ЗАЖИМНЫХ УСТРОЙСТВ

Механизация и автоматизация станочных приспособлений обеспечивают существенное повышение производительности металлорежущего оборудования и облегчают труд станочника при закреплении и откреплении обрабатываемых заготовок. Для этих целей в приспособлениях для закрепления обрабатываемых заготовок применяют различные приводы зажимных устройств: электромеханические, механические, центробежные, пневматические, гидравлические, пневмогидравлические, механогидравлические, вакуумные, магнитные, электромагнитные и другие. Однако наибольшее распространение получили пневматические и гидравлические приводы. Обусловлено это возможностью создания равномерного закрепления и простотой конструкции.

4.1 Пневматический привод

В крупносерийном и массовом производствах наибольшее распрос-транение получили пневматические приводы. Они довольно просты по конструктивному исполнению, являются быстродействующими, обладают высокой надежностью и стоят сравнительно недорого. Общие технические требования на пневматические приводы регламентируются ГОСТом 18460-73.

По виду пневмодвигателей пневматические силовые приводы делятся на пневмоцилиндры с поршнем и пневмокамеры с диафрагмами. По способу компоновки с приспособлениями пневматические приводы разделяют на встроенные, прикрепляемые и универсальные. Встроенные пневмоприводы размещаются внутри корпуса приспособления и составляют с ним одно целое. Присоединяемые пневмоприводы устанавливают на корпусе приспособления и подсоединяют к зажимному устройству, их можно отсоединить и применить для других приспособлений. Универсальный пневмопривод - это специальный пневмоагрегат, который может использоваться для перемещения зажимных устройств различных приспособлений.

Пневматический привод состоит из пневмодвигателя, воздухопроводов и пневматической аппаратуры различного назначения. Энергоносителем здесь является сжатый воздух с давлением Р = 0,4 – 0,6 Мпа. Расчет на прочность элементов пневмопривода производят при давлении Р = 0,6 МПа, а величину развиваемого им усилия Р_и при давлении Р = 0,4 МПа.

Пневмодвигатели выполняют в виде поршневых цилиндров и диафрагменных пневмокамер.

Поршневые пневмодвигатели подразделяются на одинарные и сдвоенные. В одинарных пневмоцилиндрах один поршень, а в сдвоенных – два. Кроме того, пневмоцилиндры бывают одностороннего и двустороннего действий (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Пневматический цилиндр двустороннего действия

В пневматических цилиндрах одностороннего действия рабочий ход осуществляется подачей воздуха в безштоковую полость пневмоцилиндра, а возврат поршня в исходное положение – пружиной. В пневматических цилиндрах двустороннего действия и рабочий ход, и возврат поршня производится подачей воздуха в соответствующую полость пневмоцилиндра.

При расчете пневмоприводов определяют осевую силу на штоке поршня. По заданной силе на штоке и давлению в пневмосистеме сжатого воздуха можно рассчитать необходимые параметры пневмоцилиндра.

Осевую силу на штоке Р_ш (рис.4.1.) поршневого пневмопривода оп-ределяют по формулам:

для пневмоцилиндров одностороннего действия

, (4.1)

для пневмоцилиндров двойного действия при давлении воздуха в бес-штоковой зоне

(4.2)

в штоковой полости

(4.3)

где D - диаметр поршня (внутренний диаметр пневмоцилиндра); d - диаметр штока поршня; p - давление сжатого воздуха в пневмосистеме, МПа; h - коэффициент полезного действия (обычно h=0,85..0,9); Р_пр - сила сопротивления возвратной пружины (в пневмоцилиндрах одностороннего действия).

Величина сопротивления возвратной пружины Р_прсоставляет от 5 до 20% силы на штоке пневмоцилиндра. Причем сопротивление увеличивается при уменьшении диаметра поршня цилиндра. На практике применяются следующие диаметры рабочих полостей пневмоцилиндров (диаметр поршня D): 75, 100, 125, 200, 250, 300 и 350 мм.

