφ.
- С V вала на V1 вал из каждой точки V вала выходит по два луча (по числу передач в третьем блоке) с отклонением друг от друга на величину равную произведению числа лучей первой и второй групп (Р1×Р2=3×3=9).
Для определения абсолютных значений передаточных отношений коробки скоростей, строится график частот вращения (рис. 3.8). Для этого наносятся вертикальные отрезки с равными между собой расстояниями, число которых равно числу валов коробки. Построение также происходит в логарифмическом масштабе.
Передаточные отношения элементов коробки скоростей отражаются прямыми линиями. Если передаточное отношение равно единице, то прямая линия имеет горизонтальное расположение. При передаточном отношении больше единицы (повышающая передача), прямая линия на графике отображается восходящей прямой. При передаточном отношении меньше единицы (понижающая передача), прямая линия на графике отображается нисходящей прямой.
Построение графика частот вращения лучше начинать с последнего V1 вала. Согласно правилу, о предельно допустимых передаточных отношениях, принимаем повышающую передачу imax= φ 3=2,0. Тогда верхний луч, выходящий из точки, соответствующей частоте равной 800 об/мин, должен соединиться с валом V в точке ниже на 3lgφ. Второй луч (понижающая передача) должен соединить точку на V валу с точкой V1 вала, соответствующий частоте вращения 100об/мин (между лучами необходимо выдержать интервал равный 9lgφ). Затем из каждой точки частотного ряда проводят по два луча, параллельных построенным двум. В результате на валу V будет получено 9 точек, соответствующих частотам вращения 400; 315; 250; 200; 160; 125; 100; 80; 63 об/мин. Последующие действия по определению передаточных отношений оставшихся передач производится аналогичным образом.
Необходимая мощность привода главного движения станка изменяется в функции частоты вращения шпинделя ω. При этом номинальная мощность не используется при низких и высоких частотах вращения. Полезная мощность привода, примерно до 1/3 или даже 1/2 диапазона регулирования возрастает пропорционально частоте вращения и регулирование в этой части диапазона необходимо производить с постоянным моментом. Далее мощность привода достигает своего максимума и после этого незначительно снижается при наибольшей частоте вращения. На этом участке привод можно регулировать с постоянной максимально допустимой мощностью. Таким образом, привод главного движения станка нуждается в двух диапазонном регулировании.
Регулирование максимально допустимой мощностью осуществляется путем изменения тока возбуждения при неизменном напряжении на якоре. При этом частота вращения изменяется вверх от номинальной в небольшом диапазоне, который определяется коммутационными возможностями двигателей постоянного тока серии 2П (этот диапазон Rр=1:4 = Const). В том случае, когда по технологическим требованиям диапазон Rр необходимо увеличить, вводят дополнительную коробку скоростей.
Для регулирования частоты вращения шпинделя с постоянным максимально допустимым моментом, необходимо изменять напряжение на якоре при неизменном возбуждении на статоре. Частота вращения при этом регулируется вниз от номинального значения, а диапазон регулирования может быть достаточно большим. Обычно по технологическим требованиям необходимо иметь Rм=const=1:20. Однако в МРС этот диапазон может быть увеличен. Это связано с необходимостью точного позиционирования шпинделя станка при смене инструмента. Привод вращения шпинделя в этом случае переключается на малую «ползучую» скорость, при которой обеспечивается высокая точность остановки шпинделя по углу.
рис. 3.9. Способ регулирования с использованием двигателя постоянного тока и коробки скоростей
На рис. 3.9 показан один из возможных вариантов конструктивного решения привода главного движения МРС с ЧПУ, сочетающий в себе преимущество регулируемого привода постоянного тока с тиристорным преобразователем и традиционной переборной группы универсальных МРС. Назначение переборной группы сводится к смещению диапазона бесступенчатого регулирования привода главного движения в сторону увеличения в кратное число раз (в 2, 4 или более) за счет подбора передаточного отношения зубчатых колес. Таким образом, получаются как бы два совмещенных диапазона регулирования:
Первый диапазон М1→2→3→4 (включена муфта 5)→9→10→11,
Второй диапазон М1→2→7→8 (включена муфта 6)→9→10→11.
На рис. 3.10 показан график частот вращения привода главного движения с использованием кинематических цепей, показанных на рис. 3.9.
рис. 3.10. График частот вращения привода с бесступенчатым регулированием
Вертикальные прямые графика, обозначенные римскими цифрами, обозначают валы коробки скоростей. Первый вал на графике принадлежит двигателю постоянного тока с диапазоном бесступенчатого регулирования показанного в интервале от сплошной линии до пунктирной линии. Между первым и вторым валами показана понижающая ременная передача. Между 11 и 111 валами показаны передачи, получаемые при соответствующих включениях муфт М5 и М6. С 111 вала на 1V вал происходит снижение частоты вращения выходного вала коробки скоростей за счет постоянного зацепления шестерен 9, 10. Таким образом, общий диапазон регулирования привода с бесступенчатым регулированием двигателя постоянного тока в сочетании с коробкой скоростей позволяет существенно расширить технологические возможности МРС.
В кинематической схеме привода главного движения предусмотрен фотоэлектрический датчик 12, главное назначение которого сводится к контролю количества оборотов шпинделя станка при нарезании резьбы.
