Базы и опорные точки

Для правильной работы каждой машины необходимо обеспечить взаимное расположение ее деталей и сборочных единиц. Задачи взаимной ориентировки деталей при их сборке и обработке элементов изделия решаются базированием.

Базированием называется придание заготовке или изделию требуемого положения относительно выбранной системы координат (ГОСТ 21495-76)

При механической обработке заготовок на станках базированием принято считать придание заготовке требуемого положения относительно элементов станка, определяющих траектории движения подачи обрабатывающего инструмента.

При установке заготовок в приспособлениях решаются две различные задачи: ориентировка осуществляемая базированием, и создание неподвижности, достигаемое закреплением заготовок. Решаются теоретически одинаковыми методами, посредством наложения определенных ограничений (связей) на возможные перемещения заготовки (механической системы) в пространстве.

Для полного исключения подвижности твердого тела в пространстве необходимо лишить его шести степеней свободы: трех поступательных перемещений вдоль осей координат и трех вращений вокруг указательных осей. Это достигается наложением связей. Под связями подразумеваются ограничения позиционного (геометрического) или кинематического характера, накладываемые на движение точек рассматриваемого тела (заготовки или детали). В соответствии с характером ограничений различают позиционные (геометрические) связи, ограничивающие перемещения, и кинематические связи, ограничивающие скорости. В ТМ приходится иметь дело, главным образом, с позиционными связями, не зависящими от времени и называемые поэтому стационарными позиционными связями.

Шесть наложенных двухсторонних позиционных связей обеспечивают заданную ориентировку тела относительно системы координат OXYZ и фиксирование тела в данном положении.

Несвободной называется механическая система (твердое тело), на движения точек которой наложены геометрические (позиционные) или кинематические связи.

Примером двухсторонней связи может служить связь абсолютно гладкого шара, расположенного между двумя абсолютно гладкими плоскостями (при отсутствии сил трения в точках контакта шара с этими плоскостями).

Положение механической системы с наложенными двухсторонними позиционными связями в пространстве в каждый момент времени может быть определено произвольными параметрами, например координатами X,Y,Z.

Каждому набору этих параметров соответствует определенная конфигурация системы. Число параметров (например координат), от которых зависит конфигурация системы в произвольный момент времени, определяет число степеней свободы, отнятых у системы.

Для фиксирования заданной конфигурации системы необходимо создать условия, исключающие возможность изменения параметров, т.е. нужно лишить ее всех шести степеней свободы. Для этого необходимо наложить на твердое тело шесть двухсторонних связей. Задача фиксации решается созданием зажимных устройств.

В реальных условиях базирования заготовок в приспособлениях или деталей в сборных единицах двухсторонние связи (координаты X,Y,Z), заменяются непосредственным контактом соответствующих поверхностей или опорных точек заготовок и приспособлений или других деталей машин. При этом число опорных точек, обеспечивающих базирование заготовки, должно быть равным числу заменяемых им двухсторонних позиционных связей. Возникающие при этом позиционные связи не могут быть отнесены к категории двухсторонних, а являются односторонними связями, математическое выражение которых может быть представлено:

(25)

При соблюдении неравенства контакта шара нет, ограничение на движение шара не накладывается и эти конфигурации называются обыкновенными.

Если при односторонних связях хотя бы одно выражение становится равенством, то конфигурация системы называется пограничной. Односторонние связи только тогда накладывают ограничения на возможные перемещения системы, когда эти перемещения исходят из пограничных конфигураций, обычно реализуемых приложением сил. При установке заготовок на опорные точки приспособлений, каждая из опорных точек реализует одну одностороннюю связь в пограничной конфигурации, т.е. дополняется силой (сила тяжести или прижима).

Под опорной точкой подразумевается идеальная точка контакта поверхностей заготовки и приспособления, лишающая заготовку одной степени свободы, делая невозможным ее перемещение в направлении перпендикулярном опорной поверхности.

Реально, совместно с приложенной силой опорная точка лишает заготовку не одной а трех степеней свободы (включаются силы трения). Реальные связи возникающие при базировании, всегда не идеальные, которую условно можно представить как совокупность идеальной связи и фрикционной.

Для фрикционных связей можно указать свойства, аналогичные односторонним связям. В частности, для их реализации необходимо при помощи внешних сил создать контактные давления в точках контакта с телами, осуществляющими связь. При этом пограничные конфигурации соответствуют условиям:

(26)

где F – предельная касательная реакции связи (сила трения);

Р_сдв – проекция сдвигающей силы на направление касательной;

N - нормальное условие; f – коэффициент трения покоя

Фрикционная связь реализуется только при выполнении условия:

(27)

где М_n - момент активных сил относительно оси n, нормальной к поверхности трения в полюсе трения;

М_тр – момент сил трения относительно той же оси.