В практических расчетах в уравнениях (4.1), (4.2) и (4.3) значение h опускают, а для обеспечения надежности закрепления, найденную силу на штоке Р_ш увеличивают в 1,5 раза. В этом случае, например, уравнение (4.1) принимает вид

(4.4)

Из этого уравнения по заданному давлению и известной силе Р_ш можно определить диаметр поршня:

(4.5)

Расчетное значение диаметра цилиндра округляют до стандартного и по этому диаметру находят действительную осевую силу на штоке Р_ш.

Время срабатывания пневматического цилиндра можно определить по формуле

, (4.6)

где D - внутренний диаметр пневмоцилиндра; L - длина хода поршня; V - скорость перемещения воздуха (зависит от давления в воздухопроводе, при р = 5 кгс/см², V = 180 м/с); d_о - диаметр воздухопровода пневмосистемы.

Иногда для увеличения осевой силы на штоке в пневмоцилиндрах применяют рычаги - усилители. Конструктивно это выполняется в виде дополнительного рычага, помещаемого между зажимным механизмом и штоком пневмоцилиндра. В расчет осевой силы на штоке в этом случае вводится передаточное отношение рычага-усилителя:

(4.7)

где i – передаточное отношение плеч рычага-усилителя, i =l₁/ l; l₁ и l – длины плеч рычага - усилителя.

Диафрагменные пневмоприводы бывают трех видов (рис.4.2).

а б в

Рис.4.2. Схемы диафрагменных пневмокамер:

а - тарельчатая резиновотканевая диафрагма; б - плоская резиновотканевая

диафрагма; в - плоская резиновая диафрагма.

В пневматических диафрагменных камерах усилие на штоке при пе-ремещении его из начального положения в конечное, изменяется. Причем в некоторых случаях полезное усилие на штоке может снизиться до нуля. Оптимальная длина перемещения штока пневмокамеры, при которой сила Р_ш изменяется незначительно, зависит от диаметра диафрагмы D, ее толщины h, материала, формы и от диаметра опорного диска d_д.

Приближенно для пневматических камер одностороннего действия с тарельчатой и плоской диафрагмами из прорезиненной ткани осевая сила Р_ш равна

(4.8)

После перемещения штока на длину 0,3D для тарельчатых диафрагм и 0,07D для плоских осевое усилие на штоке равно

(4.9)

В пневмокамерах с плоскими резиновыми диафрагмами усилие на штоке равно (в начальном положении)

(4.10)

при перемещении штока на длину 0.22D

(4.11)

Оптимальная длина хода штока пневматической камеры L указана на рис. 4.2.

Расчет осевой силы на штоке диафрагменных пневматических камер двухстороннего действия ведется по уравнениям (4.8)...(4.11), в которых исключается усилие сопротивления пружины Р_пр.

Силовой расчет гидравлического приводов аналогичен расчету пневмопривода. Несколько по-иному рассчитывается время срабатывания гидроцилиндра

, (4.12)

где L - длина рабочего хода поршня; V - производительность гидравлического насоса (зависит от типа масляного насоса).

В приспособлениях, требующих больших усилий закрепления, приме-няются механогидравлические приводы, в которых сочетаются, например, винтовой зажим с гидравлическим. Сила на штоке гидроцилиндра механогидравлического привода определяется по формуле

, (4.13)

где Р_в- усилие, прикладываемое к рукоятке винтового зажима; L - расстояние от точки приложения усилия до оси винта; r_cр - средний радиус резьбы; a - угол подъема резьбы (a = 2^o 30'... 3^o 30'); j - угол трения в резьбовом соединении (j = 6^o 34'); D - диаметр поршня гидравлического цилиндра; d - диаметр штока; f_у - коэффициент трения в уплотнениях (f_у = 0,9).

4.2 Гидравлический привод

Гидравлические приводы по принципу работы аналогичны пневматическим. В качестве рабочей среды используется гидравлическая жидкость. Необходимое усилие (для закрепления обрабатываемой заготовки, поворота приспособления и т. д.), создается с помощью цилиндров одно- или двустороннего действия. Однако аппаратура для управления работой гидроприводов существенно отличается от оборудования и аппаратуры пневмоприводов. Область применения гидравлических приводов ограничивается либо наличием гидрофицированных станков, оснащенных собственной насосной станцией, либо наличием отдельных гидроустановок, действующих от самостоятельного двигателя.

