Проектирование механизма поворота стола контрольно-измерительного автомата (КИА)

Проектирование механизма поворота стола контрольно-измерительного автомата (КИА)

Введение

Цель работы: познакомиться с последовательностью расчетов агрегатов, машин, механизмов и деталей общего назначения; приобрести навыки структурного, кинематического и динамического исследования агрегата в целом; выполнить инженерные расчеты механизмов контрольно-измерительного автомата; приобрести навыки оформления чертежей и пояснительной записки.

По заданной кинематической схеме и исходным данным спроектировать механизмы поворота стола контрольно-измерительного автомата (КИА).

Описание работы КИА

Многопозиционные КИА предназначены для контроля и сортировки деталей в процессе обработки в условиях автоматизированного крупносерийного и массового производства. В таких автоматах для повышения их производительности контроль параметров деталей осуществляется на нескольких позициях одновременно. На первой позиции выполняется загрузка, а напоследней выталкивание деталей. На измерительных позициях контролируются последовательно различные параметры одной и той же детали.

Кинематическая схема механизма представлена графической части проекта. Она представляет собой четырехпозиционный автомат для измерения и контроля нескольких параметров деталей.

Движение звеньев автомата осуществляется от ведущего вала 1 электродвигателя, связанного при помощи муфты с водилой Н планетарной передачи. От сателлит 2, с двумя зубчатыми венцами вращение передается на выходной вал передачи. Далее через соединительную муфту движение передается на вал 3, связанный ременной передачей с транспортирующим устройством (на кинематической схеме показан только ведущий шкив передачи). От вала 3 через коническую зубчатую пару вращение передается на вал 4 кривошипа мальтийского механизма. Для уменьшения неравномерности на валу установлен маховик М. Поворот вала 4 от входа цевки кривошипа в паз креста до выхода из паза называется углом рабочего поворота φ4p. При этом крест со столом поворачивается на 60°. В момент выхода цевки из паза вращение креста и стола прекращается. Неподвижное положение креста и стола фиксируется цилиндрической поверхностью диска кривошипа, которая при повороте скользит по сегментному вырезу креста. На конце вала 4 имеется другой кривошип К, который посредством шатуна 6 связан с ползуном 7. По истечение времени Δtц после остановки креста при прямом ходе ползуна происходит выталкивание детали. При неподвижном столе осуществляется следующие операции: контроль и измерение деталей на нескольких позициях, загрузка деталей на стол из бункера - накопителя и выталкивание при помощи ползуна 7 проконтролированной детали в лоток (бункер и лоток на схеме не показаны). Продвижение деталей от предыдущих к последующим позициям осуществляется при повторяющихся циклических поворотах стола. Вокруг стола размещены измерительные станции (они также условно не показаны), которые работают с одинаковой длительностью контроля. Время tц цикла соответствует длительности одного оборота кривошипного вала4. За каждый цикл в лоток сбрасывается одна проконтролированная деталь и подается из бункера на стол новая. При этом полный контроль (включая загрузку и выталкивание) одной детали на многопозиционном автомате выполняется за tк = tцzк (здесь zк число пазов креста

Задачи проектирования КИА

По исходным данным необходимо:

Разработать кинематическую схему автомата

Выполнить его структурный анализ

Выполнить кинематический анализ КИА включающего планетарную передачу мальтийский и кривошино-ползунный механизмы.

Выполнить динамический анализ КИА с целью выбора электродвигателя и определения момента инерции маховика.

Произвести расчеты элементов механизмов КИА.

Выполнить графическую часть.

Оформить пояснительную записку.

Структурный анализ

Данный механизм имеет 10 звеньев:

ведущий вал с центральным зубчатым венцом

сателлит первой ступени;

- водило Н с зубчатым венцом;

- сателлит второй ступени;

вал кривошипа мальтийского механизма;

мальтийский крест;

шатун;

ползун;

стойка (неподвижное звено).

