1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Металлорежущие станки и инструменты» В. А. Данилов А. А. Данилов АНАЛИЗ И СИНТЕЗ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ Пособие для студентов специальностей 1-36 01 03 «Технологическое оборудование машиностроительного производства» и 1-36 01 01 «Технология машиностроения» Рекомендовано учебно-методическим объединением по образова- нию в области машиностроительного оборудования и технологий Минск БНТУ 2018 2 УДК 621.9.06.62-231.3(075.8) ББК 34.63-5я73 Д18 Р е ц е н з е н т ы: кафедра технологии и оборудования машиностроительного производства УО «Полоцкий государственный университет»; доктор технических наук, заместитель академика-секретаря отделения физико-технических наук НАН Республики Беларусь, профессор М. Л. Хейфец Данилов, В. А. Анализ и синтез кинематической структуры металлорежущих станков : пособие для студентов специальностей 1-36 01 03 «Техно- логическое оборудование машиностроительного производства» и 1-36 01 01 «Технология машиностроения» / В.А. Данилов, А.А. Да- нилов. – Минск: БНТУ, 2016. – 50 с. ISBN 978-985-550-819-0. Рассмотрены методические основы анализа и синтеза кинематической структуры станков. Изложены общие принципы построения функциональных связей механиче- ского, немеханического и комбинированного типов, методики синтеза простых и сложных кинематических групп, способы их соединения, пути оптимизации кине- матической структуры станков, рассмотрены примеры ее построения. Рекомендуется при изучении дисциплин по конструированию станочного обору- дования и выполнении курсовых и дипломных проектов, научных исследований. Может быть полезно магистрантам и аспирантам указанных специальностей. УДК 621.9.06.62-231.3(075.8) ББК 34.63-5я73 ISBN 978-985-550-819-0 © Данилов В.А., Данилов А.А., 2018 © Белорусский национальный технический университет, 2018 Д18 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Кинематическая структура станка представляет собой совокуп- ность механических, электрических, гидравлических и других элементов, объединенных в кинематические связи для создания ис- полнительных движений, передачи энергии и информации при об- работке заданных поверхностей. С учетом многообразия металло- режущих станков важен системный подход к анализу и разработке их конструкции, в частности механики, которая претерпела значи- тельные изменения в связи с применением в станках числового про- граммного управления и современных приводов, позволяющих существенно упростить кинематику станка. Основоположник исследований в этой области профессор А. А. Фе- дотенок [11] разработал методику анализа кинематической структу- ры станков с различными кинематическими связями (механически- ми, немеханическими, комбинированными), основные положения которой применимы и к синтезу кинематической структуры станков. Задача анализа кинематической структуры станка связана с ее построением по кинематической схеме. В соответствии с этой ме- тодикой, исходя из технологического назначения станка, формы обрабатываемых на нем поверхностей и применяемых методов об- работки, вначале выявляются методы формообразования, необхо- димые для обработки каждой поверхности исполнительные движе- ния и их настраиваемые параметры. Далее по кинематической схеме станка устанавливаются: исполнительные органы, несущие инстру- мент и заготовку; источники движения; связывающие их кинемати- ческие цепи; расположенные в них органы настройки параметров исполнительных движений. Заключительный этап анализа – выпол- нение по известной методике [7, 11] расчетов кинематической настройки станка. Примеры анализа кинематической структуры станков приведены в разнообразных источниках [2, 4, 7, 9–12]. В меньшей степени рассмотрены в учебной литературе вопросы синтеза кинематической структуры проектируемых станков. В этой связи изложенный в пособии методический материал ориентирован преимущественно на эту задачу. Заметим, что синтезу кинематиче- 4 ской структуры станка предшествует синтез рациональной кинема- тической схемы обработки, который является самостоятельным этапом его схемотехнического проектирования [4] (в пособии эта задача не рассматривается). Синтез кинематической структуры – ответственный этап функ- ционального проектирования станка, так как допущенные здесь ошибки не могут быть компенсированы на последующих этапах его проектирования. В пособии изложены методические основы реше- ния этой задачи, освоение которых будет способствовать углубле- нию теоретической подготовки по станочным дисциплинам и по- вышению уровня проектных решений при выполнении курсового и дипломного проектирования металлорежущих станков. 5 1. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИЖЕНИЯ В СТАНКАХ При решении задач анализа и синтеза кинематической структуры станка необходимо знать виды и настраиваемые параметры испол- нительных движений, предусматривать в кинематических связях соответствующие органы настройки. Виды исполнительных движений. К исполнительным относятся движения формообразования Ф, деления Д, ориентации Ор, установоч- ное Уст, врезания Вр, вспомогательное Всп, управления Упр и др. [11]. Движение формообразования – относительное перемещение ин- струмента и заготовки, в результате которого в процессе обработки на ней образуется заданная поверхность. Движение деления – движение, перемещающее траекторию дви- жения формообразования в новое геометрическое положение для образования на заготовке нескольких одинаковых по форме по- верхностей. Это движение может быть прерывистым или непре- рывным. Во втором случае оно совмещается с одним из формообра- зующих движений, что характерно, например, для профилировании зубчатых колес методом обката. Установочным называется движение, приводящие инструмент и заготовку в относительное положение, обеспечивающее возмож- ность снятия слоя материала для получения заданного размера об- работанной поверхности. Установочное движение, сопровождаемое резанием, называется движением врезания (Вр). При отсутствии процесса резания установочное движение является наладочным. Ориентирующим (Ор) называется движение, обеспечивающее в процессе обработки постоянную ориентацию инструмента относи- тельно обработанной поверхности – например, для стабилизации его рабочих углов. Ориентирующие движения характерны для многокоор- динатных станков c ЧПУ при обработке криволинейных поверхностей. Все движения формообразования являются движениями резания. Если для обработки поверхности требуется одно движение формо- образования, то оно является движением скорости резания Фv. При нескольких движениях формообразования одно из них – движение резания Фv, а остальные – движения подачи Фs(Фs1,Фs2 и т. д.). Указанные движения относятся к первой группе движений. Движения второй группы подразделяются на вспомогательные (Всп) и движения управления (Упр). К движениям управления отно- 6 сятся те, которые совершают органы управления, регулирования и координирования других исполнительных движений станка. Таки- ми органами являются командоаппараты, распределительные валы, муфты, ограничители хода и др. К вспомогательным движениям относятся движения, обеспечивающие установку, зажим, освобож- дение, транспортирование заготовок, перемещение в исходное по- ложение и смену инструмента, удаление стружки, правку инстру- мента и т. п. Количество движений формообразования зависит от метода формообразования поверхности как совокупности методов формиро- вания ее производящих линий [11]. Необходимость в движениях де- ления и ориентации определяется исходя из конструкции детали и геометрии формируемой поверхности [3]. Установочные и вспомо- гательные движения определяются циклом обработки поверхности. Структура и параметры исполнительных движений. Любое исполнительное движение создается одним или несколькими эле- ментарными движениями, каждое из которых может быть враща- тельным В, поступательным П, осциллирующим (возвратно- поступательным) О, качательным (возвратно-вращательным ) К. По структуре оно может быть простым (образуется одним элементар- ным движением): например, Фv(В1), Фs(П2), Д(В3), Вр(П4), Ор(К5); сложным (образуется несколькими согласованными, одновременно выполняемыми элементарными движениями): Фv(В1В2), Фs(В3П4), Д(В5П6), Фv(В1В2П3) и т. п. Кинематическая структура станка должна обеспечивать возмож- ность настройки необходимых параметров исполнительных движе- ний, к которым относятся [11]: пространственные параметры: траектория (Т) – линия, по которой движется фиксированная точка режущего инструмента; исходное положение (О), соответствующее началу движения по траектории; путь (L) – протяженность траектории между ее начальной и ко- нечной точками; скорость (V) перемещения точки по траектории; направление движения; относительное положение траектории рассматриваемого движения; абсолютное положение траектории движения; 7 временные параметры: момент начала движения, характеризующий положение данного движения в общем цикле или последовательности движений; характер движения в смысле непрерывности. Количество настраиваемых параметров зависит от структуры движения – простое или сложное (табл. 1) – и вида траектории дви- жения (замкнутая или незамкнутая). Соответствующие органы настройки параметров движения должны быть предусмотрены при проектировании кинематической структуры станка. Таблица 1 Настраиваемые параметры в зависимости от характера движения Движение Траектория движения замкнутая незамкнутая Настраиваемые параметры количество наименование количество наименование Простое 2 скорость, направление 4 исходное положение, путь, скорость, направление Сложное 3 траектория, скорость, направление 5 траектория, исходное положение, путь, скорость, направление Органы настройки параметров исполнительных движений. Практикой станкостроения определены рациональные типы органов настройки исполнительных движений в зависимости от требований к универсальности станка, способа регулирования скорости испол- нительного движения (ступенчатое или бесступенчатое), системы 8 управления станком и других факторов. Соответствующие органы настройки параметров движения должны быть предусмотрены в кинематической структуре станка. Скорость движения исполнительного органа может настраиваться регулированием двигателя, изменением передаточного отношения механических устройств (коробки передач, сменных зубчатых колес или шкивов ременной передачи, вариатора). Настройка направления движения обеспечивается системой управления (при применении реверсивного двигателя) или реверсирующим устройством (меха- ническим, гидравлическим). Для настройки траектории движения используются механиче- ские, немеханические и комбинированные устройства, обеспечива- ющие согласование движений исполнительных органов, формиру- ющих заданную траекторию движения. Ими могут быть: копир, кулачок, гитара сменных зубчатых колес, программируемый кон- троллер, интерполятор системы ЧПУ и др. Настройка исходной точки и длины пути осуществляются по- средством упоров и взаимодействующих с ними переключателей в станках с системой циклового программного управления или про- граммными средствами в станках с ЧПУ. При решении задачи синтеза кинематической структуры станка на основе исполнительных движений инструмента и заготовки, не- обходимых для формообразования заданной поверхности, разраба- тывается кинематическая схема ее обработки [4]. При решении задачи анализа кинематической структуры станка, исходя из реали- зуемой им кинематической схемы обработки, определяются струк- тура и параметры исполнительных движений. Пример кинематической схемы обработки. На рис. 1.1 изоб- ражена кинематическая схема обработки резьбы дисковой фрезой 2, ось вращения которой устанавливают под углом η к оси вращения заготовки 1. Для этого служит установочное движение Уст1(В6) – поворот инструмента вокруг оси, перпендикулярной оси заготовки, которое обычно выполняется вручную при наладке станка. Уста- новка инструмента на определенном расстоянии от оси вращения заготовки обеспечивается движением Уст2(П5). 