Proiectare Integrată

în Ingineria de Precizie

Nume: Balan Victor

Grupa: 2231 MFN

An: III

Memoriu Tehnic

1.Introducere

Înprezenta lucrare este descris întreg procesul de proiectare al unei axe cinematice antrenate de un șurub cu bile, care la rândul lui este pus în mișcare de către un motor electric prin intermediul unei transmisii prin curele. Pentru proiectarea axei cinematice au fost folosite elemente standardizate, șurubul cu bile și piulița fiind alese din catalogul unui renumit producător: SKF. Rulmenții, piulițele, ghidajele și masa au fost de asemenea alese și respectiv proiectate conform standardelor în vigoare. Au fost adoptate notații în conformitate cu standardele actuale și a fost reorganizat întreg materialul care este prezentat în succesiune logică a elaborarii proiectului.

2.Schema cinematică a transmisiei mecanice

Schema de principiu a transmisiei mecanice a cărei proiectare este elaborată în prezenta lucrare, este indicată în figura următoare:

Fig. 1. Schema cinematică a transmisiei mecanice

Pornind de la această schemă simplă se pot obține numeroase variante constructive, care diferă prin poziționarea în spațiu a elementelor transmisiei, prin modelul de șurub cu bile utilizat, mărimea mesei și tipul de curea folosit la transmiterea momentului de la motor la șurubul cu bile.

3. Tipuri de axe cinematice

Axele cinematice se clasifică in: - axe cinematice liniare- axe cinematice rotative- axe cinematice tangentiale

Parțile componente:

2 | P a g e

- structuram ecanică - structura cinematică - unitatea de comandă

Structura generală:

Fig. 2.Structura generală

Structura mecanică are rolul de a transmite mișcarea de la elementele de antrenare la sarcină, având în componență mecanisme de transformare a mișcării: reductoare, cuplaje etc.

Sistemul de acționare este cel care produce în mod direct mișcarea prin ansamblul elementelor de antrenare motor - amplificator final. La acest nivel are loc transformarea energiei de la sursa externă în energie mecanică, pe baza informațiilor de la unitatea de comandă.

Unitatea de comandă prelucrează informațiile utile din sistem. Intrările în unitatea de comandă provin de la traductoarele plasate în diferite locuri, iar ținând seama de strategia de control se elaborează semnalul de ieșire. Clasificarea axelor cinematice:

a. După modul de acționare

- electric; - hidraulic; - pneumatic;

Deoarece natura semnalelor de comandă îi electrică, întâlnim rar sisteme de acționare exclusiv hidraulice sau pneumatice, acestea fiind în general realizate în combinații electrohidraulice sau electropneumatice.

Sistemele hibride utilizează semnale electrice de putere redusă iar cu niște convertoare specializate se comandă acționarea de forță realizată pe cale fluidică.

b. După natura comenzii:

- cu comandă analogică - la care semnalele vehiculate sunt de tip continuu iar comanda se realizează folosind circuite de tip comparator. Se caracterizează printr-o comportare analogică atât privind structura comenzii cât și elementele componente.

3 | P a g e

- cu comandă digitală - unitatea de comandă e de tip numeric, utilizand circuite logice sau de tip procesor.

Axa cinematică la care partea de reglare este acționată de elemente cu acționare discrete, iar celelalte elemente au o funcționare de tip analogic. Apar două blocuri:

digital -> analogic analogic -> digital.

Sistemele de măsurare și poziționare realizate cu elemente digitale au avantaje față de cele analogice prin:

- precizie ridicată; - fiabilitate marită; - compatibilitate cu tehnică de calcul; - axe cinematice cu mișcare incrementală.