-0(A) вращательное низшее обратимое P5

-2 (B) вращательное низшее обратимое P5

-0 (C) - вращательное низшее обратимое P5

-3 (D) - зубчатое высшая необратимая P4

-0 (E) - вращательное низшее обратимое P5

-4 (F) - зубчатое высшая необратимая P4

-0 (M) - вращательное низшее обратимое P5

-4 (N) - зубчатое высшая необратимая P4

-0 (K) - вращательное низшее обратимое P5

-6 (L) - вращательное низшее обратимое P5

-7 (T) - вращательное низшее обратимое P5

-0 (S) возвратно поступательное низшая обратимая P5

Определим степень подвижности по формуле Чебышева =3(n-1) -2p5-p4 = 3(8-1)-1*4-2*8=1

подвижных звеньев 7

пар 5 класса 8

пар 4 класса 4

Данные

Кинематический анализ механизма КИА

Следует определить:

время одного цикла tц

угловую скорость w4 вала 4

передаточное отношение u 14 между валами 1 и 4

передаточное отношение u13 планетарной передачи

угловую скорость w3 вала 3

Так как время одного оборота кривошипного вала определяет длительность одного цикла контроля детали, то время одного цикла равно, с,ц== =0.6545.

Угловая скорость кривошипного вала 4,1/с== =9.595

Передаточное отношение между валами 1 и 4 = = =32.725

Передаточное отношение планетарной передачи 13 = ==23.375

Угловая скорость вала 3,1/с===13.433

Кинематический анализ мальтийского механизма

Перед разработкой конструкции мальтийского механизма следует определить основные параметры и выполнить его кинематичекий анализ.

Определить основные параметры

Угол поворота φ5к креста за один оборот кривошипного вала

φ5к = ==600

Угол рабочего поворота φ4p кривошипа,при котром происходит поворот креста

φ4p =  = =120

Угол выемки фиксирующего диска

Β=φ4p- (1…1.5)0 = 120-1=1190

Длина кривошипа,мм

ек = ак sin= 210*sin= 210*0.5 =105 мм

Расстояние от оси вращения креста до начала паза,мм

кк = акcos=210*cos =210*0.866=181.86

Диаметр цевки кривошипа,ммц=(0,2…..0,3) ек=0.2*105=21

Диаметр креста, мм=2+C=2*+с=365.825

Где с- фаска равная 1,5 … 2 мм

Длина паза креста,мм=ек+кк-ак ++2=105+181.86-210+10.5+2=89.36

Диаметры валов кривошипа и креста принимают контруктивно соблюдая условия,мм,в≤, dк≤

При разработке конструкции в дальнейшем dв и dк проверяют расчетами на прочность

Отношение длины ек кривошипа к межосевому расстоянию равно

µ===0.5

Диаметр скользящей поверхности диска кривошипа, мм,=2=2(210*sin300-21)=2*84=168

Радиус выемки фиксирующего диска, мм, R===56

Определение угловой скорости и углового ускорения креста

Угловая скорость креста мальтийского механизма зависит от угла рабочего поворота φ4p кривошипного вала и определяется по формуле,1/с

ω5(φ4p) = ω4 *

Угловое ускорение определяется по формуле 1/с2

ε5(φ4p)=-*

Расчеты по формулам необходимо выполнить при значение φ4p изменяющемся через 100

От φ4p== =300 соответствующем входу цевки кривошипа в паз креста,до

φ4p= =соответствующем выходу цевки из паза.

Рис. 1 -Диаграмма зависимости угловой скорости креста от угла поворота вала

Рис. 2 - Диаграмма зависимости углового ускорения креста от угла поворота вала

ускорение маховик инерция передача

Кинематический анализ планетарной передачи

При проектирование планетарной передачи выбирается схема, число сателлитов k передаточное отношение u13 и модуль зацепления m (для всех заданий принять m = 2мм).

Условия проектирования

При проектировании передачи необходимо удовлетворить следующим требованиям:

.возможности размещения нескольких сателлитов с зазорами между ними (условия соседства);

. соосности входного и выходного валов передачи(условию соосности);

. возможности установки нескольких сателлитов при сборке при условии их нормального зацепления с центральными колесами(условию сборки).

Условие соседства нескольких сателлитов будет выполнено,если

≤ 2awsin + 0.5

где da - диаметр окружности выступов венца сателлита, aw - расстояние между осями центрального колеса и сателлита, мм

Условие соосности входного и выходного валов передачи при одинаковых модулях зацепления и колесах,изготовленных без смещения исходного контура будет выполнено,если

+zq=zb-zf

Здесь za, zb, zf, zq - числа зубьев соответственно колес a,b,f,q.

Условие сборки будет обеспечено в передачах, изображенных на рис 1 если конструктивно сделать так, что относительное положение двух зубчатых колес каждого сателлита устанавливается независимо друг от друга при монтаже.

