Анализ и нормирование точности деталей на примере редуктора привода манипулятора

Точность в машиностроении — это не абстрактное понятие, а ключевой фактор, определяющий работоспособность, долговечность и надежность любого механизма. Особенно остро этот вопрос стоит в робототехнике, где от каждого сопряжения зависит общая производительность системы. В данной работе в качестве объекта исследования выступает механизм привода поворота манипулятора промышленного робота, основная функция которого — точная передача крутящего момента. Целью является комплексный анализ конструкции, последующий расчет и технически грамотное обоснование допусков и посадок для его наиболее ответственных сопряжений. Решение этой задачи позволит гарантировать, что механизм будет функционировать в строгом соответствии с заложенными в него эксплуатационными характеристиками.

Теоретические основы, определяющие надежность механизма

В основе современного массового производства лежит фундаментальный принцип взаимозаменяемости. Он позволяет осуществлять сборку и ремонт изделий без индивидуальной подгонки деталей, что кардинально снижает трудоемкость и стоимость. Достигается это за счет стандартизации и нормирования точности.

Ключевыми понятиями здесь являются:

• Предельные размеры — два допустимых значения размера (наибольший и наименьший), в пределах которых должна находиться реальная деталь.
• Допуск (T) — разница между наибольшим и наименьшим предельными размерами. Это поле, внутри которого может «плавать» фактический размер годной детали.
• Посадка — это характер соединения двух деталей (например, вала и отверстия), определяемый разностью их размеров до сборки. Она может быть с зазором, с натягом или переходной.

Для унификации и упрощения проектирования все допуски и посадки сведены в единую систему, регламентированную стандартами (ГОСТ, ISO). Наибольшее распространение получили две системы: система отверстия, где для всех посадок одного номинального размера предельные отклонения отверстия остаются постоянными, а разные посадки достигаются за счет изменения отклонений вала, и система вала, где все наоборот. Выбор системы диктуется конструктивными и экономическими соображениями.

Конструктивный и функциональный анализ исследуемого узла

Исследуемый узел представляет собой червячный редуктор, являющийся частью привода поворота манипулятора. Его задача — передавать крутящий момент от электродвигателя на планшайбу манипулятора. Конструктивно он состоит из нескольких ключевых элементов: вала 3, на конце которого неподвижно закреплена выходная шестерня 2. С этой шестерни вращение через цилиндрическую зубчатую передачу передается на колеса 1 и 4, выполненные заодно с валом.

Анализ условий работы выявляет несколько критически важных факторов, влияющих на выбор посадок:

1. Характер нагрузки: Зубчатая передача является среднескоростной, но к ней предъявляется высокое требование по точности угла поворота манипулятора. Это значит, что любые люфты в сопряжениях должны быть минимизированы.
2. Температурный режим: В процессе работы зубчатые колеса могут нагреваться до +45°С при температуре окружающей среды до +30°С. Этот нагрев вызовет тепловое расширение деталей, что необходимо учесть при расчете посадок.
3. Отсутствие корпуса: Данная особенность конструкции повышает требования к защите сопряжений от внешних воздействий и к точности их взаимного расположения.

Наиболее ответственными сопряжениями в данном механизме являются: посадка выходной шестерни 2 на вал 3, так как она передает основной крутящий момент, и посадки колес 1 и 4, от которых напрямую зависит точность позиционирования манипулятора.

Проектирование посадки для сопряжения выходной шестерни с валом

Соединение шестерни 2 с валом 3 должно обеспечивать их полную неподвижность относительно друг друга для гарантированной передачи крутящего момента. Кроме того, требуется высокая точность центрирования шестерни (поверхность D1). Исходя из этих функциональных требований, наиболее целесообразным решением является посадка с натягом. Такая посадка создает постоянное давление на сопрягаемых поверхностях, исключая проворот даже при пиковых нагрузках.

