АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ЦИЛИНДРОМ ПОДАЧИ СИЛОВОЙ ГОЛОВКИ АГРЕГАТНОГО СТАНКА

Полезная модель относится к оборудованию машиностроительных производств и может быть использована в силовых головках агрегатных станков.
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 гидравлическим двигателем привода поступательного движения рабочего органа металлорежущего станка, содержащая источник питания и золотниковый регулятор расхода жидкости с управляющими и управляемой полостями, выполненный с возможностью соответствующего соединения с упомянутым гидравлическим двигателем, при этом упомянутые управляющие полости подключены к диагонали мостовой схемы, образованной постоянными и переменными гидравлическими сопротивлениями, система управления снабжена гидравлическим распределителем, включенным между источником питания и золотниковым регулятором, и редукционным клапаном, подключенным между источником питания и входами постоянных гидравлических сопротивлений, при этом переменные сопротивления мостовой схемы выполнены в виде размещенных в цилиндрической расточке корпуса разнонаправленных сопел и расположенной между ними подпружиненной инерционной заслонки с возможностью фиксации мостовой схемой ускорения движения рабочего органа станка, причем упомянутый корпус выполнен с возможностью закрепления на упомянутом рабочем органе станка с расположением оси расточки по направлению движения рабочего органа [2].
Недостатком системы является то, что она управляет гидравлическим цилиндром подачи рабочего органа станка только при действии линейного ускорения, а в статике сигнал управления отсутствует. Это не обеспечивает адаптацию гидравлического двигателя привода поступательного движения рабочего органа металлорежущего станка к изменяющимся условиям обработки материалов.
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, 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 [3].
Анализ прототипа показывает, что из-за наличия большого количества регулируемых элементов система управления не обеспечивает точность настройки на заданный режим работы, имеет сложную конструкцию и ограниченные технические возможности.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является повышение точности настройки адаптивной системы управления гидравлическим цилиндром подачи силовой головки агрегатного станка на заданный режим работы, упрощение конструкции и расширение технических возможностей упомянутой системы управления за счет настройки силовых и скоростных параметров обработки материалов в широких диапазонах.
Решение указанной задачи достигается тем, что ведущее звено упругой муфты выполнено в виде корпуса с фигурным крестообразным вырезом, образующим два выступа-заслонки, и с двумя соосными тангенциальными отверстиями, в которых установлены упругие элементы, посредством которых ведущее звено связано с ведомым звеном муфты, выполненным с фигурной крестообразной головкой с выступами, расположенной в упомянутом вырезе корпуса с возможностью поворота относительно него, при этом сопла измерительного преобразователя однонаправлено установлены с возможностью регулирования осевого положения в диаметрально расположенных тангенциальных отверстиях упомянутой головки с образованием упомянутых переменных дросселей с выступами-заслонками корпуса в виде зазоров для прохода рабочей среды в линию отвода, причем упомянутые упругие элементы установлены по обеим сторонам выступа фигурной крестообразной головки с возможностью регулирования их предварительного натяга.
Сравнение заявленной адаптивной системы управления гидравлическим цилиндром подачи силовой головки агрегатного станка с прототипом показывает, что имеет место наличие новых деталей и функциональных связей между ними.
Новые детали: ведущее звено упругой муфты, выполненное в виде корпуса с фигурным крестообразным вырезом, образующим два выступа-заслонки, и с двумя соосными тангенциальными отверстиями;
упругие элементы, посредством которых ведущее звено упругой муфты связано с ведомым звеном, установленные в соосных тангенциальных отверстиях корпуса ведущего звена по обеим сторонам выступа фигурной крестообразной головки ведомого звена, с возможностью регулирования их предварительного натяга;
ведомое звено упругой муфты, выполненное с фигурной крестообразной головкой с выступами, расположенной в крестообразном вырезе корпуса ведущего звена с возможностью поворота относительно него;
сопла измерительного преобразователя, однонаправлено установленные с возможностью регулирования осевого положения в диаметрально расположенных тангенциальных отверстиях упомянутой головки ведомого звена с образованием переменных дросселей с выступами-заслонками корпуса ведущего звена в виде зазоров для прохода рабочей среды в линию отвода рабочей среды.
