ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ НАГРУЗКИ НА ШПИНДЕЛЕ СИЛОВОЙ ГОЛОВКИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА ДЛЯ СИСТЕМЫ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ЦИЛИНДРОМ ПОДАЧИ СИЛОВОЙ ГОЛОВКИ

Полезная модель относится к оборудованию машиностроительных производств и может быть использована в системах адаптивного управления гидравлическими цилиндрами подачи силовых головок металлорежущих станков.
Известна адаптивная система управления подачей самодействующей силовой головки агрегатного станка, содержащая золотниковый управляющий клапан, установленный на входе или выходе гидравлического цилиндра подачи, у которого полости управления гидравлическими линиями соединены с полостями цилиндра [1].
Недостатком системы является то, что она изменяет подачу при любом изменении нагрузки на штоке цилиндра, которое может быть вызвано различными причинами: изменения условий обработки, изменения сил трения в цилиндре и направляющих корпуса и основания, изменения внутренних утечек жидкости в цилиндре и другие. Не обеспечивается точность настройки заданного режима обработки материалов на станке.
Известна адаптивная система управления подачей силовой агрегатной головки, содержащая в приводе главного движения измерительный преобразователь изменения нагрузки на шпинделе, выполненный в виде динамометрического привода (приводного торсиометра), который механической пружинно-реечной передачей связан с осевым регулирующим дросселем, установленным на сливе из гидравлического цилиндра подачи [2].
Недостатком системы является то, что конструкция измерительного преобразователя вращающего момента в виде динамометрического привода (приводного торсиометра) с механической пружинно-реечной передачей не обеспечивает точность настройки системы на заданный режим работы, имеет сложную конструкцию и ограничивает технические возможности силовой головки.
В качестве прототипа принята адаптивная система управления гидравлическим цилиндром подачи силовой агрегатной головки станка для механической обработки, содержащая измерительный преобразователь вращающего момента, выполненный с возможностью соединения с электродвигателем привода вращения шпинделя головки и связанный с осевым регулирующим дросселем, выполненным с управляющими и управляемой полостями с возможностью соответствующего соединения управляемой полости с гидравлическим цилиндром и через панель управления с насосной станцией с возможностью управления скоростью гидравлического цилиндра подачи.
Измерительный преобразователь выполнен в виде расположенного в неподвижном коллекторе ротора, выполненного с возможностью соосного соединения с вращающейся частью электродвигателя, и размещенных в сквозной радиальной расточке ротора корпуса и подвижных упоров, установленных с возможностью регулировки заданного положения корпуса в расточке посредством винтов, расположенных в крышках радиальной расточки ротора. При этом в корпусе расположены соосно навстречу друг другу с возможностью регулировки осевого положения два сопла с измерительными камерами, между которыми размещена подпружиненная с двух сторон подвижная инерционная заслонка, а с другой стороны сопел установлены постоянные дроссели. Сопла и постоянные дроссели соединены по мостовой схеме, в которой полости корпуса перед постоянными дросселями соединены линией подвода рабочей среды с панелью управления, полость корпуса между соплами соединена с линией отвода рабочей среды, а измерительные камеры сопел соединены управляющими линиями с управляющими полостями, расположенными под торцами подвижного элемента осевого регулирующего дросселя.
Анализ прототипа показывает, что измерительный преобразователь вращающего момента не обеспечивает точность настройки системы управления на заданный режим работы, имеет сложную конструкцию и ограничивает технические возможности системы управления.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение точности настройки адаптивной системы управления гидравлическим цилиндром подачи силовой головки металлорежущего станка на заданный режим работы, упрощение конструкции и расширение технических возможностей упомянутой системы управления за счет настройки силовых и скоростных параметров резания в широких диапазонах.
Решение указанной задачи достигается тем, что измерительный преобразователь снабжен ступицей, выполненной с возможностью установки на шпинделе силовой головки, двумя втулками, одна из которых установлена на ступице неподвижно, а другая выполнена с фланцем и установлена на ступице подвижно относительно нее в осевом направлении, и упругими элементами, соединяющими упомянутые втулки, при этом на упругих элементах закреплены центробежные грузы, а неподвижная втулка установлена с возможностью регулирования ее положения вдоль оси ступицы посредством гаек, с регулированием предварительной деформации упругих элементов, причем корпус сопел установлен неподвижно, а в качестве заслонки использован фланец подвижной втулки.
