АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ЦИЛИНДРОМ ПОДАЧИ СИЛОВОЙ АГРЕГАТНОЙ ГОЛОВКИ СТАНКА ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Полезная модель относится к оборудованию машиностроительных производств и может быть использована при механической обработке материалов на агрегатных станках с адаптивным управлением подачей силовых головок.
Известны системы управления силовыми агрегатными головками, в которых использованы гидравлические панели целевого назначения, содержащие встраиваемые направляющие и регулирующие аппараты. Номинальное осевое усилие на режущем инструменте определяется предварительной настройкой предохранительного или редукционного клапана на заданное давление в рабочей полости поршневого гидравлического цилиндра подачи головки, а скорость поступательного движения (подача) инструмента определяется настройкой дросселя или регулируемого насоса на заданный расход жидкости, подводимой к цилиндру или отводимой от него в бак. Управление осуществляется «по пути», то есть по перемещению головки, для чего используют регулируемые или постоянные упоры, взаимодействующие с конечными выключателями или рычагами управления распределителями. В процессе работы настройки системы не изменяются. Приводы главного движения и подачи работают независимо друг от друга [1].
Недостатком таких систем управления является отсутствие адаптации гидравлических цилиндров подачи силовых агрегатных головок к изменяющимся условиям механической обработки материалов на станке.
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 [2].
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.
В качестве прототипа принята адаптивная система управления подачей силовой агрегатной головки, содержащая в приводе главного движения измерительный преобразователь вращающего момента, выполненный в виде динамометрического привода (приводного торсиометра), который механической пружинно-реечной передачей связан с осевым регулирующим дросселем, установленным на сливе из гидравлического цилиндра подачи [3].
Анализ прототипа показывает, 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.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение точности настройки адаптивной системы управления гидравлическим цилиндром подачи силовой агрегатной головки станка для механической обработки материалов на заданный режим работы 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 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, причем 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.
Сравнение заявленной адаптивной системы управления гидравлическим цилиндром подачи силовой агрегатной головки станка для механической обработки с прототипом показывает, что имеет место наличие новых деталей и функциональных связей между ними.
Новые детали: измерительный преобразователь вращающего момента в виде расположенного в неподвижном коллекторе ротора, выполненного с возможностью соосного соединения с вращающейся частью электродвигателя привода вращения шпинделя силовой агрегатной головки;
корпус и подвижные упоры, размещенные в сквозной радиальной расточке ротора преобразователя с возможностью регулировки заданного положения корпуса в расточке посредством винтов, расположенных в крышках радиальной расточки ротора;
два сопла с измерительными камерами, расположенные в корпусе соосно навстречу друг другу с возможностью регулировки осевого положения, между которыми размещена подпружиненная с двух сторон подвижная инерционная заслонка, а с другой стороны сопел установлены постоянные дроссели;
сопла и постоянные дроссели, соединенные 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.
Новые функциональные связи: измерительный преобразователь вращающего момента в виде расположенного в неподвижном коллекторе ротора, соосно соединенного с вращающейся частью электродвигателя привода вращения шпинделя, обеспечивает высокую чувствительность и точность настройки адаптивной системы управления на заданный режим работы силовой агрегатной головки и расширение технических возможностей системы управления, так как позволяет точно оценить изменение момента сопротивления вращению шпинделя силовой агрегатной головки по изменению угловой скорости вращающейся части электродвигателя;
корпус и подвижные упоры, размещенные в сквозной радиальной расточке ротора, обеспечивают возможность точной установки и фиксации заданного положения корпуса в расточке посредством винтов,
расположенных в крышках радиальной расточки, что определяет чувствительность и контролируемый диапазон изменения параметров обработки материалов на станке;
сопла и постоянные дроссели, соединенные 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, преобразуют входной сигнал в виде изменения угловой скорости вращающейся части электродвигателя в сигнал управления в виде разности давлений рабочей среды под торцами подвижного элемента осевого регулирующего дросселя; мостовая схема соединения сопел и постоянных дросселей обеспечивает максимальную чувствительность и точность работы измерительного преобразователя вращающего момента.