9 а б Рис. 1.1. Кинематическая схема нарезания резьбы дисковой фрезой: а – схема обработки; б – схема установки фрезы Профиль резьбы создается методом копирования за счет формы режущей части фрезы, поэтому движение профилирования не требует- ся. Направляющая (винтовая линия) формируется методом касания двумя формообразующими движениями: движением резания Фv(В1) – вращением В1 фрезы 2 и винтовым движением подачи Фs(В2П3), кото- рое создается вращением В2 заготовки и согласованным с ним относи- тельным прямолинейным перемещением П3 фрезы и заготовки. Дви- жение Фv(В1) должно настраиваться соответствующими органами по скорости и направлению, а движение Фs(В2П3) – по пяти параметрам: траектории, скорости, направлению, исходной точке и длине пути. После обработки каждой винтовой канавки заготовке сообщает- ся поворот В4 на угол α = 2/k, где k – число заходов резьбы, то есть простое дискретное движение деления Д(В4). В рассматриваемом станке оно выполняется вручную, поэтому настраивается по одному параметру – пути (углу α поворота заготовки). Для отвода фрезы от заготовки служит вспомогательное движе- ние Всп1(П5'), которое образуется элементарным движением П5', об- ратным по направлению движению П5. При автоматическом выпол- нении оно настраивается по скорости, направлению и длине пути: например, на станке с ЧПУ эти параметры задаются в управляющей программе. Скорость установочных и вспомогательных движений 10 обеспечивается параметрами кинематической цепи ускоренных пе- ремещений или управляющей программой станка с ЧПУ. При обработке винтовой канавки за несколько ходов между движе- ниями Всп1(П5') и Уст2(П5) необходимо винтовое вспомогательное движение Всп2(В2'П3'), обратное по направлению движению формооб- разования Фs(В2П3). Посредством движения Всп2(В2'П3') фреза и заго- товка возвращаются в исходное положение для выполнения следую- щего хода. При наладке станка, а также после окончания обработки винтовой канавки перемещение фрезы в исходное положение вдоль оси заготовки осуществляется вспомогательным движением Всп3(П3'). 2. ПОНЯТИЕ О КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЕ СТАНКА С системных позиций кинематическая структура станка пред- ставляет собой совокупность кинематических групп, каждая из ко- торых создает определенное исполнительное движение, и межгруп- повых связей в соответствии с принятым способом соединения ки- нематических групп. Кинематическая структура устанавливает функциональные связи в станке, необходимые для реализации при- нятой кинематической схемы обработки заданной поверхности. Типы функциональных связей по назначению. Функциональные связи между движениями исполнительных органов, а также между ними и двигателем осуществляются посредством кинематических цепей, многообразие которых по назначению в зависимости от ха- рактера движений ведущего и ведомого элементов кинематической цепи (вращательное, прямолинейное, возвратно-поступательное или качательное) можно разделить на следующие основные виды: 1) цепи, связывающие вращающиеся ведущий и ведомый элементы; 2) цепи, связывающие вращающийся и поступательно переме- щающийся элементы; 3) цепи, связывающие между собой поступательно перемещаю- щиеся элементы; 4) цепи, связывающие вращающиеся и возвратно-поступательно перемещающиеся или совершающие качательные движения испол- нительные органы; 5) цепи, связывающие поступательно перемещающиеся и воз- вратно-поступательно перемещающиеся звенья. 11 По конструктивному исполнению любая кинематическая цепь может быть механической (состоит из механических передач), не- механической (электрическая, гидравлическая и т. п.) или комбини- рованной: например, электромеханической, мехатронной. Структура кинематической группы. Кинематическая группа содержит: источник движения (двигатель); один исполнительный орган (если группа простая) или несколь- ко (если группа сложная), каждый из которых является подвижным звеном соответствующей кинематической пары (вращательной, по- ступательной, винтовой); внешнюю и внутреннюю кинематические связи c размещенными в них органами настройки (механическими, гидравлическими, элек- тронными и т. п.) параметров создаваемого группой движения. Внутренняя связь обеспечивает согласование движений испол- нительных органов между собой в соответствии с траекторией со- здаваемого движения. Внешняя связь служит для передачи энергии от источника движения через звено соединения связей во внутрен- нюю связь и обеспечивает остальные параметры создаваемого ис- полнительного движения. Внешняя и внутренняя связи могут быть совмещены, что упрощает структуру кинематической группы. Частные и общая кинематические структуры станка. Част- ная кинематическая структура представляет собой совокупность кинематических групп, создающих исполнительные движения, не- обходимые для обработки на станке заданной поверхности. Напри- мер, на универсальном зубофрезерном станке могут нарезаться прямозубые и косозубые цилиндрические шестерни, а также чер- вячные колеса различными технологическими методами. Обработке каждого из этих изделий определенным методом соответствует частная кинематическая структура станка. Основой для разработки частной структурной схемы станка яв- ляется кинематическая схема обработки соответствующей поверх- ности, определяющая необходимые исполнительные движения. Объединение множества частных структур представляет собой об- щую (полную) кинематическую структуру станка. Построение частных и общей кинематических структур выполняется как при анализе, так и синтезе кинематической структуры станка. 12 Кинематическая структура проектируемого станка должна обес- печивать не только формообразование поверхности, но и благопри- ятные условия резания. Классы кинематической структуры станков. Любой станок имеет как минимум одну группу движения формообразования. Кинематические группы других типов исполнительных движений могут отсутствовать. Поэтому кинематическая структура станка в основном определяется группами движений формообразования. В зависимости от сочетания простых и сложных групп движений формообразования все многообразие кинематических структур ме- таллорежущих станков делится на три класса [11]: элементарная (Э) структура, состоящая из простых кинематиче- ских групп; сложная (С) структура, состоящая только из сложных кинемати- ческих групп; комбинированная (К) структура – структура, состоящая из про- стых и сложных групп. Класс кинематической структуры станка обозначается соответ- ствующей буквой и двумя цифрами, первая из которых определяет количество групп движений формообразования, а вторая – число создаваемых этими группами элементарных движений: например, Э33, С24, К35. 3. СИНТЕЗ СТРУКТУРЫ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ГРУППЫ Структура кинематической группы зависит от настраиваемых параметров создаваемого ею исполнительного движения, а их коли- чество – от структуры исполнительного движения (простое или сложное) и вида его траектории (замкнутая, незамкнутая). Для по- строения структуры кинематической группы необходимо, исходя из вида создаваемого ею исполнительного движения, установить настраиваемые параметры, обосновать структуру внешней и внут- ренней связей, размещение в них органов настройки параметров исполнительного движения, выбрать положение звена соединения внешней и внутренней связей. Ниже рассмотрены методические основы решения этих задач. 13 3.1. Структурные элементы кинематических связей Кинематические связи изображаются в виде структурных схем [11] с учетом приведенных в табл. 3 или иных [7–12] условных обо- значений структурных элементов, а также структурных схем типо- вых и модифицированных кинематических модулей бездифферен- циального и дифференциального типов [3–5]. Рассмотрим структу- ру основных типов кинематических модулей. Таблица 3 Обозначения элементов кинематических цепей на структурных схемах Элементы кине- матических цепей Наименование обозначаемого объекта кинематическая пара вращения кинематическая пара поступательного движения винтовая кинематическая пара (общее обозна- чение тягового устройства) кинематическая цепь с механическими элемен-тами (передачами) кинематическая цепь с немеханическими эле- ментами орган настройки передаточного отношения (гитара сменных колес, коробка передач и т. п.) орган настройки переменного передаточного отношения (вариатор, некруглые зубчатые ко- леса и т. п.) реверсирующий механизм суммирующий механизм переключающий механизм механизм замыкания (размыкания) кинемати- ческой цепи 14 Рис. 3.1. Структурные схемы типовых бездифференциальных кинематических модулей а б в г Бездифференциальные кинематические модули (рис. 3.1) могут использоваться при построении внешних и внутренних связей. При расположении во внешней связи одно из конечных звеньев мо- дуля (1 или 2) соединяется с источником движения (например, дви- гателем), а другое – со звеном соединения внешней и внутренней связей кинематической группы. Во внутренних связях сложных кинематических групп бездиф- ференциальный модуль размещается в кинематической цепи, согла- сующей движения исполнительных органов. Механический модуль (рис. 3.1, а) содержит в общем случае орган настройки постоянного передаточного отношения i0 и орган настройки iy с переменным передаточным отношением. Органом настройки iy задается закон изменения отношения скоростей дви- жений конечных звеньев модуля и кинематически связанных с ними исполнительных органов станка. При постоянном отношении скоростей исполнительных органов отпадает необходимость в этом органе настройки. Мехатронный кине- матический модуль (рис. 3.1, б) позволяет одновременно управлять скоростями движений двух исполнительных органов, осуществляемых от отдельных электродвигателей М1 и М2 по алгоритму, реализуе- мому системой управления iy, с применением системы обратной свя- зи, что имеет место в станках с контурными системами ЧПУ. Модуль электронного типа (рис. 3.1, в) предназначен для