УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ НЕКРУГЛЫХ ДЕТАЛЕЙ
DEVICE FOR TURNING NONCIRCULAR PARTS

Предлагаемое устройство относится к электромеханике и может быть использовано для токарной обработки серийных некруглых деталей.
Известно устройство для прогнозирования и управления точностью токарной обработки деталей на оборудовании с ЧПУ (Патент РФ №2386519, 20.04.2010, бюл. №11). В устройстве, предназначенном для обработки круглых в поперечном сечении деталей, в дискретные моменты времени, задаваемые отметчиком угла поворота шпинделя, в процессе обработки с помощью оптических датчиков фиксируются смещения детали в направлении глубины резания и смещения планшайбы передней бабки. Получаемые результаты позволяют рассчитывать в соответствующих дискретных точках отклонение радиуса детали от заданного системой ЧПУ значения, при этом в случае выхода радиального размера обрабатываемой детали в указанных точках из пределов заданных допусков, в компьютерной системе формируются программа коррекции и корректирующий сигнал управления. При обработке следующей детали в указанных точках с помощью соответствующих исполнительных гидромеханизмов проводится коррекция положения резца и задней бабки с целью восстановления радиального размера до заданного допусками уровня.
Известное устройство имеет недостатки.
Устройство работает при относительно малых, дополнительных по отношению к заданному ЧПУ положению, корректирующих перемещениях резца. При этом перемещения резца при коррекции смещения детали медленные, еще медленнее эти перемещения при коррекции тепловых смещений шпиндельного узла и детали. В тоже время при точении некруглых деталей типа поршней, объемных некруглых копиров, кулачков и пр. резец должен совершать минимум одно возвратно-поступательное движение на один оборот детали, причем ход резца может достигать 1 мм и более при высокой точности реализации заданной траектории движения. Для выполнения указанных требований в алгоритме управления приводом перемещения резца и в программе коррекции следует учитывать динамические характеристики привода при обеспечении необходимого для реализации заданной некруглости диапазона перемещений, чего нет в известном устройстве. Кроме того, случайные воздействия в устройстве, в том числе заметные случайные составляющие в биениях планшайбы, детали и др. будут участвовать в формировании корректирующего сигнала и могут снизить точность не только обрабатываемой в данный момент детали, но и последующих деталей.
Известно также устройство для повышения точности токарной обработки некруглых деталей, патент РФ №2293010, опубл. БИПМ №4, 10.02.2007 (прототип), содержащее электропривод перемещения режущего инструмента в направлении глубины резания, датчик перемещения режущего инструмента в направлении глубины резания, датчик угла поворота шпинделя, датчик перемещения оси детали в направлении глубины резания, датчик продольного перемещения режущего инструмента, датчик угловой скорости вращения детали, блок задания формы детали, последовательно соединенный через первый вход первого сумматора со входом электропривода перемещения режущего инструмента в направлении глубины резания, второй и третий сумматоры, первый, второй, третий, четвертый, пятый буферные регистры, запоминающее устройство. При этом выход датчика угла поворота шпинделя соединен с младшими разрядами входа блока задания формы детали, выход датчика продольного перемещения режущего инструмента соединен со старшими разрядами входа блока задания формы детали, вход блока задания формы детали соединен со входом первого буферного регистра и одновременно через первый вход третьего сумматора со входом третьего буферного регистра, выходы первого и третьего буферных регистров соединены с адресным входом запоминающего устройства, шина данных которого одновременно соединена со входами второго, четвертого буферных регистров и выходом пятого буферного регистра, вход которого подключен к выходу второго сумматора, первый вход второго сумматора подключен к выходу блока задания формы детали, второй вход второго сумматора соединен с выходом датчика перемещения режущего инструмента в направлении глубины резания, третий вход второго сумматора соединен с выходом датчика перемещения оси детали в направлении глубины резания, четвертый вход второго сумматора соединен с выходом четвертого буферного регистра, выход второго буферного регистра подключен ко второму входу первого сумматора, а выход датчика угловой скорости вращения детали соединен со вторым входом третьего сумматора.
Упомянутое устройство предназначено для точения серийных некруглых деталей типа поршней, кулачков, деталей с отверстиями, продольными канавками и других деталей, для которых характерно прерывистое точение. Устройство работает на основе принципа самообучения, учитывающего динамические характеристики электропривода перемещения режущего инструмента при обеспечении необходимого диапазона перемещений и позволяет свести к минимуму систематические, повторяющиеся от детали к детали ошибки формы, определяемые различными воздействиями, в том числе систематическими составляющими перемещения оси вращения детали в направлении глубины резания.