4. Aspecte privind axele cinematice actionate electric și tipuri de motoare

Ca și avantaje ale servo-acționărilor electrice sunt: - compatibilitate ridicată cu sistemele de comandă și de măsurare a poziției; - randament energetic superior; - preț redus; - portabilitate ridicată; - existența sursei de energie în majoritatea spațiilor unde sunt amplasate;

Condiții impuse axelor cinematice și electrice: - comportarea dinamică foarte bună (posibilitate de accelerare în timp scurt a sarcinii); - constantă de timp electrică redusă (inductivitate mică a rotorului); - constantă de timp mecanică redusă (inertie redusa a rotorului); - funcționare stabilă la viteze mici (cuplul activ e independent de poziția rotorului, frecări reduse); - precizia ridicată de poziționare; - domeniul mărit de rotație (1-10000 rpm); - masă și gabarit redus; - randament ridicat; - protecție corespunzătoare; - posibilitatea montării unor echipamente suplimentare (frână etc); - preț de cost scăzut. Clasificarea servo-actionarilor electrice:

După tipul puterii: - servomotoare de curent continuu; - servomotoare de curent alternativ.

După tipul miscarii: - continue; - discrete;

4 | P a g e

- rotative; - liniare.

După tipul comutatiei: - mecanica; - electrica.

După metoda de realizare a câmpului magnetic: - cu magneți permanenți; - cu electromagneți.

Servomotoarele pot fi: - de curent continuu; - fără perii; - de curent alternativ; - liniare; - pas cu pas.

Cele de curent alternativ s-au dezvoltat maimult datorită electronicii de putere avută la dispoziție.

Dezavantajele servomotoarelor de curent continuu: - sistemul de perii-colector; - comutația la turații șip uteri mari; - căldura degajată; - uzura periilor și a colectorului. Utilizarea majoritară a servomotoarelor de curent continuu se datorează unui mare dezavantaj al celor de curent alternativ: - probleme legate de invertoare și de echipamentele de masură; - de complexitatea structurii de comandă. Servomotoarele de curent continuu au aceiași componență cu motoarele de curent alternativ cu deosebiri: - momente de inerție reduse; - gabarite mici; - game largi de reglare a vitezei. Sunt recomandate în reglarea continiă a vitezei, unde sarcinile au caracter variabil cu salturi mari. Ca principiu de funcționare, se bazează pe interacțiunea a două câmpuri magnetice în urma căreia rezultă o deplasare a unei armături.

Clasificare: a. După tip - cu rotor cilindric; - cu rotor disc; - cu rotor pahar. b. După modul de excitare: - cu excitație cu magneți permanenți; - cu excitație electromagnetică; - cu excitație hibridă.

Utilizarea magneților permanenți are avantajul unor dimensiuni reduse la aceleași performanțe, posibilități mai simple de răcire, randament ridicat. Dacă avem nevoie de o putere mai mare putem utiliza servomotoarele electromagnetice.

5 | P a g e

Servomotoarele cu rotor cilindric au raportul dintre diamentru și lungime de aproximativ 0.3, efectul fiind reducerea momentului de inerție, rezultând o constantă de timp mecanică de sub 10 ms. Servomotoarele cu rotor disc se realizează prin înfașurarea unui conductor pe un disc de fibra de sticlă care se rotește în fața magneților permanenți amplasați pe 2 flanșe. Constanta de timp mecanică e sub 10 ms iar cea electrică e sub 0.1 ms.

Avantaje: - caracteristica mecanică liniară (nu există saturație magnetică); - poate funcționa până la 20 o C; - gama de viteze 1-6000 rpm; - suportă suprasarcini; - preț redus; - randament ridicat; - excitație mai ușoară datorită prezenței magneților permanenți. Servomotoare cu rotor pahar – înfașurarea unui conductor de Cu sau Al pe un pahar de fibră de sticlă. d/l=0.3 ... 0.5 . Moment de inerție redus, constantă de timp mecanică sub 1 ms, cea electrică sub 0.1 ms. Sistemul perii - colector e realizat din bronz sau Ag cu lamele de Cu presate pe un ax din material plastic. Servomotoare fără perii, de curent continuu și sincrone - lipsește contactul mecanic perie-colector, cu comutație electrică. Au construcția similară motoarelor de curent continuu la care s-au inversat indusul cu inductorul, iar polii magnetici sunt plasați pe rotor.