испол- нительных систем с ведущей координатой, когда один исполни- тельный орган получает независимое перемещение (ведущая коор- дината), а его связь с движением второго исполнительного органа обеспечивается устройством управления iy в сочетании с датчиком- преобразователем ПР, служащим для получения информации об угле поворота исполнительного органа 1. Применение такого моду- ля характерно для винторезных цепей токарных станков с ЧПУ. 15 Рис. 3.2. Структура дифференциальных модулей с одним ведущим звеном на базе разомкнутого (а) и замкнутого (б) суммирующего механизма  а б Электромеханический модуль (рис. 3.1, г) построен на базе ме- ханического модуля (см. рис. 3.1, а), дополненного двумя элект- рически взаимосвязанными синхронными электродвигателями (электромеханическая цепь: 1–М1–М2–2), имеющими одинаковую частоту вращения. Функциональная связь движений исполнитель- ных органов в этом случае обеспечивается органами настройки механической части модуля, а применение синхронных электродви- гателей позволяет уменьшить число валов и зубчатых передач в ки- нематической цепи и благодаря этому повысить ее точность. Так выполнена, например, связь между исполнительными органами в зубошлифовальном станке модели 5В832 [8]. Дифференцальные кинематические модули. Их конструктивным признаком является наличие суммирующего механизма Σ (рис. 3.2) с двумя входными звеньями 3, 4, которые через органы настройки i0 и iy связаны с ведущим звеном 1 модуля, что позволяет создавать равномерное или неравномерное вращение ведомого звена 2 как сумму соответственно равномерных или равномерного и неравно- мерного движений. Особенностью модуля (рис. 3.2, б) является наличие замкнутого суммирующего механизма, так как его входное звено 4 связано кинематически с конечным звеном 2 модуля. Такой модуль обеспечивает компактность конструкции и высокую точность основанных на нем коррекционных устройств, применяемых, например, в винторезных цепях резьбообрабатывающих станков. На основе рассмотренных ба- зовых модулей для конкретных задач могут быть построены мо- дифицированные модули с иным количеством и размещением ор- ганов настройки, числом веду- щих и ведомых звеньев [5]. К модулям этого типа отно- сятся дифференциальные моду- ли с двумя ведущими звеньями 1, 3 и одним ведомым звеном 2 (рис. 3.3), а также модули с двумя ведомыми звеньями 2, 3 (рис. 3.4) и одним ведущим зве- 16 Рис. 3.4. Структурные схемы бездифференциального (а) и дифференциального (б) кинематических модулей с двумя ведомыми звеньями а б ном 1, позволяющие согласо- вывать движения трех испол- нительных органов станка, например, двух вращающих- ся (шпинделей) и поступа- тельно перемещающегося суппорта. Кроме органов настройки модули могут содержать целевые механизмы, напри- мер, для создания прерыви- стого движения. Сочетанием одинаковых или различных базовых модулей могут быть образованы сложенные (ком- бинированные) модули диф- ференциального и смешан- ного типов [3], позволяющие расширить технологические возможности оборудования, упростить настройку движе- ний исполнительных органов. 3.2. Синтез функциональных связей кинематических групп Основой синтеза внутренней связи является структура создавае- мого исполнительного движения. Рассмотрим построение внутрен- них связей кинематических групп для создания винтового движения переменного шага. Синтез функциональных связей механического типа. Кинема- тическая группа винтового движения имеет два исполнительных органа – вращающийся шпиндель 1 (рис. 3.5) и прямолинейно пере- мещающийся суппорт 2, движение каждого из которых в общем слу- чае может создаваться как сумма постоянного и переменного элемен- тарных движений. Поэтому исполнительное винтовое движение Рис. 3.3. Структурные схемы механического (а) и комбинированного (б) кинематических модулей с двумя ведущими звеньями а б 17 Рис. 3.5. Структура внутренней связи группы винтового движения может быть двухэлементарным типа 1 2( , ),В П трехэлементарным ' "1 2 2( , )В П П  или ' "1 1 2( , )В B П  и четырехэлементарным ' " ' " 1 1 2 2( , )В B П П   [3]. В зависимости от количества элемен- тарных движений (два, три, четыре) и их распределения между исполнительными органами возможны четыре типа струк- тур внутренних связей групп винтового исполнительного движения [3], из кото- рых чаще применяются первые три. Если исполнительное винтовое движение образуется несостав- ными элементарными движениями В1 и П2, то внутренняя связь строится на базе бездифференциального механического модуля (см. рис. 3.1, а), одно из конечных звеньев которого кинематически соединяется со шпинделем, несущим заготовку, а второе – с тяго- вым устройством суппорта, несущего режущий инструмент. Органы настройки iy и i0 в этом случае расположены последовательно в це- пи, связывающей шпиндель и суппорт (см. рис. 3.5). а б Рис. 3.6. Структурные схемы внутренних связей при движениях шпинделя (а) и суппорта (б) Переменный шаг винтового движения обеспечивается за счет неравномерных движений шпинделя 1 или суппорта 2 (рис. 3.6), что зависит от положения звена О соединения внешней и внутренней связей. Если это звено расположено между органом настройки iy и шпинделем 1, то переменным будет движение суппорта 2 (рис. 3.6, а). 18 Если же звено соединения связей расположено между органом iy и суппортом 2, то переменным будет вращение шпинделя (рис. 3.6, б). Таким образом, в станках с неравномерным движением исполни- тельных органов положение звена соединения внешней и внутрен- ней связей существенно влияет на характер элементарных движе- ний исполнительных органов, что не присуще станкам с равномер- ными движениями исполнительных органов. Внутренние связи кинематических групп, создающих исполни- тельные движения с составными элементарными движениями, должны быть построены на дифференциальном кинематическом модуле, например, механическом (см. рис. 3.2, а). В этом случае внутренняя связь кинематической группы винтово- го движения формообразования содержит между шпинделем и суп- портом две настраиваемые кинематические цепи, одна из которых с постоянным передаточным отношением i0 обеспечивает настройку постоянной составляющей шага H0, а вторая, с переменным переда- точным отношением iy, – настройку его переменной составляющей. Ведомое звено суммирующего механизма может соединяться или с суппортом (см. рис. 3.6, а), или шпинделем (см. рис. 3.6, б), что обу- словливает разные законы изменения шага винтового движения. Структуры внутренних связей, построенные на базе типового модуля по рис. 3.2, б, целесообразно использовать при проектиро- вании кинематики станков с коррекционными устройствами. Оснащение винторезной цепи замкнутым суммирующим меха- низмом, например, в виде передачи винт-гайка (рис. 3.7) позволяет по- высить кинематическую точность и упростить конструкцию станка. Формообразование винтовой линии в этом случае осуществляет- ся движением ' "1 2 2( , ),В П П  то есть перемещение суппорта является составным. Переменное по скоро- сти движение 2"П создается кор- рекционным устройством и складывается с равномерным движением ' 2,П сообщаемым суппорту по винторезной цепи, посредством сумми- Рис. 3.7. Кинематическая структура внутренней связи с коррекционным устройством 19 Рис. 3.8. Структурная схема цепи обката станка модели5В832 рующего механизма. Благодаря неравномерному движению "2П обес- печивается возможность компенсировать погрешность винторезной цепи или нарезать специальные резьбы. Орган настройки iz обычно представляет собой коррекционную ли- нейку (копир), взаимодействуя с которым гайка 3 получает вращение, преобразуемое передачей винт-гайка в движение "2.П Вращение веду- щего звена суммирующего механизма или гайки может осуществлять- ся также от отдельного двигателя, связанного с системой управления. Синтез функциональных связей электромеханического типа. Для повышения кинематической точности цепей внутренней связи важно обеспечить в них минимальное количество кинематических пар. Этому требованию в полной мере отвечает построение внут- ренних связей на базе бездифференциального электромеханического модуля (см. рис. 3.1, г) или немеханических модулей (см. рис. 3.1, б, в), характерных для станков с ЧПУ. Во внутренних связях электромеханического типа требуемое значение передаточного отношения кинематической цепи обеспе- чивается механическим органом настройки iх, например, гитарой сменных зубчатых колес, как в зубошлифовальном станке модели 5В832 (рис. 3.8) [8]. Двигатель М1 служит для вращения инструментального шпинделя I, а дви- гатель М2 – стола II с заготовкой через сменные зубчатые колеса. Оба двига- теля вращаются с одинаковой часто- той. В результате создается движение обкатки Ф(В1В2), настраиваемое орга- ном ix на число обрабатываемых зубьев. На применении кинематических связей электромеханического типа основана, например, кинематическая структура зубодолбежного (патент РБ № 3999) и зубошлифовального (патент РБ № 4174) стан- ков, особенностью которых является подключение обоих двигате- лей к одному преобразователю частоты переменного тока, что поз- воляет регулировать частоту вращения инструментального шпинде- ля в соответствии с требуемым режимом резания для стабилизации производительности и качества обработки. 20 Во внутренних связях мехатронного типа, основанных на модуле по рис. 3.1, б, характерных для станков с ЧПУ, согласование дви- жений исполнительных органов, несущих инструмент и заготовку, обеспечивается системой управления. Структурная схема цепи обка- та в этом случае отличается от схемы по рис. 3.8 отсутствием органа настройки iх и наличием системы управления двигателями М1 и М2. 