ЗУБОФРЕЗЕРНЫЙ СТАНОК С ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована как станок с программным управлением для нарезания зубьев прямозубых и косозубых цилиндрических, а также червячных зубчатых колес червячной фрезой методом обкатки.
В настоящее время станки, аналогичные предлагаемому, известны. К ним относится, в частности, описанный в статье «Ванин В.А. Кинематическая структура зубо- и резьбообрабатывающих станков с унифицированными гидравлическими связями в формообразующих цепях //СТИН, 2008, №1». Особенностью этих станков является применение гидравлических шаговых двигателей для обеспечения всех формообразующих движений. Вместо механических кинематических цепей в них для согласования движений используются, в основном, гидролинии, в которые включены перенастраиваемые генераторы гидравлических импульсов. Для точного согласования главного движения (вращение инструмента - фрезы) и окружной подачи заготовки в цепи деления в станках имеется механический дифференциал, выполняющий роль механизма, суммирующего основные и корректирующие движения, для каждого из которых нужен свой шаговый двигатель. Программирование работы описанных станков-аналогов осуществляется путем перенастройки генераторов гидроимпульсов.
Существенным достоинством зубообрабатывающих станков с гидравлическими связями является их пониженная (по сравнению с чисто механическими станками) изнашиваемость - при уменьшенном числе элементов механических передач износ станка оказывается тоже уменьшенным. Кроме того, станок становится дешевле, так как количество точных, а потому дорогостоящих, элементов в нем невелико. Вместе с тем, станки-аналоги имеют и серьезные недостатки. Из-за сжимаемости жидкости и возможных утечек из гидроаппаратуры точность обработки на таких станках получается невысокой. Неудобна и их перенастройка с одного обрабатываемого зубчатого колеса на другое.
Указанных недостатков в значительной степени лишен зубофрезерный станок с программным управлением, описанный в книге «Агурский М.С., Вульфсон И.А. и Ратмиров В.А. Числовое управление станками. - М. Машиностроение, 1966». Указанный станок, принятый нами за прототип, содержит механизм вращения фрезы с приводом, механизм вертикальной подачи фрезы с приводом, механизм окружной подачи заготовки и два его привода и механизм радиального врезания, приводимый в движение вручную. Приводы вертикальной и окружной подач выполнены в виде электрических шаговых двигателей с кольцевыми коммутаторами и гидроусилителями крутящего момента. Кроме того, станок содержит датчик импульсов (назовем его первым), кинематически связанный с механизмом вращения фрезы, первый основной делитель частоты и первый корректирующий делитель частоты, входы которых параллельно соединены с выходом первого датчика импульсов, первый, второй и третий усреднители частоты импульсов и второй основной делитель частоты, вход которого также соединен с выходом первого датчика. Усреднители установлены на выходах делителей, а их выходы подключены к приводам окружной и вертикальной подач (к их коммутаторам). В станке имеется также механический дифференциал, выполняющий функции суммирующего механизма. Один из шаговых приводов механизма окружной подачи установлен на одном входе дифференциала, другой шаговый привод механизма окружной подачи установлен на другом входе дифференциала, а выход дифференциала связан уже с самим механизмом окружной подачи заготовки. При этом выход усреднителя частоты импульсов, соединенный с выходом первого основного делителя частоты, соединен с приводом, установленным на одном входе дифференциала, а выход усреднителя, соединенного с выходом корректирующего делителя частоты, соединен с приводом, установленным на другом входе дифференциала. Выход усреднителя частоты, соединенного с выходом второго основного делителя частоты, подключен к приводу механизма вертикальной подачи напрямую.
Делители частоты, примененные в станке, выполнены программируемыми. Их коэффициенты деления задаются программно в виде вводимых в них двоичных чисел. Вводя нужное число в первый основной делитель, мы задаем требуемое соотношение скоростей вращения фрезы и заготовки. Однако делаем это не всегда с нужной точностью (делитель частоты - устройство дискретное). Если точность нужно увеличить, то аналогично вводится число-программа в корректирующий делитель. Подобным же образом программируется коэффициент деления второго основного делителя частоты.
