2014-02-12
5953
ОСНОВЫ ТЕОРИИ БАЗИРОВАНИЯ
Вопросы определения положения одной детали относительно другой приходится решать на всех этапах процесса создания прибора. При проектировании конструктор задает в сборочных чертежах требуемое положение каждой детали. При изготовлении прибора технологу приходится задавать и достигать с определенной точностью положение соединяемых деталей при сборке, определять положение заготовок в технологических системах относительно рабочих инструментов. При контроле готовых деталей и изделий возникает необходимость определять взаимное положение измерительного устройства и объекта измерения.
Всякий раз такие вопросы решаются на основе теории базирования, которая представляется в этой связи общемашиностроительной теорией. В разработку этой теории решающей вклад внесли крупнейшие советские ученые-технологи Б.С. Балакшин, А.А. Маталин, И.М. Колесов и др. Эта работа привела к появлению ГОСТ 21495-76 “Базирование и базы в машиностроении”, созданного под научным руководством профессора Б.С. Балакшина. В результате этой работы учеными-технологами были разработаны ряд теорий и методик, приложимых к проектированию любого класса машин, а не только технологического оборудования. Это, в частности, теория базирования и теория размерных цепей.
По ГОСТ 21495-76 определение базирования.
Базирование - придание изделию или заготовке требуемого положения относительно выбранной системы координат.
Из теоретической механики известно, что требуемое положение или движение твердого тела относительно выбранной системы координат достигается наложением на него геометрических или кинематических связей. Под связями подразумеваются ограничения позиционного (геометрического) или кинематического характера, налагаемые на возможные движения точек рассматриваемого тела. В трехмерном пространстве любое твердое тело имеет шесть степеней свободы, если понимать под степенью свободы возможность движения в одном определенном направлении. Эти возможные направления движения: поступательные перемещения вдоль каждой из трех координатных осей и вращательные движения вокруг этих же осей. Накладываемое на каждое из этих движений ограничение может либо полностью отнимать возможность движения, и тогда речь идет о связи позиционной (геометрической), либо устанавливать закон этого движения, в соответствии с которым определяется положение твердого тела в каждый заданный момент времени, и тогда речь идет о связи кинематической.
Для позиционирования (придания определенного положения) твердого тела в трехмерной системе координат необходимо и достаточно наложить на него шесть жестких двусторонних координатных связей. В механике эта теорема известна под названием “Правило шести точек”. Такую связь условно можно представить себе в виде абсолютно жесткого (недеформируемого) стержня между точкой твердого тела и координатной плоскостью, который неразрывно связан с телом и координатной плоскостью, но в то же время может скользить по ней, не теряя контакта.
Рассмотрим схему позиционирования призматической детали относительно выбранной системы координат XOYZ (рис.1).
В точках 1-6 расположенных на плоскостях детали, к ней приложены координатные связи, лишающие деталь всех шести возможных перемещений. Такие точки принято называть опорными. На схеме номера опорных точек и приложенных к ним координатных связей соответствуют номерам лишаемых степеней свободы (перемещений), показанных стрелками около координатных осей.
Схему расположения опорных точек на детали (или заготовке) называют - схемой базирования.
База - это поверхность или выполняющее эту же функцию сочетание поверхностей, ось, точка, принадлежащая детали (заготовке, изделию) и используемая для базирования.
На рис. 2 и 1 комплект баз детали составляет сочетание реальных поверхностей А, В, и С.
Конструктор при проектировании машины разрабатывает схему базирования каждой детали и создает на ней комплект поверхностей или заменяющих его других элементов, необходимых для реализации этой схемы. Вместе с этим он создает и некоторый комплект поверхностей (или других элементов) другой (или других) деталей, которые материализуют выбранную систему координат XOYZ, а затем устанавливает размерные связи между ними по всем координатным направлениям.
Рассмотрим конструктивную реализацию схемы базирования, представленную на рис.1 (рис.4).
Однако реальные связи в опорных точках в отличие от идеальных, принятых в теоретической механике, не обладают абсолютной жесткостью. Под действием рабочих нагрузок (или сил резания), возникающих при работе машины, сбазированная деталь может сместиться, и контакт в любой из опорных точек может нарушиться, а этого не должно случиться. Так же может сместиться под действием сил резания обрабатываемая в технологической системе заготовка. Поэтому для сохранения неизменным контакта в опорных точках в течение всего времени работы машины или обработки заготовки в технологической системе необходимы дополнительные меры.
Такими дополнительными мерами являются силы закрепления Q1,Q2,Q3 (рис.4), приложенные к базируемой детали и называемые силовым замыканием. Величина этих сил и создаваемых ими в опорных точках реакции, сил трения и моментов должна быть достаточной для преодоления воздействия рабочих нагрузок. Таким образом силовое замыкание обеспечивает неизменность положения детали во все время работы ее в машине. Очень часто в конструкциях машин используют крепление деталей винтами или болтами с гайками (а при обработке используются зажимные механизмы).
Рассмотрим рис.5. (установка крышки подшипника в корпусе редуктора).
Плоскость кольцевого бурта крышки образует координатную плоскость XOY ее собственной системы координат и выполняет функцию базы. Для неизменности контакта крышка с корпусом в опорных точках крепится винтами.
Очевидно, что для решения задачи силового замыкания необходимо обеспечить условие Мтр ³ Мрез.
В технологии механической обработки для обеспечения силового замыкания крупных заготово к часто используют силу ее тяжести. Это возможно тогда, когда силы резанияили создаваемые ими моменты значительно меньше силы тяжести или создаваемых ею сил и моментов в том числе и трения.
Например, нет необходимости создавать особое силовое замыкание при установке станины крупного станка на столе сверлильного станка при обработке мелких крепежных отверстий.
Контакт реальных поверхностей в опорных точках ограниченными их участками при приложении силового замыкания сопровождается упругими контактными деформациями. Это объясняется тем, что ни один из известных машиностроительных материалов не обладает абсолютной жесткостью, и в соответствии с законом Гука при приложении любой нагрузки в нем обязательно возникают некоторые упругие деформации. Величина этих деформаций на стыке двух реальных поверхностей зависит от упругих свойств констатирующих материалов и от геометрической точности этих поверхностей. При контакте грубых поверхностей с большой высотой шероховатостей, очевидно, величина упругой деформации будет больше, и наоборот. В связи с этим можно и нужно ожидать, что приложение силового замыкания приведет к изменению достигнутого при базировании положения детали на величину возникающих контактных упругих деформаций в опорных точках. Таким образом, силовое замыкание является источником погрешности достигнутого положения базируемой детали (заготовки).Эту погрешность называют погрешностью закрепленияи обозначают ωз.
Из приведенных рассуждений относительно реализации схем базирования можно сделать следующие важные выводы:
Весь процесс определения положения реальной детали в машине (заготовки в ТС при обработке) не может ограничиться только собственно базированием, но обязательно включает в себя и закрепление как процесс фиксации положения, достигнутого при базировании, путем приложения силового замыкания. Совокупность процессов базирования и закрепления принято называть установкой.
Необходимость силового замыкания приводит к усложнению конструкции машины (ТС) за счет введения в них специальных деталей и механизмов, развивающих необходимые силы.
Силовое замыкание является источником погрешности достигнутого положения базируемой детали (заготовки).