3.3. Типовые структуры внутренних и внешних связей Типовые структуры внутренней связи. При анализе и синтезе структуры внутренней связи следует исходить из того, что она определяет траекторию исполнительного движения и, следователь- но, точность формообразования обработанной поверхности. В про- стых кинематических группах внутренняя связь представляет собой кинематическую пару между исполнительным органом и непо- движным звеном этой пары, поэтому точность формообразования определяется точностью изготовления исполнительной кинемати- ческой пары, например, точностью подшипника качения или скольжения, точностью направляющих. В сложных кинематических группах в состав внутренней связи, кроме соответствующих исполнительных кинематических пар, вхо- дит также кинематическая цепь, связывающая подвижные звенья этих пар между собой и обеспечивающая согласование скоростей и направлений исполнительных органов станка. По исполнению она может быть механическая, электромехани- ческая, гидравлическая, мехатронная и т. п., а по структуре – без- дифференциальная или дифференциальная. На рис. 3.9 изображены три варианта типовой структуры внут- ренней связи бездифференциального типа кинематической группы, создающей исполнительное движение вида Ф(В1В2), характерное для станков разного назначения, в частности для обработки некруг- лых поверхностей [12]. Представленные на рис. 3.9, а – в структур- ные схемы построены на соответствующих бездифференциальных кинематических модулях: механическом (см. рис. 3.1, а), электро- механическом (см. рис. 3.1, г) и мехатронном (см. рис. 3.1, б). Согласование скоростей движений В1 и В2 исполнительных ор- ганов в структурах механического (см. рис. 3.9, а) и электромехани- ческого (см. рис. 3.9, б) типов осуществляется настройкой органа iх. 21 Согласование направлений этих движений также осуществляется этим органом за счет количества его сменных зубчатых колес, так как введение специального реверсирующего механизма снижает кинематическую точность внутренней связи. Во внутренней связи мехатронного типа (см. рис. 3.9, в) согласование скоростей и направлений движений В1 и В2 обеспечивается системой управле- ния СУ с использованием датчиков Д1 и Д2 обратной связи. а б в Рис. 3.9. Типовые структурные схемы внутренних связей механического (а), элек- тромеханического (б) и мехатронного (в) типов группы движения Ф (В1В2) Типовые структуры внутренних связей дифференциального типа рассмотрены выше в п. 3.2 (см. рис. 3.6, 3.7). Типовые структуры внешней связи. Структура внешней связи определяется ее функциональным назначением – передача энергии от двигателя во внутреннюю связь, и настройка исполнительного движения по требуемым параметрам (в общем случае по скорости, направлению, исходной точке и длине пути). Внутренняя связь определяет скорость исполнительного движения и, следовательно, производительность обработки. 22 На рис. 3.10, а изображена типовая широко применяемая в станках структура внешней связи, обеспечивающая настрой- ку исполнительного движения по скорости и направлению. Для этого в кинематической цепи 1–2 размещены реверсирующий ме- ханизм Р и орган настройки iv, который в зависимости от назна- чения и степени универсальнос- ти станка может быть выполнен в виде коробки скоростей, смен- ных шкивов или зубчатых колес. Звено 2 является звеном со- единения внешней и внутренней связей. Функцию реверсирующего механизма может выполнять двигатель М (приводы главного дви- жения фрезерных, сверлильных и других станков) или орган настройки iv, в котором, например, предусматривается возможность установки дополнительного сменного зубчатого колеса. Структура внешней связи (рис. 3.10, б), кроме параметров скорос- ти и направления, обеспечивает также настройку исполнительного движения на начало и длину пути. Для этого предусмотрен диск 5 с упорами 6 и 7, получающий вращение по цепи 3–4. Эти упоры через переключатель 8 управляют двигателем М. Таким образом, структура внешней связи зависит от настраиваемых ею параметров исполнительного движения, а также типа двигателя (регулируемый, нерегулируемый, реверсивный, нереверсивный). На базе рассмотренных выше типовых структур внешних и внутренних связей может быть построена кинематика станков раз- личного технологического назначения при синтезе кинематической структуры. При анализе кинематической структуры станка структу- ра внешних и внутренних связей кинематических групп определя- ется по его кинематической схеме. Рис. 3.10. Типовые структуры внешних связей при настройке движения по скорости и направлению (а) и дополнительно по началу и длине пути (б) а б 23 3.4. Синтез кинематической структуры простых кинематических групп Простая кинематическая группа создает обычно простое, то есть одноэлементарное исполнительное движение, образованное враща- тельным или поступательным элементарным движением, которое сообщается исполнительному органу станка (шпинделю, столу и т. п.). Исключение составляет простая кинематическая группа с внутренней связью в виде винтовой пары, образующая винтовое (сложное) исполнительное движение. Простое исполнительное движение с замкнутой траекторией настраивается по двум параметрам – скорости и направлению, а с незамкнутой траекторией – дополнительно на исходную точку и длину пути. В обоих случаях траектория исполнительного движе- ния обеспечивается конструктивно кинематической парой, соответ- ственно вращательной или поступательной, подвижным звеном ко- торой является исполнительный орган (например, соответственно шпиндель или суппорт станка). В случае винтовой кинематической пары траекторией исполнительного движения является винтовая линия, шаг которой равен шагу винтовой направляющей. Кинематическая группа движения Ф(В1) (рис. 3.11, а) имеет внутреннюю связь в виде вращательной пары между шпинделем 1 и корпусом 2. Ее внешняя связь вы- полнена в виде кинемати- ческой цепи 4-Р-iv-3 между двигателем М и звеном 3 соединения связей. В ней расположены орган наст- ройки iv на скорость и ре- версирующий механизм Р – для настройки направ- ления движения. Аналогично кинемати- ческая группа прямолиней- ного движения Ф(П2) (рис. 3.11, б) имеет внутреннюю связь в виде поступатель- а б Рис. 3.11. Структурные схемы простых кинематических групп: а– вращательного движения; б – поступательного движения 24 ной пары между исполнительным органом 1 и неподвижными направляющими 2. Создаваемое движение простое, с незамкнутой траекторией, и поэтому настраивается по скорости, направлению, исходной точке и длине пути. Следовательно, внешняя связь груп- пы 5–3 должна содержать органы настройки скорости (is) и направ- ление (Р) и тяговое устройство 3. Настройка на путь и исходное положение исполнительного ор- гана 1 осуществляется, например, посредством упоров, воздейству- ющих на путевые переключатели. При использовании регулируе- мых по частоте и направлению вращения двигателей, функции органов настройки скорости и направления движения в рассмотрен- ных примерах выполняет система управления двигателями. 3.5. Синтез кинематической структуры сложных кинематических групп Рассмотрим эту задачу на примере синтеза кинематической группы для создания винтового движения формообразования Фv(В1П2) с возможностью нарезания резцом левой или правой ци- линдрической резьбы по схеме с вращательным движением В1 заго- товки и поступательным перемещением П2 резца. Для создания и обеспечения траекторий движений В1 и П2 необходимы соответ- ственно вращательная и поступательная кинематические пары. Первая из них расположена между корпусом 1 (рис. 3.12) и шпинделем 2, несущим заготовку 3, а вторая об- разована прямолинейны- ми направляющими 4 и суппортом 5, несущим резец 6. Перемещение П2 суппорта обеспечива- ется винтовым тяговым устройством 7. Для образования на заготовке 3 резьбы за- данного шага Т элемен- тарные движения В1 и П2 должны выполняться Рис. 3.12. Структурная схема станка для нарезания цилиндрической резьбы резцом 25 одновременно и быть взаимосвязаны определенной зависимостью. Поэтому шпиндель 2 и суппорт 5 соединяются между собой кине- матической цепью внутренней связи 8–7, обеспечивающей возмож- ность винтового движения Фv(В1П2), а для реализации этой возмож- ности источник движения (двигатель М) необходимо соединить ки- нематической цепью внешней связи со звеном соединения связей 10, принадлежащим кинематической цепи 8–7. Для создания исполнительного движения с разными значениями параметров во внешней и внутренней связях необходимо располо- жить соответствующие органы настройки. Создаваемое движение Фv(В1П2) – сложное, с незамкнутой траекторией, и поэтому должно настраиваться на траекторию, скорость, направление, длину пути и исходное положение. Для получения траектории в виде винтовой линии определенного шага и направления во внутренней связи необходимо предусмотреть два органа настройки: гитару сменных колес или коробку передач iх (для настройки шага Т резьбы) и реверсирующий механизм Р1 (для настройки на нарезание правой или левой резьбы). Таким образом, структура кинематической цепи внутренней связи: 8-10-Р1-ix-9-7. Для настройки скорости и направления винтового движения во внешнюю связь нужно ввести соответственно орган iv (коробку передач или гитару сменных шестерен) и реверсирующий механизм Р2 – следовательно, внешняя связь обеспечивается кинематической цепью 11-Р2–iv-10. Для настройки на путь используются упоры, которые установле- ны на суппорте на расстоянии L друг от друга и воздействуют на путевые переключатели при его движении. Исходное положение (начало резьбы) задается установкой абсолютного положения тех же упоров на суппорте на размер Н, сохраняя их относительное положение (размер L). Полученная таким образом совокупность двигателя, внешней и внутренней связей с размещенными в них органами настройки параметров исполнительного движения обра- зует кинематическую группу винтового движения Фv(В1П2). Второй пример относится к построению структуры кинематиче- ской группы, создающей трехэлементарное исполнительное движе- ние Фv(В1П2П3) при нарезании резцом однозаходной левой или пра- вой конической резьбы на прямой или обратной конической поверхности с различной конусностью (рис. 3.13). 26 Движение Фv(В1П2П3) слож- ное, с незамкнутой траекторией в виде расположенной на кони- ческой поверхности винтовой линии, и поэтому должно наст- раиваться по пяти параметрам: 1) на траекторию – органа- ми ix, Р1, iy и Р2, из которых ix обеспечивает настройку шага резьбы, реверсирующий меха- низм Р1 – направление резьбы (левая или правая), iy – конус- ность конической поверх- ности, реверсирующий меха- низм Р2 – вид конической поверхности (прямая или обратная); 2) на скорость – органом настройки iv; 3) на направление – реверсирующим механизмом Р3; 4) на путь и исходное положение – упорами (аналогично тому, как рассмотрено выше). Указанные органы настройки расположены в кинематических цепях внутренней и внешней связи. Так как в данном случае взаимосвязаны три элементарных дви- жения и, следовательно, три исполнительных органа – шпиндель 4, продольный 7 и поперечный 11 суппорты, то внутренняя связь этой группы должна содержать вращательную и две поступательные ис- полнительные кинематические пары и две кинематические цепи, соединяющие между собой подвижные звенья этих кинематических пар. Первая цепь 3-2-ix-Р1-5-6 связывает между собой шпиндель 4 и продольный суппорт 7, совершающих согласованные посредством органа настройки ix движения В1 и П2 в соответствии с шагом наре-заемой резьбы. Вторая кинематическая цепь 6-8-iy-Р2-9-10 соединяет между собой подвижные звенья поступательных кинематических пар, то есть продольный 7 и поперечный 11 суппорты, обеспечивая посред- ством органа настройки iy функциональную связь движений П2 и П3 в соответствии с заданной конусностью. Органы настройки скорости iv и направления Р3 движения Фv(В1П2П3) расположены в кинематической цепи 1-Р3-iv-2 внешней связи, соединяющей двигатель М с внутренней связью через звено 2 соединения связей. Рис. 3.13. Структурная схема станка для нарезания конической резьбы 27 3.6. Методика синтеза структуры кинематической группы Из изложенного следует, что для синтеза структуры любой кинематической группы необходимо: выбрать исполнительные кинематические пары (вращательные, поступательные) в соответствии с создаваемыми группой элемен- тарными движениями и при необходимости тяговые устройства; соединить между собой кинематическими цепями внутренней связи подвижные звенья исполнительных пар (для сложных групп), разместить в них органы настройки траектории создаваемого груп- пой исполнительного движения; выбрать положение звена соединения внутренней и внешней связей группы; соединить кинематической цепью внешней связи двигатель и звено соединения связей, разместить в ней остальные органы настройки создаваемого исполнительного движения. Построение внешней и внутренней связей должно удовлетворять принятому способу соединения кинематических групп между собой. 4. СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ГРУПП Кинематическая структура станка существенно зависит от спо- соба соединения групп между собой. Применяя различные способы их соединения, можно получить множество вариантов кинематиче- ской структуры станка. При анализе кинематической структуры станка необходимо установить используемые способы соединения кинематических групп. Возможны следующие способы соединения кинематических групп между собой [11]: через общее промежуточное или неподвижное исполнительное звено; общий двигатель; общую исполнительную кинематическую пару; внутригрупповые (внутреннюю и внешнюю) кинематические связи; межгрупповую кинематическую связь. Возможны также комбинации этих способов соединения. 28 Способ соединения групп зависит от кинематических, конструк- тивных и технологических факторов, к которым относятся: наличие или отсутствие в соединяемых группах совмещенных по траектории движений и общих исполнительных кинематических пар; одновременность или разновременность исполнительных дви- жений; размерность скорости движения подачи (минутная, оборотная); количество двигателей и другие факторы. Рассмотрим некоторые типовые случаи соединения кинематиче- ских групп. 4.1. Соединение групп с не совмещенными по траектории движениями В этом случае группы не имеют общих подвижных исполни- тельных звеньев. В зависимости от числа двигателей возможны два варианта: каждая группа имеет индивидуальный двигатель или чис- ло двигателей меньше числа кинематических групп. При наличии индивидуальных двигателей соединение групп может быть только конструктивным: например, несколько групп располагаются на станине станка. Конструктивное соединение групп применяется в структурах разных классов, например, в круглошлифовальном станка класса Э44 (рис. 4.1). Рис. 4.1. Кинематическая структура станка с соединениями кинематических групп через промежуточные и неподвижные исполнительные звенья 29 Кинематическая структура этого станка объединяет четыре про- стые кинематические группы с индивидуальными двигателями: группу движения резания Фv(В1) (вращение шлифовального круга 2) с двигателем М1; группу движения круговой подачи Фs1(В2) (вращение заготовки 1) с двигателем М2; группу движения продольной подачи Фs2(П3) с гидроприводом, содержащим гидроцилиндр 6, устройство управления 7 и насос 8 с двигателем М3; группу врезания Вр(П4) с двигателем М4. Группы движений Фv(В1) и Вр(П4) связаны между собой через шлифовальную бабку 3 как через промежуточное исполнительное звено. Такое же соединение через промежуточное исполнительное звено 4 (стол) имеют группы Фs1(В2) и Фs2(П3). Группа Фs2(П3) соединяется с группой Вр(П4) через общее непо- движное звено 5 (станину). Таким образом, в данном станке кине- матические группы связаны между собой через промежуточные или неподвижные исполнительные звенья. Группы, имеющие общий двигатель, могут соединяться между собой или через этот двигатель, или через внешние связи. Например, в структуре токарного станка (рис. 4.2) внешняя связь 1-Р1-iv-2-3 группы главного движения Ф(В1) и внешняя связь 1-Р1-iv-2-is-Р2-4-5 группы движения подачи Фs(П2) имеют общий участок 1-Р1-iv-2. Бла- годаря этому сокращается протяженность кинематических цепей по сравнению с вариантом, когда общий участок отсутствует. Следует отметить, что общий участок мо- жет и не иметь органов настройки. Наличие или отсутствие последних зависит от принятой размерности скорости движения исполнитель- ных органов. В схеме по рис. 4.2 частота вращения шпинделя имеет размерность мин–1. Перемещение суппорта часто задают в мм за один оборот шпин- деля (на токарных, сверлильных и других станках). Если же орган настройки iv перенести в участок Рис.4.2. Структурная схема токарного станка 30 2–3, то в этом случае размерность частоты вращения шпинделя не изменится, а подачу будет удобнее задавать в мм/мин. Минутная подача характерна, в частности, для фрезерных и других станков, у которых привод подачи снабжен индивидуальным двигателем. 4.2. Соединение групп с совмещенными по траектории движениями Кинематическая структура станка в данном случае существенно зависит от соотношения между числом движений и числом испол- нительных пар. Возможны два варианта: или эти числа равны (об- щие исполнительные органы отсутствуют), или второе число мень- ше (имеются общие исполнительные пары). Рассмотрим соответствующие указанным вариантам соединения кинематических групп двух движений: например, Фs(П2) и Всп(П1). Первая структура (рис. 4.3, а) имеет две поступательные кинема- тические пары: одна находится между подвижными звеньями 1 и 2, а другая – между подвижными звеном 2 и неподвижным звеном 3. Вторая структура (рис. 4.3, б) имеет одну поступательную испол- нительную пару, общую для групп движений Фs(П1) и Всп(П2), кото- рые соединены между собой по внешним связям через суммирую- щий механизм ∑, принадлежащий внешним связям обеих групп. а б Рис. 4.3. Схемы соединения кинематических групп с совмещенными по траектории движениями: а – при независимых исполнительных органах; б – при общем исполнительном органе 31 Данная структура по сравнению с первой позволяет выполнить конструкцию исполнительного механизма станка более компактной и с более высокой жесткостью, благодаря уменьшению числа подвиж- ных звеньев и, следовательно, стыков. Поэтому структуры рассматри- ваемого типа с общим исполнительным звеном чаще применяются в различных станках. В обоих рассмотренных примерах кинематические группы могут иметь общий двигатель. Тогда данные группы соединя- ются дополнительно через этот двигатель или через внешние связи. 4.3. Соединение сложных групп с общим исполнительным звеном В структуре по рис. 4.3, б кинематические группы, имеющие об- щее исполнительное звено, соединены между собой через внешние связи, так как они являются простыми. Если же одна или обе группы сложные, то их соединение при общем исполнительном звене воз- можно либо по внутренним, либо по внутренним и внешним связям. Выбор способа соединения групп зависит от действия исполнитель- ных движений во времени, которые могут быть одновременными или разновременными. При одновременности движе- ний, создаваемых на общем ис- полнительном звене разными группами, их соединение осу- ществляется с помощью сумми- рующего механизма и является параллельным. Такая структура характерна, например, для зу- бофрезерных станков при наре- зании косозубых колес (рис. 4.4). Формообразующая структура станка содержит две сложные ки- нематические группы: движения резания Фv(В1В2), которым образу- ется профиль нарезаемых зубьев; движения подачи Фs(П3В4) для получения винтовой формы их боковых поверхностей. Класс кинема- тической структуры станка – С24. Рис. 4.4. Структурная схема зубофрезерного станка c параллельным соединением сложных кинематических групп 32 Исполнительное звено II (стол станка) принадлежит обеим груп- пам и одновременно совершает независимые элементарные движе- ния В2 и В4. Группы соединены параллельно по кинематическим цепям внутренних связей: кинематическая цепь 1-2-3--4-ix-5 внут- ренней связи группы движения Фv(В1В2) и кинематическая цепь 6-7- 8-iy-9--4-ix-5 внутренней связи группы движения Фs(П3В4) соеди- нены между собой через суммирующий механизм  и имеют общий участок 4-ix-5. Органы ix и iy служат для настройки траекторий ука- занных исполнительных движений. 4.4. Соединение кинематических групп при различной длительности движений Если исполнительные движения, создаваемые различными груп- пами, имеют разную длительность или выполняются последова- тельно, то возможно параллельное, последовательное или смешан- ное соединение групп через внутригрупповые связи [11]. Параллельное соединение групп применяется, если совмещенные по траектории движения частично совпадают во времени. Призна- ком параллельного соединения групп является наличие в станке суммирующего механизма. На рис. 4.5 показано параллельное со- единение сложной группы движения формообразования Фv(В1В2) с простой группой движения деления Д(В3). Внешняя связь 5-6-7-iy-8 второй группы подключена через сум- мирующий механизм  к кинематической цепи внутренней связи 3- ix-2--4 первой группы. Периодический характер движения Д(В3) обеспечивается за счет подключения делительного устройства 7 с помощью кулачковой (однооборотной) муфты 6 к двигателю М2. Таким образом, данная структура обеспечивает периодическое наложение движения деления на непрерывное движение формообра- зования. Органы Р, iv, ix служат для настройки соответственно направ- ления, скорости и траектории движения Ф(В1В2), а iy – для настройки пути движения Д(В3) – угла поворота исполнительного звена II. Последовательное соединение групп применяется, если общее ис- полнительное звено поочередно участвует то в одном, то в другом движении. Последовательное соединение групп обеспечивается ме- ханизмом, разрывающим или вновь соединяющим внутреннюю или внешнюю кинематические цепи. Для этого служат специальные ку- 33 лачковые муфты, делитель- ные диски и другие устрой- ства. Обычно таким спосо- бом соединяют группы дви- жений формообразования и деления. Рассмотрим последова- тельное соединение кинема- тических групп в резьбоф- резерном станке (рис. 4. 