Устройство имеет недостатки. Перемещения оси вращения детали в направлении глубины резания, кроме систематических, от детали к детали, составляющих, имеют в своем составе значительные по амплитуде случайные составляющие, определяемые несовершенством шпиндельного узла, вибрациями станка в целом и другими причинами. В результате попадание случайного сигнала в контур самообучения устройства приводит к формированию в корректирующем сигнале нежелательной случайной составляющей, приводящей к снижению точности реализации заданной формы на последующих деталях. Кроме того, эти случайные составляющие искажают форму обрабатываемой в данный момент детали, снижая тем самым и ее точность.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в снижении ошибок формообразования при токарной обработке некруглых деталей. Этого снижения можно достигнуть, если при сохранении преимущества системы с самообучением, в которой минимизируются систематические, от детали к детали, составляющие ошибок по положению электропривода, непосредственно воздействовать на резец в зависимости от любых перемещений оси вращения детали в направлении глубины резания.
Поставленная задача решается тем, что известное устройство, содержащее электропривод, резцедержатель с режущим инструментом, датчик угла поворота шпинделя, датчик перемещения оси вращения детали в направлении глубины резания, датчик продольного перемещения режущего инструмента, датчик угловой скорости вращения детали, блок задания формы детали, последовательно соединенный через первый вход первого сумматора со входом электропривода, второй и третий сумматор, первый, второй, третий, четвертый, пятый буферные регистры, запоминающее устройство, причем выход датчика угла поворота шпинделя соединен с младшими разрядами входа блока задания формы детали, выход датчика продольного перемещения режущего инструмента соединен со старшими разрядами входа блока задания формы детали, вход блока задания формы детали соединен со входом первого буферного регистра и одновременно через первый вход третьего сумматора со входом третьего буферного регистра, выходы первого и третьего буферных регистров соединены с адресным входом запоминающего устройства, выполненного с возможностью записи по адресам корректирующего сигнала, шина данных запоминающего устройства одновременно соединена со входами второго, четвертого буферных регистров и выходом пятого буферного регистра, вход которого подключен к выходу второго сумматора, первый вход второго сумматора подключен к выходу блока задания формы детали, второй вход второго сумматора соединен с выходом четвертого буферного регистра, выход второго буферного регистра подключен ко второму входу первого сумматора, выход датчика угловой скорости вращения детали соединен со вторым входом третьего сумматора, дополнительно снабжено датчиком перемещения электропривода в направлении глубины резания, пьезоприводом и блоком суммирования линейных перемещений, причем вход пьезопривода соединен с выходом датчика перемещения оси вращения детали в направлении глубины резания, выход пьезопривода соединен с первым входом блока суммирования линейных перемещений, выход электропривода соединен со вторым входом блока суммирования линейных перемещений, выход датчика перемещения электропривода в направлении глубины резания соединен с третьим входом второго сумматора, а выход блока суммирования линейных перемещений соединен с резцедержателем.
На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит электропривод 1, резцедержатель 2 с режущим инструментом, датчик 4 угла поворота шпинделя, датчик 5 перемещения оси вращения детали 6 в направлении глубины резания, датчик 7 продольного перемещения режущего инструмента, датчик 8 угловой скорости вращения детали 6, блок 9 задания формы детали, последовательно соединенный через первый вход первого сумматора 10 со входом электропривода 1, второй 11 и третий 12 сумматоры, первый 13, второй 14, третий 15, четвертый 16, пятый 17 буферные регистры, запоминающее устройство 18, причем выход датчика 4 угла поворота шпинделя соединен с младшими разрядами входа блока 9 задания формы детали, выход датчика 7 продольного перемещения режущего инструмента соединен со старшими разрядами входа блока 9 задания формы детали, вход блока 9 задания формы детали соединен со входом первого буферного регистра 13 и одновременно через первый вход третьего сумматора 12 со входом третьего буферного регистра 15, выходы первого 13 и третьего 15 буферных регистров соединены с адресным входом запоминающего устройства 18, выполненного с возможностью записи по адресам корректирующего сигнала, шина данных запоминающего устройства 18 одновременно соединена со входами второго 14, четвертого 16 буферных регистров и выходом пятого буферного регистра 17, вход которого подключен к выходу второго сумматора 11, первый вход второго сумматора 11 подключен к выходу блока 9 задания формы детали, второй вход второго сумматора 11 соединен с выходом четвертого буферного регистра 16, выход второго буферного регистра 14 подключен ко второму входу первого сумматора 10, выход датчика 8 угловой скорости вращения детали соединен со вторым входом третьего сумматора 12. Кроме того, оно дополнительно снабжено датчиком 3 перемещения электропривода 1 в направлении глубины резания, пьезоприводом 20 и блоком 19 суммирования линейных перемещений, причем вход пьезопривода 20 соединен с выходом датчика 5 перемещения оси вращения детали в направлении глубины резания, выход пьезопривода 20 соединен с первым входом блока 19 суммирования линейных перемещений, выход электропривода 1 соединен со вторым входом блока 19 суммирования линейных перемещений, выход датчика 3 перемещения электропривода 1 в направлении глубины резания соединен с третьим входом второго сумматора 11, а выход блока 19 суммирования линейных перемещений соединен с резцедержателем 2.