При работе станка датчик импульсов, кинематически связанный с механизмом вращения фрезы, через первый основной и корректирующий делители подает импульсы на шаговые приводы дифференциала. На его выходе получается перемещение, передаваемое механизму окружной подачи заготовки. Поскольку оно настроено первым основным делителем «грубо», а корректирующим делителем «уточнено», согласование вращения фрезы и окружной подачи заготовки можно обеспечить достаточно точно. Согласование же вертикальной подачи фрезы с ее вращением обеспечивается лишь путем настройки второго основного делителя.
Описанный станок - прототип обеспечивает более высокую точность обработки, чем аналоги с гидравлическими связями. При современном уровне микроэлектроники, его элементы дешевле, чем элементы гидросистем. Он значительно удобнее в перепрограммировании. Однако и он имеет недостатки. Главный его недостаток - применение шаговых двигателей. Их динамические особенности влекут за собой колебательные явления в механизмах подач и ухудшают шероховатость поверхности нарезанных зубьев. Шаговые перемещения снижают и стойкость инструмента, так как создают на него циклические и ударные нагрузки. Недостатком прототипа является и применение дифференциала. Из-за него в станке требуются два привода механизма окружной подачи, а сам он из-за возможных люфтов и износа даже при высокой кинематической точности входящих в него колес является источником динамических погрешностей обрабатываемых деталей. К недостаткам прототипа можно отнести и неавтоматизированное радиальное врезание при работе станка, поскольку ручное радиальное врезание не может производиться равномерно.
Учитывая все это, можно полагать, что принципиальным недостатком станка-прототипа в целом являются его неудовлетворительные динамические качества.
В связи с изложенным, задачей, решаемой при разработке предлагаемой полезной модели, явилось улучшение динамики станка. Одновременно с этим ставилась задача повышения его надежности и точности как следствие улучшения динамики. Принципиально решение указанных задач было обеспечено заменой шаговых приводов подач на бесступенчато регулируемые, путем замены механического дифференциала его электронным аналогом - блоком синхронизации и логическим элементом «ИЛИ» и автоматизацией радиального врезания.
Технически же достижение цели и решение поставленной задачи осуществляется за счет того, что зубофрезерный станок с программным управлением, содержащий механизм вращения фрезы с приводом, механизм вертикальной подачи фрезы с приводом, механизм окружной подачи заготовки и его привод, механизм радиального врезания, первый датчик импульсов, кинематически связанный с механизмом вращения фрезы, первый основной делитель частоты и первый корректирующий делитель частоты, входы которых параллельно соединены с выходом первого датчика импульсов, первый и второй усреднители частоты импульсов, второй основной делитель частоты, вход которого соединен с выходом первого датчика импульсов, отличается от прототипа тем, что он дополнительно снабжен первым блоком синхронизации, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого основного и первого корректирующего делителей частоты, первым логическим элементом «ИЛИ», первый вход которого соединен с первым выходом первого блока синхронизации, второй вход соединен со вторым выходом первого блока синхронизации, а выход соединен со входом первого усреднителя частоты, первым преобразователем «частота - напряжение», вход которого соединен с выходом первого усреднителя частоты импульсов, первым триггером-дискриминатором, первый вход которого также связан с выходом первого усреднителя частоты, вторым датчиком импульсов, вход которого кинематически связан с механизмом окружной подачи, а выход соединен с вторым входом первого триггера-дискриминатора, первым двухвходовым сумматором напряжений, первый вход которого напрямую соединен с выходом первого преобразователя «частота - напряжение», второй вход через вновь введенный первый сглаживающий фильтр соединен с выходом первого триггера-дискриминатора, а выход соединен с приводом механизма окружной подачи, вторым