Компромиссы при конструировании

Конструирование - это непрерывная цепочка компромиссов, которые возникают на всех стадиях создания машины. Например, выбор мощности главного привода, диапазона частот вращения шпинделя и величин подач - это всегда компромисс. С одной стороны, увеличение этих параметров повышает возможности станка, его производительность, а с другой - сопровождается усложнением и удорожанием. В этих условиях нужно всегда иметь четкую информацию о возможностях использования этих параметров, о техническом уровне производства, где будут эксплуатироваться станки, и др. Как правило, улучшение любой технической характеристики станка (грузоподъемности, точности, надежности, производительности и пр.) вызывает повышение трудоемкости его изготовления и стоимости, часто требует другого уровня обслуживания и эксплуатации. Приведенные ниже примеры дают некоторое представление о сложности принятия компромиссных решений.

Уровень автоматизации. Кажется бесспорным стремление к повышению уровня автоматизации станков, однако в реальных условиях это не всегда так. Например, при создании гаммы станков всегда возникает вопрос, делать ли все станки с ЧПУ или предусмотреть также цифровую индикацию: до какого размера станка (например, карусельного, зубофрезерного и др.) иметь модификацию станков с автоматической сменой детали и заготовки; выполнять ли автоматическую смену червячных фрез в станках с ЧПУ средних размеров или, учитывая длительный цикл обработки, ограничиться механизацией смены инструмента.

Все эти вопросы требуют компромиссных решений не только для различных групп станков, но и для однотипных станков различного размера. С повышением уровня автоматизации улучшается использование станка, повышается производительность, но усложняется обслуживание, увеличивается сложность и стоимость, как правило, снижается надежность.

Кинематические цепи. При выборе варианта кинематической схемы идут на компромисс. Так, в схеме  I привода главного движения зубофрезерных станков главный привод установлен в стойке (рис. 1.80), что уменьшает массу суппорта и упрощает конструкцию. Однако кинематическая цепь имеет три или две, если двигатель установлен наверху стойки (штриховые линии), дополнительные пары конических колес. В схеме II цепь главного движения короткая и жесткая, но суппорт утяжелен (хуже собственные частоты) и конструкция оказывается более сложной.

Технологические возможности. Тенденция современного производства к концентрации операций постоянно ставит перед конструктором задачи рационального сочетания технологических возможностей и усложнения конструкции. Избыточность технологических возможностей (особенно, если это приводит к серьезным усложнениям) может быть не оправдана экономически.

Компромиссы при конструировании

При разработке новой гаммы тяжелых зубофрезерных станков для обработки колес диаметром 5... 12 м стоял вопрос о рациональных технологических возможностях станка: ограничиться традиционными методами обработки (зубофрезерование червячной, дисковой и пальцевой фрезами) или обеспечить также зубодолбление, возможность обточки (в частности контрольных и базовых поверхностей), сверление и растачивание отверстий и т.п. В зависимости от принятого решения конструкция станка может существенно измениться.

Схемы компоновок таких станков с более широкими технологическими возможностями приведены на рис. 1.81. В одном варианте станка предусмотрены два привода вращения стола (рис. 1.81, а): цилиндрический 2 для точения и червячный 3 для других работ. Каретка 7, устанавливаемая на суппорте, служит для токарных операций. В другом варианте станка для точения, сверления и проведения других операций предусмотрена дополнительная консоль  I с суппортом 2 (рис. 1.81, б). Еще одним решением может быть установка на стойке 3 станка вместо суппорта для обработки зубчатых колес токарного суппорта 4. Во всех случаях конструкция станка значительно усложняется.

Задача расширения технологических возможностей решается в общем контексте создания конструкции станка, поскольку сказывается и на типе круговых направляющих (при точении должны быть малоизносные направляющие, а при зубодолблении - с малым трением, например, гидростатические), и на кинематике станка. Реализация зубодолбления за счет использования съемного узла требует определенных кинематических ограничений в самой кинематической структуре и т.д.

При создании токарно-карусельных станков возникает вопрос, нужно ли предусматривать шлифование; если да, то выполнять ли шлифовальное устройство в виде автономного суппорта (обеспечивается высокая мощность главного привода) или достаточно предусмотреть установку на токарный суппорт шлифовальной головки со встроенным двигателем (мощность существенно меньше, чем в первом случае)? Предусматривать ли на токарно-карусельном или расточном станках установку различных дополнительных устройств, расширяющих технологические возможности, и каких именно? Если какая-то операция используется крайне редко, будет ли это технически оправдано?

Компромиссы при конструировании

Аналогичные вопросы возникают при создании любых станков, в том числе многоцелевых. Компромисс между количеством инструментов в магазине и усложнением конструкции решается разными фирмами по-разному. В каких случаях ограничиться револьверной головкой в токарных модулях, а в каких предусматривать смену инструмента с применением магазина? (В этом случае возможности станка существенно расширяются.) Предусматривать ли шлифовальные работы на многоцелевом станке токарного типа и т.п.? Выбор средств контроля, объема диагностирования состояния станка всегда решается на основе компромисса.

Конструкции отдельных узлов. Большое число компромиссных решений возникает при конструировании узлов. Это связано с возможностями изготовления, условиями сборки и т.п. Рассмотрим кинематические схемы привода подач станков с ЧПУ при одинаковом передаточном числе (и = 4) от двигателя 1 к шариковому винту 2 фис. 1.82, а). Схема II конструктивно проще схемы I. Однако приведенный к двигателю момент инерции колес редуктора с равномерно распределенным передаточным отношением между двумя парами колес (схема  I) более чем в 2,5 раза меньше, чем в схеме II (момент инерции изменяется пропорционально диаметрам колес в четвертой степени), что благоприятно сказывается на динамических характеристиках привода. То же самое можно сказать о выборе диаметра винта. Увеличение диаметра винта повышает несущую способность, долговечность, однако возрастает момент инерции. Таким образом, вопрос о распределении передаточного отношения в коробке подачи и выборе диаметра винта решается на основе компромисса.

