Проников А.С. 1995 Т.2 Ч.1 (830965), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Когда решающими расчетными параметрами являются выходные параметры точности ШУ, то в качестве целевой ~функции при однокритериальной оптимизации принимается один (важнейший) из заданных выходных параметров точности шпинделя х1, ..., х~, а при многокритериальной оптимизации — вектор Х,„„определяемый совокупностью заданных выходных параметров точности х1, ..., х~ шпинделя и описываемый функцией соответствующих перемещений опорных точек шпинделя (см. рис. 3.1). Именно вектор Х,, является глобальным критерием оптимизации ШУ по точности ~241, В тех случаях, когда для определения динамического качества узла используют частотные характеристики (АФЧХ и АЧХ), целевой функцией,при однокритериальной оптимизации является радиус-вектор Л;(~) (для АФЧХ) или вектор (для АЧХ), лежащий в заданном интервале частот ~, соответствующем определенному выходному параметру точности.
При многокритериальной оптимизации по частотным характеристикам целевой функцией является вектор Х, „определяемый совокупностью подлежащих минимизации радиус-векторов (или векторов). Частными (локальными) критериями оптимизации ШУ являются 89 отдельные выходные параметры точности; векторы частотных характеристик для фиксированных частот или узких интервалов частот; параметры шпинделя или его опор, влияющие на выходные !параметры точности. С учетом математических моделей, описывающих динамические и тепловые процессы в ШУ, такими критериями являются масса, демпфирование и жесткость, с изменением которых изменяются амплитуды перемещений опорных точек шпинделя; быстродействие, характеризующее скорость возврата шпинделя к устойчивым значениям выходных параметров точности; знергетические потери в опорах„избыточные температуры и расход смазочной жидкости, прямо связанные с тепловыми смещениями шпинделя, и, следовательно, точность размера.
Система и,елевых функций при многокритериальной и однокритериальной оптимизации вытекает из изложенных выше соображений. Система переменных параметров У1,..., У„и их оптимизируемых характеристик для опор различных типов представлена в табл. 3.4. 3.4. Оптимизируемые параметры и характеристики (критерии оптимизации) шпиндельных узлов тип опоры Критерий оптимизации Гидродинами- ческаа Качания Газ остатическая Гидростатическая Х,а б,п,р, Я Х, а Л, Е Рнг ЯДР Параметры точности узла Векторы частот- ных характерис- тик Жесткость Демпфирование Энергетические потери Ь, В, Ь, 1 ~А, И Избыточная тем- пература о, и, р„ Я, Ан Расход смазочно- го материала Ь, Е Рн А ~о К Рн Быстродействие ~Л, Рн Ядр Масса О б о з н а ч е н и я: а — вылет консольной части шпинделя; К вЂ” относительное межопорное расстояние; о — зазор-натяг в опорах качения; Š— длина опоры; В— ширина вкладыша; Л вЂ” зазор в опоре скольжения; 1 — глубина кармана; 1а и 1,— размеры перемычек, ограничивающих карманы; А„— площадь теплоотдачи опоры; Яд~ — сопротивление дросселя; р — динамическая вязкость смазочной жидкости; Я вЂ” расход смазочной жидкости; р„ †давлен источника питания; и — частота вращения шпинделя (обозначения см.
на рис. 3.14, 3.27, 3.37, 3.42). В качестве ограничений, вводимых в расчет и формулируемых в виде неравенств или равенств, принимаются максимально или минимально допустимые значения нескольких параметров или характеристик шпинделя и его опор. Например, при оптимизации ШУ по жесткости ограничениями являются параметры, определяющие его демпфирование, и наоборот. При оптимизации тепловых характеристик ШУ ограничениями являются параметры, определяющие его динамические качества, а при оптимизации динамических характеристик ограничивают потери на трение в опорах, избыточную температуру, расход смазочной жидкости.
При оптимизации по выходным параметрам точности в качестве критериальных ограничений можно принимать неоптимизируемые параметры точности. В ряде случаев при оптимизации ШУ с опорами скольжения в качестве критериальных ограничений целесообразно принимать обобщенные характеристики (число Рейнольдса для высокоскоростных гидростатических опор, число Зоммерфельда для гидродинамических опор и т.
п.). Математическая модель при поиске оптимальных параметров ШУ занимает центральное место. Математическими моделями ШУ при оптимизации их параметров служат системы необходимых и достаточных выражений, связывающих различные переменные и управляющие поведением узла. При оптимизации динамического качества узла таковыми являются уравнения, описывающие колебания балки на упруговязких опорах. Для оптимизации тепловых характеристик может быть принята любая тепловая модель ШУ, описывающая смещения и поворот переднего конца шпинделя.
Во всех случаях необходимо, чтобы при выборе модели точность прогноза была соотнесена с точностью проектируемого узла и не превышала ее, так как это неизбежно ведет к существенному удорожанию этапа оптимизации и стоимости проектно-конструкторских работ в целом. Метод оптимизации (см. т. 1, гл.
5) должен соответствовать расчетной области и принятому критерию. При выборе метода необходимо учитывать характер целевой функции, вид области допустимых значений, поведение ограничений, чувствительность целевой функции по отношению к отдельным изменениям варьируемых параметров узла, необходимость включения критерия эффективности и сходимости поиска. При многокритериальной оптимизации ШУ сложность задачи состоит в отсутствии аналитического выражения для целевой функции в гиперпространстве варьируемых параметров системы шпиндель — опоры. Некоторые критерии находятся в противоречии друг с другом, что затрудняет корректную постановку многокритериальной задачи до выполнения численного эксперимента на ЭВМ.