корректирующим делителем частоты, вход которого соединен с выходом первого датчика импульсов, вторым блоком синхронизации, первый вход которого соединен с выходом второго основного делителя частоты, а второй вход соединен с выходом второго корректирующего делителя, вторым логическим элементом «ИЛИ», первый и второй входы которого соединены, соответственно, с первым и вторым выходами второго блока синхронизации, а выход через второй усреднитель частоты импульсов соединен со вновь введенным вторым преобразователем «частота - напряжение», третьим датчиком импульсов, кинематически связанным с механизмом вертикальной подачи, вторым триггером-дискриминатором, первый вход которого соединен с выходом второго усреднителя частоты, а второй вход соединен с выходом третьего датчика, вторым двухвходовым сумматором напряжений, первый вход которого напрямую соединен с выходом второго преобразователя «частота - напряжение», второй вход через вновь введенный второй сглаживающий фильтр соединен с выходом второго триггера-дискриминатора, а выход соединен с приводом механизма вертикальной подачи, третьим основным делителем частоты, вход которого соединен со вторым датчиком импульсов, первым и вторым двухвходовыми логическими элементами «И», первые входы которых соединены с выходом третьего основного делителя, первым вычитающим счетчиком импульсов, счетный вход которого соединен с выходом первого элемента «И», а кодовый выход через вновь введенный третий логический элемент «ИЛИ» соединен со вторым входом второго элемента «И», ключевой схемой, управляющий вход которой соединен с выходом второго элемента «И», а выходы соединены с шинами ввода кода во вновь введенный второй вычитающий счетчик импульсов, преобразователем «код - напряжение», вход которого соединен с выходом второго счетчика импульсов, приводом механизма радиального врезания, вход которого соединен с выходом преобразователя «код - напряжение» через вновь введенный ограничитель напряжения, и четвертым датчиком импульсов, вход которого кинематически связан с механизмом радиального врезания, а выход соединен со счетным входом второго счетчика импульсов, при этом выход третьего элемента «ИЛИ» соединен со вторым входом первого элемента «И» а приводы механизмов подач выполнены бесступенчато регулируемыми.
Схема предлагаемого зубофрезерного станка приведена на фиг. 1. Станок включает в себя механизм вращения фрезы 1 с приводом 2, механизм вертикальной подачи фрезы с приводом 3, механизм окружной подачи заготовки и его привод 4, механизм радиального врезания, первый датчик импульсов 5, кинематически связанный с механизмом вращения фрезы, первый основной делитель частоты 6 и первый корректирующий делитель частоты 7, входы которых параллельно соединены с выходом первого датчика импульсов 5, первый 8 и второй 9 усреднители частоты импульсов и второй основной делитель частоты 10, вход которого соединен с выходом первого датчика импульсов 5. Наряду с перечисленным станок снабжен первым блоком синхронизации 11, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого основного 6 и первого корректирующего 7 делителей частоты, первым логическим элементом «ИЛИ» 12, первый вход которого соединен с первым выходом первого блока синхронизации 11, второй вход соединен со вторым выходом первого блока синхронизации, а выход соединен со входом первого усреднителя частоты 8, первым преобразователем «частота - напряжение» 13, вход которого соединен с выходом первого усреднителя частоты импульсов 8, первым триггером-дискриминатором 14, первый вход которого также связан с выходом первого усреднителя частоты 8, вторым датчиком импульсов 15, вход которого кинематически связан с механизмом окружной подачи, а выход соединен со вторым входом первого триггера-дискриминатора 14, первым двухвходовым сумматором напряжений 16, первый вход которого напрямую соединен с выходом первого преобразователя «частота - напряжение» 13, второй вход через вновь введенный первый сглаживающий фильтр 17 соединен с выходом первого триггера-дискриминатора 14, а выход соединен с приводом механизма окружной подачи 4, вторым корректирующим делителем