Проектирование механизма поворота стола контрольно-измерительного автомата (КИА)

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 ц4p. 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 Дtц 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;

11 - водило Н с зубчатым венцом;

21- сателлит второй ступени;

- вал кривошипа мальтийского механизма;

- мальтийский крест;

- шатун;

- ползун;

- стойка (неподвижное звено).

1-0(A) вращательное низшее обратимое P5

1-2 (B) вращательное низшее обратимое P5

2-0 (C) - вращательное низшее обратимое P5

2-3 (D) - зубчатое высшая необратимая P4

3-0 (E) - вращательное низшее обратимое P5

3-4 (F) - зубчатое высшая необратимая P4

4-0 (M) - вращательное низшее обратимое P5

5-4 (N) - зубчатое высшая необратимая P4

5-0 (K) - вращательное низшее обратимое P5

4-6 (L) - вращательное низшее обратимое P5

6-7 (T) - вращательное низшее обратимое P5

7-0 (S) возвратно поступательное низшая обратимая P5

Определим степень подвижности по формуле Чебышева

W=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

параметры	обозначения	Единица измерения	Исходные данные
q	Производительность КИА	Дет/час	5500
U34	Передаточное отношение коничекой зубчатой пары		1.40
Zk	Число пазов мальтийского креста		6
K	Число сателлитов планетарной передачи		3
W1	Частота вращения ведущего вала 1	1/c	314
T3	Момент сил сопротивления транспортирующего утройства	H*m	36
T4	Момент сил трения в опорах валов 4 и5		5.0
T5			5.6
F7	Сила сопротивления при выталкивании деталей со стола	H	31
I3	Моменты инерции вращающихся масс относительно осей валов соответтвенно 3,4,5	кг * м2	3.5
I4			0.9
I5			2.5
Iп	Момент инерции относительно оси выходного вала планетарной передачи		1.6
ak	Межосевое расстояние мальтийского механизма	м	0.21
b	Размеры вала		0.13
c			0.07
d4	Диаметр делительной окружности конического колеса,установленного на валу		0.08
r	Длинна кривошипа		0.11
л= r/l	Отношение длины r кривошипа к длине l шатуна кривошипноползунного механизма		0.38
д	Коэффициент неравномерности вращения вала 4		0.03

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,

tц== =0.6545.

Угловая скорость кривошипного вала 4,1/с

w4== =9.595

Передаточное отношение между валами 1 и 4

u14 = = =32.725

Передаточное отношение планетарной передачи

u 13 = ==23.375

Угловая скорость вала 3,1/с

w3 ===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 ц5к креста за один оборот кривошипного вала

ц5к = ==600

Угол рабочего поворота ц4p кривошипа,при котром происходит поворот креста

ц4p = = =120

Угол выемки фиксирующего диска

В=ц4p- (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,мм

dц=(0,2…..0,3) ек=0.2*105=21

Диаметр креста, мм

D=2+C=2*+с=365.825

Где с- фаска равная 1,5 … 2 мм

Длина паза креста,мм

L=ек+кк-ак ++2=105+181.86-210+10.5+2=89.36

Диаметры валов кривошипа и креста принимают контруктивно соблюдая условия,мм,

dв?, 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,

dc=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 ц4p кривошипного вала и определяется по формуле,1/с

щ5(ц4p) = щ4 *

Угловое ускорение определяется по формуле 1/с2

е5(ц4p)=-*

Расчеты по формулам необходимо выполнить при значение ц4p изменяющемся через 100

От ц4p== =300 соответствующем входу цевки кривошипа в паз креста,до

ц4p= =соответствующем выходу цевки из паза.

угол	w5(ц4p)	е5(ц4p)	угол	w5(ц4p)	е5(ц4p)
0	9,595	0	300	0	-53,1532
10	8,770487	85,24518	310	1,128145	-71,7289
20	6,797858	122,6277	320	2,637325	-94,7497
30	4,573237	117,081	330	4,573237	-117,081
40	2,637325	94,74968	340	6,797858	-122,628
50	1,128145	71,72886	350	8,770487	-85,2452
60	0	53,15319	360	9,595	0

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:

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

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

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

Условие соседства нескольких сателлитов будет выполнено,если

da ? 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

za+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

zb= zf (v +1) = 24*5,73=137,52 ? 137

zq = za (v -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.