В зависимости от назначения и мощности гидропривод может обслуживать одно приспособление, группу из трех – пяти приспособлений или группу из 25…35 приспособлений, установленных на различных станках.

Гидроцилиндры конструктивно выполняются такими же, как и пневмоцилиндры. Гидрораспределители применяют двух типов: ручного или педального. Они имеют два положения, соответствующие зажиму и откреплению заготовки. Гидроцилиндры, чаще всего, применяют встраиваемые со стандартизованным внутренним диаметром: 40, 50, 60, 75, и 100 мм.

Гидравлический привод состоит из силового гидравлического цилиндра, насоса, бака, трубопроводов, аппаратуры управления и регулирования. Гидроцилиндры бывают одностороннего и двухстороннего действия. В зажимных устройствах одностороннего действия возврат поршня в исходное положение осуществляется пружиной. Благодаря использованию более высокого давления жидкости по сравнению с пневмоприводом (до 6,0 МПа и выше, то есть до 60 кгс/см² и выше) при тех же развиваемых усилиях гидроцилиндр имеет меньшие габариты и вес; масло обеспечивает смазку трущихся частей.

Недостатки гидроприводов:

сложность гидроустановки и необходимость в дополнительной площади для ее размещения;

большая стоимость.

Гидравлические приводы бывают с одним и двумя насосами (рис.4.3).

б

а

Рис.4.3. Схемы гидроприводов с одним насосом (а) и двумя насосами (б)

В схемах с одним масляным насосом (рис. 4.3,а) масло от насоса 4 направляется золотником управления 2 в одну из полостей гидроцилиндра 1. Когда передается к зажимным элементам не самотормозящимся, масло должно подаваться в систему под рабочим давлением в течении всего времени работы механизма зажима и почти весь расход масла (за исключением утечек) должен проходить через переливной клапан 3, настроенный на рабочее давление, что вызывает нагрев масла и непроизводительные затраты энергии. Поэтому такую схему целесообразно применять в случаях, когда применяют самотормозящиеся зажимные устройства и насос после зажима может отключаться.

Для уменьшения затрат мощности выполняют привод с двумя насосами (рис. 4.3, б): 5 – низкого давления и большой производительности и 4 – высокого давления и малой производительности. При холостом ходе масло поступает в цилиндр 1 одновременно от обоих насосов. После замыкания механизма (упора зажимного элемента в деталях) давления в системе увеличивается, и напорный золотник 6 отключает насос низкого давления. В дальнейшем будет уже работать только насос высокого давления.

Иногда выполняют привод с одним насосом низкого давления в сочетании с мультипликатором 7. При повышении давления в системе специальный напорный золотник 8 включает мультипликатор, который благодаря разности площадей поршня и штока-плунжера повышает давления в цилиндре; обратный клапан 9 отключает часть системы с низким давлением. Такое устройство (рис. 4.4, а) может быть использовано при самотормозящихся зажимных устройствах.

б

а

Рис. 4.4. Схемы гидроприводов с одним насосом и мультипликатором (а)

и одним насосом с регулятором производительности (б)

При применении таких приводов для не самотормозящихся зажимных устройств их используют только для кратковременного зажима. В противном случае мультипликатор компенсирует большие объемные потери масла и его габаритные размеры при этом сильно возрастут.

Применяют также привод с насосом 10 (рис. 4.4, б) автоматически регулирующим производительность по давлению. При увеличении давления в системе цилиндр управления 11 уменьшает производительность насоса до величины, необходимой для компенсации объемных утечек.

Перспективным является привод с одним насосом высокого давления, но малой производительности (рис. 4.5, а) в сочетании с гидроаккумуляторами 13. При зажиме заготовки масло подается одновременно аккумуляторам и насосам. После зажима насос через клапанную пробку 12 пополняет аккумулятор.

Производительность насоса должна обеспечить зарядку аккумулятора за время закрепления – выполнения рабочих операций. Такую схему применяют при сравнительно небольшом времени закрепления.