Выбор числа зубьев

1. Передаточное отношение передачи с ведущим колесом a определяется по формуле

= 1- = 1+zb zq/ za zf

Если принять za = zf ≥ 20 za = zf =24 то на основании условия соосности числа зубьев колес b и q определяется по формулам = zf (√ +1) = 24*5,73=137,52 ≈ 137= za (√ -1) = 24*3.73=89

После вычисление zb и zq их следует округлить до целых значений (соблюдая условия соосности za+zq=zb-zf = 24+89=137-24= 113=113.

. После выбора чисел зубьев необходимо определить основные размеры планетарной передачи:

межосевые расстояния= 0.5(za+ zq)m = 0.5(24+89)*2=113

диаметры делительных окружностей вступов колес d=mz (здесь m -модуль зацепления, z - число зубьев соответствующего колеса)=df= 2*24=48=2*137=274= 2*89= 178

Диаметры окружностей выступов колес = m(za+2)=2*26=52=2*139=278=2*91=182=2*26=52

На основании полученных данных следует проверить условие соседства нескольких сателлитов

≤2*113*sin600+0.5; 52≤98,36

и условие соосности входного и выходного валов передачи+zq=zb-zf = 24+89=137-24= 113=113

.3 Кинематический анализ кривошипно - ползунного механизма

По исходным данным λ и r следует определить ход ползуна S = 2r=0.11*2=0.22 и длину шатуна l=r/λ= 0.11/0.38=0.289

Кинематический анализ сводится к определению скорости движения ползуна u7(φ4) и построению кривой скорости в зависимости от угла φ4 при известной скорости w4 кривошипного вала 4.

Скорость перемещения ползуна следует определить по приближенной формуле м/с

u7(φ4)=-r w4(sin φ4 + 0.5λsin2 φ4)

При расчете по формуле значения угла φ4 рекомендуется принимать через 10 от 0 до 180 (при прямом ходе ползуна).Прямой ход происходит за время tц /2. Рас четы свети в таблицу и построить диаграмму скорости u7(φ4) при прямом ходе ползуна.

Рис. 3 - Диаграмма зависимости скорости ползуна от угла поворота вала

Динамический анализ

При динамическом анализе на основании предыдущих расчетов и исходных данных ставится задача определения мощности движущих сил, выбора электродвигателя и определения момента инерции маховика.

Определение приведенного момента сил

Суммарный момент приведенный к кривошипному валу 4 включает приведенный момент сил сопротивления и приведенный момент сил инерции масс, вращающихся с ускорениями

∑пр(φ4р) = Tпр.с (φ4) + Tпр.и (φ4). (13)

При определение приведенного момента сил сопротивлений учитываются момент сил сопротивления транспортирующего устройства; моменты сил трения в опорах валов 4,5;силы сопротивления при выталкивании деталей в лоток.

Таким образом приведенный к валу 4 момент сил сопротивления равен

пр.с (φ4)= Tпр3+T4+ T5пр(φ4p) + Tпр7 (φ4) (14)

где Tпр3 - приведенный момент силы сопротивления транспортирующего устройства, H*m; Tпр3 = T3 = 36*(13.433/9.595)=50.4 Hm- приведенный момент силы трения в опорах вала 4, H*m T4=5пр(φ4p) - приведенный момент сил трения в опорах вала 5.Этот момент возникает при вращении креста со столом и изменяется в зависимости от угла рабочего поворота кривошипного вала H*m,

пр5 = T3 = 36*(ω5 (φ4p)/9.595)=3.75* ω5 (φ4p) (15).

пр7 (φ4) - приведенный момент сил сопротивления, возникающий при выталкивании детали ползуном при прямом ходе, H*m,

Tпр7 (φ4)= = 31* /9.595)=3.230* (16)

Для упрощения расчетов считать, что сила F7 передается на шейку кривошипа и постоянна по величине.пр.и (φ4) - приведенный момент сил инерции креста и стола, вращающегося с ускорениями. Этот момент зависит от угла рабочего поворота кривошипного вала и определяется по формуле, H*m,

пр.и (φ4)= I5ε5(φ4p) 2.5* ε5(φ4p= 0.26* ε5(φ4p. (17)

Расчеты по формулам (13) и (14) выполним при φ4 из меняющемся через 100 от 0 до 3600 а по формуле (16) от нуля до 1800. Нулевое значения угла φ4 соответствует положению цевки кривошипа в момент вхождения в паз креста, что соответствует φ4p

