Лекция 15

Поворотные устройства

Поворотные устройства (столы и карусели) служат в основном для транспортировки деталей от одной позиции обработки к другой. Они получили широкое применение в агрегатных станках и автоматических линиях, машинах электровакуумного и полупроводникового производства.

Поворот стола или карусели может осуществляться механическими, гидравлическими или пневматическими механизмами (см. табл. ниже).

В конце дискретного (на заданный угол) повороте карусели производится, как правило, ее фиксация с помощью соответствующего устройства, что важно с точки зрения позиционирования деталей в процессе обработки.

В качестве примера рассмотрим работу поворотной карусели для автомата сборки крупногабаритных цоколей осветительных ламп.

На рис. 1 и 2 показаны типовая конструкция подшипникового узла карусели и структурно-компоновочная схема механизма (привода) поворота карусели.

Ось 2 карусели, неподвижно закрепленная на станине автомата, поддерживает поворотную карусель 1 с помощью двух радиальных 3 и одного осевого 4 подшипников. В поворотной карусели 1 предусмотрены гнезда 5 в количестве 12 для установки обрабатываемых цоколей. Нижнее основание карусели снабжено ведомым диском 6 и элементами зацепления с поворотным механизмом.

В вариантном исполнении могут использоваться различные поворотные механизмы, например, электромеханические (рис.2) или кулачково-роликовые механизмы (см. ниже рис.4).

Согласно рис. 2 поворот карусели осуществляется от электродвигателя через редуктор, обгонную муфту и червячную пару. При повороте карусели вследствие скосов на фиксаторе и в гнездах карусели фиксатор утапливается, сжимая пружину. После начала поворота карусели при работающем приводе фиксатор сначала утапливается в своих направляющих, затем скользит по карусели и входит в следующее гнездо. При этом происходит реверсирование вращения электродвигателя и движение через муфту предельного момента передается на червяк.

Карусель получает вращение в обратном направлении, но так как фиксатор входит в гнездо стола, то он упирается в него и останавливается. Червяк, продолжая вращаться, ввинчивается в зубья червячного колеса, перемещается вдоль своей оси и, сжимая пружину, нажимает на конечный выключатель, который выключает электродвигатель. Силовое замыкание при фиксации карусели обеспечивается при реверсе вращения конструкцией фиксатора, который выполнен с односторонним скосом. Точность позиционирования (останова) такой карусели при фиксации достаточно высока и составляет не более ± 0.20 микрометров.

Кроме точной фиксации углового положения, механизмы поворота должны обеспечивать возможность быстрого и плавного поворота при высокой точности останова, высокую надежность (безотказность, долговечность и ремонтопригодность) при простоте конструкции. Однако, удовлетворение всем этим требованиям как правило затруднительно.

Для роликово-кулачкового механизма поворота, представленного на рис.4,точность останова ниже, однако он более надежен и конструктивно прост. Нашел применение для поворота каруселей многопозиционных не металлорежущих автоматов с большим числом позиций (более12).

Поворот ведомого звена карусели осуществляется цилиндрическим кулачком-улитой 1, который имеет криволинейный паз 2 на части своей торцевой поверхности ( угле α_о ).

При повороте кулачка от электродвигателя на угол α_о ролики 3 ведомого диска 4 карусели, перемещаясь между образующими криволинейного паза, поворачивают диск за счет давления на ролики боковых стенок криволинейного паза на угол между соседними роликами. При вращении кулачка на остальном (2π - α_о) угле

ведомый диск неподвижен и фиксируется на этом угле другими образующими кулачка, перпендикулярными его оси, которые заходят в пространство между соседними роликами.

Изменяя угол α_о, можно варьировать соотношение времени поворота и выстоя карусели. Поворот карусели - это, как правило, холостой ход и для повышения производительности машины должен осуществляться за возможно более короткое время. К преимуществам кулачково-роликовых механизмов следует отнести: возможность получения выгодного соотношения между временем поворота и временем выстоя ведомого звена (карусели); возможность осуществления различных законов движения ведомого звена (с постоянной скоростью или ускорением, синусоидальные и комбинированные), позволяющих обеспечить наилучшие динамические условия поворота; карусель постоянно фиксируется относительно вращающегося кулачка при вращении и выстою.

Основными недостатками кулачково-роликового механизма являются сложность изготовления рабочего профиля кулачка, невысокие точность и жесткость фиксации карусели (механизм не применяется в автоматах с большими усилиями при обработке деталей).

Для каруселей не силовых автоматов с большим числом позиций широко применяют также зубчатые (или рычажно-храповые) механизмы поворота, рис.3.

С ведомым диском 4 карусели жестко соединено храповое колесо 5 . Поворот карусели на угол α осуществляется шестерней-рычагом 6 и собачкой 7, которая поджимается к храповому колесу 5 пружиной 8. Поворотное движение шестерня-рычаг 6 получает от рейки 3 поршневого привода 10. Во время поворота стола рычаг 6 вместе с храповым колесом 5 двигается до тех пор, пока собачка 7 не встретит упор 9, закрепленный неподвижно на станине. Заклинивая собачку 7, упор 9 предупреждает перебег карусели. После поворота карусели она прижимается планкой 2 от пневмоцилиндра 1. Возврат рычага 6 с собачкой 7 в исходное положение осуществляется при закрепленной карусели.

Для каруселей не силовых приводов поворота с числом позиций не более 12 (обычно до 6) применяют мальтийские механизмы, отличающиеся компактностью, быстротой поворота и надежностью при средней точности и сложности изготовления. Известны мальтийские механизмы с внешним и внутренним зацеплением, а также сферические.