●

б

а

Рис. 4.5. Схемы гидроприводов с одним насосом и гидроаккумулятором (а)

и с насосом и аккумулятором (б)

При большой продолжительности выполнения рабочих операций выполняют более сложную схему с гидроаккумулятором (рис. 4.5, б). Насос 4 высокого давления и большой производительности подает масло через обратный клапан 9, золотник 2 с электроуправлением в гидроцилиндр 1 и гидроаккумулятор 13. Когда давление в гидросистеме достигнет максимального значения, на которое настроен предохранительный клапан, встроенный в золотник 14, реле давления 15 с помощью золотника 14 переключает поток масла от насоса на слив. Тогда давление в системе поддерживается аккумулятором. При падении давления до минимального рабочего срабатывает реле давления 16, переключающее золотник 14, вследствие чего насос снова нагнетает масло в систему и заряжает аккумулятор.

4.3 Пневмогидравлический привод зажимного устройства

В случаях, когда требуется большое усилие закрепления обрабатываемой заготовки, и в первую очередь, в условиях крупносерийного или массового производств применяют пневмогидравлические приводы (усилители) зажимных устройств приспособлений. Они сочетают в себе пневматический и гидравлический приводы в одной конструкции. Принципиальная схема такого привода усилителя показана на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Схема пневмогидроусилителя

Работа такого привода (усилителя) происходит следующим образом. Сжатый воздух подается в бесштоковую полость 3 пневмоцилиндра 2. Поршень 4 со штоком 5 перемещается влево. Шток 5 давит на гидравлическую жидкость (масло), которое перемещает поршень 6 в гидроцилиндре 1.К поршню прикреплен шток 7, который при движении создает необходимое усилие закрепления Q обрабатываемой заготовки 10. При откреплении детали поршни 4 и 6 вместе со штоками возвращаются в исходное положение пружинами 8 и 9.

Отношение i = Р_м/Р_в = D₁²/d² , является коэффициентом усиления давления. Обычно принимают i = 16 … 21.

Сила на штоке рабочего гидроцилиндра равна

. (4.14)

Из уравнения коэффициента усиления i, Величина Р_м равна

. (4.15)

Подставим уравнение (4.15) в уравнение (4.14) получим формулу для расчета необходимого усилия закрепления

, (4.16)

где Р_м – давление рабочей жидкости (масла) в гидроцилиндре; Р_в – давление воздуха в пневмоцилиндре; D₁, D – соответственно диаметры поршней пневмо- и гидроцилиндров; d – диаметр штока поршня пневмоцилиндра; η – коэффициент полезного действия (обычно η = 0,8 … 0,85).

Таким образом, пневмогидравлические приводы (усилители) сочетая в себе простоту конструкции пневматических приводов и преимущества гидравлических приводов, обеспечивают быстроту перемещения зажимных устройств, небольшие габариты конструкций приспособлений с возможностью создания больших сил закрепления. Используются пневмогидравлические усилители в одно-, многоместных и многопозиционных приспособлениях в условиях серийного производства.

4.4 Электромеханический привод

Электромеханические зажимные устройства (ЭМЗУ) состоят из электродвигателя, передаточного механизма, зажимных элементов. Обычно в ЭМЗУ применяют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором нормального исполнения с повышенным скольжением или повышенным пусковым моментом. Электродвигатель работает кратковременно только при зажиме или отжиме, поэтому в ЭМЗУ всегда имеется самотормозящая передача для фиксирования состояния системы после зажима и отключения двигателя.

По принципу действия привода ЭМЗУ делят на два вида: квазистатические и динамические (рис. 4.7).

В квазистатических ЭМЗУ (рис. 4.7, а) сила закрепления создается за счет электромагнитного момента двигателя. Величина этой силы определяется настройкой динамометрических упругих элементов, в частности муфты предельного момента, расположенной в кинематической цепи. Момент, развиваемый двигателем при зажиме, всегда меньше его критического (максимального) момента.