Clasificare:

a. După modul de alimentare - de curent continuu; - de tip sincron. Servomotoarele asincrone de curent alternativ funcționează pe baza unui câmp învârtitor realizat între fierul mașinii și obținut prin alimentarea corespunzătoare a înfașurărilor statorice. Câmpul rotitor induce în înfășurări tensiuni electromotoare care dau naștere unor curenți ce interacționează cu câmpul învârtitor, producând un cuplu de rotație.

Avantaje: - construcție simplă; - pornire simplă.

Dezavantaje: - reglare dificilă a vitezei;- randamen tscăzut; - gabarit mare. b. După natura curentului alternativ: - servomotoare asincrone trifazate; - servomotoare asincrone bifazate. Servomotoarele liniare sunt utilizate datorită faptului ca în lanțul cinematic nu mai sunt necesare mecanismele de transformare a mișcării.

Servomotoarele liniare se obțin dintr-un motor rotativ prin desfașurarea statorului, rotorului și înfașurărilor. Cele asincrone se obțin prin amplasarea pe stator a mai multor perechi de poli și un

6 | P a g e

ghidaj construit din material fero-magnetic. Inductorul creează un câmp electromagnetic rotativ care interacționează cu câmpul electric indus în ghidaj, generând o forță care pune în mișcare ghidajul respectiv.

Clasificare: - pas cu pas; - asincrone.

Cele pas cu pas sunt servo motoare incrementale: - cu magneți permanenți - mișcarea de translație e obținută prin orientarea polilor magnetului permanent după câmpul magnetic creat de câmpul de comandă. - cu reluctanță variabilă - comandat prin comutarea alimentării înfașurării de comandă, ghidajul realizat din material feromagnetic se va deplasa astfel încât circuitul magnetic format să aibă reluctanță minimă. Sunt mașini sincrone care fac conversia impulsurilor de comandă aplicate fazelor motorului în deplasări incrementale de marimi egale. Nr. de pași efectuați = Nr. de impulsuriModificarea vitezei se face prin modificarea frecvenței impulsurilor.

Avantaje: - e o corelație între impuls și deplasare - face posibilă comanda în bucla deschisă; - compatibilitate cu unitați de comandă digitale; - eroarea de pas nu e cumulativă; - memorează poziția în lipsa impulsului de comandă.

Dezavantaje: - nu se poate modifica pasul unghiular; - randament scăzut; - viteză mică; - cuplul dezvoltat e invers proporțional cu viteza.Clasificare din punct de vedere constructiv: - cu magneți permanenți: - flux radial; - flux axial. - cu reductanță variabilă: - monostator; - polistator.

5.Principalele norme de igienă şi protecţia muncii sunt următoarele

Pentru nevoile igienei corporale a echipelor de întreţinere, pentru combaterea incendiilor sau pentru alte necesităţi în locurile corespunzătoare se vor asigura debitele de apă în limitele

7 | P a g e

prevederilor normative de consum. Sunt interzise orice conexiuni între reţelele de apă industrială şi potabilă.

Apele reziduale rezultate în urma procesului de spălare, curăţare etc., în special la utilajele din sectoarele care lucrează cu substanţe toxice, vor fi deversate în canale speciale şi colectate în punctele de tratare chimică în vederea trecerii lor ulterioare în canalele colectoare de evacuare, fără pericolul poluării mediului înconjurător.

Locul în care se efectuează reparaţiile ( în cazul nedeplasării utilajului de pe locul de funcţionare ) va trebui să fie asigurat în întreaga perioadă afectată reviziei utilajului cu o atmosferă de lucru fără degajări de praf, căldură excesiva sau umiditate; dacă reparaţiile se fac în aer liber, pentru perioada de iarnă, se vor prevede încăperi care nu vor fi mai mici de opt metri pătraţi.