На рис. 5 показан мальтийский механизм с внешним зацеплением (на четыре позиции), состоящий из ведомого звена – креста 1, кривошипа (поводка) 3 с пальцем (цевкой) 2. Мальтийский крест 1 имеет прерывистое вращение и выполнен с четырьмя пазами, в которые последовательно входит палец 3 кривошипа 2. За один оборот кривошипа мальтийский крест поворачивается на угол, кратный числу пазов (на схеме - 90 градусов). Во время останова положение креста фиксируется сектором 4, который входит в одну из четырех проточек креста 1 и находится в ней до момента входа пальца в следующий паз креста.

К недостаткам мальтийских механизмов можно отнести: непостоянство скорости поворота ведомого звена (креста), большие пики кривых ускорений и ударные нагрузки в начале и конце поворота (заметно при малом числе пазов креста).

Расчет и выбор параметров вышеперечисленных механизмов поворота с приводом выполняется, исходя из заданного числа позиций карусели (поворотного стола), соотношения времени выстоя и поворота карусели, ее массы и диаметральных размеров (с учетом размещения на ней изделий или оснастки с инструментами).

Расчеты выполняются в следующей последовательности: кинематический с определением основных геометрических размеров звеньев механизма поворота и выбором (определением) закона перемещения ведомого звена, динамического расчета скоростей и ускорений ведомого звена, подбор параметров привода вращения по скорости и мощности; силовой расчет на контактную и изгибную прочность элементов механизма поворота. Последний расчет выполняется по общемашиностроительным методикам прочностных расчетов для нагруженных деталей и соединений (см курс “Детали машин”).

Методика расчета поворотных механизмов подробно изложена в [ * ].

В качестве примера рассмотрим кинематический и динамический расчет мальтийского механизма с внешним зацеплением:

Пример.

Исходные данные: число позиций карусели (число пазов креста) Z = 8, межосевое расстояние А = 220 мм, время выстоя (стоянки) карусели t_п = ½ сек ; приведенный радиус карусели r = 380 мм, вес карусели (ориентировочно)

G =1200 н.

Кинематический и динамический расчет (см рис. 4 ):

Угол поворота мальтийского креста и кривошипа:

α = 360⁰/ Z =360 /8 = 45⁰, β = 180⁰ - α = 135⁰ .

Радиус мальтийского креста :

R_кр = A Sin (α/2) = 220 Sin (45⁰/2) = 84,3 мм.

Диаметр ролика (цевки) кривошипа:

D_рол = R/ (3 …4) ≈ 21мм .

Длина паза креста:

L = R + R_кр – А + D_рол/2 = 84.3 + 200.3 +- 220 + 22/2 = 78.6 мм .

Принимаем L = 80 мм.

Наружный диаметр креста

Конструктивно выбираем диаметры валов креста и кривошипа ( выбор из геометрических соотношений,- см рис. ):

Диаметр креста (карусели) d_к < 2 ( А - Rкр – Dрол) = ( 220 – 84.3 –22/2) = 124.7 мм, принимаем d_к = 55 мм;

Диаметр вала кривошипа d _в = 27 мм . условие ( d_в < 2 ( А - Rкр) = 2 (220 – 203.3) = 29.4 мм.

7. Определяем угловую скорость кривошипа ω , число оборотов кривошипа n_к ,

максимальную угловую скорость ω_max креста :

7.1 Угловая скорость кривошипа

Число оборотов кривошипа

Максимальная угловая скорость креста

П
римечание. Силовой расчет механизма Мальтийский крест –см [ * ] с.291…293.

В лекции имеется ссылка на учебник:

[ * ] Автоматы и автоматические линии под ред. Проф. Шаумяна Г.А. Часть 11

/авт.Волчкевич Л.И., Кузнецов М.М., Усов Б.А./, Москва, Высшая школа, 1976,

335 с.

Примеры автоматизированного расчета элементов

машин с помощью системы программ АРМ WinMachine.

Система автоматизированного проектирования машин (АРМ WinMachine)- это программный продукт САПР, в котором реализован комплексный подход к решению задач конструирования. Он представляет собой набор программ, баз данных и баз знаний, графических и других модулей, предназначенных для сквозного проектирования на разных этапах создания машин.

В данной системе имеется возможность выполнять в автоматизированном режиме весь комплекс необходимых геометрических, динамических, прочностных и иных расчетов и, как следствие, подобрать по результатам рапсчета наилучшее конструкторское решение и оформить его в соответствии с требованиями ЕСКД.

Система АРМ WinMachine построена по модульному типу (всего более 17 модулей, примеры из которых приведены ниже) и содержит соврем енные, эффективные и надежные (проверенные практикой) алгоритмы и программы для расчета энергетических, кинематических, прочностных и т.п. параметров элементов конструкций машин и механизмов в целом.

Система АРМ WinMachine – это отечественная разработка, созданная на базе учебных курсов, читаемых в МГТУ им.Н.Э.Баумана, постоянная обновляемая (последняя версия 9.4 -2007г.) и используемая в таких учебных курсах, как “Теоретическая механика”, “Детали машин” и ряде спецкурсов кафедр.

Из представленных ниже примеров заслуживает особого внимания “Расчет конструкции вала редуктора” (пример 4.1) на усталостную прочность, раскрывающий в полной мере возможности данного программного обеспечения в решении часто возникающих при проектировании механизмов задач. Перейдем в знакомству с системой программного обеспечения АРМ WinMachine и рассмотрим ее на отдельных примерах:

Пример 3.1 Расчет кулачкового механизма. (Модуль АРМ Cam );

Пример 4.1 Расчет вала на усталостную прочность (Модуль АРМ Shaft).

(текст по примерам см программу АРМ WinMachine на сайте кафедры)