Расчет производится в несколько шагов:

1. Выбор системы посадки. Руководствуясь технологическими и экономическими соображениями, выбираем наиболее распространенную систему отверстия. В этой системе основная деталь — отверстие в шестерне — будет иметь постоянное поле допуска «H», а нужный характер сопряжения будет достигаться подбором поля допуска для вала.
2. Назначение квалитетов точности. Квалитет (IT) — это мера точности изготовления. Учитывая высокие требования к центрированию и условиям работы, для отверстия шестерни назначаем 7-й квалитет (H7), а для вала, чтобы гарантировать натяг, — 6-й квалитет с соответствующим полем допуска (например, p6).
3. Определение предельных отклонений. Используя стандартные таблицы ГОСТ 25347-82 для выбранных полей допусков (H7/p6) и номинального диаметра сопряжения, находим числовые значения верхнего (ES, es) и нижнего (EI, ei) отклонений для отверстия и вала.
4. Расчет предельных натягов и допуска посадки. На основе найденных отклонений рассчитываются наибольший (Nmax) и наименьший (Nmin) натяги в соединении. Разница между ними определяет допуск посадки (TN). Проверка этих значений подтверждает, что даже при самом неблагоприятном сочетании размеров в сопряжении всегда будет обеспечен минимально необходимый натяг для передачи момента.

Таким образом, выбор посадки типа H7/p6 обеспечивает как надежную фиксацию шестерни, так и требуемую точность ее центрирования на валу.

Обоснование выбора посадок для зубчатых колес

Сопряжение зубчатых колес 1 и 4 с ответными деталями (подшипниками или втулками в корпусе, не показанном на чертеже) имеет иную специфику. Их основная функция — свободное вращение с минимальными потерями и обеспечение высокой кинематической точности. При этом необходимо учитывать значительный нагрев колес до +45°С в процессе работы.

Данные условия диктуют выбор посадки с зазором. Наличие гарантированного зазора компенсирует тепловое расширение, предотвращая заклинивание, и обеспечивает условия для формирования масляной пленки, что критически важно для подшипников скольжения. Выбор слишком большого зазора недопустим, так как это приведет к радиальному биению вала-шестерни и, как следствие, к снижению точности угла поворота всего манипулятора.

Процесс обоснования посадки аналогичен предыдущему, но с другой целью:

1. Выбор системы и квалитетов. Работаем в системе отверстия. Для подшипникового узла, где вращается вал, часто используют точные квалитеты. Например, для отверстия в корпусе можно выбрать H7, а для цапфы вала-шестерни — g6. Такое сочетание (H7/g6) является классическим для посадок с небольшим гарантированным зазором.
2. Определение предельных отклонений. По таблицам ГОСТ для номинального диаметра и полей допусков H7 и g6 определяются предельные отклонения.
3. Расчет предельных зазоров. Вычисляются наименьший (Smin) и наибольший (Smax) зазоры. Важно убедиться, что Smin > 0, что гарантирует отсутствие натяга даже при самых неблагоприятных сочетаниях размеров. При этом также проводится тепловой расчет, чтобы убедиться, что тепловое расширение вала не «съест» весь минимальный зазор.

Выбранная посадка обеспечивает баланс между свободой вращения, компенсацией температурных деформаций и точностью, необходимой для кинематической цепи манипулятора.

Анализ размерных цепей для обеспечения точности сборки

Точность отдельных деталей — это лишь половина дела. Итоговые эксплуатационные характеристики узла, такие как точность угла поворота или осевой люфт вала, зависят от совокупности размеров и допусков множества деталей. Для анализа этого влияния используется понятие размерной цепи. Это последовательность взаимосвязанных размеров, образующих замкнутый контур.

В нашем механизме можно построить размерную цепь, где замыкающим звеном будет, например, осевой зазор вала 3. Составляющими звеньями этой цепи станут размеры самого вала, шестерен, подшипников и корпусных деталей. Допуски на каждый из этих размеров будут суммироваться (по определенному закону) и формировать итоговый допуск на замыкающее звено — осевой люфт.