частоты 18, вход которого соединен с выходом первого датчика импульсов 5, вторым блоком синхронизации 19, первый вход которого соединен с выходом второго корректирующего делителя 18, вторым логическим элементом «ИЛИ» 20, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с первым и вторым выходами второго блока синхронизации 19, а выход через второй усреднитель частоты импульсов 9 соединен со вновь введенным вторым преобразователем «частота - напряжение» 21, третьим датчиком импульсов 22, кинематически связанным с механизмом вертикальной подачи, вторым триггером-дискриминатором 23, первый вход которого соединен с выходом второго усреднителя частоты 9, а второй вход соединен с выходом третьего датчика 22, вторым двухвходовым сумматором напряжений 24, первый вход которого напрямую соединен с выходом второго преобразователя «частота - напряжение» 21, второй вход через вновь введенный второй сглаживающий фильтр 25 соединен с выходом второго триггера-дискриминатора 23, а выход соединен с приводом механизма вертикальной подачи 3, третьим основным делителем 26, вход которого соединен со вторым датчиком импульсов 15, первым 27 и вторым 28 двухвходовыми логическими элементами «И»,первые входы которых соединены с выходом третьего основного делителя 26, первым вычитающим счетчиком импульсов 29, счетный вход которого соединен с выходом первого элемента «И» 27, а кодовый выход через вновь введенный третий логический элемент «ИЛИ» 30 соединен со вторым входом второго элемента «И» 28, ключевой схемой 31, управляющий вход которой соединен с выходом второго элемента «И» 28, а выходы соединены с шинами ввода кода во вновь введенный второй вычитающий счетчик импульсов 32, преобразователем «код-напряжение» 33, вход которого соединен с выходом второго счетчика импульсов 32, приводом механизма радиального врезания 34, вход которого соединен с выходом преобразователя «код - напряжение» 33 через вновь введенный ограничитель напряжения 35, и четвертым датчиком импульсов 36, вход которого кинематически связан с механизмом радиального врезания, а выход соединен со счетным входом второго счетчика импульсов 32. При этом выход элемента «ИЛИ» 30 соединен со вторым входом первого элемента «И» 27, а приводы 3, 4, 34 механизмов подач выполнены бесступенчато регулируемыми.
Все элементы системы управления станка выполнены на типовых микросхемах. Делители частоты и усреднители выполнены так, как описано в упомянутой книге М.С. Агурского и др. (как в прототипе). В качестве первого, второго и третьего датчиков импульсов применены известные круговые датчики импульсов типа ЛИР. В качестве четвертого датчика применен линейный датчик ЛИР.
1
1
2
2
1
1
При использовании предлагаемого станка на него вначале устанавливают червячную фрезу и заготовку нарезаемого зубчатого колеса, а затем производят настройку. Для этого общеизвестными методами, исходя из параметров фрезы и подлежащих нарезанию зубьев колеса, рассчитывают необходимое соотношение скоростей вращения фрезы и заготовки и необходимые соотношения скоростей вращения фрезы и вертикальной подачи фрезы. После этого в основные делители частоты 6 и 10 вводят коэффициенты деления, соответственно, ω и y насколько можно более точно, но, все-таки, грубо задающие расчетные соотношения (при этом к точным значениям соотношений приближаются с меньшей стороны). Далее в корректирующие делители частоты 7 и 18 вводят коэффициенты деления ω и y, уточняющие ω и y (они, как правило, больше коэффициентов, введенных в делители 6 и 10). Коэффициент делителя частоты 26 не настраивается. Он априорно задан равным числу импульсов датчика 15 за один оборот. После настройки делителей 6, 7, 10, 18, на ключевую схему 31 подают в двоичном коде величину X, отображающую радиальное врезание фрезы в заготовку за один оборот последней. В счетчик 29 вводят двоичное число k, равное количеству проходов, за которое должны быть нарезаны на колесе зубья полной высоты. В заключение настройки ограничитель напряжения 35 сигналом Ρ настраивают на порог срабатывания, ограничивающий входное напряжение этого элемента до величины, задающей максимальную скорость привода 34.
Завершив настройку, фрезу подводят к заготовке и производят начальное врезание. Далее станок включают в автоматический режим. При работе станка в автоматическом режиме фреза 1 вращается и датчик 5 выдает импульсы на делители 6 и 7, 10 и 18. Проходя через делители 6 и 7, импульсы поступают на блок синхронизации 11, а проходя через делители 10 и 18 - на блок синхронизации 19. Блок синхронизации предназначен для того, чтобы импульсы, поступающие на него одновременно, сместить во времени друг относительно друга так, чтобы они не накладывались один на другой (схема блока синхронизации общеизвестна; см., например, книгу И.Т. Гусев и др. Устройства числового программного управления. - М.: Высшая школа, 1986). С выходов блоков синхронизации 11 и 19 импульсы поступают на элементы «ИЛИ» 12 и 20, где объединяются в общие последовательности, одна из которых поступает на усреднитель 8, а затем на преобразователь «частота - напряжение» 13, а другая - на усреднитель 9, а затем на преобразователь «частота - напряжение» 21. Напряжение от преобразователя 13 через сумматор 16 поступает на привод окружной подачи заготовки 4, а напряжение от преобразователя 21 через сумматор 24 поступает на привод вертикальной подачи 3. В результате приводы 3 и 4 вращаются со скоростями, согласованными нужным образом с скоростью привода 2. При работе приводов 3 и 4, однако, возможны некоторые отклонения фактической скорости от требуемой. Это чаще всего происходит из-за нестабильности сил сопротивления. Для того, чтобы такие отклонения ликвидировать, используются триггеры - дискриминаторы 14 и 23 (их схемы также общеизвестны). Если на входы, например, триггера-дискриминатора 14 от датчика импульсов 15 и с выхода усреднителя 8 поступают последовательности импульсов, одинаковые по частоте и фазе, то на выходе фильтра 17 напряжение будет равно нулю. Если равенство нарушается, то на выходе этого фильтра появится сигнал напряжения, корректирующего через сумматор 16 скорость привода 4. Аналогично будет корректироваться и скорость привода 3.
Что касается работы привода радиального врезания 34, то она происходит так. Когда в счетчик 29 вводится число k, то на выходе схемы «ИЛИ» 30 появится сигнал «логическая единица». При вращении заготовки импульсы от датчика 15 поступают на делитель 26 и когда датчик совершит один оборот, на выходе этого делителя появится импульс. Перед этим на управляющий вход ключевой схемы 31 был подан импульсный сигнал «Пуск» (см. фиг.), что привело к вводу числа X в счетчик 32. Код с выхода счетчика 32 преобразователем «код - напряжение» 33 был преобразован в напряжение, ограниченное в элементе 35 сигналом Р, и привод 34 производил радиальное врезание. По мере врезания импульсы от датчика 36 поступают на счетный вход счетчика 32 и вычитаются. Число на выходе счетчика постепенно уменьшается, и когда станет равным нулю, врезание прекратится. Когда на выходе делителя 26 появится импульс, он пройдет через логический элемент «И» 28 и ключевая схема 31 вновь введет в счетчик 32 число X. Врезание начнется снова. Но импульс с выхода делителя 26 поступит и на элемент «И» 27, на вход которого была подана «единица» с выхода элемента «ИЛИ» 30. Из-за этого поступит импульс в счетчик 29 и на его выходе число уменьшится. Так будет повторяться, пока счетчик 29 не обнулится. И каждый раз врезание будет происходить еще раз. Обнуление счетчика 29 произойдет когда отработается число k, т.е. произойдет к циклов врезания. Таким образом получается, что врезание (работа привода 34) автоматически согласуется с работой привода 4, а значит с работой приводов 2иЗ.
Автоматизация радиального врезания, применение регулируемых приводов, использование блоков синхронизации и других описанных элементов, а также их связи, приводят к техническому результату, выражающемуся в улучшении динамики станка. Это и есть технический результат разработки предлагаемой полезной модели.