Устройство работает следующим образом.
Сигнал задания формы в соответствии с чертежом наружной поверхности детали формируется на каждом адресе адресного пространства на выходе блока 9 задания формы детали, в зависимости от выходных сигналов датчика 7 продольного перемещения режущего инструмента и датчика 4 угла поворота шпинделя. Эти сигналы подаются соответственно, на старшие и младшие разряды блока 9 задания формы детали. При точении очередной детали к выходному сигналу блока 9 задания формы детали в начале каждого текущего адреса в первом сумматоре 10 прибавляется корректирующий сигнал с выхода второго буферного регистра 14, сформированный в запоминающем устройстве 18 при точении предыдущей детали. Этот корректирующий сигнал направлен на снижение систематической составляющей ошибок по перемещению электропривода 1, вызываемых его ограниченным быстродействием.
При точении первой детали корректирующий сигнал по всем адресам адресного пространства равен нулю. Считывание текущего значения корректирующего сигнала с запоминающего устройства 18 и передача его с шины данных последнего на выход второго буферного регистра 14 в начале каждого текущего адреса происходит одновременно с передачей со входа первого буферного регистра 13 на адресный вход запоминающего устройства 18 текущего значения адресного кода, формируемого выходными сигналами датчика 4 угла поворота шпинделя и датчика 7 продольного перемещения режущего инструмента.
После считывания текущего значения корректирующего сигнала в последующий момент времени по более раннему, чем текущий, адресу адресного пространства запоминающего устройства 18 через третий буферный регистр 15 происходит считывание находящихся в памяти запоминающего устройства 18 данных и передача их с шины данных последнего на выход четвертого буферного регистра 16. Смещение адреса в сторону более раннего осуществляется на третьем сумматоре 12, а величина смещения пропорциональна значению выходного сигнала датчика 8 угловой скорости вращения детали. И, наконец, на последнем временном интервале по указанному выше более раннему, чем текущий, адресу в запоминающее устройство 18 с выхода второго сумматора 11 через пятый буферный регистр 17 записывается значение корректирующего сигнала для последующей детали.
Описанные процедуры, осуществляемые на трех последовательных временных интервалах управления элементами структурной схемы, представленной на чертеже, повторяются на каждом текущем адресе адресного пространства, формируемого на входе блока 9 задания формы детали.
Таким образом, по окончании точения очередной детали в запоминающем устройстве 18 по всем адресам его адресного пространства будут записаны значения корректирующего сигнала, которые будут использованы при точении следующей детали. При этом собственно значения корректирующего сигнала по каждому адресу будут определены в зависимости от текущих значений ошибок по положению электропривода 1, выявленных в процессе точения и полученных на выходе второго сумматора 11.
Работа элементов, включенных дополнительно, в соответствии со структурной схемой устройства, осуществляется следующим образом.
При токарной обработке форма детали зависит от траектории движения резца и перемещения оси вращения детали в направлении глубины резания.
В устройстве согласно принципу самообучения, от детали к детали, систематическая составляющая ошибки по положению электропривода 1 стремится к своему минимальному значению. Резцедержатель 2 перемещается одновременно под действием электропривода 1 и пьезопривода 20 посредством суммирования их перемещений в направлении глубины резания в блоке суммирования линейных перемещений 19. А так как перемещение пьезопривода 20 пропорционально перемещению оси вращения детали в направлении глубины резания, контролируемому датчиком 5, то ошибка формы, вызванная перемещениями оси вращения, обрабатываемой в данный момент детали и всех последующих деталей будет минимальна. При этом и систематические, и случайные составляющие перемещений оси вращения детали в направлении глубины резания компенсируются непосредственно перемещениями резцедержателя 2 через блок суммирования линейных перемещений 19 с помощью пьезопривода 20 и не оказывают влияние на систему самообучения, в отличие от прототипа.
Таким образом, заявляемое устройство повысит точность токарной обработки серийных некруглых деталей типа поршней, кулачков, некруглых объемных копиров и пр. на станках, не оборудованных высокоточными и, соответственно, дорогостоящими шпиндельными узлами. Кроме того, будет снижено влияние вибраций станка в целом на точность обработки и, следовательно, можно будет повысить скорость обработки, т.е. производительность.