должно соответствовать значению угла φ4p = 0. Нулевое значение T7пр (φ4) совместить со значением φ4 отстоящим на 200 после точки соответствующей началу состояния покоя креста. Поворот на 200 соответствует времени Δtц

По данным вычислений на графике строим суммарную диаграмму T∑пр (φ4) и прямую определяющую среднее значение приведенного момента сил сопротивления за цикл движенияпр.ср = =57.93≈58Нм

Определение мощности движущих сил и выбор электродвигателя

При определении мощности сил Nсд следует исходить из того, что за цикл работа движущих сил равна работе сил сопротивлений, в том числе с учетом сил сопротивлений в зубчатых передачах

Здесь _ мощность сил сопротивлений, кВт,

(58*9,595)/1000=0,55

η - КПД зубчатых передач. Так как коническая зучатая пара и планетарная передача соединены последовательно, то

η=η34ηп.

Здесь η34 - КПД конической зубчатой пары (следует принять η34 = 0,95);

ηп - КПД планетарной передачи.

Потери мощности в планетарных передачах при условии неподвижности одного из центральных колес зависит от вида схемы и коэффициента потерь ψ простой передачи, полученной из планетарной остановкой водила.

ηаН(b) = 1/(1+ ׀1-23,375׀0,05)=0,46 при ψ=0,05

С учетом найденных значений η=η34*ηп = 0,95*0,46=0,437

Минимальное значение мощности электродвигателя равноэл = (1,2…1,3) Nсд = 1,25*0,437 = 0,546

Выбираем двигатель ближайшей мощности АОЛ2-12-6 имеющий Nэл = 0,6, nэд = 910 об/мин, Iэ = 0,0020 кг*м2

Приведение моментов инерции звеньев и определение момента инерции маховика

Из-за непостоянства моментов сил сопротивлений в механизмах КИА отсутствует равенство между мгновенными значениями моментов сил движущих и сил сопротивлений, что вызывает неравномерность движения звеньев механизмов. С целью уменьшения неравномерности движения необходимо увеличить момент инерции вращающихся масс, что достигается путем установки маховика.

Приведенный к кривошипному валу 4 момент инерции равен

∑пр = Iпр + Iм,

где Iпр - приведенный к кривошипному валу момент инерции звеньев механизма Iм - момент инерции маховика, установленного на звене приведения.пр - определяется по формуле, кг*м2 пр = I4 + Iэ + (Iп + I3 ) + Iк,

где I3 = 3.5(усл),I4 = 0,9 (усл) - моменты инерции вращающихся масс ( за исключением маховика) соответственно на валах 3,4;э - момент инерции ротора электродвигателя;п = 1,6(усл) момент инерции на выходном валу планетарной передачи;к - средний приведенный к валу 4 момент инерции стола и креста. Так как инерционность стола и креста проявляется при повороте звена 5, для упрощения расчетов следует принять Iк = (0,3….0,4) I5 = 0.35*2.5=0.875

Тогда Iпр = 0,9+0,0020*32,7252 + (1,6+3,5)1,42 + 0,875=13,91 кг*м2

При заданном коэффициенте δ неравномерности вращения момент инерции маховика определяется по приближенной формуле, кг*м2

м =  - Iпр

где ΔA - избыточная работа сил сопротивлений и сил инерции креста и стола. Она определяется как разность между работой сил сопротивления, сил инерции и средней работой движущих сил на интервале . Величина изыточной работы может быть определена из графика приведенных моментов, Дж.

ΔA = кт * кф ΔS = 10*

где кт - масштабный коэффициент по оси моментов,Н * м/мм; кф - масштабный коэффициент по оси углов поворота, рад/мм;

ΔS - площадь на графике заключенной между кривой T∑пр(φ4) и прямой Тпр.с (φ4) мм2.м = ΔA /0.03*9.5952=

Литература

1.    Осецкий В.М. Прикладная механика. - М.: "Машиностроение", 1975.

2.       Фролов К.В. Теория механизмов и машин. - М: Высш. школа, 1987.

.        Степин П.А. Сопротивление материалов. - М.: Высш. школа, 1973.

.        Вопилкин Е.А. Расчет и конструирование механизмов приборов и систем. - М.: Высш. школа, 1980.

.        Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. - М: Наука, 1988.

.        Смирнов А.Ф. и др. Сопротивление материалов. - М.: Высш. школа, 1975.