Раздел 3 3.1 Кинематическая структура станков (стр. 1 )

Раздел 3

3.1 Кинематическая структура станков

3.1.1 Механические и немеханические связи в станках

Любое испол­нительное движение в станках создается и реализуется с помощью кинематической группы, включающей в себя один или несколько исполнительных органов, один или несколько источников движения и пространственно-кинематические связи между ними, обеспечиваю­щие требуемые параметры создаваемого группой движения. При не­регулируемом источнике движения, как правило, кинематическая группа содержит также механические устройства для регулирования и настройки параметров создаваемого ею движения, называемые орга­нами настройки. Наименование кинематической группы аналогично названию реализуемого ею исполнительного движения. Например, группу, создающую формообразующее движение, называют формооб­разующей группой и т. п.

Структура кинематической группы может быть разнообразной и зависит от характера осуществляемого движения, числа исполнитель­ных органов, вида источника (источников) движения, потребности в регулировании параметров создаваемого группой движения, а также системы управления станком.

Под исполнительными органами понимают подвижные конеч­ные звенья кинематической группы, которые непосредственно участ­вуют в образовании траектории исполнительного движения. Среди исполнительных органов выделяют органы, осуществляющие абсо­лютное или относительное движение заготовки или режущего инстру­мента непосредственно в процессе формообразования поверхности, и называют их рабочими. Например, рабочими органами являются такие звенья станка, как стол, шпиндель, суппорт, ползун и т. п.

В большинстве случаев исполнительные органы в станках совер­шают вращательное или прямолинейное движение, т. е. они являются подвижными звеньями вращательной или поступательной кинема­тической пары (рис. 3.1), называемой исполнительной.

В зависимости от числа исполнительных органов кинематические группы делятся на простые и сложные. Простые группы имеют только один исполнительный орган, а сложные – два и более исполнительных органов.

Под пространственно-кинематической связью в станках понимают такое состояние (или связь) между двумя любыми его звеньями, в том числе и исполнительными органами, которое накладывает на них определенные ограничения, не позволяющие им относительно друг друга занимать в пространстве произвольные положения и иметь произвольные скорости.

Пространственно-кинематические связи в станках между исполнительными органами, а также между ними и источниками движения осуществляются через кинематические цепи и каналы связи, реализу­емые с помощью механических и немеханических средств. Поэтому пространственно-кинематические связи подразделяют по характеру средств их реализации на два вида – механические и немеханические.

  Рис.3.1 Исполнительные кинематические пары: а – вращательная; б – поступательная

Механические связи и цепи реализуется в станках с помощью механических звеньев, передач, устройств и механизмов, а неме­ханические – с помощью гидро - пневматических, электрических и электронных средств и каналов связи, включая устройства по сбору, приему, обработке и выдаче разнообразной информации и каналы ее передачи.

В современных станках и, особенно, в станках с ЧПУ широко применяются комбинированные (смешанные) связи, состоящие из участков механических и немеханических связей, причем участки механической связи, как правило, служат для передачи управляемой энергии от источника движения к исполнительным органам, а участки немеханической связи – для передачи управляющей информации от устройства управления (например, УЧПУ) к управляемому источнику движения, а также для передачи информации от датчиков обратных связей к устройству управления.

Структурно пространственно-кинематические связи кинемати­ческой группы подразделяют по функциональному назначению на внутреннюю и внешнюю структурные связи

Под внутренней структурной связью (в дальнейшем называемой просто внутренней связью) кинематической группы понимают сово­купность всех звеньев кинематических пар и устройств в группе, обес­печивающую качественную характеристику создаваемого группой движения, т. е. условия получения движения с необходимой трае­кторией и требуемой точностью ее формы. Под внешней структурной связью кинематической группы понимают совокупность всех звеньев, кинематических пар, устройств и источников движения в группе, обеспечивающую количественные характеристики движения, т. е. такие его параметры, как скорость и направление, а в некоторых случаях путь (протяженность траектории) и исходную точку (начало протяженности траектории).

Внутренняя структурная связь кинематической группы в станках реализуется по-разному и это зависит от многих факторов, среди ко­торых в первую очередь выступают число исполнительных органов в группе и требуемая точность формы траектории движения. В простых кинематических группах с одним исполнительным органом внутрен­няя связь реализуется пространственной связью двух соприкаса­ющихся звеньев исполнительной кинематической пары, одним из которых является сам исполнительный орган 1 группы, т. е. шпиндель, стол (рис. 3.1, а), ползун, суппорт (рис. 3.1, б) и т. д.