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

межосевые расстояния

aw = 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)

da =df= 2*24=48

db=2*137=274

dq= 2*89= 178

Диаметры окружностей выступов колес

da= m(za+2)=2*26=52

db=2*139=278

dq=2*91=182

df=2*26=52

На основании полученных данных следует проверить условие соседства нескольких сателлитов

52?2*113*sin600+0.5; 52?98,36

и условие соосности входного и выходного валов передачи

za+zq=zb-zf = 24+89=137-24= 113=113

6.3 Кинематический анализ кривошипно - ползунного механизма

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

Кинематический анализ сводится к определению скорости движения ползуна u7(ц4) и построению кривой скорости в зависимости от угла ц4 при известной скорости w4 кривошипного вала 4.

Скорость перемещения ползуна следует определить по приближенной формуле м/с

u7(ц4)=-r w4(sin ц4 + 0.5лsin2 ц4)

При расчете по формуле значения угла ц4 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(ц4) при прямом ходе ползуна.

градусы	u7(ц4)	градусы	u7(ц4)
0	0	90	-1,45652
10	-0,25292	100	-1,43439
20	-0,49816	110	-1,36868
30	-0,72826	120	-1,26138
40	-0,93623	130	-1,11576
50	-1,11576	140	-0,93623
60	-1,26138	150	-0,72826
70	-1,36868	160	-0,49816
80	-1,43439	170	-0,25292
	180	0



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

T?пр(ц4р) = Tпр.с (ц4) + Tпр.и (ц4). (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

Tпр.с (ц4)= Tпр3+T4+ T5пр(ц4p) + Tпр7 (ц4) (14)

где Tпр3 - приведенный момент силы сопротивления транспортирующего устройства, H*m; Tпр3 = T3 = 36*(13.433/9.595)=50.4 Hm

T4 - приведенный момент силы трения в опорах вала 4, H*m T4=5

T5пр(ц4p) - 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,

Tпр5 = T3 = 36*(щ5 (ц4p)/9.595)=3.75* щ5 (ц4p) (15).

Tпр7 (ц4) - приведенный момент сил сопротивления, возникающий при выталкивании детали ползуном при прямом ходе, H*m,

Tпр7 (ц4)= = 31* /9.595)=3.230* (16)

Для упрощения расчетов считать, что сила F7 передается на шейку кривошипа и постоянна по величине.

Tпр.и (ц4) - 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,

Tпр.и (ц4)= I5е5(ц4p) 2.5* е5(ц4p= 0.26* е5(ц4p. (17)

Расчеты по формулам (13) и (14) выполним при ц4 из меняющемся через 100 от 0 до 3600 а по формуле (16) от нуля до 1800. Нулевое значения угла ц4 соответствует положению цевки кривошипа в момент вхождения в паз креста, что соответствует ц4p

должно соответствовать значению угла ц4p = 0. Нулевое значение T7пр (ц4) совместить со значением ц4 отстоящим на 200 после точки соответствующей началу состояния покоя креста. Поворот на 200 соответствует времени Дtц