Înprivinţa efortului fizic este interzisă ridicarea sarcinilor mai mari de 50 kg de persoanele adulte şi progresiv cu vârsta 12-25 kg pentru persoanele între 18- 21 ani. Distanţele maxime de transport manual sunt de la 60 m la o diferenţă de nivel de maxim 4 m ridicarea pe verticală a sarcinilor de mai sus este limitată de înălţimea de 1,5 m

În scopul prevederii îmbolnăvirilor profesionale şi accidentelor de muncă provocate de gaze, vapori sau pulberi, se limitează prin NRPM în raport de substanţa în cauză, concentraţiile admise.

8 | P a g e

MEMORIU JUSTIFICATIV DE CALCUL

1. Tema proiectului:

Să se calculeze și să se proiecteze o axă cinematică antrenată prin intermediul unui șurub și o transmisie cu curea dințată, având următoarele caracterisitici:

n= 12; ms= 60 +n=72 [kg]; R= 400+0,1*n=401,2 [N]; vs= 6+0,1*n=7,2 [m/ min]; lcursă= 400+5*n=460 [mm] ==> lșurub=490 [mm]; Lh= 12000 [ore]; nm= 2850 [rot/min]; tacc= 1 [sec]; µ= 0,1; α=35;

Numărul de ore de funcționare a axei cinematice este de 12000 de ore. Turația motorului este de 2850 rpm. Alunecarea uniformă a mesei mobile se realizează utilizând un ghidaj liniar cu bile.

9 | P a g e

2. Calculul șurubului cu bile

1. Forța axială din șurub:

Fm=R∗cosα+μ (m∗g+R∗sinα )=438.13 [N ];

Fm - sarcina medie la sania șurubului [N];

R - sarcina externă [N];

m - masa sarcinii [kg];

2. Numărul de rotații a șurubului:

ns=vs

p= 7.4

5∗10−3 =1440[rpm ]

ns – turația șurubului [rpm];

vs - viteza saniei [m/min];

p - pasul șurubului [mm];

3. Durata de viață a șurubului și capacitatea dinamică de încărcare:

10 | P a g e

L10=Lh∗ns∗60

106 =12000∗1440∗60106 =1036,8

L10=( Ca

Fm)

3

→Ca=5,56 [kN ]

L10 - durabilitatea [milioane de rotații];

Lh - durabilitatea orară [h];

Ca - capacitatea de încovoiere dinamică a șurubului [N].

4. Verificarea la turație critică:

ncr=490∗105∗f 1∗d2

l2 =490∗105∗3.8∗12.7

(50+460 )2=9327.9

ns∗d0=14 80∗20=23040<50000

ncr – turația critică [rpm];

d2 - diametrul de fund al filetului [mm];

l - lungimea șurubului între fusuri [mm];

n - viteza limită a mecanismului [rpm];

f 1 - factor de siguranță pentru cazul de sprijinire-3,8-fix, rezemat;

d0 - diametrul nominal al șurubului [mm].

5. Verificarea la flambaj:

F c=34000∗2∗d2

4

l2 =34000∗2∗16,74

(50+460 )2=6977.9[ N ]

Fc – Forța de flambaj [N];

6.Calculul randamentului:

η= 1

1+π∗d0

p∗μ

= 1

1+3.14∗20

5∗0.006

=0 , 977

ηp=η∗0.9=0,929∗0.9=0 .879

11 | P a g e

η - randamentul teoretic al șurubului cu bile;

ηp - randamentul practic al șurubului cu bile;

7. Calculul momentului și al puterilor:

T=Fm∗p

2000∗ηp∗π= 422,287∗5

2000∗3,14∗0,836=0 ,326[ N∗m]