Сравнение заявленной полезной модели с прототипом показывает, что имеет место наличие новых деталей и функциональных связей между ними.
Новые детали: ступица измерительного преобразователя; неподвижная и подвижная втулки; упругие элементы; центробежные грузы; гайки для регулирования предварительной деформации упругих элементов; неподвижный корпус с соплами; заслонка в виде фланца подвижной втулки.
Новые функциональные связи: ступица измерительного преобразователя служит основанием для крепления неподвижной втулки и направляющей для подвижной втулки, что упрощает конструкцию упомянутого преобразователя и обеспечивает точное положение заслонки; упругие элементы обеспечивают радиальное перемещение центробежных грузов, пропорциональное изменению нагрузки на шпинделе силовой головки в широком диапазоне; центробежные грузы являются чувствительными элементами измерительного преобразователя и обеспечивают высокую точность настройки адаптивной системы управления на заданный режим работы; гайки служат для точного регулирования деформации упругих элементов при настройке измерительного преобразователя; неподвижный корпус обеспечивает точное расположение сопел относительно заслонки; заслонка в виде фланца подвижной втулки образует с соплами регулируемые переменные дроссели мостовой схемы.
Наличие новых деталей и функциональных связей между ними повышает точность настройки адаптивной системы управления гидравлическим цилиндром подачи силовой головки металлорежущего станка на заданный режим работы, упрощает конструкцию и расширяет технические возможности упомянутой системы управления за счет настройки силовых и скоростных параметров резания в широких диапазонах.
На фиг. 1 показана конструктивная схема измерительного преобразователя изменения нагрузки на шпинделе силовой головки металлорежущего станка, включенного в систему адаптивного управления гидравлическим цилиндром подачи силовой головки.
Измерительный преобразователь 1 изменения нагрузки на шпинделе 2 силовой головки 3 металлорежущего станка для системы адаптивного управления гидравлическим цилиндром 4 подачи силовой головки содержит установленные в корпусе 5 два сопла 6 и 7 с измерительными камерами 8 и 9, которые расположены соосно навстречу друг другу с возможностью регулирования их осевого положения, заслонку 10, размещенную между соплами, и постоянные дроссели 11 и 12, установленные на входах в измерительные камеры. Сопла и постоянные дроссели соединены по мостовой схеме, в которой входы постоянных дросселей соединены с линией 13 подвода рабочей среды, выходы из сопел соединены с линией 14 отвода рабочей среды. Измерительные камеры выполнены с возможностью соединения управляющими линиями 15 и 16 с управляющими полостями 17 и 18, расположенными под торцами подвижного элемента 19 осевого регулирующего дросселя 20, соответствующим образом связанного с линиями подвода 21, 22 и отвода 23, 24 рабочей среды и с полостями 25 и 26 гидравлического цилиндра.
Измерительный преобразователь снабжен ступицей 27, выполненной с возможностью установки на шпинделе силовой головки, двумя втулками 28 и 29, одна из которых установлена на ступице неподвижно, а другая выполнена с фланцем и установлена на ступице подвижно относительно нее в осевом направлении, и упругими элементами 30 и 31, соединяющими втулки. На упругих элементах закреплены центробежные грузы 32 и 33, а неподвижная втулка установлена с возможностью регулирования ее положения вдоль оси ступицы посредством гаек 34 и 35, с регулированием предварительной деформации упругих элементов. Корпус сопел установлен неподвижно, а в качестве заслонки использован фланец подвижной втулки.
Измерительный преобразователь изменения нагрузки на шпинделе силовой головки металлорежущего станка для системы адаптивного управления гидравлическим цилиндром подачи силовой головки работает следующим образом.
Предварительная настройка системы управления включает в себя несколько операций.
Первую операцию выполняют при неработающем станке, когда подвижная втулка 29 измерительного преобразователя находится в крайнем правом положении и прижата упругими элементами 30 и 31 к бурту ступицы. Операция предусматривает предварительную деформацию упругих элементов, которая настраивается гайками 34 и 35, определяющими положение неподвижной втулки 28 на ступице и расстояния грузов 32 и 33 от оси вращения, в зависимости от заданного диапазона изменения нагрузки на шпинделе силой головки.