Новые функциональные связи: ведущее звено упругой муфты, которое имеет корпус с фигурным крестообразным вырезом с двумя выступами-заслонками, и ведомое звено муфты с фигурной крестообразной головкой, в которой установлены с возможностью регулирования осевого положения два однонаправленных сопла, образуют переменные дроссели мостовой схемы измерения вращающего момента;
регулируемые упругие элементы передают вращающий момент с ведущего звена на ведомое и являются чувствительными элементами измерительного преобразователя, реагирующими на изменения момента сопротивления вращению шпинделя силовой головки;
сопла и постоянные дроссели, соединенные по мостовой схеме, преобразуют входной сигнал в виде изменения момента сопротивления вращению шпинделя силовой головки 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;
сокращение числа деталей упрощает конструкцию системы управления и ее настройку на заданный режим работы.
Наличие новых деталей и функциональных связей между ними повышает точность настройки адаптивной системы управления гидравлическим цилиндром подачи силовой головки агрегатного станка на заданный режим работы, упрощает конструкцию системы управления и расширяет ее технические возможности за счет настройки параметров обработки материалов на станке в широких диапазонах.
На фиг. 1 показана конструктивная схема адаптивной системы управления гидравлическим цилиндром подачи силовой головки агрегатного станка, а на фиг. 2 - сечение А-А измерительного преобразователя с механизмом преобразования вращающего момента в гидравлический сигнал.
Адаптивная система управления гидравлическим цилиндром 1 подачи силовой головки агрегатного станка содержит упругую муфту с ведущим 2 и ведомым 3 звеньями, выполненную с возможностью установки на шпинделе 4 силовой головки, осевой регулирующий дроссель 5 и измерительный преобразователь вращающего момента в гидравлический сигнал управления скоростью подачи гидравлического цилиндра. Измерительный преобразователь выполнен с возможностью соединения с вращающейся частью электродвигателя 6 привода вращения шпинделя силовой головки и связан посредством управляющих линий 7 и 8 с управляющими полостями 9 и 10, расположенными под торцами подвижного элемента 11 осевого регулирующего дросселя. Управляемые полости 12 и 13 осевого регулирующего дросселя имеют возможность соединения с соответствующими полостями 14 и 15 гидравлического цилиндра подачи и посредством линий подвода 16 и отвода 17 через панель 18 управления с насосной станцией 19.
Измерительный преобразователь включает в себя два сопла 20 и 21 с измерительными камерами 22 и 23, а также два постоянных дросселя 24 и 25, соединенных по мостовой схеме, в которой постоянные дроссели с одной стороны последовательно соединены с входами упомянутых измерительных камер соответствующих сопел, а с другой стороны соединены между собой и с линией 26 подвода рабочей среды от панели управления. Выходы сопел гидравлически связаны между собой с возможностью взаимодействия истекающей из них рабочей среды с заслонкой, образующей с соплами переменные дроссели, соединенные своими выходами с линией отвода рабочей среды, а упомянутые управляющие линии, подключенные к управляющим полостям осевого регулирующего дросселя, соединены через неподвижный коллектор 27 с измерительными камерами сопел. Соединения линий подвода и отвода к мостовой схеме, и упомянутые соединения управляющих линий с измерительными камерами сопел образуют соответствующие диагонали мостовой схемы.