P=Fm∗p∗ns

60000∗ηp

=422,287∗5∗144060000∗0,836

=59.812[W ]

T B=Fm∗p∗η

2000∗π=422,287∗5∗0,929

2000∗3,14=0,312[ N∗m ]

T - momentul de intrare [N*m];

F – forța maximă in funcționare [N];

P - puterea la pornirea de pe loc [W];

TB - momentul de reținere la schimbarea sensului [N*m];

8. Momentul total de accelerare:

li=72∗( p2 π )

2

∗10−6=2.893∗10−5 kgmm2

ls=33∗503.5∗10−9=1.6615∗10−5

ω=n∗π30

=150.72 rad / s

ε=ωt=150.72

lr=0.00018 kg∗mm2

Tt - Momentul nominal [N*m];

Tf - Momentul de frecare in lagăre, etanșări, etc.[N*m];

Tpr - Momentul de prestrângere [N*m];

li - Momentul de inerție axial al șurubului [kg*m2];

12 | P a g e

ls - Momentul de interție al sarcinii redus la axa șurubului [kg*m2];

ω̇– Accelerașia unghiulară [rad/s2].

9.Momentul total de franare:

T t=T f +T pr+p∗η'∗[F+mL∗g]

2000∗π+ω∗∑ l=1.029 Nm

10. Calculul de verificare a rulmenților:

Datele au fost preluate de pe site-ul SKF, pentru calculul rulmenților, pentru temperatura de operare de 25°C.

Momentul total de frecare in rulmenți și puterea pierdută:

13 | P a g e

Se alege din catalog SKF șurubul PND 16x5 R:

Fig. 2 Șurub cu bile PND 16x5 R

Specificații:

Diametrul nominal [mm] 16Pasul [mm] 5Categoria de încărcare dinamică [kN] <10Lungimea maximă [mm] 2100Lungimea șurubului [mm] 492Capacitatea de încărcare dinamică [kN] 5,7Capacitatea de încărcare statică [kN] 8,3

14 | P a g e

Numărul de circuite cu bile 2x2Momentul de pretensiune 0,08Masa piuliței [kg] 0.22Masa șurubului [kg] 1.3Momentul de inerție a șurubului [kg*mm2/m] 33d2 12,7d1 15,2D1 28D4 38D5 5,5D6 48Ltn 48L8 40L1 10L2 10L10 8L11 5

11.Capetele de șurub

Capetele de șurub se aleg din catalogul SKF:

2 A - pentru lagărul fix

4A - pentru lagărul mobil

Specificații:

D0 16D5 8D4 10

15 | P a g e

D11 10D12 8B1 53B2 16B3 13B4 69B5 10B6 29B7 2d8 12,5G M10x0,75G1 17M 1,1d6 9,6ch1 0.5ch2 0.5ba 1.2

12.Suporți pentru lagăre

Din catalogul SKF se aleg suporții pentru lagăre împreună cu alte elemente standardizate:

PLBU 16 – pentru lagărul fixa) Rulmenți radial-axiali: 7200 BECBPb) Simering: CR 10x26x7 HMSA10 Vc) Piuliță: KMT0

Specificații:

16 | P a g e

Diametrul nominal d0[mm] 16L1 [mm] 86L2 [mm] 52L3 [mm] 52L4 [mm] 68D1 [mm] 28S1 [mm] 9S2 [mm] 7,7Șuruburi de fixare M8x35M [mm] 43B1 [mm] 37B2 [mm] 23B3 [mm] 14H 1 [mm] 58H 2 [mm] 32H 3 [mm] 22H 4 [mm] 15H 5 [mm] 8P [mm] 0,15

Rulment radial-axial 7200.BECBP

Specificații:

Model 7200.BECBPd 10D 30B 9Capacitatea de incarcare dinamica 7.02Viteza maxima de operare 30000Viteza limita de operare 30000Masa 0.03Momentul lilmita la procesare 0.15