Представленная система выбора критериев оптимизации, оптимизируемых параметров и характеристик ШУ позволяет выработать целевую функцию с учетом назначения узла и примененного типа опор. По результатам поиска оптимума целевой функции и анализа влияния на нее различных факторов выбирают оптимальные значения параметров ШУ и корректируют исходный вариант, принятый на начальной стадии проектирования. Конструирование ШУ включает в себя составление исходной компоновки, получаемой на основе выбора основных размеров узла, типа и конструкции опор, расчета и оптимизации параметров узла и дальнейшее развитие исходной компоновки до уровня полного соответствия техническому заданию с определением конструкторских решений всех основных частей ШУ. 91 3.5.
Передние концы шпинделей Присоединнтельные размеры Применение. в станках Конструктивное исполнение уеу/ууФ ГОСТ 24644 — 81 В=ЗО...?О мм й~ — — 50... 320 мм Фрезерных %вас ЖЮзе Сверлильных и расточных ГОСТ 10681 — 72 И=8...
80 мм В=12...260 мм Шлифовальных П р и м е ч а н и е. Концы шпинделей фланцевые типа 'Кэмлокк — по ГОСТ 26651 — 85; концы инструментальных шпинделей зуборезных станков — по ГОСТ 1?548 †. ГОСТ 12595 — 85 .0=54...584 мм Й~ — — 70...648 мм Конус Морзе № 4...6 Конус метрический 80...
... 120 ГОСТ 24644 — 81 Й=ЗО... 80 мм А=17,4...140 мм П1 = 50... 350 мм Оа=36... 305 мм ГОСТ 24644 — 81 Конус Морзе № 1... 6 Конус метрический 80... ... 160 .0=25... 320 мм Токарных, токарно-револьверных, токарных много- резцовых, шлифовальных и др. Фрезерных„свер- лильных, расточ- ных и многоцеле- вых (Ва)ш~, 10 5, мм.мин ' 2,2 — 3,2 4,2 — 6 2,8 — 4 5,5 — 8 7,5 — 10 5,5 — 8 Метод смазывания: разбрызгиванием циркуляционное капельное масляным туманом под давлением погружением Примечание.
Меньшие значения для подшипников тяжелых серий, большие — для подшипников особо легких серий. При смазывании разбрызгиванием масло в подшипники подается либо непосредственно от зубчатых колес, либо от специального распределителя. Масло загрязняется продуктами изнашивания зубчатых колес. Для обеспечения нормального смазывания ограничивают минимальную частоту вращения шпинделя. Циркуляционное смазывание обеспечивает необходимый расход масла по условиям теплоотвода и надежно охлаждает ШУ.
Обычно система циркуляционного смазывания общая для ШУ и коробки скоростей, раздельные системы применяют для высокоскоростных ШУ. При капельном смазывании масло в подшипники подается независимо от других элементов в количестве 2 — 4 капли в 1 мин (1— 100 г/ч), что существенно снижает тепловыделение. Необходимо предотвращать попадание в подшипники масла из коробки скоростей.
Конструкция ШУ, зависит от типа, размера, класса точности станка и принятых режимов нагружения. Конструкцию ШУ определяют контип и конструкция опор, тип приводного элемента, уплотнения и т. д. фигурация переднего конца шпинделя и его внутренних поверхностей, Конфигурация переднего конца шпинделя зависит от способа крепления инструмента или заготовки, для чего, как правило, применяют стандартные приспособления — передние концы шпинделей у большинства типов станков стандартизованы (табл. 3.5).
Центрирование осуществляется конусами Морзе, ?/24 или 1/3 и зависит от типа станка и степени автоматизации процесса смены инструмента или приспособления. Применяют также специальные приспособления для автоматизированной смены инструмента (см. гл.?). Конфигурация внутренних поверхностей определяется конструкцией встраиваемого в шпиндель зажимного устройства, наличием отверстия для подачи пруткового материала, а также технологией изготовления шпинделя (например, если финишную обработку шпинделя осуществляют в центрах, то на концах требуются конуса для технологических пробок). Опоры шпинделей.
В ШУ станков для обеспечения высоких нагрузочной способности, точности, быстроходности, надежности, жесткости, виброустойчивости, минимальных тепловыделений, как правило, применяют подшипники специальной конструкции (качения, гидростатические, гидродинамические, газостатические и магнитные) .
Их основные характеристики приведены в табл. 3.1, а конструкции и расчет даны в и. 3.4 — 3.8. Способы смазььвания во многом определяют надежность работы ШУ. Для подшипников качения применяют различные смазочные материалы, чаще других — минеральные масла (см. гл. 11). Ниже даны рекомендации применения методов смазывания в зависимости от параметра (Х)п),п,„.
Смазывание масляным туманом применяют в высокоскоростных ШУ. Этот способ обеспечивает постоянное, равномерное смазывание и интенсивное охлаждение подшипника сжатым воздухом. При этом избыточное давление воздуха в подшипнике препятствует попаданию в него пыли и грязи извне. Проточное смазывание с регламентированным дозированием применяют для высокоскоростных нагруженных ШУ. Масло под давлением периодически впрыскивают через сопла специальных дозаторов в зазор между сепаратором и кольцом подшипника.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