ц4 градусы	щ5 1/с	T5пр	х7	T7пр	Tпр.с	е5	Tпр.и	T?пр
0	9,595	35,98125	0	0	91,38125	0	0	91,38125
10	-3,23209	32,88933	-0,25292	-0,81694	87,47239	85,24518	194,3868	281,8592
20	-3,35156	25,49197	-0,49816	-1,60906	79,28291	122,6277	216,7375	296,0204
30	-3,64278	17,14964	-0,72826	-2,35228	70,19736	117,081	139,2141	209,4115
40	-4,52463	9,88997	-0,93623	-3,02403	62,26594	94,74968	64,97029	127,2362
50	-19,2556	4,230543	-1,11576	-3,6039	56,02664	71,72886	21,03934	77,06598
60	0	0	-1,26138	-4,07427	51,32573	53,15319	0	51,32573
70	-1,33916	-3,1302	-1,36868	-4,42084	47,84896	39,3509	-8,54021	39,30875
80	-1,73443	-5,45479	-1,43439	-4,63309	45,31212	29,34703	-11,099	34,21311
90	-1,919	-7,19625	-1,45652	-4,70456	43,49919	22,09537	-11,0243	32,47493
100	-2,02331	-8,51288	-1,43439	-4,63309	42,25403	16,77519	-9,90116	32,35287
110	-2,08868	-9,51525	-1,36868	-4,42084	41,46391	12,8	-8,44447	33,01944
120	-2,13222	-10,2804	-1,26138	-4,07427	41,04537	9,762831	-6,95867	34,08671
130	-2,16224	-10,862	-1,11576	-3,6039	40,93409	7,381956	-5,55934	35,37475
140	-2,1832	-11,2978	-0,93623	-3,02403	41,07813	5,459948	-4,27687	36,80127
150	-2,19765	-11,6141	-0,72826	-2,35228	41,43366	3,855223	-3,10439	38,32927
160	-2,20712	-11,8286	-0,49816	-1,60906	41,96236	2,462672	-2,01968	39,94268
170	-2,21249	-11,953	-0,25292	-0,81694	42,63008	1,200359	-0,99479	41,63529
180	-2,21423	-11,9938	0	0	43,40625	0	0	43,40625
190	-2,21249	-11,953	0,252922	0,816939	44,26396	-1,20036	0,994786	45,25874
200	-2,20712	-11,8286	0,49816	1,609055	45,18047	-2,46267	2,019675	47,20014
210	-2,19765	-11,6141	0,728261	2,352281	46,13822	-3,85522	3,104386	49,24261
220	-2,1832	-11,2978	0,936234	3,024035	47,1262	-5,45995	4,276867	51,40307
230	-2,16224	-10,862	1,11576	3,603904	48,1419	-7,38196	5,559342	53,70124
240	-2,13222	-10,2804	1,261384	4,074271	49,19391	-9,76283	6,958667	56,15258
250	-2,08868	-9,51525	1,368682	4,420843	50,30559	-12,8	8,444466	58,75006
260	-2,02331	-8,51288	1,434393	4,63309	51,52021	-16,7752	9,901161	61,42137
270	-1,919	-7,19625	1,456521	4,704563	52,90831	-22,0954	11,02426	63,93257
280	-1,73443	-5,45479	1,434393	4,63309	54,5783	-29,347	11,09901	65,67731
290	-1,33916	-3,1302	1,368682	4,420843	56,69065	-39,3509	8,540208	65,23085
300	0	0	1,261384	4,074271	59,47427	-53,1532	0	59,47427
310	-19,2556	4,230543	1,11576	3,603904	63,23445	-71,7289	-21,0393	42,1951
320	-4,52463	9,88997	0,936234	3,024035	68,314	-94,7497	-64,9703	3,343715
330	-3,64278	17,14964	0,728261	2,352281	74,90192	-117,081	-139,214	-64,3122
340	-3,35156	25,49197	0,49816	1,609055	82,50102	-122,628	-216,738	-134,237
350	-3,23209	32,88933	0,252922	0,816939	89,10627	-85,2452	-194,387	-105,281
360	-3,19833	35,98125	0	0	91,38125	0	0	91,38125
							?Т?пр(ц4)=	2085,78125

По данным вычислений на графике строим суммарную диаграмму T?пр (ц4) и прямую определяющую среднее значение приведенного момента сил сопротивления за цикл движения

Tпр.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

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

з=з34зп.

Здесь з34 - КПД конической зубчатой пары (следует принять з34 = 0,95);

зп - КПД планетарной передачи.

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

заН(b) = 1/(1+ Р1-23,375Р0,05)=0,46 при ш=0,05

С учетом найденных значений з=з34*зп = 0,95*0,46=0,437

Минимальное значение мощности электродвигателя равно

Nэл = (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

I?пр = Iпр + Iм,

где Iпр - приведенный к кривошипному валу момент инерции звеньев механизма Iм - момент инерции маховика, установленного на звене приведения.

Iпр - определяется по формуле, кг*м2

Iпр = 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;

Iэ - момент инерции ротора электродвигателя;

Iп = 1,6(усл) момент инерции на выходном валу планетарной передачи;

Iк - 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 д неравномерности вращения момент инерции маховика определяется по приближенной формуле, кг*м2

Iм = - Iпр

где ДA - 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.

ДA = кт * кф ДS = 10*

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

ДS - площадь на графике заключенной между кривой T?пр(ц4) и прямой Тпр.с (ц4) мм2.

Iм = ДA /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.

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

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

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

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

Размещено на Allbest.ru