Расчет размерных цепей позволяет еще на этапе проектирования понять, как точность изготовления отдельных, даже не сопрягаемых напрямую деталей, влияет на ключевые сборочные параметры.

Проведя такой анализ, конструктор может принять обоснованное решение: либо ужесточить допуски на самые влияющие звенья цепи, либо, наоборот, расширить их для менее значимых деталей для удешевления производства, не теряя при этом в общей точности узла. Это мощный инструмент для достижения требуемого качества при оптимальных затратах.

Выбор методов и средств контроля рассчитанных параметров

Проектирование допусков и посадок не имеет смысла без последующего контроля их соблюдения в производстве. Выбор метода контроля зависит от типа параметра, его точности и серийности производства.

Для рассчитанных нами параметров можно рекомендовать следующий комплексный подход:

• Контроль гладких цилиндрических поверхностей: Диаметры валов и отверстий с высокой точностью (6-7 квалитет) следует измерять с помощью микрометров и нутромеров. В условиях серийного производства для ускорения процесса эффективно применение предельных калибров (пробок и скоб).
• Контроль сложных форм и расположения поверхностей: Для таких ответственных деталей, как валы и шестерни, важно контролировать не только размеры, но и отклонения формы (овальность, конусность) и взаимного расположения поверхностей (биение, перпендикулярность). Наиболее полную картину здесь дают координатно-измерительные машины (КИМ), которые позволяют с высокой точностью оценить всю геометрию детали.
• Контроль качества поверхности: Шероховатость поверхностей, влияющая на износ и условия смазки, контролируется с помощью профилометров или сравнительных образцов.
• Неразрушающий контроль: Для выявления скрытых внутренних дефектов (трещин, пор) в наиболее нагруженных деталях, таких как вал, могут применяться методы дефектоскопии, например, ультразвуковой или магнитный.

Применение современных измерительных средств с возможностью компьютерной обработки данных позволяет автоматизировать процесс контроля и обеспечить стабильное качество продукции.

В ходе проделанной работы был выполнен полный цикл нормирования точности для ключевых сопряжений механизма привода манипулятора. Мы начали с анализа его конструкции и функциональных требований, что позволило определить наиболее ответственные узлы. На основе условий эксплуатации — передачи высокого крутящего момента и требований к точности позиционирования — были обоснованно выбраны типы посадок: с натягом для силовой передачи и с зазором для вращающихся элементов с учетом теплового расширения.

Была продемонстрирована методика расчета предельных отклонений, натягов и зазоров. Главный вывод, который можно сделать, заключается в том, что правильное нормирование точности является не формальностью, а необходимым инженерным условием для обеспечения работоспособности, надежности и долговечности механизма. Применение стандартизированных допусков и посадок не только гарантирует выполнение эксплуатационных характеристик, но и обеспечивает взаимозаменяемость деталей, что является основой современного экономичного производства.

Список использованной литературы

1. В.Н. Кайнова, Т.Н. Гребнева, Г.И. Лебедев и др., “Варианты заданий курсовых работ по дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация»”. Часть 2. НГТУ Н.Новгород, 2006.
2. Г.И. Лебедев, А.Н. Спасский и др., Методические указания к курсовой работе по дисциплине “Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения”.Горький, 1989.
3. В.Н. Кайнова, Г.И. Лебедев, Т.Н. Гребнева.”Нормирование точности изделий машиностроения”; НГТУ. Н.Новгород, 2001.
4. В.Н Кайнова, Н.Н. Фролова, В.А. Зотова, “Расчёт исполнительных размеров гладких калибров”; Методические указания / НГТУ Н Новгород, 1995
5. В.Н. Кайнова, Г.И. Лебедев и др., “Метрология стандартизация и сертификация”; НГТУ им. Р.Е. Алексеева, Н.Новгород, 2007.
6. В.Н. Кайнова, Г.И.Лебедев. “Выбор универсальных средств измерения”., Методические указания / НГТУ.Н Новгород, 2000