17 | P a g e

Manșetă de rotație

Specificații:

Model CR 10x26x7 HMSA10 Vd1[mm] 10d2[mm] 26b[mm] 7Diferența de presiune [Mpa] 0.03

Specificații:

18 | P a g e

Model KMT 1Capacitatea de încărcare dinamică axiala [kN] 35Masa [kg] 0.045Moment de pretensionare [Nm] 4.5B M10x0.75G 14D3 [mm] 23

BUF 16 – pentru lagăr mobila) Rulment axial: 6200-RSHb) Inel de siguranță 10x1

Suport pentru lagăr BUF 20

Specificații:

Diamentrul nominal d0[mm] 16L1 [mm] 86L2 [mm] 52L3 [mm] 52L4 [mm] 68S1 [mm] 9Șuruburi de fixare M8x35M [mm] 43B1 [mm] 24

19 | P a g e

H 1 [mm] 58H 2 [mm] 32H 3 [mm] 22H 4 [mm] 15H 5 [mm] 8

Rulment radial-axial 6200-RSH

Specificații:

Model 6200-RSHCapacitatea de încărcare dinamică [kN] 5.4Viteza maximă de operare [rot/min] 56000Viteza limită de operare [rot/min] 28000Masa [kg] 0.032Momentul limită la oboseală [kN] 0.1d [mm] 10B [mm] 30D [mm] 9

13.Cuplajul elastic

Cuplajul elastic este ales din catalogul de la Power belt :''Cuplaj elastic elicoidal cu 3 începuturi și prins cu știfturi filetate"

20 | P a g e

D 25.4L 31.8L1 9.0B1 5.0B2 6.0B1&B2 10Stift M5Surub din 912 M3Moment [Nm] 4.0

2. Ghidajul liniar

Din catalogul NSK se alege un ghidaj liniar cu frecare din seria LU, fără unitate incorporată de lubrifiere.

Fig.12 Ghidaj liniar

21 | P a g e

Specificații:

Model LU150460ALC1PCZLungimea ghidajului [mm] 460Distanța până la prima gaură de fixare [mm]

10

Distanța până la ultima gaură de fixare [mm]

10

Capacitatea de incărcare dinamică [kN] 5.55Greutatea suportului [g] 70Greutatea ghidajului [g/100mm] 105H[mm] 16E[mm] 4W2[mm] 32W[mm] 25B[mm] 25J[mm] 43.6L1[mm] 27J1[mm] 3.5K[mm] 12Mx1[mm] M3x4MRO[KN] 50MPO[KN] 26MYO[KN] 26W1 15H1 9.5F 40dxDxh 3.5x6x4.5

14.Calculul curelei

Transmisia cuplului de la axul motorului la șurub se face prin intermediul unui curele dințate.

i1,2=ω1

ω2

=n1

n2

=nM

nS

=D2

D1

=28501440

=1.979

22 | P a g e

Din catalogul Mekanex se aleg 2 roți din aluminiu pentru cureaua dințata. Roata motoare se alege tip 2, cu un diametru de 42.2 mm, iar roata condusa tip 0 cu un diametru de 84.2 mm. Raportul de transmisie rezultat este 2.36. Pasul curelei dințate este 5 cu o lațime de 10 mm.

Puterea și momentul la arborele motor:

Pm=M m⋅nM⋅π

30=0 . 51⋅2850⋅π

30=152. 13 W

PC=Pm⋅η=152 .13⋅0 .9=136 . 91W , η = 0.9 – randamentul transmisiei prin curea

T t⋅nS⋅π

30=M m⋅

nm⋅π

30→M m=T t⋅

nS

nm

=1. 02⋅14402850 = 0.51 [Nm]

i1,2=nM

nS

=2 .36 => nS=nM

2. 36=2850

2 .36=1207

23 | P a g e