Наличие новых деталей и функциональных связей между ними повышает точность настройки адаптивной системы управления гидравлическим цилиндром подачи силовой агрегатной головки станка для механической обработки материалов на заданный режим работы и расширяет технические возможности упомянутой системы управления за счет настройки силовых и скоростных параметров резания в широких диапазонах.
На фиг. 1 показана конструктивная схема силовой агрегатной головки станка для механической обработки с адаптивной системой управления гидравлическим цилиндром подачи в исходном положении, до настройки на заданный режим работы.
Адаптивная система управления гидравлическим цилиндром 1 подачи силовой агрегатной головки станка для механической обработки содержит измерительный преобразователь 2 вращающего момента, выполненный с возможностью соединения с электродвигателем 3 привода вращения шпинделя 4 упомянутой головки и связанный с осевым регулирующим дросселем 5. Упомянутый дроссель выполнен с управляющими 6, 7 и управляемой 8 полостями с возможностью соответствующего соединения управляемой полости с упомянутым гидравлическим цилиндром и через панель 9 управления с насосной станцией 10 с возможностью управления скоростью гидравлического цилиндра подачи.
Измерительный преобразователь вращающего момента выполнен в виде расположенного в неподвижном коллекторе 11 ротора 12, выполненного с возможностью соосного соединения с вращающейся частью упомянутого электродвигателя. В сквозной радиальной расточке ротора размещены корпус 13 и подвижные упоры 14 и 15, установленные с возможностью регулировки заданного положения корпуса в расточке посредством винтов 16 и 17, расположенных в крышках 18 и 19 радиальной расточки ротора. В корпусе расположены соосно навстречу друг другу с возможностью регулировки осевого положения сопла 20 и 21 с измерительными камерами 22 и 23, между которыми размещена подпружиненная с двух сторон подвижная инерционная заслонка 24, а с другой стороны сопел установлены постоянные дроссели 25 и 26. Сопла и постоянные дроссели соединены по мостовой схеме, в которой полости корпуса перед постоянными дросселями соединены линией 27 подвода рабочей среды с упомянутой панелью управления, полость 28 корпуса между соплами соединена с линией 29 отвода рабочей среды, а измерительные камеры сопел соединены управляющими линиями 30 и 31 с упомянутыми управляющими полостями, расположенными под торцами подвижного элемента 32 осевого регулирующего дросселя.
Измерительный преобразователь вращающего момента имеет радиальную ось чувствительности X-X,
Адаптивная система управления гидравлическим цилиндром подачи силовой агрегатной головки станка для механической обработки работает следующим образом.
Цикл работы силовой головки настраивают установкой в заданное положение упоров и конечных выключателей, управляющих работой направляющих гидравлических аппаратов (на фиг. 1 не показаны), размещенных в панели 9, реализуется управление «по пути».
Частота вращения шпинделя 4 головки не регулируется и определяется частотой вращения вала электродвигателя 3. При увеличении момента сопротивления на шпинделе угловая скорость вращающейся части электродвигателя уменьшается.
Скорости холостых ходов силовой головки при подводе инструмента к заготовке и при отводе инструмента в исходное положение настраивают путем регулирования расхода рабочей среды, подводимого к гидравлическому цилиндру 1 подачи и отводимого от него на слив через осевой регулирующий дроссель 5.
Давление рабочей среды в линии питания цилиндра от насосной станции 10 ограничивают настройкой предохранительного клапана (на фиг. 1 не показан), размещенного в панели 9 управления.
Предварительная настройка измерительного преобразователя вращающего момента включает в себя два этапа.
Первый этап предусматривает установку подвижной инерционной заслонки 24 в геометрическом центре корпуса 13, для чего одновременно регулируют положение сопел 20 и 21 вдоль оси чувствительности X-X и предварительный натяг центрирующих пружин. Зазоры между торцами сопел и заслонки должны быть одинаковыми.