а

б

Рис. 4.7. Схемы электромеханических приводов: квазистатического

действия (а) и динамического действия (б)

Двигатель 1 через разгонную муфту 2, передаточный механизм 3, включающий упругий приводной вал 7 и самотормозящую передачу 8, перемещает зажимной элемент 9, который при закреплении прижимает деталь 10 к неподвижной опоре 11 и создает натяжение всех звеньев системы. После окончания процесса закрепления и отключения двигателя, деталь 10 удерживается в закрепленном состоянии силами натяжения упругих звеньев участка системы от опоры 11 до самотормозящей передачи 8. Оба диска разгонной муфты 2 на больших дугах наружной поверхности имеют по одному выступу, благодаря которым пуск двигателя и почти целый оборот его вала не испытывает нагрузки до момента встречи выступов.

В схеме квазистатическогодействия сила закрепления определяется силой натяжения упругого звена 4 муфты предельного момента 5. При достижении требуемой силы закрепления перемещение одной из частей муфты 5 воздействует на выключатель 6, который отключает двигатель.

В схеме динамического действия в зависимости от ее параметров общее число последовательных этапов процесса закрепления может быть различным и достигать шести. Но во всех случаях при закреплении первые два этапа, при которых момент закрепления возрастает, осуществляются одинаково. Первый этап соответствует времени от момента начала закрепления (соприкосновения зажимного элемента с деталью) до момента отключения двигателя и остановки ротора в положении, соответствующим максимальной деформации элементов механизма. В конце второго этапа закрепление осуществлено и деталь удерживается самотормозящей передачей. Последующие этапы соответствуют движению элементов системы под действием сил энергии и упругости до их остановки.

В динамических ЭМЗУ (рис. 4.7, б) сила зажима создается как за счет электромагнитного момента двигателя, так и за счет кинетической энергии вращающихся частей, за вычетом потерь на трение. Отключение двигателя происходит после достижения требуемой силы закрепления, которая определяется по силе тока в цепи двигателя с помощью реле или по величине соответствующей деформации упругого звена механизма, вызывающей срабатывание электроаппаратуры. ЭЗМУ динамического действия работает следующим образом.

Двигатель 1 через разгонную муфту 2, передаточный механизм, включающий упругий приводной вал 7 и самотормозящую передачу 8, перемещает зажимной элемент 9, который при закреплении прижимает деталь 10 к неподвижной опоре 11 и создает натяжение всех звеньев системы. После окончания закрепления и отключения двигателя деталь 10 удерживается в зажатом состоянии силами натяжения упругих звеньев участка системы, от опоры 11 до самотормозящей передачи 8. Оба диска разгонной муфты 2 на больших дугах наружной поверхности имеют по одному выступу, благодаря которым пуск двигателя и почти целый оборот его вала происходят без нагрузки до момента встречи выступов.

Момент закрепления, соответствующий окончанию второго этапа определяется по формуле

, (4.17)

где М_н – номинальный крутящий (вращающий) момент двигателя; К_п – коэффициент перегрузки (К_п =1.2 … 1,5); К_д – коэффициент динамичности.

Коэффикиен динамичности определяется по формуле

, (4.18)

где Т_м – механическая постоянная времени (Т_м = v · ω₀ · I);

f – частота свободных колебаний механизма ;

v – коэффициент крутизны лижаризованной характеристики двигателя и определяется по формуле

, (4.19)

где М_д – электромагнитный момент двигателя; ω – угловая скорость вала двигателя; ω₀ – синхронная угловая скорость; I – момент инерции ротора двигателя и связанных с ним вращающихся частей; С_пр – приведенная к валу двигателя жесткость системы механизма; К_д = 6 … 10.

При закреплении деталей зажимными устройствами с электромеханическими приводами тяговая сила зависит от крутящего момента, развиваемого электродвигателем, и определяется из уравнения

, (4.20)

где М_кр – крутящий момент на валу электродвигателя; N – мощность электродвигателя; n – частота вращения электродвигателя; i – передаточное отношение редуктора.

Прочностные расчеты элементов приспособлений, с целью определения их размеров, проводятся на основе известных теорий сопротивления материалов и деталей машин.

Дата добавления: 2014-10-14; просмотров: 1019; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!