В сложных кинематических группах с двумя и более исполнительными органами и соответствующими им исполнитель­ными кинематическими парами внутренняя структурная связь реализуется не только пространственными связями этих пар, но и пространственно-кинематическими связями в виде кинематических цепей (каналов связи) между исполнительными органами группы. Кинематические цепи, связывающие между собой исполнительные органы в сложных кинематических группах, называют функциональ­ными (внутренними) цепями. Они предназначены для обеспечения строгой функциональной согласованности перемещений и скоростей исполнительных органов группы. Суммарное число функциональных цепей в сложной группе не должно быть меньше, чем на единицу суммарного числа ее исполнительных органов. Например (рис. 3.2,а), группа, реализующая сложное движение (В1, В2) и имеющая два исполнительных органа I и II, должна содержать в своей структуре, как минимум, одну функциональную внутреннюю цепь 1(I)-4-2(II) между исполнительными органами. В группе, реализующей сложное движение (В1, В2, П3) с участием трех исполнительных органов I, II и III (рис. 3.2,б), для обеспечения функциональной согласованности перемещений и скоростей между ее исполнительными органами доста­точно внутреннюю структурную связь этой группы реализовать в виде двух функциональных цепей, например, 1 (I)-5-2 (II) и 2 (II)-5-3-4 (III) или же какого-нибудь другого их сочетания. (На структурных кинематических схемах кинематические цепи с механическими звеньями обозначены одинарной штриховой линией, а немеханичес­кие участки цепей – двумя штриховыми линиями.)

Внешняя структурная связь кинематических групп в большинстве случаев реализуется пространственно-кинематической связью в виде кинематической цепи или даже одного соединительного устройства или одной передачи, обеспечивающей передачу энергии от источника движения во внутреннюю связь группы. В простых кинематических группах (рис. 3.2,в) внешняя структурная связь реализу­ется в виде цепи 1(М)-2(I) между источником движения М и исполнительным органом I, а в сложных группах – в виде цепи между источником движения М и одним из звеньев внутренней структурной связи этой группы, например, 3(М)-4 на рис. 3.2,а или 4(М)-5 на рис. 3.2,б.

Рис. 3. 2 Структурные схемы кинематических групп: а – сложная с двумя исполнитель­ными органами; б – сложная с тремя исполнительными органами; в – простая группа. Специальным ромбовидным знаком с буквой i обозначены органы настройки движения на такие параметры, как траектория, скорость и путь, а знаком ↓↑ – орган настройки на направление движения. Заштрихованная часть специального знака указывает на фактическое направление передачи энергии через орган настройки

В станках с ЧПУ структура кинематических групп существенным образом видоизменяется в силу применения в них регулируемых и управляемых по программе автономных источников движения на каждый рабочий исполнительный орган станка. Это позволило уст­ранить из структуры станков с ЧПУ механические органы настройки их движений, значительно сократить протяженность механических цепей и их участков, а в ряде случаев вообще заменить механические связи на немеханические, что в совокупности привело к упрощению механической части структуры станков в целом. При этом следует особо подчеркнуть, что все видоизменения, связанные с преобразо­ванием характера структурных связей в станках с ЧПУ, не изменяют сущности самих кинематических связей и условий необходимого ки­нематического согласования перемещений и скоростей между испол­нительными органами станков.

Структура простых кинематических групп в станках с ЧПУ обус­ловлена типом источника движения и величиной его диапазона регулирования по скорости. Наипростейший и наиболее распростра­ненной является структура, где источник движения с помощью со­единительной муфты стыкуется непосредственно с исполнительным органом I (рис. 3.3,а) либо с ходовым винтом винтовой пары, гайка которой жестко связана с исполнительным органом II (рис. 3.3,б). Другой встречающийся в станках с ЧПУ вид простой кинематической группы отличается от простейшей наличием дополнительного участка механической связи между источником движения и исполнительным органом III (рис. 3.3,в). На этом участке располагается орган наст­ройки iАКС на скорость в виде автоматизированной коробки скоростей (АКС) или редуктора для увеличения момента на выходном звене.

Рис.3.3 Структурные схемы кинематических групп в станках ЧПУ: а, б, в – простые группы; г – сложная группа на примере токарного станка