Масса заслонки и силы пружин определяют чувствительность измерительного преобразователя. Эту настройку можно производить вне ротора 12.
Второй этап предусматривает установку геометрического центра корпуса 13 в радиальной расточке ротора преобразователя на некотором заданном расстоянии от оси вращения, для чего винтами 16 и 17 устанавливают и контргайками фиксируют положение подвижных упоров 14 и 15. Величина настроенного эксцентриситета определяет чувствительность измерительного преобразователя. Изменяя эксцентриситет, можно настраивать преобразователь на различные диапазоны измерения вращающего момента.
При работе головки рабочая среда от насосной станции через панель управления поступает в поршневую (левую) полость гидравлического цилиндра подачи, а из штоковой (правой) полости отводится на слив в бак. Подвижная силовая головка вместе с корпусом цилиндра перемещается справа налево.
Для работы измерительного преобразователя рабочая среда из линии 27 подвода через коллектор 11 поступает через постоянные дроссели 25 и 26 в измерительные камеры 22 и 23 сопел, а затем, пройдя сопротивления в виде зазоров между торцами сопел и инерционной заслонки, из полости 28 корпуса по линии 29 отвода рабочей среды сливается в бак.
При вращении ротора преобразователя, соединенного с вращающейся частью электродвигателя возникает центробежная сила инерции, направленная вдоль оси чувствительности X-X. Центробежная сила инерции пропорциональна массе заслонки, величине настроенного эксцентриситета и квадрату угловой скорости ротора преобразователя.
Под действием этой силы инерционная заслонка смещается и изменяет гидравлические сопротивления зазоров между ее торцами и торцами сопел.
Если сопротивление истечению рабочей среды из сопла 20 увеличивается, а из сопла 21 уменьшается, то давление в измерительной камере 22 возрастает, а давление в камере 23 уменьшается. Возникающая разность давлений используется как управляющий сигнал в управляющих полостях 6 и 7 под торцами подвижного элемента 32 осевого регулирующего дросселя.
В предлагаемой системе управления осевой регулирующий дроссель может быть выполнен в виде четырехщелевого золотникового распределителя с пружинным центрированием, как это показано на фиг. 1.
Под действием разности давлений в управляющих линиях 30 и 31 ив управляющих полостях 6 и 7 подвижный элемент осевого регулирующего дросселя смещается влево, устанавливая проходные сечения щелей подвода и отвода рабочей среды, соответствующие скорости холостых ходов силовой агрегатной головки.
При увеличении момента сопротивления вращению на шпинделе частота вращения ротора и сила инерции уменьшаются, заслонка смещается в сторону сопла 21. Это нарушает равновесие сил на подвижном элементе осевого регулирующего дросселя, он смещается вправо, устанавливая проходные сечения щелей, соответствующие скорости рабочей подачи.
В дальнейшем любое изменение момента сопротивления вращению шпинделя силовой агрегатной 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 на станке рабочая среда от насосной станции через панель управления подается в штоковую (правую) полость гидравлического цилиндра, а из поршневой (левой) полости отводится на слив в бак. Силовая головка возвращается в исходное положение. Далее, обычно, цикл работы повторяется.
Повышение точности настройки адаптивной системы управления гидравлическим цилиндром подачи силовой агрегатной головки станка для механической обработки на заданный режим работы и расширение технических возможностей упомянутой системы управления достигается за счет использования величины вращающего момента электродвигателя привода вращения шпинделя головки для управления гидравлическим цилиндром подачи, что осуществляется посредством измерительного преобразователя типа сопло-заслонка и осевого регулирующего дросселя.
Источники информации, принятые во внимание
1. Свешников В.К., Усов А.А. Станочные гидроприводы: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1988. - С. 191, рис. 5.38, С. 288-289, рис. 7.8.
2. 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.
3. 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 (прототип).