На рис. 1.82, б приведены кинематические схемы коробки скоростей и графики развиваемой мощности Р при переключении ступеней. Двухступенчатая коробка (схема I) конструктивно проще, однако если требуется большой диапазон регулирования частот вращения, то приходится выбирать большое передаточное отношение коробки Компромиссы при конструированииПри этом, если оно больше диапазона регулирования двигателя (Rд)р при постоянной мощности, то возникает падение мощности АР на отдельных частотах вращения и необходимо снижать режимы резания в этой области. Трехступенчатая коробка (схема II) не имеет этого недостатка, и на всех грех ступенях (I ст, II ст и III ст) мощность используется полностью. Однако конструкция коробки сложнее. В многоступенчатой коробке скоростей с постоянной частотой вращения двигателя увеличение числа ступеней улучшает условия использования станка, но усложняет и удорожает конструкцию.

Компромиссы при конструировании

Таким образом, выбор числа ступеней всегда является компромиссом. Выбор диаметра шпинделя, опор (типа и установки) - это компромисс между жесткостью и быстроходностью, точностью и стоимостью. Разрешение этого компромисса состоит в выборе опор максимальной жесткости, обеспечивающих требуемую максимальную частоту вращения.

Важным вопросом является выбор рациональных сечений базовых деталей. Рациональные сечения базовых деталей, работающих в основном на кручение (и частично на изгиб), например стойка одностоечных токарно-карусельных станков, приведены на рис. 1.83. С позиции жесткости сечение деталей и число ребер в них нужно увеличивать, но это повышает массу и стоимость. Лучшими характеристиками по жесткости при одинаковой массе имеют круглые сечения (схема II), но квадратное сечение (1), несмотря на это, применяют значительно чаще ввиду простоты изготовления и лучших конструктивных возможностей (размещения механизмов, «встраиваемости» в общую архитектонику и т.п.).

Надежность. Улучшение этого показателя почти всегда сопровождается усложнением и удорожанием машины. Выбор малоизносных направляющих или опор (гидростатических, аэростатических), винтов и других деталей, их термообработка, применение антифрикционных материалов или покрытий повышают трудоемкость и стоимость. Применение более совершенных механизмов, систем управления, приводов практически всегда связано с удорожанием конструкции. Устранение зазоров в кинематических цепях, применение элементов качения в большинстве подвижных стыков и другие современные решения не могут быть безусловно приняты для реализации во всех станках и механизмах.

Далеко не всегда ясно, что экономически целесообразнее - удорожать первоначально машину, обеспечив ее долговечность, либо предусмотреть ее текущий ремонт в процессе эксплуатации. Эти вопросы требуют конкретной проработки. Разрешение компромисса в настоящее время лежит в обеспечении надежности наиболее ответственных деталей и узлов станка (направляющих, тяговых элементов механизмов подач, шпинделей и др.).

Технологичность конструкций. Много компромиссных решений приходится принимать при необходимости обеспечения технологичности конструкций (механическая обработка, получение заготовок, сборка и др.). В отдельных случаях приходится даже ухудшать эксплуатационные характеристики, обеспечивая технологичность.

Так, для упрощения литья конструкция планшайбы станка выполнена составной из деталей 1 и 2 (рис. 1.84), хотя это снижает ее жесткость и ухудшает работу круговых гидростатических направляющих (снижается также грузоподъемность).

Упорный бурт гидростатического подшипника передней опоры шпинделя горизонтально-расточного станка образован полукольцами 7 и 2 (1.85, а), благодаря чему упрощается сборка узла, но ухудшаются жесткость и надежность, чем в конструкции с буртом, образованным одной втулкой I (рис. 1,85, б).

Компромиссы при конструировании

 

Компромиссы при конструировании

 

Компромиссы при конструировании

При установке двигателя 1 в станине по схеме  I (рис. 1.86) требуется выверять вал двигателя, чтобы он был соосен винту 2, но механическая обработка упрощена, так как не требуется центрирующих поверхностей на кронштейне 3. В конструкции, выполненной по схеме II, сборка двигателя упрощена, так как на фланце 4 предусмотрена цилиндрическая базирующая поверхность для установки промежуточного кронштейна 3. В этом случае несколько усложнена механическая обработка. Очевидно, что выбор исполнения здесь зависит от конкретных условий (серийности, квалификации сборщиков и др.).

Компромиссы при конструировании

 

Компромиссы при конструировании

Очень важным обстоятельством для обеспечения работоспособности гидростатических замкнутых направляющих салазок является исключение отклонения от параллельности рабочей поверхности направляющей и замыкающей планки 1 (рис. 1.87). При возникновении клинообразного зазора (в результате деформации планки 1 и контактной деформации в стыке 2) расход масла резко возрастает, а жесткость и несущая способность снижаются. С этих позиций лучшие условия гарантирует конструкция по схеме II. Здесь силы воспринимаются буртом 2 и обеспечивается меньшая деформация рабочей поверхности планки 1. Несмотря на это, большее распространение получила схема  I, поскольку трудоемкость изготовления ниже.

Разрешение возникшего технического противоречия посредством компромиссных решений производится конструктором чаще всего на основе опыта и интуиции. Обычно отсутствуют объективные признаки для оценки рациональности именно такого компромисса, который заложен в данной конструкции, поскольку крен технических решений в ту или иную сторону всегда зависит от конкретных условий и для разных предприятий-изготовителей может быть различным.

Смотрите также