6), кинематическая структура которого основана на кине- матической схеме обработ- ки, изображенной на рис. 1.1. Группа движения деления Д(В4) после- довательно соединяется с группой винтового движения Фs(В2П3), что позволяет нарезать на нем многозаходные резьбы. После обработки одного захода движение Фs(В2П3) отключается и выполняется операция деления. Для это- го фиксатор 7 выводится из отверстия неподвижного делительного диска 8, от- ключая тем самым шпин- дель 1 от внутренней связи, и с помощью рукоятки 9 шпиндель с заготовкой по- ворачивают на угол 2/k, где k – число заходов наре- заемой резьбы. Затем фиксатор 7 вводят в отверстие делительного диска 8, то есть замыкают винторезную цепь, обрабатывают второй заход и т. д. Последовательное соединение кинематических групп часто применяется в станках для нарезания конических зубчатых ко- лес, когда по завершению цикла обработки каждой впадины заготовке сообщается поворот на угол между впадинами (движение деления). Смешанное (параллельно-последовательное) соединение групп основано на разложении одного сложного движения на два менее сложных. Для этого внутренняя связь сложной группы должна Рис. 4.5. Структурная схема с параллельным соединением кинематических групп Рис. 4.6. Кинематическая структура резьбофрезерного станка с последовательным соединением кинематических групп 34 иметь реверсирующий механизм, работающий без относительного проскальзывания ведомого и ведущего элементов в момент реверса. При реверсировании элементарного движения, находящегося на общем исполнительном звене, сохраняется только простое движение деления. Такая кинематическая структура характерна, например, для затыловочных станков. Рассмотрим пример построе- ния частной кинематической структуры токарно-затыловочно- го станка при затыловании дис- ковой фрезы (рис. 4.7, а). Фор- мообразование задней поверхно- сти зубьев фрезы 6 осуществ- ляется сложным движением Фv(В1П2), образованным согласо- ванным вращением В1 шпинделя I с затылуемой фрезой и прямо- линейным перемещением П2 суппорта II, несущего режущий инструмент (резец или шлифо- вальный круг). Движение П2 обеспечивается кулачком 5, со- единенным со шпинделем I внутренней связью 1-2-ix-3 груп- пы Фv(В1П2). Кроме движения формообра- зования, для затылования всех зубьев фрезы необходимо также движение деления, которое долж- но быть вращательным, так как зубья расположены по окружно- сти. Движение деления Д(В1) со- здается элементарным движением В1, входящим в состав движения формообразования Фv(В1П2), за счет разложения последнего на два простых движения: делительное Д(В1) – для осуществления процес- са деления и вспомогательное Всп(П3) – для возвращения суппорта II в исходное положение. Рис. 4.7. Кинематическая структура со смешанным соединением групп формообразования и деления: а – затыловочного станка; б – зубошлифовального станка а б 35 Разложение сложного движения формообразования на два прос- тых и его восстановление производится кулачковым механизмом, который, являясь тяговым устройством, выполняет также функцию реверсирующего механизма. Поскольку движение В1 не прекращается до окончания затылова- ния всех зубьев фрезы, процесс деления осуществляется непрерывно: вначале одновременно с процессом формообразования (движение Фv(В1П2), а затем отдельно (движение Д(В1). Достигается это благодаря параллельно-последовательному соединению кинематических групп. Аналогично соединяются группы движения формообразования профиля зубьев и движения деления при шлифовании по методу обкатки дисковым кругом цилиндрического зубчатого колеса (рис. 4.7, б). Процесс формообразования профиля зубьев основан на воспроизведении реечного зацепления за счет вращения В2 стола 1 с заготовкой, согласованного цепью обката 3-iy-4-5-6-Р-8-ix-9-10 с прямолинейным движением П1 каретки 2. Настройка траектории движения обката Фs(П1В2) осуществляется гитарой iх. Для исключения возможности разрыва кинематической цепи при переходе от движения П1 к движению П3 и обратно в цепи обката установлен работающий без проскальзывания реверсирующий ме- ханизм Р с составным колесом 7, совершающим качательное дви- жение при постоянном направлении вращения ведущего колеса 6. Поэтому при постоянном по направлению вращении В2 движение П1 каретки периодически меняется на противоположное по направ- лению движение П3. В этот момент движение обката Фs(П1В2) пре- кращается, элементарное движение В2 становится движением деле- ния Д(В2), а движение П1 заменяется вспомогательным движением Всп(П3), возвращающим каретку в исходное положение. Настройка движения Д(В2) на путь производится гитарой iy. За время выполнения движения Всп(П3) осуществляется деление: переход к обработке следующего зуба шлифуемого колеса. Затем это движение меняется на П1, восстанавливается движение обката Фs(П1В2), и процесс повторяется до обработки всех зубьев. Так как вращение В2 происходит непрерывно, то, как и в предыдущем при- мере, процесс деления осуществляется постоянно, вначале одно- временно с процессом формообразования, затем отдельно, что обеспечивается благодаря параллельно-последовательному соеди- нению кинематических групп. 36 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ СТАНКОВ Из методики синтеза кинематической группы следует, что он включает построение ее внутренней и внешней связей, выбор поло- жения звена соединения связей и размещение в них органов настройки. Соединением кинематических групп образуется струк- тура станка. В этой связи оптимизация кинематической структуры отдельных групп и станка в целом предполагает обоснованность решений по каждому этапу ее синтеза, исходя из того, что кинема- тическая структура должна обеспечивать как процесс формообразо- вания поверхности, так и благоприятные условия резания (напри- мер, постоянство или изменение по определенному закону скорости формообразующего движения, стабилизацию рабочих углов ин- струмента и т. д.). Приведенные ниже рекомендации носят общий характер и справедливы для станков различного назначения. Оптимизация структуры внешней и внутренней связей. Зада- ча синтеза рациональной структуры внешней связи связана с обос- нованием выбора расположения органов настройки в кинематиче- ской цепи между двигателем и звеном соединения связей, в частно- сти, на основе условий минимизации габаритов и веса привода, обеспечения его быстродействия и других требований. Для уменьшения веса привода рекомендуется, чтобы максималь- но возможное число зубчатых передач с минимальным модулем располагалось в начале кинематической цепи. Поэтому в приводах главного движения реверсирующий механизм часто размещают до органа настройки скорости (токарно-винторезные станки). Такой вариант размещения органов настройки не является рациональным с точки зрения обеспечения благоприятных динамических условий работы механизмов станка из-за увеличения числа передач и, сле- довательно, движущихся масс между реверсирующим механизмом и исполнительным органом. Поэтому в приводах главного движе- ния небольшой мощности, а также при необходимости максималь- ного сокращения времени реверсирования реверсирующий меха- низм устанавливают после органа настройки скорости (токарно- револьверные станки). В приводах подачи, учитывая небольшую передаваемую мощ- ность, а также для удобства управления реверсирующий механизм 37 обычно размещают перед тяговым устройством (универсальные токарные и фрезерные станки). Важным требованием к структуре внешней связи кинематической группы с неравномерными движениями исполнительных органов яв- ляется стабилизация скорости исполнительного движения для обеспе- чения рациональных условий резания. Это возможно при непрерыв- ном изменении по определенной зависимости передаточного отноше- ния кинематической цепи внешней связи или частоты вращения двигателя. На этом основана кинематическая структура внешней связи группы движения обката Фs(В1В2) зубодолбежного станка для обра- ботки некруглых зубчатых колес некруглым долбяком (рис. 5.1, а). а в Рис. 5.1. Структурные схемы групп движений резания и обкатки (а) и вариантов приводов круговой подачи (б, в) зубодолбежного станка Внутренняя связь этой группы расположена между штосселем 1 и столом 8 и содержит гитару 10 некруглых колес, обеспечиваю- щую передаточное отношение пары некруглых колес, образуемой в станочном зацеплении долбяком 7 и нарезаемым колесом 9. Внешняя связь рассматриваемой группы соединяет двигатель 4 с одним из звеньев внутренней связи через органы настройки 3 и 2, первым из которых (коробкой или гитарой подач) задаются абсо- лютные значения, а вторым – закон изменения круговой подачи. Это обеспечивает постоянную или изменяющеюся по требуемому закону круговую подачу, что позволяет стабилизировать условия резания, повысить производительность и точность обработки. б 38 Рис. 5.2. Структурная схема станка для обработки винтовых поверхностей переменного шага Конструктивно орган настройки 2 может быть выполнен в виде вариатора (рис. 5.1, б) и кинематической цепи, связывающей его регулятор скорости 11 с одним из звеньев цепи между гитарой 10 и столом 8. Функция органа 2 может выполняться также двигателем 4, управляемым, например, системой 14 (рис. 5.1, в), связанной че- рез датчик 13 со штосселем 1. При синтезе структуры внутренних связей важно учитывать осо- бенности формообразования поверхности с целью, например, со- здания одинаковых условий резания. Решение этой задачи пред- ставляет путь оптимизации структуры внутренней связи. Рассмотрим его на примере обработки винтовых поверхностей резьб переменного шага. Их обработка на известных станках [6] осуществляется неподвижным относительно суппорта резцом, по- этому вследствие переменности шага резьбы непрерывно изменя- ются рабочие углы резца. Это, с одной стороны, существенно ограничивает технологиче- ские возможности станка по диапазону изменения шага резьбы, а с другой, не позволяет реализовать оптимальную геометрию инструмента и режимы резания. На рис. 5.2 изображена структурная схема станка для обработки резьб и шлицев переменного шага, внутренняя связь группы винто- вого движения которого обеспечивает постоянную ориентацию инструмента относительно обрабатываемых поверхностей. Шпиндель 4, несущий заготовку 5, соединен с продольным суп- портом 9 винторезной цепью внутренней связи, содержащей орган настройки 12 и меха- низм изменения шага 14, который может быть выполнен в виде любого устройства с переменным переда- точным отношением – некруглых колес, ва- риатора и т. п. Во внутренней связи рас- положена также цепь ориентации инстру- мента, которая соеди- 39 няет звено 11 винторезной цепи с поворотным резцедержателем 7, установленным в поперечном суппорте 8. Благодаря наличию этой цепи, одновременно с вращением шпин- деля 4 и перемещением суппорта 9 резцедержатель 7 получает непре- рывный поворот, который задается органом 10 так, что передняя по- верхность резца имеет неизменную ориентацию относительно направ- ления траектории винтового движения. Благодаря этому рабочие углы постоянны при изменении шага обрабатываемой поверхности, что позволяет осуществить обработку при оптимальной геометрии реза- ния, повысить производительность и стойкость инструмента, расши- рить технологические возможности станка по диапазону изменения шага обрабатываемой поверхности. Выбор положения звена соединения связей. В рассматриваемом станке реализован также путь оптимизации кинематической струк- туры, состоящей в рациональном выборе положения звена соедине- ния связей, от которого зависит характер движений исполнительных органов. Если оно находится между шпинделем 4 и механизмом изменения шага 14 и имеет постоянную частоту вращения, то в процессе обработки шпиндель вращается с постоянной частотой, а суппорт перемещается с переменной скоростью. Если же звено расположено между механизмом 14 и суппортом 9, то характер движений исполнительных органов станка противоположный. Скорость движения формообразования и, следовательно, произ- водительность изменяются незначительно на всей длине обработки, если при нарезании резьб переменного шага неравномерное движе- ние сообщается инструменту, а при обработке шлицев – заготовке [3]. Для осуществления этих вариантов обработки в структуре предусмотрены два звена – 3 и 13 – соединения связей, а во внеш- нюю связь введен механизм переключения 2, с помощью которого движение от двигателя 1 передается одному из этих звеньев. Итак, кинематическая структура станка позволяет реализовать два способа обработки, один из которых эффективен для резьб, а второй – для шлицев переменного шага, благодаря чему обеспе- чиваются условия высокопроизводительной обработки на всем диа- пазоне технологических возможностей станка. Достигается это со- ответствующим выбором положения звена соединения связей. Рациональное размещение органов настройки в кинематиче- ских связях. Рекомендации по рациональному расположению орга- 40 нов настройки во внешних связях приведены выше. Они относятся к простым и сложным кинематическим группам. Для сложной, не связанной с другими кинематической группы рассматриваемая за- дача сводится к распределению органов настройки между внешней и внутренней связью. Для повышения кинематической точности станка во внутренней связи следует располагать только органы настройки траектории исполнительного движения. Пример такого размещения приведен на рис 3.12: в кинематической цепи внутрен- ней связи 8-10-Р1-ix-9-7 группы винтового движения расположены органы настройки ix на шаг нарезаемой резьбы и реверсирующий механизм Р1 для задания ее направления. Во внешней связи уста- новлены орган настройки iv и Р2 соответственно скорости и направ- лению исполнительного движения Ф(В1П2). Если же органы iv и Р2 перенести во внутреннюю связь, то неиз- бежно понизится ее кинематическая точность из-за увеличения числа передач. Кроме того, в этом случае усложнится и настройка станка, так как при перенастройке органа iv для обеспечения заданного шага нарезаемой резьбы требуется перенастраивать также орган iх. Размещение органов настройки во внутренней связи зависит от соотношения скоростей элементарных движений исполнительных органов, технологических и конструктивных факторов. Проиллю- стрируем это на примере резьбонарезного станка (см. рис. 3.12). Реверсирующий механизм Р1 для задания направления резьбы должен быть расположен только после звена 10 соединения связей, так как правая и левая резьбы нарезаются при одинаковом направ- лении вращения шпинделя. Положение органа настройки шага нарезаемой резьбы зависит от соотношения скоростей элементар- ных движений В1 и П2 и выбирается так, чтобы его передаточное отношение было понижающим. В этом случае обеспечиваются более благоприятные динамические условия работы механизмов станка. Поэтому при нарезании резьб с нормальным шагом (не более чем в 2 раза превышающим шаг ходового винта) орган ix следует распо- лагать между звеном соединения связей и суппортом. При нареза- нии резьб с увеличенным шагом более рационально расположение органа ix между звеном 10 соединения связи и шпинделем 2. Более сложная задача – размещение органов настройки в станках со сложной и комбинированной структурой, имеющей во внешних и внутренних связях автономные и общие для нескольких групп участки. 41 Например, внутренние связи кинематических групп движений Фv(В1В2) и Фs(П3В4) зубофрезерного станка (см. рис. 4.4) имеют об- щий участок 4-ix-5 и присоединенные к нему через суммирующий механизм автономные участки 1-2-3 и 6-7-8-iy9. При этом орган настройки траектории движения Фv(В1В2) (гитара сменных колес ix) расположен в общем участке 4–5, а орган настройки траектории движения Фs(П3В4) (гитара iy) – в автономном участке 6–9. Доказано [11], что при таком расположении органов настройки в кинематиче- ских связях по сравнению с другими вариантами обеспечивается минимальная трудоемкость перенастройки зубофрезерного станка на обработку другого колеса или при изменении режимов резания. Следовательно, размещение органов настройки в кинематиче- ских связях не должно быть произвольным, а выбираться на основе анализа возможных вариантов. Совмещение внешней и внутренней связей. Совершенствование кинематики станков в направлении ее упрощения достигается совме- щением внешней и внутренней связей кинематических групп, что обес- печивается при построении кинематической структуры на базе элект- ромеханических и мехатронных модулей (см. рис. 3.1, б, г) и числовом программном управлении приводами координатных перемещений. В этом случае упрощается кинематика, а благодаря исключению большинства механических передач с присущими им погрешностя- ми повышается кинематическая точность станка. На этом основана кинематиче- ская структура станка для обра- ботки винтовых канавок пере- менного шага (рис. 5.3), испол- нительные органы которого, снабженные индивидуальными двигателями, соединены между собой мехатронными кинемати- ческими связями. Кинематическая группа вин- тового движения подачи Фs(В2П3) имеет совмещенную внешнюю и внутреннюю связи, которые включены в винторезную кине- матическую цепь между шпинде- Рис. 5.3. Структурная схема станка с мехатронными связями для нарезания винтовых канавок 42 лем  и суппортом IV. Данная цепь содержит связанные с системой числового программного управления СУ регулируемые двигатели М2 и М3, первый из которых соединен со шпинделем , а другой – с ходовым винтом тягового устройства суппорта V. Для повышения точности согласования движений В2 и П3, задавае- мого системой управления в соответствии с законом изменения шага обрабатываемых винтовых канавок, кинематическая группа движения Фs(В2П3) снабжена системой обратной связи, которая содержит свя- занные с системой управления датчик Дφ угла поворота шпинделя  и линейный датчик положения Дx продольного суппорта V. Таким образом, оптимизация структуры внешних и внутренних связей, обоснованный выбор звена их соединения и их совмещение, рациональное размещение органов настройки в кинематических связях представляют практические пути совершенствования кинема- тической структуры станков. Они могут быть использованы при син- тезе структур различных по назначению металлорежущих станков. Объединение кинематических групп. Объединением кинематиче- ских групп упрощается кинематическая структура станка. Это воз- можно, например, при замене дифференциальной структуры бездиф- ференциальной. При этом должны выполняться следующие условия: слагаемые движения создаются общим источником (в механиче- ских системах) или согласованы системой управления (станки с ЧПУ); слагаемые движения одновременны, то есть начинаются в один момент времени и имеют одинаковую длительность; слагаемые движения имеют одну и ту же скоростную характери- стику, то есть они или равномерны, или изменяются по одному закону. Рассмотрим данную задачу применительно к универсальным зубофрезерным станкам, работающих по методу обкатки. Кинема- тическая структура такого станка дифференциального типа изобра- жена на рис. 4.4. Она имеет две параллельно соединенные посред- ством суммирующего механизма  кинематические группы движе- ний резания Фv(В1В2) и подачи Фs(П3В4). В данном случае имеет место физическое сложение элементарных движений В2 и В4, сооб- щаемых столу с заготовкой. С позиций процесса формообразования безразлично, каким об- разом получено вращение стола, равное алгебраической сумме движений В2В4. Поэтому вместо физического (с помощью сумми- 43 рующего механизма) возможно математическое сложение движе- ний В2 и В4, что имеет место при бездифференциальной структуре, при которой формообразование зубьев обеспечивается одним ис- полнительным движением Ф(В1В2П3). Такое объединение возможно при построении кинематической структуры на базе бездифференциального кинематического модуля (см. рис. 3.4, а), имеющего одно ведущее и два ведомых звена. В этом случае дифференциальная кинематическая структура станка (см. рис. 4.4) трансформируется в бездифференциальную (рис. 5.4). Внутренняя связь кинематической группы формообразующего движения содержит две вращательные и одну поступательную ки- нематические пары, подвижные звенья которых I, II, III соедине- ны кинематическими цепями 1-2- ix-3-4 и 4-3-is-Р-5-6. Внешняя связь этой группы соединяет двигатель М с внутренней связью кинематической цепью 1-iv-2. Основой кинематической струк- туры служит модуль 2-ix-3-is -Р-5 с ведущим звеном 2 и ведомыми звеньями 3, 5. По сравнению с дифференциальной структурой (см. рис. 4.4), благодаря исклю- чению из внутренней связи сум- мирующего механизма, она содержит меньше передач и поэтому имеет более высокую кинематическую точность. Однако усложняется подбор сменных зубчатых колес при настройке гитары обкатки ix, так как в данном случае значение ее передаточного отношения зависит не только от числа, но и от угла наклона нарезаемых зубьев. Зачастую настройка гитары ix связана с необходимостью изготовления специальных сменных зубчатых колес, что экономически обосновано, как правило, в условиях круп- носерийного и массового производства. Это обстоятельство необ- ходимо учитывать при разработке кинематической структуры станка. Рис. 5.4. Кинематическая структура бездифференциального зубофрезерного станка 44 6. МЕТОДИКА И ПРИМЕР СИНТЕЗА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ СТАНКА Исходными данными для разработки кинематической структуры станка являются: технологическое назначение станка и область его применения; форма обрабатываемых на станке поверхностей; метод обработки, его особенности (фрезерование, фрезоточение, диагональное зубофрезерование и т. п.), режущий инструмент; требования к универсальности станка, степени его автоматиза- ции, система управления. Кинематическую структуру станка рекомендуется разрабатывать в следующей последовательности: 1. составить для каждой из заданных поверхностей кинематиче- скую схему обработки или выполнить анализ заданной схемы обра- ботки; 2. построить частную кинематическую структуру станка для об- работки каждой поверхности и полную кинематическую структуру станка как объединение всех частных структур; 3. обосновать размещение органов настройки параметров созда- ваемых движений во внешних и внутренних связях кинематических групп; 4. вывести формулы настройки органов настройки по известной методике, включающей составление расчетных перемещений (РП) для расчетной кинематической цепи, содержащий рассматриваемый орган настройки, составление уравнения кинематической цепи УКЦ, вывод формулы настройки ФН. Пример синтеза кинематической структуры станка Требуется разработать структурную схему специального станка для обработки некруглых цилиндрических поверхностей эксцентрично установленной цилиндрической фрезой по известной схеме обработки [3] (рис. 6.1). Задача решается по изложенной выше методике. 