Вторую операцию настройки системы производят при вращении шпинделя с максимальной частотой без нагрузки. При этом выполняют регулировку положения сопел 6 и 7 в корпусе 5 для настройки одинаковых зазоров между торцами сопел и фланцем подвижной втулки. В результате регулировки давления рабочей среды в управляющих линиях 15, 16 и управляющих полостях 17 и 18 осевого дросселя 20 должны быть одинаковыми.
На третьей операции путем регулирования расхода рабочей среды, подводимого к гидравлическому цилиндру 4 подачи и отводимого от него на слив через осевой регулирующий дроссель 20, настраивают скорости холостых ходов силовой головки при подводе инструмента к заготовке и при отводе инструмента в исходное положение. Для этого посредством регулирования пружин под торцами подвижного элемента 19 настраивают необходимые проходные сечения осевого дросселя.
При работе силовой головки рабочая среда через осевой дроссель поступает в поршневую полость 25 гидравлического цилиндра подачи, а из штоковой полости 26 отводится на слив. Силовая головка вместе с корпусом цилиндра перемещается справа налево.
Одновременно рабочая среда по линии 13 подвода поступает через постоянные дроссели 11 и 12 в измерительные камеры 8 и 9 сопел 6 и 7, а затем, пройдя сопротивления в виде зазоров между торцами сопел и заслонки 10, сливается по линии 14.
При вращении шпинделя силовой головки на грузах 32 и 33 преобразователя возникают центробежные силы инерции, радиально направленные от оси шпинделя. Центробежная сила инерции каждого груза пропорциональна его массе, величине настроенного расстояния груза от оси вращения и квадрату угловой скорости шпинделя силовой головки. Действие центробежных сил через упругие элементы передается подвижной втулке с заслонкой в виде фланца.
При врезании инструмента в заготовку возникает момент сопротивления вращению шпинделя, происходит уменьшение частоты вращения и сил инерции на центробежных грузах измерительного преобразователя. Упругие элементы перемещают подвижную втулку с заслонкой 10 вправо, в новое положение равновесия сил. Заслонка изменяет гидравлические сопротивления зазоров между ее торцами и торцами сопел.
Сопротивление истечению рабочей среды из сопла 7 увеличивается, а из сопла 6 уменьшается, давление в измерительной камере 9, управляющей линии 16 и управляющей полости 18 осевого дросселя возрастает, а давление в камере 8, управляющей линии 15 и управляющей полости 17 осевого дросселя уменьшается.
Под действием разности давлений подвижный элемент 19 осевого регулирующего дросселя смещается влево, устанавливая проходные сечения соответствующие скорости рабочей подачи силовой головки.
В дальнейшем любое изменение момента сопротивления вращению шпинделя силовой головки будет приводить к соответствующему изменению подачи (увеличение момента сопротивления будет приводить к уменьшению подачи, а уменьшение момента сопротивления - к увеличению подачи), то есть будет происходить адаптация работы гидравлического цилиндра подачи к изменениям условий обработки материала на станке.
После завершения обработки детали рабочая среда подается в штоковую полость гидравлического цилиндра, а из поршневой полости отводится на слив. Силовая головка возвращается в исходное положение.
Источники информации, принятые во внимание
1. Бектибай Б.Ж. Разработка универсальной адаптивной автоматической системы управления режимами работ гидравлических силовых головок станков. - Автореферат дисс. …канд. техн. наук. - Республика Казахстан, Алматы, Казахский национальный технический университет им. Канына Сатпаева, 2001. - С. 6 - 7, рис. 1.
2. Тверской М.М. Стабилизация нагрузки на сверле в процессе глубокого сверления при многошпиндельной обработке. - В кн. Самоподнастраивающиеся станки / Под ред. Б.С. Балакшина. - М.: Машиностроение, 1970. - С. 259 - 262, рис. 1 и 2.
3. Патент РФ на полезную модель №199898, кл. B23Q 15/12, B23Q 5/06, 2020 (прототип).