Ведущее звено упругой муфты выполнено в виде корпуса с фигурным крестообразным вырезом, образующим два выступа-заслонки 28 и 29, и с двумя соосными тангенциальными отверстиями, в которых установлены упругие элементы 30 и 31, посредством которых ведущее звено связано с ведомым звеном муфты, выполненным с фигурной крестообразной головкой 32 с выступами, расположенной в фигурном крестообразном вырезе корпуса с возможностью поворота относительно него. Сопла измерительного преобразователя однонаправлено установлены с возможностью регулирования осевого положения в диаметрально расположенных тангенциальных отверстиях фигурной крестообразной головки ведомого звена муфты с образованием переменных дросселей с выступами-заслонками корпуса в виде зазоров для прохода рабочей среды в корпус силовой головки и далее в линию 33 отвода. Упругие элементы установлены по обеим сторонам выступа фигурной крестообразной головки с возможностью регулирования их предварительного натяга.
Адаптивная система управления гидравлическим цилиндром подачи силовой головки агрегатного станка 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 18 управления, при этом реализуется управление «по пути».
Частота вращения шпинделя 4 силовой головки не регулируется и определяется частотой вращения вала электродвигателя 6 и передаточным отношением пары зубчатых колес.
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. Для этого производится регулировка пружин в управляющих полостях 9 и 10 дросселя.
Давление рабочей среды в линии питания цилиндра от насосной станции 19 ограничивают настройкой предохранительного клапана (на фиг. 1 не показан), размещенного в панели управления.
Предварительная настройка измерительного преобразователя вращающего момента включает в себя два этапа.
Первый этап предусматривает регулировку зазоров между торцами сопел 20, 21 и поверхностями выступов-заслонок 28, 29. Для этого сопла перемещают в осевом направлении в тангенциальных отверстиях ведомого звена 3 упругой муфты. Настраиваемые величины зазоров определяют чувствительность измерительного преобразователя и должны быть одинаковыми.
Второй этап предусматривает регулировку предварительного натяга упругих элементов 30 и 31, установленных в соосных тангенциальных отверстиях ведущего звена 2 упругой муфты. Предварительный натяг упругих элементов определяет величину вращающего момента на холостом ходу работы силовой головки.
Для работы измерительного преобразователя рабочая среда из линии 26 подвода через постоянные дроссели 24, 25 и коллектор 27 поступает в измерительные камеры 22 и 23 сопел, а затем, пройдя сопротивления в виде зазоров между торцами сопел и поверхностями выступов-заслонок 28 и 29, поступает в корпус силовой головки и по линии 33 отвода рабочей среды сливается в бак.
При работе силовой головки рабочая среда от насосной станции через панель управления и осевой дроссель поступает в поршневую полость 15 гидравлического цилиндра подачи, а из штоковой полости 14 отводится на слив в бак. Силовая головка вместе с корпусом цилиндра перемещается справа налево.
При увеличении момента сопротивления вращению шпинделя силовой головки происходит относительный поворот звеньев упругой муфты, что приводит к изменению гидравлических сопротивлений зазоров между торцами сопел и поверхностями выступов-заслонок.
Если сопротивление истечению рабочей среды из сопла 20 уменьшается, а из сопла 21 увеличивается, то давление в измерительной камере 22 уменьшается, а давление в камере 23 увеличивается. Под действием разности давлений в управляющих линиях 7 и 8 диагонали моста и в управляющих полостях 9 и 10 подвижный элемент осевого регулирующего дросселя смещается вправо, устанавливая проходные сечения щелей в управляемых полостях подвода 13 и отвода 12 рабочей среды, соответствующие скорости рабочей подачи гидравлического цилиндра силовой головки.
В предлагаемой системе управления осевой регулирующий дроссель может быть выполнен в виде четырехщелевого золотникового распределителя с пружинным центрированием, как это показано на фиг. 1.
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 на станке рабочая среда от насосной станции через панель управления подается в штоковую полость гидравлического цилиндра, а из поршневой полости отводится на слив в бак. Силовая головка возвращается в исходное положение. Далее, обычно, цикл работы повторяется.
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. Патент РФ №198095 на полезную модель, B23Q 15/12, B23Q 5/06, 2019.
3. Патент РФ №199898 на полезную модель, B23Q 15/12, B23Q 5/06, 2020 (прототип).