1. Анализ кинематической схемы обработки. В процессе обра- ботки заготовке 1 (см. рис. 6.1) сообщается вращение В1 вокруг ее оси 2, а инструменту 3 – согласованное с ним вращение В2 вокруг оси 5, параллельной его геометрической оси 4, с частотой в m раз 45 большей частоты вращения заготовки, где m – число граней (высту- пов) у обработанной поверхности. а б Рис. 6.1. Кинематическая схема обработки некруглой поверхности (а), образец детали с некруглой поверхностью и фрагмент режущей части инструмента (б) Формируемая некруглая поверхность профилируется методом прерывистого обката, а по длине образуется методом касания. Согласованные вращательные движения инструмента В1 и заготов- ки В2, образуют сложное движение профилирования Фv(В1В2) с не- замкнутой траекторией, которое должно настраиваться на траекто- рию, скорость и направление. Формирование некруглой цилиндри- ческой поверхности по длине обеспечивается прямолинейным движением подачи Фs(П3), которое должно настраиваться на ско- рость, направление, исходную точку и длину пути. Для обеспечения цикла обработки поверхности, кроме указан- ных движений формообразования, на станке необходимы также: относительное перемещение инструмента и заготовки в радиаль- ном направлении – установочное движение Уст(П4) и вспомога- тельное движение Всп1(П´4) – перемещение в обратном направлении в исходное положение; вспомогательное перемещение Всп2(П´3) вдоль оси заготовки, противоположное движению Фs(П3), для перемещения инструмента в исходное положение. Установочное и вспомогательные движения настраиваются на скорость, направление и длину пути. 46 Для распределения движений между исполнительными органами принимается типовая для обработки деталей типа валов технологи- ческая компоновка станка, которая включает четыре подвижных органа (по количеству необходимых координатных перемещений): инструментальный шпиндель ; несущий заготовку шпиндель ; продольный ; поперечный V суппорты (рис. 6.2). Для упрощения конструк- ции станка элементарные дви- жения, образующие сложное движение Фv(В1В2), распреде-лены между шпинделями  и . Движение подачи, установоч- ное и вспомогательные движе- ния сообщаются инструменту. 2. Разработка кинемати- ческой структуры станка. Все указанные выше исполни- тельные движения выполня- ются при обработке некруглой цилиндрической поверхности и реализуются одной кинема- тической структурой станка. С учетом схемы обработки и состава исполнительных движений кинематическая структура станка долж- на содержать кинематические группы движений Фv(В1В2), Фs(П3), Уст(П4), Всп1(П´4) и Всп2(П´3). Группа движения резания Фv(В1В2) – сложная, ее внутренняя связь выполнена в виде кинематической цепи, связывающей между собой шпиндели  и , совершающие элементарные движения соот- ветственно В1 и В2. Внутренняя связь этой группы обеспечивает траекторию испол- нительного движения, зависящую от числа граней (выступов) m у обработанной некруглой поверхности, поэтому в ней расположен орган настройки ix для настройки на число граней. Соотношение направлений элементарных движений В1 и В2 целесообразно настраи- вать органом ix, так как при введении во внутреннюю связь реверси- рующего механизма возрастает ее кинематическая погрешность. Рис. 6.2. Структурная схема станка для обработки профильных цилиндрических поверхностей 47 Таким образом, внутренняя связь кинематической группы дви- жения Фv(В1 В2) содержит две вращательные кинематические пары, подвижные звенья которых (шпиндели  и ) соединены между со- бой кинематической цепью 3-ix-4. Кинематическая цепь внешней связи группы движения Фv(В1В2) со- единяет двигатель М1 со шпинделем  через орган настройки iv частоты его вращения. Направление вращения В1 задается двигателем М1, что характерно для фрезерных станков. При применении двигателя с необ- ходимым диапазоном регулирования орган настройки iv не требуется. Группа движения подачи Фs(П3) простая, ее внутренняя связь состоит из поступательной кинематической пары, подвижным звеном которой является продольный суппорт . Внешняя связь этой груп- пы 5–6 выполнена в виде винтовой передачи 6, ходовой винт которой соединен через звено 5 с регулируемым по скорости и направлению двигателем М2, что характерно для современных станков. Группы движений Фv(В1В2) и Фs(П3) не имеют общих исполни- тельных звеньев и совмещенных по траектории элементарных дви- жений, поэтому они соединены между собой через неподвижные звенья без межгрупповых связей. При реверсировании двигателя М2 вместо движения Фs(П3) выполняется вспомогательное движение Всп2(П´3). Настройка пара-метров этих движений осуществляется системой управления про- граммными средствами. Группы движений Фs(П3) и Всп2(П´3) конструктивно совмещены. Аналогично совмещены между собой и группы движений Уст(П4) и Всп1(П´4), которые осуществляются двигателем М3, связанным с внутренней связью кинематической цепью внешней связи 7–8. Основная (формообразующая) часть кинематической структуры содержит сложную и простую кинематические группы движений формообразования, поэтому кинематическая структура станка ком- бинированная типа К23. 3. Расчет настройки станка. Выведем формулы настройки органов iv и iх. Рассматриваются расчетные кинематические цепи, содержащие эти органы настройки, соответственно кинематическая цепь вращения инструментального шпинделя и кинематическая цепь внутренней связи (цепь обкатки). 48 Расчетные перемещения для цепи вращения инструментального шпинделя: РП: nэ мин-1→nшп мин-1, где nэ – частота вращения электродвигателя, мин-1; nшп – частота вращения шпинделя, мин-1 (определяется по ре- жимам резания). Уравнение кинематической цепи: УКЦ: nшп = nэi0viv, где i0v – передаточное отношение постоянных передач цепи 1–2; iv – передаточное отношение органа настройки. Формула настройки органа iv ФН: iv = Сvnшп, где Сv – постоянная рассматриваемой кинематической цепи, опре- деляемая после проектирования кинематической схемы станка. Орган настройки ix расположен в кинематической внутренней связи, соединяющей шпиндели  и . Для этой цепи имеем: РП: 1 оборот шпинделя  → 1/m оборота шпинделя . УКЦ: 1/m=1i0xix, где i0x – постоянная расчетной цепи; ix– передаточное отношение органа настройки; m – число граней обработанной поверхности. ФН: ix= С/m, где значение постоянной С определяется на основе параметров пе- редач, входящих в цепь деления. Для повышения кинематической точности цепи профилирова- ния, за счет сокращения в ней количества механических передач, в разработанной кинематической структуре (см. рис. 6.2) она может быть заменена на электромеханическую (см. рис. 3.9, б) или на мехатронную (см. рис. 3.9, в) [12]. Кинематические структуры различных станков описаны в [1–12]. 49 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Голембиевский, А.И. Основы системологии способов формо- образующей обработки в машиностроении / А.И Голембиевский / под ред. В.А. Петрова. – Минск : Наука и техника, 1986. –168 с. 2. Голембиевский, А.И. Станочное оборудование: учеб. метод. комплекс для студентов спец-ти 1- 36 01 01, 1- 36 01 03/ А.И. Го- лембиевский. – Новополоцк : ПГУ, 2006. – 296 с. 3. Данилов, В.А. Формообразующая обработка сложных поверхно- стей резанием / В.А. Данилов. – Минск : Наука и техника, 1995. – 264 с. 4. Данилов, В.А. Проектирование кинематики металлорежущих станков : пособие по курсу «Конструирование и расчет станков» / В.А. Данилов. – Новополоцк : ПГУ, 2008. – 228 с. 5. Конструирование и оснащение технологических комплексов / А.М. Русецкий [и др.]; под общ. ред. А.М. Русецкого. – Минск : Бе- лар. навука, 2014. – 316 с. 6. Металлорежущие станки : в 2 т. / под ред. Н.С. Ачеркана. – Москва : Машиностроение, 1965. Т. 1. – 764 с. 7. Металлорежущие станки : учебник для машиностр. вузов / под ред. В.Э. Пуша. – Москва : Машиностроение, 1985. –.575 с. 8. Металлорежущие станки : учеб. пособие для вузов / Н.С. Колев, Л.В. Красниченко, Н.С. Никулин и др. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва : Машиностроение, 1980. – 500 с. 9. Сотников, В.И. Станочное оборудование машиностроительно производства : учебник в 2-х ч. / В.И. Сотников, А.Г. Схиртладзе, Г.А. Харламов. – 2-е изд., перераб. и доп. – Ст. Оскол : ТНТ, 2015. – Ч. 1. – 416 с. 10. Схиртладзе, А.Г. Технологическое оборудование машино- строительных производств. Общие сведения. Станки токарной и сверлильно-расточной групп : учеб. пособие / А.Г. Схиртладзе, Т.И. Иванова, В.П. Борискин. – Ст. Оскол : ТНТ, 2015. – 308 с. 11. Федотенок, А.А. Кинематическая структура металлорежущих станков / А.А. Федотенок. – Москва : Машиностроение, 1970. – 403 с. 12. Данилов, А.А. Синтез и анализ кинематической структуры станков для обработки некруглых валов / А.А. Данилов // Тр. моло- дых специалистов Полоц. гос. ун-та. – Полоцк, 2014. – Вып. 75 «Промышленность». – С. 84–87. 50 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ..................................................................................... 3 1. Исполнительные движения в станках .................................... 5 2. Понятие о кинематической структуре станка ..................... 10 3. Синтез структуры кинематической группы ........................ 12 3.1. Структурные элементы кинематических связей ................... 13 3.2. Синтез функциональных связей кинематических групп ...... 16 3.3. Типовые структуры внутренних и внешних связей .............. 20 3.4. Синтез кинематической структуры простых кинематических групп ......................................................................... 23 3.5. Синтез кинематической структуры сложных кинематических групп ......................................................................... 24 3.6. Методика синтеза структуры кинематической группы ........ 27 4. Способы соединения кинематических групп ....................... 27 4.1. Соединение групп с не совмещенными по траектории движениями ................................................................. 28 4.2. Соединение групп с совмещенными по траектории движениями ................................................................. 30 4.3. Соединение сложных групп с общим исполнительным звеном ...................................................................... 31 4.4. Соединение кинематических групп при различной длительности движений ............................................. 32 5. Совершенствование кинематической структуры станков ............................................................................. 36 6. Методика и пример синтеза кинематической структуры станка ................................................ 44 Список рекомендуемой литературы .......................................... 49 51 Учебное издание ДАНИЛОВ Виктор Алексеевич ДАНИЛОВ Александр Алексеевич АНАЛИЗ И СИНТЕЗ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ Пособие для студентов специальностей 1-36 01 03 «Технологическое оборудование машиностроительного производства» и 1-36 01 01 «Технология машиностроения» Редактор Т. В. Мейкшане Компьютерная верстка Е. А. Беспанской Подписано в печать 30.08.2018. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 2,96. Уч.-изд. л. 2,32. Тираж 200. Заказ 346. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. Свидетельство о государственной регистрации издателя, изготовителя, распространителя печатных изданий № 1/173 от 12.02.2014. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск.