Управление перемещением каретки токарного модуля в режиме стружкодробления

УДК 681.5

DOI 10.21685/2072-3059-2017-4-9

М. В. Виноградов, А. А. Игнатьев, И. В. Клепова

УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ КАРЕТКИ ТОКАРНОГО МОДУЛЯ В РЕЖИМЕ СТРУЖКОДРОБЛЕНИЯ

Аннотация.

Актуальность и цели. Приведены анализ работы токарного модуля и результаты исследований динамических процессов, возникающих при возвратно-поступательных перемещениях каретки приводов подачи в режиме струж-кодробления.

Материалы и методы. Замкнутые электромеханические приводы с многоступенчатой фрикционной передачей (МФП) продольной и поперечной подач токарного модуля в сочетании с аэростатическими направляющими позволяют с большой степенью точности (без проскальзывания) отрабатывать соответствующий закон движения каретки с крепящимся на ней резцедержателем. С помощью данной системы стружку возможно дробить как при продольном, так и при торцевом точении, что позволяет обеспечить токарную обработку в режиме стружкодробления деталей практически любой конфигурации.

Результаты. При обработке в режиме стружкодробления на токарном модуле типа ТПАРМ, имеющем МФП, аэростатические направляющие и лазерный интерферометрический датчик обратной связи, обеспечивается эффективное стружкодробление при обработке различных материалов, в частности, деталей из медных и алюминиевых сплавов.

Выводы. Использование возвратно-поступательных движений каретки в соответствии с установленным законом изменения скорости перемещения в режиме стружкодробления в приводах подачи прецизионных токарных модулей позволяет наряду с надежным дроблением стружки исключить наросто-образование на режущей кромке инструмента и получить высокое качество обработки без заметного снижения стойкости инструмента.

Ключевые слова: токарная обработка, привод подачи, многоступенчатая фрикционная передача, управление скоростью перемещения, стружкодроб-ление.

M. V. Vinogradov, A. A. Ignat'ev, I. V. Klepova

CONTROL OF TURNING MODULE CARRIAGE MOVEMENT IN CHIP BREAKING MODE

Abstract.

Background. The article analyzes turning module functioning and presents the results of studies on dynamic processes occuring at reciprocating movements of the feeding drive carriage in chip breaking mode.

Materials and methods. Closed electromechanical actuators with multi-stage friction gears (FIP) of longitudinal and cross tunring module feeds in combination with aerostatic guides provide high accuracy (no slippage) of the corresponding motion of the carriage with mounted t tool holder. Using this system it is possible to split chips both at longitudinal and face turning, thus providing turning processing in chip breaking mode for parts of virtually any configuration.

Results. When working in chip breaking mode on turning module TPARM with multiple friction gears, aerostatic guides and a laser interferometric feedback sensor, the technique ensures efficient chip breaking when machining different materials, in particular, parts made from copper and aluminum alloys.

Conclusions. In chip breaking mode, the use of reciprocating movements of the carriage in accordance with the established rule of moving speed change in feed drives of precision turning modules allows to eliminate built-up on the cutting edge along with reliable chip breaking and to get high quality treatment without significant reduction in tool life.

Key words: turning, feed drive, multiple friction gears, moving speed control, chip breaking.

Введение

Наиболее распространенным методом обработки деталей класса «тела вращения», к которому относятся более 70 % всех деталей машиностроительного производства, является токарная обработка. Токарная обработка металлов характеризуется образованием сливной стружки, что является неблагоприятным фактором по ряду причин. За счет затрат времени на удаление такого рода стружки из зоны обслуживания станка, а также возможности прерывания технологического процесса снижается производительность труда. В процессе резания сливная стружка препятствует точному позиционированию инструмента, исключает использование датчиков контроля, может вызвать поломку инструмента, препятствует механизации вспомогательных процессов ее уборки и транспортировки. Сливная стружка, навиваясь на обрабатываемую заготовку, ухудшает качество поверхности детали, затрудняет подвод технологической жидкости в зону резания, вызывает нежелательное повышение температуры в ней, что, в свою очередь, не может не сказываться отрицательно на стойкости инструмента и качестве обработанной поверхности [1-3].

1. Анализ методов дробления стружки при обработке

Известные методы дробления сливной стружки в процессе обработки деталей на станках подразделяются на две группы: с постоянными и переменными параметрами процесса резания [1]. В случае резания с постоянными параметрами дробление стружки обеспечивается за счет регулирования режимов резания, подбора геометрических параметров режущего инструмента и использования дополнительных приспособлений (пороги и уступы на передней грани резца, лунки, экраны, накладные регулируемые стружколомы и т.д.), тепловое (расплавление, электроискровой метод) или другое воздействие на стружку. Такие методы обработки отличаются невысокой стоимостью, простотой реализации, однако их эффективность ограничена вследствие того, что дробление при них определяется не только свойствами применяемых устройств, но и характеристиками самой стружки, ввиду чего излом ее в процессе резания носит в определенной степени случайный характер. Каждая переналадка оборудования для выполнения нового технологического процесса требует длительной предварительной работы по подбору оптимальных режимов резания, рельефа режущего инструмента, параметров устройства для дробления стружки. Дробление стружки с переменными параметрами обеспечивает гарантированное получение элементной стружки [1].

Процесс дробления может происходить либо в ходе прерывистого резания, когда происходит выход режущей кромки инструмента из обрабатываемого материала, либо при непрерывном за счет периодического изменения толщины срезаемого слоя. Такой метод известен также под названием вибрационное резание. Динамическая нагрузка - случай, когда нагрузка достаточно быстро изменяет свое направление или величину, т.е. зависит от времени. Такой режим вызывает значительные силы инерции, которые приводят к появлению дополнительных (к статическим) напряжений и деформаций. Необходимо минимизировать возникновение динамических нагрузок в процессе стружкодробления при токарной обработке деталей.

2. Влияние дробления стружки на качество обработки и стойкость инструмента

В зависимости от характера колебательного движения инструмента различают резание с гармоническими вибрациями и резание с колебаниями негармонического вида. Частным случаем резания с вибрациями негармонического вида малой частоты является дискретное резание, заключающееся в периодической остановке инструмента или его отводе в направлении, противоположном направлению резания [2]. Кроме эффекта дробления стружки, достигается повышение эффективности действия технологической жидкости, что приводит к снижению температуры резания и, в отличие от методов резания с постоянными параметрами, - отсутствию наростообразования. Таким образом, стойкость инструмента снижается незначительно.

Добиться надежного дробления стружки с получением высокого качества поверхности деталей позволяет многоступенчатая фрикционная передача привода подач токарного модуля типа ТПАРМ в сочетании с аэростатическими направляющими суппорта. Приводы продольной и поперечной подач данного станка позволяют с большой степенью точности (без проскальзывания) отрабатывать соответствующий закон движения суппорта с крепящимся на нем резцедержателем, причем с помощью данной системы стружку возможно дробить как при продольном, так и при торцевом точении [4]. Существенной особенностью привода является наличие в нем фрикционной механической передачи, в которой применены две цилиндрические фрикционные пары и две пары ролик-шток (рис. 1).

Отличительной особенностью предлагаемой системы управления приводом продольной подачи является то, что в систему введен второй контур: управление подачей по отклонению силы резания от заданной.

Для упрощения решения все силы, приложенные к разным звеньям, заменим на приведенную силу, приложенную к ведущему звену механизма, а массы всех звеньев механизма заменим условной приведенной массой, связанной со звеном приведения. Вращающиеся детали многоступенчатой фрикционной передачей (МФП) можно рассматривать как цилиндрические элементы с сосредоточенной массой. Каждый элемент разбивается на участки постоянного диаметра и по таблицам значений единичных моментов Jед определяются моменты инерции

J = V,

где l - длина участка.

Блок

управления

двигателем

Рис. 1. Схема привода с фрикционной механической передачей: О о, ..., О3 - ролики ФМП, Р1, ..., Р3 - силы прижима роликов [4]

Для определения моментов инерции участков ролика, для которых отсутствуют табличные значения единичных моментов Jед, момент инерции определяется по формуле

т G К

J =----1

g 32

где а - плотность материала ролика; g - ускорение свободного падения; I - длина участка ролика; й - диаметр участка ролика.

Момент инерции ведущего ролика определяется как сумма моментов инерции всех его участков

п

Ъ>к,

к=1

где к - номер участка ведущего ролика.

Приведенные моменты инерции 3пр определяются по формуле

Jпр = 3 • /2,

где I - передаточное отношение от ролика, приведенный момент инерции 3пр которого определяется к ведущему ролику 03 (табл. 1).

Таблица 1

Моменты инерции роликов МФП

х

вх

4

Обозначение ролика Момент инерции, кг-м2-10-5 Приведенный момент инерции, кг-м2-10-5

Oo 2,8192013 0,0041727

Oi 29,807391 0,0682582

02 22,385149 1,2036878

0з 0,1163902 0,1163902

Массы кареток суппорта модуля типа ТПАРМ принимаются равными 200 и 400 кг. Ролик, передающий момент на шток, имеет радиус г = 10 мм. Приведенный момент инерции каретки определяется по формуле

^р кар = m'

где m - масса каретки.

Результаты вычислений занесены в табл. 2.

Таблица 2

Моментные характеристики приводов

Элемент Приведенный момент инерции, кг-м2-10-5 Величина пускового

привода момента, Н-м-10-2

Каретка т = 200 кг 4,58 4,758

Каретка т = 400 кг 9,16 9,57

Двигатель ДП-40 1,2 9,6

Двигатель ДП-60 7,3 21,6

3. Выбор закона управления движением каретки

Имеется система, включающая последовательно соединенные исполнительный электродвигатель (ДП-40 или Д11-60), ФМП и объект управления (каретки массой m = 200 и 400 кг). Задача: получить передаточные функции, построить амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), определить полосу пропускания привода.

Передаточная функция замкнутой системы автоматического управления имеет вид

^

1 + №(р) TЭм2 p2 + 2YTЭмP+1 + к

где Тэм - электромеханическая постоянная времени; к - коэффициент передачи системы; у - коэффициент затухания,

к = -,

и

здесь ю - скорость исполнительной оси; и - управляющее напряжение в установившемся режиме.

Электромеханическая постоянная времени электродвигателя совместно с объектом управления:

Тэм = ,

М п

где J - суммарный момент инерции системы, приводимый к валу двигателя

^ = Jдв + %,

п2

где п - передаточное число редуктора; ./дв, ./оу - моменты инерции двигателя и объекта управления.

Добиться надежного дробления стружки с получением высокого качества поверхности позволяет задание специального закона управления скоростью перемещения каретки. Были смоделированы трапецеидальный, синусоидальный и колоколообразный (гауссовой формы) законы перемещения каретки [3, 5]. По полученным в результате вычислений передаточным функциям были построены их амплитудные спектры (АЧХ) для двигателя постоянного тока ДП-60 и массе каретки т = 400 кг, вид которых соответствует типовому (рис. 2).

Atrap а

Asinn А А

Akol,,

ее'

1

A

\\

1 n l

10

Рис. 2. Амплитудные спектры трапецеидального, синусоидального и гауссовой формы законов перемещения каретки

Из сопоставительного анализа спектральных составляющих видно, что целесообразным законом перемещения каретки привода подачи токарного модуля будет являться тот, при котором величина ускорения будет ниже. Исходя из полученных спектральных амплитуд различных входных сигналов трапецеидальной, синусоидальной и гауссовой формы (рис. 2), можно сделать вывод, что таким законом будет являться сигнал гауссовой формы, поскольку амплитуды гармоник, пропускаемых приводом подачи, меньше, чем при трапецеидальной и синусоидальной форме сигнала. Снижение уровня основной гармоники при выбранном законе управления приводит к снижению динамических нагрузок в приводе в режиме стружкодробления, а также способствует повышению стойкости инструмента по сравнению с трапецеидальным законом управления, применяемым в производстве.

Форма получаемой дискретной стружки зависит от материала и режимов обработки и в целом соответствует изложенному выше (рис. 3).

Заключение

Результаты экспериментально-аналитических исследований и накопленный опыт эксплуатации прецизионных токарных модулей типа ТПАРМ с приводом подачи на основе МФП позволяют сделать вывод, что в режиме

стружкодробления привод подачи с предлагаемым колоколообразным законом управления скоростью перемещения каретки обеспечивает надежное дробление стружки при обработке различных материалов.

Рис. 3. Стружка, получаемая при токарной обработке различных деталей в режиме стружкодробления

Библиографический список

1. Ахметшин, Н. И. Вибрационное резание металлов / Н. И. Ахметшин, Э. М. Гоц, Н. Ф. Родиков. - Л. : Машиностроение, 1987. - 80 с.

2. Виноградов, М. В. Моделирование управления приводом подачи / М. В. Виноградов, А. А. Игнатьев, И. В. Клепова // Автоматизация и управление в маши-но- и приборостроении : сб. науч. тр. - Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т, 2015. -С. 69-73.

3. Виноградов, М. В. Приводы подачи прецизионных автоматизированных станков с многоступенчатой фрикционной передачей : монография / М. В. Виноградов, А. А. Игнатьев, Е. А. Сигитов. - Саратов : Изд-во СГТУ, 2014. - 140 с.

4. Виноградов, М. В. Управление приводом подачи токарного станка в режиме стружкодробления / М. В. Виноградов // Автоматизация и управление в машино-и приборостроении : сб. науч. тр. - Саратов : Изд-во СГТУ, 2014. - С. 18-26.

5. Виноградов, М. В. Обеспечение нанометровой точности перемещений рабочих органов автоматизированных станков / М. В. Виноградов, А. А. Игнатьев, Е. А. Сигитов. - Саратов : Изд-во СГТУ, 2011. - 100 с.

References

1. Akhmetshin N. I., Gots E. M., Rodikov N. F. Vibratsionnoe rezanie metallov [Vibration cutting of metals]. Leningrad: Mashinostroenie, 1987, 80 p.

2. Vinogradov M. V., Ignat'ev A. A., Klepova I. V. Avtomatizatsiya i upravlenie v mashino- i priborostroenii: sb. nauch. tr. [Automation and control in instrument and mechnaical engineering: collected papers]. Saratov: Sarat. gos. tekhn. un-t, 2015, pp. 69-73.

3. Vinogradov M. V., Ignat'ev A. A., Sigitov E. A. Privody podachi pretsizionnykh avtomatizirovannykh stankov s mnogostupenchatoy friktsionnoy peredachey: monografiya [Feed drives of precision automatic lathes with multiple friction gears: monograph]. Saratov: Izd-vo SGTU, 2014, 140 p.

4. Vinogradov M. V. Avtomatizatsiya i upravlenie v mashino- i priborostroenii: sb. nauch. tr. [Automation and control in instrument and mechnaical engineering: collected papers]. Saratov: Izd-vo SGTU, 2014, pp. 18-26.

5. Vinogradov M. V., Ignat'ev A. A., Sigitov E. A. Obespechenie nanometrovoy tochnosti peremeshcheniy rabochikh organov avtomatizirovannykh stankov [Providing nanometer precision of automatic lathe's operating elements movement]. Saratov: Izd-vo SGTU, 2011, 100 p.

Виноградов Михаил Владимирович

доктор технических наук, профессор, кафедра автоматизации, управления, мехатроники, Саратовский государственный технический университет имени Ю. А. Гагарина

E-mail: michail2202@mail.ru

Игнатьев Александр Анатольевич

доктор технических наук, профессор, кафедра автоматизации, управления, мехатроники, Саратовский государственный технический университет имени Ю. А. Гагарина

E-mail: michail2202@mail.ru

Клепова Ирина Викторовна

аспирант, Саратовский государственный технический университет имени Ю. А. Гагарина

E-mail: michail2202@mail.ru

Vinogradov Mikhail Vladimirovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of automation, control, mechatronics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Ignat'ev Aleksandr Anatol'evich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of automation, control, mechatronics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Klepova Irina Viktorovna Postgraduate student, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

УДК 681.5 Виноградов, М. В.

Управление перемещением каретки токарного модуля в режиме стружкодробления / М. В. Виноградов, А. А. Игнатьев, И. В. Клепова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2017. - № 4 (44). - С. 94-101. БО! 10.21685/2072-3059-2017-4-9