Конфигурация системы определяется наложенными на нее идеальными позиционными, а не фрикционными связями. В связи с этим пир базировании заготовки в приспособлении имеют значение числа и расположение идеальных опорных точек, а не фрикционных связей. Число идеальных опорных точек в приспособлении условно считают равным числу степеней свободы, отнимаемых у заготовки при базировании в данном приспособлении. Возникающие при установке заготовки фрикционные связи лишают ее подвижности и способствуют ее закреплению, но не участвуют в базировании заготовки.

Правило шести точек для полного базирования заготовки в приспособлении необходимо и достаточно создать в нем шесть опорных точек, расположенных определенным образом относительно базовых поверхностей заготовки.

ПОНЯТИЕ О БАЗАХ

Поверхности заготовок или деталей, используемые при базировании называют базами.

В зависимости от числа идеальных опорных точек, с которыми база находится в контакте, и следовательно в зависимости от числа отнимаемых при этом степеней свободы различают установочную базу А, находящуюся в контакте с тремя опорными точками, направляющую базу В, находящуюся в контакте с двумя опорными точками, и упорную базу С, имеющую контакт с одной опорной точкой (для призматических тел)

Для ориентировки длинного цилиндрического тела (l > d) в пространстве необходимо соединить его цилиндрическую поверхность А двумя двусторонними связями – координатами z с плоскостью XOY и двумя связями – координатами x с плоскостью YOZ, лишая этим тело четырех степеней свободы (возможности перемещения вдоль оси OX и OZ, а поворотов вокруг оси OX и OZ). Для устранения возможности перемещения тела вдоль оси OY необходимо соединить его торец С двухсторонней связью – координатой y с плоскостью XOZ. Для лишения тела шестой степени свободы (возможности поворотов вокруг собственной оси) должна быть предусмотрена шестая двухсторонняя в виде опорной точки, располагаемой на поверхности шпоночной канавки В.

В реальных условиях базирования четыре двухсторонние связи заменяются четырьмя опорными точками, находящимися в контакте с цилиндрической поверхностью А, называемой двойной направляющей базой. Торцовая поверхность С, на которой располагается пятая опорная точка, называется опорной базой, а шпоночная канавка В, являющаяся шестой опорной точкой, которая заменяет шестую двухстороннюю связь называется второй опорной базой.

число отнятых степеней свободы

Полная ориентировка детали бывает необходима только в неподвижных соединениях деталей сборочных единиц машин. Во всех случаях подвижных соединений детали должны сохранять определенные степени свободы и создания в соединениях шести опорных точек не требуются.

В зависимости от технологической задачи, решаемой при обработке, при ее базировании в приспособлении или на станке могут быть использованы одна, две или три базы, несущие на себе в общей сложности три, четыре пять или шесть опорных точек.

Теоретическая схема базирования представляет собой схему расположения на технологических базах заготовки идеальных опорных точек и условных точек, символизирующих позиционные связи заготовки с принятой системой координат (опорные поверхности приспособлений, координатные плоскости станка и т.п.) При этом на контурных линиях поверхностей заготовок, принятых в качестве технологических баз, проставляются условные обозначения идеальных точек контакта заготовок и приспособлений, которые лишают заготовку соответствующего числа степеней свободы. Согласно ГОСТ 21495-76 - (сбоку) (сверху)

В случае необходимости, когда направление и место приложения зажимного усилия принципиально важны для качественного выполнения планируемой операции, на теоретических схемах могут быть показаны не только опорные точки, но и места приложения и направления усилий зажимов.

Во многих случаях проектирования бывает удобно определить на чертежах взаимное расположение отдельных деталей в узлах и расположение отдельных поверхностей деталей и заготовок не по их поверхности, а по некоторым воображаемым плоскостям, линиям или точкам (плоскость симметрии, осевая линия, биссектриса угла, центровая точка), называемым в этом случае условными или скрытыми базами (ГОСТ 21496-76) (Пример самоцентрирующий патрон – ось заготовки)

Установка заготовок в приспособлениях или на станках состоит из их базирования (ориентировки и закрепления).

При проектировании приспособления конструктор по оснастке обязан предусмотреть создание и расположение опор для базирования заготовки в точном соответствии с теоретической схемой базирования.

При оформлении рабочей технической документации (операционные карты) для упрощения и сокращения работы технолога рекомендуется вместо теоретических схем базирования наносить на операционные эскизы условные обозначения опор, зажимов и установочных устройств, соответствующих ГОСТ 5.1107-81, которые материализуют в реальных приспособлениях идеальные опорные точки.

Пример условного обозначения: опора неподвижная 1 степень свободы

³ патрон трех кулачковый, _Ц патрон и оправки цанговые, патрон поводковый.

Вторя задача, т.е. обеспечение контакта базовых поверхностей заготовки с опорными точками приспособления и полной неподвижности заготовки относительно приспособления в процессе ее обработки, решается пир конструировании приспособления созданием необходимых зажимных устройств.

Закрепление основывается на использовании фрикционных связей.